上海属平原感潮河网地区,地势低平、河网密度较高,中心城区以泵站强排为主,雨水径流的排放形成城市排水管网和河网组成的区域二级排水格局,城市排水防涝形势复杂严峻。排水管网建设标准偏低,以1年一遇为主,再加上风、暴、潮、洪等多种不利因素碰头,排水泵站曾因河道高水位超高而被迫停机,加剧了地区内涝风险。

　　 内涝风险评估以水力模型为主要手段,但管网模型和河网模型的应用领域各有侧重。排水管网模型评估主要关注降雨强度,当雨强超出排水管渠或泵站能力时,引起地面积水;平原感潮河网模型评估则主要关注降雨总量、上游洪水和下游潮位,当降雨、上游来水和潮位顶托导致河道水位高出堤防,引起地面淹没。在排水与水利各领域,这两类内涝风险的模拟应用已相当成熟,但集于一体的跨专业融合较为复杂,过去往往采用概化边界或静态耦合的方式进行处理。

　　 近年来,国内外已经开始利用排水管网与河网的交互运算技术实现动态耦合的一体化排水模拟,为区域内涝风险评估和对策研究提供更加精确的计算手段。目前主要有两种方法:①基于标准数据接口(OpenMI)的排水管网模型与河网模型交互,将OpenMI用于实现不同水动力、水质模型计算软件的交互运算^[1,2,3,4] ;②基于一体化软件平台实现河网与管网模型交互运算。

　　 上海杨树浦港-虬江水系相对独立,近年来,多次出现台风暴雨期间,市政泵站被迫停机,加重地区内涝风险的情况。本研究以该区域为研究对象,建立河网与管网集成的排水一体化水力模型,同步模拟管网、河网及其泵闸调度,对区域的内涝风险进行综合评估。

　　 研究区域地势平坦,地面现状高程为3.0~4.0m(吴淞高程,下同),较低处为2.5 m,平均值3.5m。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。如适逢天文大潮,防汛形势更加紧张。

　　 上海为典型的平原感潮河网地区,但河道疏密不均。本地区河网位于上海市水利控制片的“蕰南片”(片内水面率2.33%),但研究区域水面率仅0.86%。区域外大水体是黄浦江,属中等强度潮汐河流。

　　 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,水系基本情况详见表1,外围泵闸规模见表2。

　　 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2.64km为地下箱涵。区域水系及泵闸情况见图1。

　　 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。

　　 区域涉及22个排水系统,总服务面积43km²,排入内河共有21座市政雨水(合流)泵站,总排水能力160m³/s。除一个排水系统设计标准为3年一遇外,其他系统的设计暴雨重现期均为1年一遇。地区排水管网泵站仅建成规划的70%~80%,排水能力薄弱,总体不足1年一遇。

　　 2005年,“麦莎”台风期间,由于内河水位上涨过快,排向杨树浦港水系的所有市政泵站被迫停机近5h,导致杨浦区26个居住区近5 000户居民家中不同程度进水,水深达10~50cm,多条马路积水,长阳路桥出现被水顶托的险情。2012年“海葵”台风期间,昆明路、黄兴路等多处路段积水15~35cm,积水时间长达3.5h。

　　 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,

　　 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。

　　 河网模型涉及河道拓扑及其断面输入、河道泵闸模拟、潮位边界整理等,主要来源为本市水利普查资料和现场踏勘调研。

　　 最终建立的排水管网河网一体化模型服务面积约43km²,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。

　　 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。

　　 采用2012年8月7~9日“海葵”台风暴雨及2013年9月13日期间的降雨、水文同步监测资料进行模型参数的率定与验证。根据上海市降雨径流计算相关研究成果,确定排水管网与河网水力学相关参数^[5] 。一维模型率定目标值主要为流量、深度、体积等;二维模型率定目标值还包括积水路段及其积水深度、积水范围、积水时间;率定过程还充分考虑集水区划分、拓扑结构设置、管网实际运行情况、管道淤泥深度、附属构筑物特性及其调度方式对模拟结果的影响。经率定,排水系统降雨模拟主要泵站的径流体积和峰值相对误差分别为8.1%和6.7%,达到模型应用要求。河网模型对照点的洪峰水位相对误差小于5%,与实测结果吻合较好。

　　 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。

　　 从致灾特点来看,引起研究区域内涝的暴雨可主要概括为两类:

　　 (1)短历时强降雨。常具有局部、短时、强度大的特点,当暴雨强度超过管渠设计暴雨重现期标准,则引起积水,但通常不会对河网造成较大压力,而是引起小范围地面短时积水。

　　 (2)长历时大暴雨。常具有笼罩面积大、历时长、降雨总量大的特点,包括一些梅雨和台风暴雨,当累积雨量超出河网调蓄能力,就会发生河网水位升高、地面淹没,或受河网水位超高而制约管网排水引起积水;通常不会对管网造成较大压力,而是引起大范围地面淹没。由于降雨历时长,土壤渗透能力饱和,雨水径流系数超过短历时暴雨设计的综合径流系数,即使降雨强度不超过设计暴雨强度,也可能超出管渠排放能力,区域面临多重因素带来的内涝风险。

　　 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。

　　 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36mm,5年一遇和100年一遇分别对应最大小时雨强58mm和98mm。

　　 感潮河网地区潮位同雨峰的时间关系也对区域排水具有重要影响,为反映区域遭遇的最不利情况,选取黄浦江汛期典型晴天潮位过程,并将雨峰和潮峰同时出现的组合作为评估的边界条件。内河初始水位为常水位。

　　 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。1年、5年和100年一遇短历时暴雨的积水模拟结果见图2。

　　 模拟结果表明:随着暴雨重现期增大,积水程度明显上升(见图3~图6)。地区在1年一遇降雨下有6%的面积,23%的路段会发生积水,平均积水深度可达24cm,平均积水时间1小时。这是因为地区虽然按照1年一遇标准规划设计,但建设情况未达到规划要求。在5年一遇的新标准暴雨下,区域发生积水的路段将达到46%,积水时间约2h。遭遇100年一遇暴雨时,将有68%的路段发生积水并且积水时间约4h,区域排水能力远不能达到室外排水规范和本市排水防涝规划的新要求。

　　 在1年一遇、5年一遇和100年一遇暴雨时,内河平均最高水位模拟值分别为3.92 m、3.96m和3.97m。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3.52~3.85m,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。

　　 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,相关特性参数统计于表3。

　　 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。模拟结果显示分别见图7~图10。

　　 结果显示,“麦莎”台风暴雨引起的积水风险最高,积水面积占区域总面积的12%,43%的路段出现积水,平均积水深达25cm,上述指标基本接近5年一遇短历时设计积水情况,而平均积水时间约4h,接近100年一遇短历时降雨。虽然“麦莎”降雨最大小时雨强仅32mm,不足1年一遇,但由于“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”暴雨最大小时雨强平均值为61 mm,略大于5年一遇短历时设计降雨,海葵台风最大小时雨强平均值35mm,接近1年一遇。“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。

　　 内河平均最高水位模拟值如图11所示。麦莎台风时内河平均最高水位最高,达4.16 m,海葵4.05m次之;“803”和“913”暴雨时,内河水位平均最高水位仅3.5m左右。这说明类似“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。

　　 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。杨树浦港最高水位剖面如图12所示。

　　 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。预案规定在杨树浦港和虬江排涝泵站充分发挥作用,杨树浦港(东走马塘、虬江)达到保证水位时,启用预案,临时停止排入3条河道的市政泵站的运行,一级保证水位(4.0 m),沿线市政泵站保持1台泵运行,二级保证水位(4.2 m),沿线市政泵站全部停止运行。

　　 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。

　　 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)。

　　 在平原感潮河网地区城市二级排水格局下,区域排水能力不仅受到管网和市政泵站能力的影响,还受到河道调蓄规模、外排能力和潮位等条件的制约。超过设计标准的短历时暴雨下,区域可发生较为严重的地面积水,但对河网压力不大。而雨量大、高潮位同时出现的长历时大暴雨,将带来内河水位超高漫溢、淹没地面的高风险。类似“麦莎”台风暴雨对区域的威胁大于5年一遇短历时强降雨。采用市政泵站临时停机的策略可有效降低河道水位避免河水漫溢,区域内涝风险整体上更低。

　　 由于雨水系统设计标准偏低、河网容蓄能力有限,区域现状内涝风险水平较高。建议通过优化泵闸运行、加强地区内涝预警预报、提高地区水务设施建设标准和能力、开展海绵城市建设等综合措施提高地区防汛安全保障能力。