基于水动力模型的城市老城区内涝风险分析与改造评估

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我国很多城市由于极端天气频发不断地被强暴雨袭击,造成严重的城市内涝。内涝灾害已经成为我国城市面临的普遍性问题之一,不仅极大地影响了城市公共安全和经济社会的正常发展,还扰乱了城市居民的工作和生活秩序,从中也暴露出城市规划和建设中的问题。老旧小区由于排水系统建设年代久远,普遍存在建设标准低、管道淤积破损等问题,更加难以应对频发的内涝灾害。因此,研究老城区内涝风险具有重要意义和应用价值,可以为改善城市排水系统与快速城市化之间的矛盾、解决防洪排涝系统建设滞后等问题提供科学依据。本研究首先选取了典型滨海城市宁波市BL小区为研究对象,对研究区域管网展开了长期的在线监测。在监测期间仅有个别节点发生溢流,未出现明显排水不畅的现象。通过分析监测数据,液位的变化有早晚高峰的规律;雨天流量和液位的变化与降雨过程线显著相关,且液位与降雨的相关性沿拓扑关系从上游往下游不断上升。其次,本研究采用Infoworks ICM软件构建了研究区域的排水模型,并使用实测的降雨和流量数据对模型参数进行了率定和验证,获得的排水模型可靠性较高。使用模型模拟历史降雨事件下研究区域内的管网状况,包括管道超载、节点溢流和区域积水情况。模拟结果发现:两场历史降雨下研究区域内均有局部积水,且存在部分管道满流,这是下游管道逆坡引起的排水能力不足所导致。然后,本研究设置不同重现期的2h降雨为模拟情景进行模拟计算,定量分析了研究区内管网的现状运行情况。结果表明在不同重现期下研究区管网现状水力状况整体较差;溢流节点数和溢流量随降雨重现期的增大而增加;区域内管道存在大量逆坡是造成管网排水能力不足的主要原因。本研究以积水深度和积水时间为指标评估了研究区域的内涝风险,绘制了内涝风险图。评估结果表明:区域内涝风险在不同降雨重现期下的空间分布基本一致,各内涝风险等级的面积随降雨重现期增加明显增加;总体来看,内涝的中高风险地区多集中于研究区域的中南部低洼的道路上。此外,本研究对研究区域进行源头(海绵设施)和过程(管网)的模拟改造,量化分析了综合改造的内涝治理效果。模拟结果显示:在1a、3a、5a、10a、20a和50a一遇设计降雨下,综合风险面积分别减少了28.5%、23.7%、21.1%、17.0%、12.7%和7.6%。结果表明源头控制和管网改造可以有效防治研究区域的内涝灾害,并且对低重现期的内涝治理效果尤为显著。
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