傅 春,林國聰,黃金燕,黃慧敏,鄭抒晨,余 鑫,錢 偉

(1.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031; 2.南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330031)

近年來,隨著我國城市化的快速發(fā)展,不透水地表面積不斷增大,加上突發(fā)性暴雨等極端天氣頻發(fā),我國城市內(nèi)澇越來越嚴重[1]。雨水管網(wǎng)是排除地面雨水、防止城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的重要基礎(chǔ)設(shè)施,若雨水管網(wǎng)健康度低,則無法充分發(fā)揮應(yīng)有的排水能力和效率,影響城市正常的運行秩序和安全[2]。因此,雨水管網(wǎng)健康度研究對城市防澇排洪具有重要意義。健康度是指地下管道在規(guī)定的時間和條件下穩(wěn)定、持續(xù)地完成預(yù)定功能,且不對社會、經(jīng)濟、環(huán)境造成負面影響的能力,是表述管道綜合狀況好壞的指標(biāo)[3]。

目前國內(nèi)外普遍采用兩類方法對雨水管網(wǎng)健康度進行分析和評價。一類是通過對管道的實際檢測結(jié)果進行分析和評價,如林明波[4]采用閉路電視檢測(CCTV)技術(shù),借助聲納、潛望鏡、紅外線等探測設(shè)備,從管材、管徑、管齡3個方面對三八泵站上游片區(qū)污水管道進行了實地檢測與評估,從而掌握了管道運行的實際健康狀況;楊利偉等[5]根據(jù)CCTV檢測結(jié)果,基于層次分析法和遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了包含環(huán)境影響、排水能力、適應(yīng)及修復(fù)能力3個影響要素及管齡、維護管理水平等14個子指標(biāo)的健康狀況評估體系以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的污水管道系統(tǒng)健康狀況評估模型,該模型可為評估過程節(jié)省大量成本,但要實現(xiàn)較高的預(yù)測準確率需要大量的樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。另一類分析和評價方法是進行水力模型模擬并將結(jié)果作為評價指標(biāo),如馬晴晴等[6]發(fā)明了一種考慮設(shè)計偏離分析的雨水管網(wǎng)健康度評價方法,該方法基于暴雨洪水管理模型(SWMM)對實際管網(wǎng)數(shù)據(jù)建模,根據(jù)模擬結(jié)果與管網(wǎng)測繪數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含排水能力指標(biāo)與工程屬性指標(biāo)的多層次評價指標(biāo)體系,通過對指標(biāo)賦權(quán),利用逼近理想排序(TOPSIS)法進行信息融合來評價雨水管網(wǎng)健康度;袁浩[7]結(jié)合SWMM對目標(biāo)區(qū)域的多工況動態(tài)數(shù)值進行模擬,提出了排水系統(tǒng)健康度的評價方法和評價指標(biāo),將模型模擬結(jié)果作為評價雨水管網(wǎng)健康度的依據(jù)。

上述研究工作的開展極大地豐富了管網(wǎng)健康狀況的分析內(nèi)容,推動了管網(wǎng)健康狀況評估工作的發(fā)展。但是,相關(guān)研究大多選擇基于管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等物理屬性、現(xiàn)狀資料或依據(jù)模型模擬獲得排水能力等功能屬性結(jié)果,對管網(wǎng)健康狀況評價較為片面,對雨水管網(wǎng)自身管道結(jié)構(gòu)狀況和管網(wǎng)排水性能相結(jié)合的研究較少,同時很少關(guān)注社會環(huán)境因素[8]?？紤]到健康的管道應(yīng)是管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等物理屬性和服務(wù)功能等社會屬性的辯證統(tǒng)一[9],本文基于MIKE模型構(gòu)建了包含排水能力、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素和社會因素4大類綜合指標(biāo)的雨水管網(wǎng)健康度評價體系,并以洋沙湖鎮(zhèn)澇溪橋村地區(qū)為例,采用層次分析法來分析岳陽市湘陰縣在遇暴雨干擾時的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)健康度。

1 研究區(qū)概況和設(shè)計降雨

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省岳陽市湘陰縣洋沙湖鎮(zhèn)澇溪橋村,占地面積約3.06km2,雨水管網(wǎng)總管長為12.269km。該區(qū)東南部城市化程度較高,建筑密度相對較高,而西部城市化程度較低,建筑密度較低,地勢起伏較小,最大高程為58.71m,最低高程為39.56m。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫和,降水充沛,雨熱同期,四季分明。研究區(qū)降雨四季分布不均,暴雨汛期一般在4—9月,汛期年均降水量為929.9mm,占年總降水量的64.9%[10]。

研究區(qū)包含建筑用地、綠化用地、水源、道路用地、未利用地等5種土地利用類型(圖1),其中,未利用地包括裸露的巖石、荒地等路面,綠化用地包括路邊綠化、公園綠化等。

圖1 研究區(qū)土地利用類型

為了得到研究區(qū)內(nèi)的雨水徑流量,在MIKE URBAN軟件中采用時間-面積曲線模型[11]進行計算,將模型分為兩大模塊,即產(chǎn)流控制模塊和匯流控制模塊。

在產(chǎn)流控制模塊中,首先要設(shè)置不同的下墊面徑流系數(shù)?？紤]到雨水存在植被截留、填洼、下滲和蒸發(fā)等損失影響,參考金牧青[12]關(guān)于下墊面布局對降雨徑流的影響的研究及GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準》中不同地面徑流系數(shù)規(guī)定來確定不同類型下墊面的綜合徑流系數(shù),建筑用地、道路用地、未利用地、綠化用地、水源的綜合徑流系數(shù)分別為0.85、0.80、0.60、0.15、0。

在匯流控制模塊中,采用等流時線法來計算城市地表雨水匯流量[13]。

1.2 設(shè)計降雨

參考文獻[14],設(shè)計降雨雨型可利用芝加哥雨型合成而得,岳陽市的暴雨強度公式為

(1)

式中:q為暴雨強度;P為降雨重現(xiàn)期;t為降雨歷時。

在芝加哥雨型中,雨峰系數(shù)即為設(shè)定雨峰出現(xiàn)的時間段,由于岳陽市的實際降雨中雨峰位置位于1/3處,故雨峰系數(shù)設(shè)置為0.33[15],取1、3、5、10、20a共5種設(shè)計重現(xiàn)期,降雨歷時設(shè)置為常引起城市內(nèi)澇的短歷時降雨2h。因此,設(shè)計降雨過程如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨過程

2 基于MIKE模型的雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究區(qū)雨水管網(wǎng)的初始數(shù)據(jù)由湖南省規(guī)劃廳提供,包括檢查井底標(biāo)高、管底標(biāo)高、管徑與管長,為AutoCAD格式。管網(wǎng)數(shù)據(jù)首先由ArcGIS處理為節(jié)點和管道shp文件,然后導(dǎo)入MIKE URBAN軟件。降雨數(shù)據(jù)來自湖南省岳陽市氣象監(jiān)測站。地形數(shù)據(jù)是由ArcGIS提取AutoCAD格式節(jié)點高程后,創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表面,然后通過TIN轉(zhuǎn)柵格的工具獲得最終DEM柵格數(shù)據(jù)。

處理后,研究區(qū)雨水管道系統(tǒng)共有273個節(jié)點,其中10個為排水口;管道總數(shù)為263根,均為圓形管道,最大直徑為1200mm,最小直徑為300mm。

2.2 一維排水模型

將研究區(qū)內(nèi)收集的降水量和邊界條件引入MIKE URBAN軟件后,確定研究區(qū)雨水管道系統(tǒng)的拓撲關(guān)系,并利用系統(tǒng)自有泰森多邊形法將匯水區(qū)劃分為面積0.005～10.55hm2不等的263個子匯水區(qū)[16],劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)子匯水區(qū)劃分

2.3 二維地表漫流模型

在ArcGIS進行地形數(shù)據(jù)處理后,將處理后的地形數(shù)據(jù)再導(dǎo)入MIKE21軟件中進行二維地表漫流模型的構(gòu)建和地表漫流計算。為了強調(diào)道路排水和建筑物擋水能力,將地形圖上道路用地的高度降低了0.15m,建筑物的高度增加了5m。同時,將研究區(qū)域外的地方高度升高以起到關(guān)閉邊界的作用。

2.4 耦合模型

待二維模型建立完成后,利用MIKE模型將MIKE URBAN一維管網(wǎng)模型與MIKE21二維地表漫流模型通過節(jié)點連接的方式進行耦合,最終MIKE模型耦合結(jié)果如圖4所示。

圖4 MIKE模型耦合結(jié)果

2.5 模型模擬結(jié)果驗證

基于從湘陰縣氣象局收集的20210720降雨事件以及實地訪問、研究和社交媒體報道的數(shù)據(jù),完成模型的校準和驗證。

2.5.120210720暴雨過程

收集統(tǒng)計了2021年7月20日0:00到24:00的實測降雨資料,降水量為66.5mm。其中2021年7月20日的降雨大部分發(fā)生在17:00至21:00,暴雨主要發(fā)生在17:00至19:00之間,占總降水量的96.99%。因此,在建模過程中,暴雨的邊界條件設(shè)置為17:00至19:00。

2.5.2模型參數(shù)的校準和測試

為了使模型區(qū)域的降雨模擬結(jié)果與當(dāng)前雨水管網(wǎng)和地表漫流情況更好地匹配,必須校準模型參數(shù)并測試模型。只有校準和測試結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi),才能進一步模擬和分析該地區(qū)在不同雨水設(shè)計情景下的內(nèi)澇狀況。調(diào)整下墊面的綜合徑流系數(shù),計算相應(yīng)嚴重內(nèi)澇點附近深度的誤差,誤差在-20%～10%[17]范圍內(nèi)即視為校準符合要求。20210720暴雨嚴重內(nèi)澇點如圖5所示,可見模擬得到的內(nèi)澇點與本次降雨中積水點位置基本一致。

圖5 20210720暴雨嚴重內(nèi)澇點

表1為20210720暴雨9個嚴重內(nèi)澇點的模擬積水深度,與實際積水深度相比,相對誤差在允許范圍內(nèi),模擬結(jié)果與實際結(jié)果接近,表明模型參數(shù)合理。建筑用地、道路用地、未利用地、綠化用地的總徑流系數(shù)最終取值分別為0.85、0.77、0.52、0.12。

表1 20210720暴雨嚴重內(nèi)澇點積水深度對比

結(jié)合該地區(qū)降雨相關(guān)數(shù)據(jù)和GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準》,確定了不同重現(xiàn)期的降雨過程,依據(jù)模擬積水深度進行內(nèi)澇等級劃分。模擬結(jié)果表明,當(dāng)降雨重現(xiàn)期為1～20a時,研究區(qū)90min設(shè)計降水量的積水量最大。圖6為不同重現(xiàn)期下的內(nèi)澇等級劃分結(jié)果。

圖6 不同重現(xiàn)期下研究區(qū)90min設(shè)計降水量的內(nèi)澇等級劃分

3 雨水管網(wǎng)健康度評價方法

3.1 評價指標(biāo)體系

目前對城市排水管道健康分析的評價指標(biāo)還沒有達成共識。顏文濤等[3]提出了城市排水管道預(yù)報健康度灰色關(guān)聯(lián)綜合分析模型,將分析管道指標(biāo)集與虛擬最健康管道指標(biāo)集作比較,從而確定管道的綜合健康狀況。但這種方法要根據(jù)不同區(qū)域的具體情況確立不同的虛擬最健康管道指標(biāo),不具備普適性。本文參考馬晴晴等[6]關(guān)于健康度的評價內(nèi)容,并加上環(huán)境因素和社會因素,考慮排水能力、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素、社會因素4個方面進行篩選,構(gòu)建雨水管網(wǎng)健康度評價指標(biāo)體系如圖7所示(括號中數(shù)據(jù)為指標(biāo)權(quán)重)。

3.2 指標(biāo)值

合理的指標(biāo)值可以反映不同指標(biāo)中評估對象的優(yōu)勢和劣勢?？紤]到MIKE模型在市政管道中的廣泛應(yīng)用以及該模型的模擬結(jié)果與實際情況越來越一致,使用MIKE模型的模擬結(jié)果作為雨水管網(wǎng)排水能力指標(biāo)值;管網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)值根據(jù)工程實際情況確定;環(huán)境和社會因素指標(biāo)值參考相關(guān)資料[18-19]選取。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)法規(guī)、國家標(biāo)準、行業(yè)規(guī)范中排水管道的安全性和風(fēng)險[20-21],采取合理的等級賦分,將評價指標(biāo)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個等級,分別賦分>0.8～1.0、>0.6～0.8、>0.3～0.6、0～0.3。

充滿度C1、檢查井溢流量C2、檢查井溢流時間C33個指標(biāo)的取值基于MIKE模型模擬結(jié)果,C1取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道的最大充滿度,C2取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道上游連接的檢查井產(chǎn)生的最大溢流量;C3取為MIKE模型模擬全過程中雨水管道上游連接的檢查井發(fā)生溢流所持續(xù)的時間。其他雨水管網(wǎng)健康度評價指標(biāo)的取值范圍如表2所示。

表2 雨水管網(wǎng)健康度評價指標(biāo)的取值范圍

由于C1、C2、C3這3項指標(biāo)之間量綱和量級的不同,給綜合分析造成不便,為方便計算,采用極值處理法[22]進行無量綱化處理,計算公式為

(2)

3.3 指標(biāo)權(quán)重確立與健康度耦合

為了體現(xiàn)不同指標(biāo)在雨水管網(wǎng)健康度評價指標(biāo)體系中的重要性,采用層次分析法[23-25]進行指標(biāo)賦權(quán)。指標(biāo)影響越大的,權(quán)重越大;反之,權(quán)重越小。

在確定了評價指標(biāo)的權(quán)重后,可計算得到各方案的加權(quán)指標(biāo)值,并以加權(quán)指標(biāo)值對所有待選方案進行綜合分析值計算。但是在計算過程中,綜合分析值與各指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系未確定,若以簡單的線性關(guān)系求和,難以保證決策結(jié)果的準確性、合理性[26]。本文采用TOPSIS法對雨水管道在眾多指標(biāo)下的健康狀況分析信息進行耦合。該方法將每根雨水管道看作是在n個評價指標(biāo)組成的n維空間上的一個個具體的點,將各點到最理想化解的相對距離進行排序,從而反映各雨水管道的相對差距,也可以為每根雨水管道提供一套針對性的解決方案。TOPSIS法還具有對原始數(shù)據(jù)的利用比較充分、數(shù)據(jù)分布及樣本含量沒有嚴格限制、信息損失少、計算過程簡單易行等優(yōu)點[27]。

健康度計算步驟如下:

a.構(gòu)造加權(quán)標(biāo)準化矩陣。由于標(biāo)準化矩陣X=(xij)m×15已經(jīng)進行過無量綱化處理,所以在求理想解時可以把各指標(biāo)均按照權(quán)重越大、取值越大的方式進行處理,構(gòu)造加權(quán)標(biāo)準化矩陣Z:

Z=(zij)m×15=(wjxij)m×15

(3)

式中:wj為指標(biāo)j的權(quán)重;m為雨水管道序號;xij和zij分別為第i根管道第j項指標(biāo)的加權(quán)標(biāo)準化指標(biāo)值和初始指標(biāo)值。

b.計算正理想解和負理想解:

(4)

(5)

(6)

(7)

d.計算相對貼近度ηi,即健康度。計算公式為

(8)

將ηi從小到大排列,排序結(jié)果即為雨水管道的健康度順序。綜合每根管道管長li占管網(wǎng)總長的比重作為權(quán)重,通過式(9)計算雨水管網(wǎng)的綜合健康度η:

(9)

4 結(jié)果與分析

4.1 指標(biāo)值確定與標(biāo)準化

考慮到城市化的發(fā)展,基于GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準》,雨水管網(wǎng)的MIKE模型選擇重現(xiàn)期為3a,模擬得到管道充滿度、溢流量、溢流時間等參數(shù)。對于其他無法通過模擬實現(xiàn)的定量或定性指標(biāo),由湖南省規(guī)劃廳根據(jù)初步雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)和實地調(diào)查獲得,如表3所示。

表3 重現(xiàn)期3a時不同等級評價指標(biāo)對應(yīng)的管長和管長占比

對各項具體指標(biāo)進行賦分處理,其中根據(jù)式(2)對每根管道的C1、C2、C3指標(biāo)值進行無量綱化處理,且對無量綱化后的指標(biāo)值的分布情況判斷是否存在異常,將其中的異常值重新確定為正常值區(qū)間內(nèi)的相應(yīng)上限值或下限值。圖8為每根管道的標(biāo)準化指標(biāo)值的分布情況。

圖8 標(biāo)準化指標(biāo)值的分布

4.2 指標(biāo)權(quán)重計算與健康度耦合

結(jié)合專家的意見,采用改進層次分析法[22]確定研究區(qū)域內(nèi)排水能力、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素與社會因素4項綜合指標(biāo)的相對重要程度,最終確定B1、B2、B3、B4的權(quán)重分別為0.5693、0.2643、0.0609、0.1055。具體評價指標(biāo)權(quán)重基于改進層次分析法確定,依據(jù)專家意見確定排水能力指標(biāo)的相對重要順序為C1>C2>C3>C4>C6=C7>C5,管網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相對重要順序為C8>C9>C10,環(huán)境因素指標(biāo)的相對重要順序為C11>C12,社會因素指標(biāo)的相對重要順序為C13=C14>C15。據(jù)此構(gòu)建4類指標(biāo)的比較矩陣與判斷矩陣,并進行一致性檢驗,采用一致性比率(一致性指標(biāo)和平均隨機一致性指標(biāo)的比值)進行判斷,當(dāng)一致性比率小于0.1時,判斷矩陣通過一致性檢驗。4類指標(biāo)的一致性指標(biāo)值分別為0.0208、0.0088、0、0,平均隨機一致性指標(biāo)值分別為1.36、0.52、0、0.52,由此可見判斷矩陣滿足一致性。指標(biāo)權(quán)重的計算結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)式(3)～(8)計算每一根管道的健康度,并將其數(shù)值從小到大進行排序,得到健康度最小為0.363,最大為0.891;參照文獻[28]和研究區(qū)域內(nèi)的實際情況,將管網(wǎng)的健康狀況分為危險、較差、及格、良好和優(yōu)秀5個等級(表4),得到研究區(qū)整體雨水管網(wǎng)的綜合健康度等級分布如圖9所示。

表4 雨水管網(wǎng)的綜合健康度等級

圖9 雨水管網(wǎng)健康度等級分布

根據(jù)式(9)可得到該區(qū)域雨水管網(wǎng)的綜合健康度為0.54,整體健康狀況處于較差水平。同理,可得到該區(qū)域的排水能力指標(biāo)的綜合得分為0.48,管網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的綜合得分為0.78,社會因素指標(biāo)的綜合得分為0.66,其中環(huán)境因素指標(biāo)沒有差異計算,綜合得分為1。最終根據(jù)各項綜合指標(biāo)得分情況,排水能力指標(biāo)應(yīng)作為該區(qū)域管網(wǎng)養(yǎng)護和局部改造的重點。

4.3 健康度評價結(jié)果的合理性驗證

為了驗證雨水管網(wǎng)健康度評價結(jié)果的合理性,確定健康度是否能充分反映管道的真實狀態(tài),將健康度評價結(jié)果與MIKE模型耦合形成的積水風(fēng)險結(jié)果進行疊加分析。

由于該區(qū)域管網(wǎng)的設(shè)計標(biāo)準為2～3a,故將降雨重現(xiàn)期為3a時積水風(fēng)險評估結(jié)果與管網(wǎng)疊加分析,結(jié)果如圖10所示。由圖9和圖10可知,積水風(fēng)險較大、積水較深的一些區(qū)域附近的管道健康度等級也相對較差,說明雨水管網(wǎng)健康度評價結(jié)果有一定的合理性。

圖10 積水深度與管道分布(P=3a)

5 結(jié) 論

a.研究區(qū)域雨水管網(wǎng)的綜合健康度為0.54,整體健康狀況處于較差水平。在排水能力、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素、社會因素4項綜合指標(biāo)得分中,排水能力得分最低,僅為0.48。鑒于其指標(biāo)權(quán)重最大而得分最低,后續(xù)關(guān)于管網(wǎng)維護的整治中應(yīng)將其作為重點對象。

b.設(shè)計降雨重現(xiàn)期為1～20a的2h短歷時降雨過程中,重現(xiàn)期越大,積水深度也越大,但達到最大積水深度的時間并不受重現(xiàn)期影響,且均為90min時最大,此時雨水管網(wǎng)的健康度也最低。

c.通過對研究區(qū)的管網(wǎng)健康度評價結(jié)果與積水分布狀況進行疊加分析,積水較深的一些區(qū)域附近的管道健康度等級也相對較差,驗證了雨水管網(wǎng)健康度評價的合理性。