倪若晨

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

合肥市局部區(qū)域雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析

倪若晨

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 安徽分院，安徽 合肥 230000)

對(duì)雨水管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，可以為減少城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)的決策依據(jù)。文章介紹了風(fēng)險(xiǎn)分析的理論和方法，根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)和模型模擬所能提供的技術(shù)支持，確定以節(jié)點(diǎn)超載功能系數(shù)和節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。以合肥市某區(qū)域雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃為例，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行雨水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)半定量研究，演示了雨水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的全過(guò)程。研究中使用的方法具有一定的通用性，有利于尋找切實(shí)有效的方法全面提高城市排水系統(tǒng)的安全性能。

風(fēng)險(xiǎn)分析；SWMM；雨水排水系統(tǒng)；合肥市

0 引 言

風(fēng)險(xiǎn)概念的提出只是近代的事。目前為大多數(shù)專家學(xué)者所接受的是風(fēng)險(xiǎn)三要素論,即風(fēng)險(xiǎn)是由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性和暴露性三要素共同作用而成[1]。

基于上述對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的理解,將城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定義為:在一定的城市區(qū)域內(nèi),由具有一定發(fā)生概率與強(qiáng)度的強(qiáng)降雨引起的城市地面積水的可能性與概率,它會(huì)造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)受損、包括交通在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、服務(wù)功能降低或喪失、城市環(huán)境受損以及一系列的社會(huì)問(wèn)題等[2]。

長(zhǎng)期以來(lái),由于缺乏對(duì)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的整理以及排水部門管理水平的限制,城市排水部門的管理者習(xí)慣通過(guò)直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)等主觀意識(shí)來(lái)管理排水系統(tǒng)中的各種風(fēng)險(xiǎn),不能有效指導(dǎo)雨水系統(tǒng)的良好運(yùn)行[3]。在此背景下,本文以合肥市進(jìn)行實(shí)例分析,利用模型對(duì)合肥市排水管網(wǎng)的排澇能力進(jìn)行評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 雨水管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析

1.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的選擇

本文風(fēng)險(xiǎn)分析研究的出發(fā)點(diǎn)在于預(yù)防或者降低內(nèi)澇的發(fā)生,因此,風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)建立在管網(wǎng)水力風(fēng)險(xiǎn)分析方面更易被理解和量化。水力風(fēng)險(xiǎn)的衡量指標(biāo)主要是管網(wǎng)因設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)考慮不足而引起的節(jié)點(diǎn)和管段的超載和洪災(zāi)表現(xiàn),由于排水管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)面臨著降雨的時(shí)變性、流量的可變性和延遲效應(yīng)等諸多問(wèn)題,水流狀況非常復(fù)雜,很難直接從流量上做出準(zhǔn)確判斷[4]。

本文根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的選擇原則[5]以及雨水排水系統(tǒng)的水力特性,選擇節(jié)點(diǎn)的功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和節(jié)點(diǎn)的積水持續(xù)時(shí)間來(lái)客觀地反映風(fēng)險(xiǎn)水平。對(duì)于系統(tǒng)整體而言,除了各個(gè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià),同時(shí)結(jié)合積水節(jié)點(diǎn)的比例來(lái)描述系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)水平,從而為風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算

考慮到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的易于量化原則,本文以節(jié)點(diǎn)的超載風(fēng)險(xiǎn)為例進(jìn)行研究。將管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)超載的臨界點(diǎn)視為雨水管網(wǎng)系統(tǒng)功能失效的開(kāi)始,一旦節(jié)點(diǎn)的水位超出下游管道管頂水深,系統(tǒng)的服務(wù)性能就開(kāi)始下降。

發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率計(jì)算公式為

P=Pro(hr>hg)

(1)

節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

其中,hg為與各節(jié)點(diǎn)相連的下游管道最大水深,即管徑,m;hr為雨水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際水深m;ho為雨水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)水深m。

由(2)式可知,對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)講,隨著水深的增加,功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增大,即功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值越大,說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)的超載程度越嚴(yán)重。本文在工程實(shí)例中主要以節(jié)點(diǎn)的功能風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合積水時(shí)間作為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)改變前后的管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)描述,以此驗(yàn)證本文在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面提出建議的可行性。

2 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 系統(tǒng)概化

研究區(qū)域面積約為64 hm2,位于合肥市主城區(qū)西南部,南依翡翠湖,北靠繁華大道,西接翡翠公園,東臨翡翠路,本文以該區(qū)域雨水管道系統(tǒng)為例進(jìn)行系統(tǒng)研究。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和地面標(biāo)高分布,將匯水區(qū)域劃分成94個(gè)匯水子區(qū)域,節(jié)點(diǎn)187個(gè),管渠187條,1個(gè)排放口。節(jié)點(diǎn)最小水深1.07/m,最大水深5.57 m。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)概化,本文的研究區(qū)域的節(jié)點(diǎn)和管道分布如圖1所示。模擬計(jì)算參數(shù)主要參考SWMM模型用戶手冊(cè)中的典型值[6]。將相應(yīng)模型參數(shù)輸入SWMM模擬軟件,設(shè)置相關(guān)的模擬選項(xiàng)后,即可對(duì)雨水管網(wǎng)在不同的降雨情境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬和風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖1 研究區(qū)域節(jié)點(diǎn)和管道圖示

2.2 風(fēng)險(xiǎn)量化

本文僅對(duì)已建管網(wǎng)進(jìn)行以自然為客體的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力做半定量研究,故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)不在此贅述。鑒于可利用的資料有限和評(píng)價(jià)的目的,對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)后果的量化,本文依靠雨水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功能風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)量化來(lái)反映系統(tǒng)整體的風(fēng)險(xiǎn)狀況。為了便于說(shuō)明,選擇的研究對(duì)象為J1～J45的主干管節(jié)點(diǎn)。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)水力狀況

采用降雨歷時(shí)為12 min,重現(xiàn)期為2 a,雨峰系數(shù)為0.33,不透水面積率為70%,無(wú)洼蓄不透水面積率為25%作為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)模擬,對(duì)節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步的分析和評(píng)價(jià)。

根據(jù)模擬結(jié)果選取各節(jié)點(diǎn)在模型運(yùn)行過(guò)程中的平均水深和某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)的最大水深,將兩者分別與超載水深和洪災(zāi)水深進(jìn)行比較分析,得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水深對(duì)比(圖2),從中可以直觀地看出研究區(qū)域排水系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水力狀況。在平均水深下幾乎沒(méi)有節(jié)點(diǎn)處于功能失效的狀態(tài),而從最大水深來(lái)看,幾乎所有節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)超載情況,少數(shù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)積水。由此可知,如果以平均水深代入(2)式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化,對(duì)于系統(tǒng)的考慮偏安全,而最大水深是從系統(tǒng)最不利情況考慮,故選擇最大水深計(jì)算節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

圖2 節(jié)點(diǎn)水深對(duì)比圖

2.2.2 節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)

由圖2的節(jié)點(diǎn)水深對(duì)比圖可知,節(jié)點(diǎn)的水力狀況只能簡(jiǎn)單地反映出各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大水深的變化情況和雨水排水系統(tǒng)的薄弱點(diǎn),要想更直觀地說(shuō)明在特定的降雨條件下雨水管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)變化情況,須得以節(jié)點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行功能風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。如前所述,可以通過(guò)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的計(jì)算方法得到系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(見(jiàn)(2)式),計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 各節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算表

2.2.3 節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間

本文采用節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間作為風(fēng)險(xiǎn)量化的另一標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)點(diǎn)超載狀態(tài)指某時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)的雨水排水量超過(guò)下游管段的排水能力造成雨水管壓力流的現(xiàn)象。此時(shí),市政雨水管網(wǎng)的排水能力受限,排水能力下降,因此可以將節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間作為雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)量化的判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)SWMM中研究區(qū)域雨水管網(wǎng)運(yùn)行模擬結(jié)果可知,在既定降雨情境下,該研究區(qū)域各主要節(jié)點(diǎn)的超載時(shí)間如表2所列。

表2 研究區(qū)域節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間 h

通過(guò)參考有關(guān)文獻(xiàn)[7-8]并且綜合分析本研究中SWMM模擬的節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間,劃分了四個(gè)節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間等級(jí)以便于雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),具體等級(jí)如表3所列。

表3 節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間等級(jí)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以既定降雨條件(t=120 min,P=2,r=0.33)為例,建立模糊數(shù)學(xué)模型,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則[9],應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法判定市政雨水排水管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),以此來(lái)辨別系統(tǒng)中哪些區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)較高,哪些區(qū)域相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較低,為制定相關(guān)措施提供理論依據(jù)。

(1) 評(píng)價(jià)對(duì)象。根據(jù)上述分析,由于雨水管網(wǎng)的復(fù)雜性,目前對(duì)于雨水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)狀況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定。參與評(píng)價(jià)的因素越多,則每一因素所占權(quán)重越小,最終會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果。因此本文選定因素構(gòu)造因素集

U={u1,u2}

(3)

其中,u1為節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);u2為節(jié)點(diǎn)超載持續(xù)時(shí)間。

(2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)集?？紤]人、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素,假設(shè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)按照“可忽略的風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)”四個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分。即

V={v1,v2,v3,v4}

(4)

其中,v1為可忽略的風(fēng)險(xiǎn);v2為低風(fēng)險(xiǎn);v3為中等風(fēng)險(xiǎn);v4為高風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 權(quán)重集。對(duì)于不同的評(píng)價(jià)目的以及不同的決策者而言,各因素對(duì)于目標(biāo)決策的重要程度有所不同。從減少內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的目的來(lái)看,節(jié)點(diǎn)功能風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越小、超載持續(xù)時(shí)間越短意味著風(fēng)險(xiǎn)越小。在這兩者中,考慮超載持續(xù)時(shí)間比節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)重要[10],建立代表各因素ui的重要性的權(quán)重集A=(0.45,0.55)。

(4) 評(píng)判矩陣。因素u1對(duì)四個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)為:

因素u2對(duì)四個(gè)等級(jí)的隸屬度函數(shù)為:

以節(jié)點(diǎn)10為例,u1=1.89,u2=0.27(數(shù)據(jù)為平均重現(xiàn)期為2 a時(shí)的模擬結(jié)果),將以上數(shù)據(jù)帶入隸屬度函數(shù)公式,得到

(4)

(5) 模糊綜合評(píng)判。依據(jù)綜合評(píng)價(jià)方法(·,+),得到B=(0.21,0.55,0.80,0.40)。根據(jù)最大隸屬度原則得到節(jié)點(diǎn)10的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)中等風(fēng)險(xiǎn)。

(6) 研究區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)重復(fù)步驟(4)、(5)得到研究區(qū)域在平均重現(xiàn)期2 a,降雨歷時(shí)120 min時(shí)主要節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),見(jiàn)表4所列。由此可以看出, 26.7%的節(jié)點(diǎn)處于中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),26.7%的節(jié)點(diǎn)屬于可忽略風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),46.6%屬于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表4 節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

2.4 風(fēng)險(xiǎn)圖

采用同主節(jié)點(diǎn)1～45相同的評(píng)價(jià)方法,得到區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),其中未發(fā)生超載的節(jié)點(diǎn)等級(jí)定為無(wú)風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)計(jì)算得到的各節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),繪制出本文研究區(qū)域在重現(xiàn)期2 a時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)圖,如圖3所示。由此可以直觀地看出,當(dāng)重現(xiàn)期為2 a時(shí),該地區(qū)的雨水管網(wǎng)超載情況:大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處于低風(fēng)險(xiǎn)以下等級(jí),少部分節(jié)點(diǎn)處于中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為0。

圖3 重現(xiàn)期2 a時(shí)風(fēng)險(xiǎn)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是為風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)計(jì)劃的制定和實(shí)施提供依據(jù)。本文針對(duì)雨水系統(tǒng)的特點(diǎn),將城市雨水管網(wǎng)運(yùn)行與風(fēng)險(xiǎn)分析方法相結(jié)合,確定了兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),分別是節(jié)點(diǎn)超載功能系數(shù)和節(jié)點(diǎn)超載時(shí)間。城市雨水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析部分依靠雨水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)水力狀況、功能風(fēng)險(xiǎn)以及超載時(shí)間對(duì)合肥市的內(nèi)澇致災(zāi)因子進(jìn)行量化,為項(xiàng)目全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù),具有一定的研究意義。

在下一步的研究工作中,可以考慮完善排水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng),加強(qiáng)管網(wǎng)監(jiān)控以及對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的模擬和風(fēng)險(xiǎn)分析研究,為管網(wǎng)安全運(yùn)行提供專業(yè)的技術(shù)支持。

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2016-10-21；修改日期：2016-10-26

倪若晨(1989-), 女, 安徽蚌埠人,碩士，中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分院助理工程師．

TU992.22

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1673-5781(2016)05-0711-04