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研究地势平坦区域,洪涝灾害风险

发布时间:2016/10/19 点击量:

一、研究区域基本情况
1.1区域自然条件
研究区域地势平坦,由于地形平坦且坡降小,受潮汐影响,地区的雨水需通过泵站提升排入河道,最终汇入黄浦江,乘落潮排出。地区全年总降雨量的60%集中在5~9月。每年平均有两个热带气旋影响上海,受其影响,常伴有暴雨或大暴雨,易引起洪涝灾害。
1.2排水防涝情况
上海为典型的平原感潮河网地区,但河道疏密不均。杨树浦港-虬江水系,由杨树浦港、虬江和东走马塘3条河道组成。
除上述外围泵闸,区域内还有油气站、界泓浜、虬江等用于调水的节制闸。因历史原因,虬江有约2.64 km为地下箱涵。
区域水利规划防涝标准为20年一遇(1963年9月暴雨雨型及相应同步实测潮型)。目前,区域水系和泵闸建设基本达到规划要求,但堤防存在薄弱段。
二、数学模型建立与率定验证
本研究采用InfoWorks ICM v5.0进行建模和内涝风险分析,在同一平台实现排水管网和河网的建模和联动模拟。
2.1模型建立
管网模型建立过程涉及管网属性(尺寸、高程)的输入、汇水区的划分、数字地面高程的建立、地面二维网格化、泵闸等控制性构筑物的概化仿真、旱流与降雨等边界条件的确定等。建模时,整合了研究区域内的地理数据、城市规划数据、排水管网数据和现场调研数据等详细信息作为管网模型基础。SCADA运行记录、泵站手工运行记录、历史积水记录表等资料整理作为计算条件。
最终建立的排水管网河网一体化模型服务面积约43 km²,计算管段1万余根,管径150~3 000,排水系统22个,排水泵站23座,水泵合计130台,概化河段31条,河道泵闸2座,节制闸3座,二维计算网格36万个。
2.2模型率定验证
雨水排水管网模型的关键参数主要是降雨产汇流模型的相关参数,本研究产流模型对不透水表面选用固定径流系数法,透水性表面选用Green-Ampt渗透公式,汇流模型采用SWMM非线形水库法;河网模型的主要水动力参数是糙率系数。
三、区域内涝风险评估
二级排水格局下,区域内涝的发生不仅受到管网和排水泵站能力的制约,还受到河道调蓄规模、外排能力和潮位等条件的制约。
为全面评估研究区域内涝风险,分别采用短历时设计暴雨、历史暴雨及其潮位组合进行模拟计算。模拟均采用率定好的排水管网河网动态耦合模型,含现状管网、市政排水泵站、水系和河道泵闸。
3.1短历时设计暴雨及典型潮位组合
设计暴雨主要涉及雨强、历时和雨峰。采用《室外排水设计规范》推荐的芝加哥雨型,上海地区采用雨峰r=0.4,历时2h,1年一遇对应最大小时雨强36 mm,5年一遇和100年一遇分别对应最大小时雨强58 mm和98 mm。
管网河网中泵闸的控制方式为:市政排水泵站根据现状控制水位阶梯启闭;河道泵闸控制方式为自排加抽排,当内河水位高于外河潮位时开闸自排,否则关闸挡潮并开启河道排涝泵站抽排。
该工况反映了在河道常水位时,区域遭遇局部短时强降雨,无法在短时间预降河道水位前提下的内涝风险。
模拟结果表明:随着暴雨重现期增大,积水程度明显上升。
内河最高水位受外河高潮位的影响较大,计算工况为雨峰和高潮峰同时出现的最不利情况,根据模拟,若同样的设计暴雨出现在落潮期,则内河平均最高水位下降到3.52~3.85 m,地面积水情况也有小幅下降(1%~5%)。总体而言,短时强降雨对河网防涝的压力不大。
3.2历史实测同步暴雨潮位组合
收集整理了历史上发生典型灾害的暴雨记录进行模拟,包括长历时台风暴雨(“麦莎”、“海葵”)和短历时强暴雨(“803”、“913”)及其同步实测潮位。
模拟采取的边界条件为同步实测外河潮位,泵闸的控制方式同上。内河初始水位为实际预降水位2m。
结果显示,“麦莎”台风暴雨引起的积水风险最高,由于“麦莎”台风历时长,对区域的积水风险威胁要大于5年一遇短历时强降雨。“913”暴雨积水总量、积水面积和积水路段高于海葵台风,但由于“海葵”台风历时长,其平均积水深度和积水时间较“913”暴雨更高。“803”暴雨雨强接近2年一遇,积水风险相对最低。
。说明类似“913”的短历时暴雨对河网的影响很小,而类似“麦莎”的台风暴雨总降雨量大,且高潮位同雨峰接近,内河水位最高,河道堤防薄弱段具有漫溢风险。
3.3瓶颈分析
从管网来看,在遭遇1年一遇短历时暴雨时,部分地区已出现积水,主要出现在管道未达标地区。在长历时暴雨中,由于土壤渗透能力饱和,管网本身调蓄能力减小,即使按照正常情况开启市政雨水泵站排江,仍出现严重积水,区域本身排水能力偏弱。
从河网来看,在常水位下遭遇短历时集中降雨时基本不发生漫溢;在已预降水位时,遭遇“麦莎”、“海葵”雨型及潮型,面临地面积水和河道水位过高、堤防薄弱段漫溢引起的更高风险。
3.4市政泵站应急停机的内涝风险评估
为确保防汛墙不溃决、不漫溢,市防汛部门制定了杨树浦港沿线泵站应急调度预案。对“麦莎”暴雨市政泵站应急停机时积水风险进行了模拟。结果表明,在市政泵站应急停机的控制模式下,积水面积和路段有小幅增长,约5%;由于市政泵站应急停机,内河平均水位保持在4 m以下,较不停机时下降5%。预案有效降低了河道水位,避免河道漫溢,降低了区域整体的内涝风险。
3.5影响研究区域内涝风险的因素分析
影响研究区域内涝风险的主要外在因素包括降雨、潮位、市政泵站和河道泵闸运行调度、管网初始预抽空状态及河道水位预降等。对“麦莎”暴雨采用不同的运行调度模式进行了模拟分析,结果表明,在“麦莎”暴雨时,河道排放能力限制对积水面积的贡献占比约50%,管网初始预抽空状态对积水面积的贡献占比约5.7%,河道水位预降对积水面积的贡献占比约11.5%,其他贡献来自于降雨及管网特性。对于短历时强降雨,对积水的贡献则主要来自于降雨及管网特性(包括预抽空状态)。
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