面向风险管理的深圳市内涝灾害评估系统建设关键问题研究与对策

刘江涛

(深圳市规划国土发展研究中心，广东 深圳 518040)

1 引 言

近年来，暴雨内涝灾害频发影响城市运行，引发全社会广泛关注，如何保障城市排水防涝安全成为热点和难点。我国雨水系统建设基本沿用苏联模式，以一定标准的暴雨重现期确定排水管理能力，无法对超过管网标准暴雨的灾害后果做出科学评估。2016年和2017年，《室外排水设计规范》(2016年版)和《城镇内涝防治技术规范》陆续发布，其中明确要求当汇水面积超过 2 km2时，应考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布的不均匀性和管网汇流过程等因素，采用数学模型法确定雨水设计流量，并校核内涝防治设计重现期下地面的积水深度等要素[1]。如何利用数学模型科学评估城市内涝灾害风险，为城市规划建设和应急管理提供技术支撑，将成为下阶段国内各大城市内涝防治的重点工作。

2 城市排水防涝数学模型

2.1 城市排水防涝模型概述

城市内涝灾害评估系统的核心是排水防涝数学模型建设(图1)，其作用是研究降雨作用于城市下垫面后，城市空间雨水的分配形式和运动状态，通过计算模拟不同强度暴雨来袭时城市街道路面、草丛土壤、雨水管网等的产、汇流过程，同时将不同重现期的降雨事件与河道不同重现期的水位数据进行组合，研究低洼易积水区域的水量和汇合管道的流量变化，模拟得到城市不同区域遭遇不同强度暴雨的易积水内涝区域，包括淹水范围、积水时间和内涝点等，以便指导雨水防涝系统规划建设和管理[2]。

图1 模型模拟计算过程及功能示意图

2.2 常用模型软件及对比

城市排水防涝数学模型虽然在国内刚刚起步，但在欧盟、美国、新加坡等国外发达国家和香港的应用已较为广泛。随着城市暴雨管理研究越来越深入，国内外研发的城市雨洪管理模型也越来越复杂和全面，但都存在适用性问题，并不存在“万能”模型。相比较来说，InfoWorks ICM模型和DHI Mike模型、SWMM模型应用较为广泛。三个模型都具备较强的水量、水质模拟能力和后期的数据分析和处理能力，且广泛应用于实际的规划、设计和管理过程中，可视化程度高，具体比较结果如表1所示。

SWMM、InfoWorks ICM、DHI Mike模型比较 表1

3 深圳市内涝灾害评估系统建设

3.1 模型选择

深圳市排水防涝模型采用DHI MIKE Flood模型(图2)，基本实现了一维模型(MIKE URBAN和MIKE 11)和二维模型(MIKE 21)的动态耦合，可反映管网中水动力学情况，能直观地表现暴雨期间雨水在地面上的汇流、淹水及退水过程。

图2 DHI MIKE Flood组成结构关系图

3.2 深圳市内涝灾害评估系统建设历程

深圳市排水防涝数学模型建设起步较早，自2014年开始，经历了起步、整合和维护三个阶段，基本实现了建成区的全覆盖(图3)，在规划管理技术支撑和辅助决策方面持续发挥作用，提升了城市内涝基础设施精细化规划管理水平。

图3 深圳市排水防涝模型建设区域分布示意图

一是起步阶段，初步搭建内涝灾害评估系统雏形。2014年，配合全市排水防涝规划编制，初步构建了全市九大流域的数学模型。但受限于时间制约，模型的精度、深度、标准待统一。

二是整合阶段，基本完成内涝灾害评估系统搭建。为充分发挥排水防涝数学模型的作用，2016年全市排水防涝数学模型系统整合工作启动，全市排水防涝数学模型基本成型。

三是维护阶段，基本实现排水防涝数学模型的动态更新。为保证模型的时效性，在2017年开始，全市排水防涝数学模型系统持续开展了动态维护工作。

4 关键问题及解决对策

4.1 关键问题

深圳在过去5年的城市排水防涝数学模型过程中，遇到了很多问题和困惑，其中的关键问题主要集中在框架体系、数据标准、参数率定和动态维护四个方面：

(1)关键问题一：如何针对不同层面的管理需求，搭建城市内涝灾害评估系统框架体系。

(2)关键问题二：如何统一模型数据标准，兼容不同部门模型交互和基础数据源。

(3)关键问题三：如何开展模型参数率定，保证模型评估结果的准确性。

(4)关键问题四：如何开展数学模型动态维护，持续发挥模型在管理中的作用。

4.2 解决对策

(1)对策一：分级分层，构建城市排水防涝模型体系框架

应对不同层面的规划管理需求，城市排水防涝数学模型建议按照宏观、中观、微观模型分级分层建设，由宏观至微观系统构建城市排水防涝模型体系框架。各层级模型在模型建设和不同层面管理中的作用和功能如表2所示。各层级模型的空间关系如图4所示。

深圳市排水防涝数学模型构架一览表 表2

图4 深圳市各层级排水防涝数学模型空间关系图

(2)对策二：统一标准，打通基础数据提取和模型交互通道

为打通基础数据提取和模型交互通道，有必要建立统一的数据标准。建议按照模型数据结构规范、基础数据信息规范、模型数据标准统一、不同软件之间的数据提取规则制定等方面开展工作。模型主要由气象、水文、水力、曲线、地形和参数模块组成，建议按照不同类型的模块建立模型数据库。模型组成数据库结构图如图5所示。

图5 模型组成数据库结构图

ArcGIS软件作为空间数据的基础软件工具，可作为气象、水务等不同部门模型软件数据交互的桥梁以及基础数据收集提取的抓手。以AutoCAD数据提取为例，利用ArcGIS软件中Extract-Transform-Load(ETL)——提取-转化-导入功能将CAD数据转化为GIS格式数据，从而读取进入模型软件，如图6所示。

图6 Arcgis软件数据提取转换流程示意图

(3)对策三：因地制宜，合理制定模型参数率定方案

模型的参数率定主要包括三部分工作，即不确定参数的归类、参数灵敏度分析、数据监测及模型率定，率定过程包括率定参数确定、率定约束函数、搜索群-率定参数和率定评估方法确定等。监测方案的制定应遵循以下原则：土地开发基本完成，下垫面、城市竖向等情况不会有大的变化；排水管网升级、河道改造等基本完成，城市排水条件不会有大的变化；尽量安排在小流域，控制监测的预算；兼顾土地利用多样性，监测数据要有代表性。以新洲河流域为例，基于以上原则，在典型汇水区的入水口，放置流量计；在主要管网放置流量计和液位计；在主要的排放口放置液位计；在主要历史涝点放置液位计[3]。新洲河流域监测方案示意图如图7所示。

图7 新洲河流域监测方案示意图

(4)共建共享，协同制定模型动态维护规则

为保证城市排水防涝模型的时效性并持续发挥作用，建议开展三方面工作：

一是要保证固定的资金投入以支持模型的动态维护工作。维护工作包括数学模型中的现状、规划数据和评估结果等内容，深圳市排水防涝模型动态维护技术路线如图8所示。

图8 深圳市排水防涝模型动态维护技术路线

二是要建立水务、规划、气象、应急等相关部门共建共享的协作机制，实现降雨、排水设施及管网等基础数据共享，并共同维护排水防涝模型，为模型的可靠性及实效性提供保障。

三是要充分发挥模型评估在管理中的作用，辅助各主管部门对城市雨水防涝规划及建设的评估和决策，包括结合气象预报发布内涝预警、应用在水务部门的排水设施建设和内涝整治中，在实际应用中逐步完善[4]。

5 结 语

近年来“城市看海”成为城市病的主要病症之一，受到全社会广泛关注，城市内涝风险已成为威胁城市安全的重要因素，如何构建应对有效的城市内涝风险管理体系是国内各大城市面临的主要问题。本文以四个关键问题及解决对策为切入点，系统总结了深圳市内涝灾害评估系统建设经验。总结来看，城市内涝灾害评估系统的建设是一项长期持续性工作，其基础在数据、核心在模型、关键在应用、保障在机制，需要规划、建设、水务、气象、应急等多部门共建共享共管。