内涝预测与市政排水基础设施优化

摘要：详细分析城市内涝概况、影响因素与数据处理方法。通过提取内涝影响因素并进行权重与相关性分析，构建基于二元Logistic回归的内涝预测模型，并提出包括新建雨水管线、增强排水泵抽升能力及在内涝区域建设调蓄池在内的优化措施。研究结果表明：这些措施能够显著提升城市排水系统的应对能力，有效减轻内涝灾害，为城市防洪排涝提供了科学依据和实践指导。

关键词：内涝预测；市政排水；优化

0" "引言

近年来，随着全球气候变化的加剧和城市化进程的快速推进，城市内涝问题日益凸显，成为影响城市安全、居民生活及经济发展的重大因素[1]。极端天气事件的频发，特别是暴雨的强度和频率显著增加，使得城市排水系统面临前所未有的压力。在此背景下，开展内涝预测与市政排水基础设施优化研究显得尤为重要[2]。通过科学预测内涝风险，可以为城市规划和排水系统建设提供有力支撑。提前采取适当的措施，则有利于降低内涝发生的可能性和影响程度。同时，优化市政排水基础设施，提升排水系统的整体效能，也是解决城市内涝问题的关键所在。

1" "城区内涝分析

1.1" "城市内涝概况

某试点地区排水设施长期被忽视，建设滞后于城市扩张。2020至今，建成区面积激增41%，而排水系统未能同步升级，导致内涝频发，尤以2011—2016年为甚。下垫面硬化加剧了雨水汇集，加之复杂的城市空间布局，密集路网、建筑群与人口增长压缩了绿色空间，使街道在暴雨中成为“河道”[3]。试点地区的排水基础设施建设现状如表1所示。采集试点城区的内涝信息如表2所示。

1.2" "影响因素与数据处理

1.2.1" "内涝影响因素提取与权重分析

明确影响内涝的主要因素，包括土地类型（及其对应的雨量径流系数）、地形坡度、土壤类型、植被覆盖、排水设施状况等[4]。根据各因素对内涝风险贡献程度的大小进行内涝的量化评估。

针对某一地块，其径流系数直接由土地类型决定，计算公式可表示为：

r=g（i）" " " " " " " " " （1）

式中：r代表径流系数，g代表地面地块，i代表土地类型。

在ArcGIS中，通过空间分析功能，对不同土地类型的地块进行赋值，计算整个区域的综合径流系数。假设区域内共有n种土地类型，第i种土地类型的雨量径流系数可以通过下述公式计算：

（2）

式中：r'代表第i种土地类型的雨量径流系数，α代表第i种土地类型的面积，n代表土地类型总数。按照上述公式，对试点区不同类型雨水径流系数进行汇总分析，得到如图1所示不同类型雨水径流系数。

为了进一步评估内涝，引入其他因素（如地形坡度、土壤类型等）并构建内涝风险指数模型。内涝影响因素提取与权重分析，此过程如下计算公式。

t=εr'+φz'+γz" " " " " " " " （3）

式中：t代表内涝影响因素指数，ε代表r'的权重，φ代表坡度风险系数，z'代表φ的权重，γ代表土壤类型风险系数，z代表γ的权重。

根据上述内容，提取内涝影响因素，并分析其权重，如图2所示。

1.2.2" "影响因素相关性分析

在此基础上引进Pearson法，进行不同影响因素相关性的分析，相关性计算公式如下：

（4）

式中：ƒ代表影响因素相关系数，x代表变量，y代表观测值。

为了确定计算出的相关系数是否显著，需要进行显著性检验。其计算公式如下：

（5）

式中：t代表相关系数的显著性检验，m代表统计量自由度。在实际应用中，可设定一个具体数值作为阈值，如t达到阈值标准，证明两个影响因素具有显著相关性，反之则无显著相关性。

2" "内涝预测与市政排水基础设施优化

2.1" "建立市政区内涝预测模型

2.1.1" "二元 Logistic 回归分析

通过对汇水区特征的细致考察，发现河流湖泊的分布与城市内涝事件的直接联系并不显著，因此在局部区域研究中，决定排除河流湖泊因素以聚焦核心变量[5]。针对内涝频发区域，划定一个500m的关键影响圈，深入探究该范围内人口密集度、地形高程、排水设施效能、交通网络、地表径流特性及季节性降雨量等关键要素对内涝形成的作用[6]。同时，为构建对比基准，随机选取了816个未受内涝影响的地点，进行相同参数的提取与分析。采用先进的二元Logistic回归分析方法，量化各因素对内涝事件发生的独立及综合影响程度。

2.1.2" "内涝预测模型构建

在二元Logistic回归分析中，模型的基本形式可以表示为：

㏑（P/（1-P））=b0+b1X1+b2X2+L+bN XN" " "（6）

式中：P代表某点发生内涝的概率；b0代表常数项，b1、b2、…、bN代表回归系数，分别代表各个自变量对内涝发生概率影响的强度和方向；X1、X2、…、XN代表自变量，代表影响内涝发生的不同因素，包括人口密度X1、地面高程X2、雨水排放系统效能X3、高速路网密度X4、城区道路密度X5、综合径流系数X6、汛期降雨X7。

通过统计软件求解此回归模型，可以得到各系数的值，进而了解各因素对内涝发生概率的具体贡献，并据此构建预测模型。

2.2" "市政排水基础设施优化措施

2.2.1" "优化雨水管线

通过优化雨水排水系统，特别是增强雨水管线的收集效能，比如扩大管线直径，能够有效提升系统应对高强度降雨的能力，进而在内涝易发区域实现更高效的雨水分散与排放[7]。

雨水流量Q可以通过曼宁公式（Manning's Equation）来估算，它与管径、水力坡度、粗糙系数及充满度（即水深与管径之比）有关[8]。管径的增加通常意味着在相同水力条件下能容纳更大的流量。具体公式如下：

Q=（1.49/l）AR2/3S1/2" " " " " " （7）

式中：l代表粗糙系数，A代表过水断面面积，R代表水力半径，S代表水力坡度。在该计算公式中，没有直接显示管径，但增大管径会增加过水断面面积，从而潜在地增加流量。

假设原系统在一定时间内能收集的雨水量为Qold，经过管径扩大后，新系统在同一时间内的收集量提升至Qnew。则收集效率的提升可以表示为：

（8）

式中：h代表效率提升量，用于量化系统升级后雨水收集能力的增强程度。

2.2.2" "增强排水泵抽升能力

在内涝危机时，通过增强排水泵的性能，如提升单泵抽升能力、增设泵数量以及采用潜水泵等适应性强的设备，可确保排水系统即便在积水淹没等极端条件下也能高效运作，持续执行排水任务。以某市城区桥梁改造为例，通过加装潜水泵将泵站总排水能力提升至原来的1.9倍，即单位时间可排水57m3/s，显著增强了系统对极端降雨的应对能力。

2.2.3" "建设空间内涝区域

在内涝风险区域，若空间允许，可灵活规划地面或地下蓄水池的建设。这些设施能可有效暂存降雨高峰期的水流，待雨势减弱后再逐步释放，可实现雨水的错峰排放。此举不仅减轻了内涝现象，为排水系统减压，还降低了降雨初期对自然水体的污染风险。同时，将蓄存的雨水经过适当处理还能再利用，有效提升了水资源的循环利用效率。

在设置蓄水池时，需要明确蓄水池容量与降雨峰值关系。假设蓄水池的容量为V，某次降雨的峰值流量为Qpeak，且峰值持续时间为Tpeak。蓄水池完全接纳这段时间内的降雨峰值流量，需要满足下式：

V3=QpeakTpeak" " " " " " " "（9）

3" "优化效果分析

3.1" "实验准备

收集城市排水基础设施的现有数据，包括管道材质、管径、使用年限、排水能力、维护状况等。调查历史内涝事件及其影响范围、损失情况等，分析城市地形、降雨量、土地利用类型等对内涝的影响。

基于现状评估结果，按照提出的方法设计排水基础设施优化方案，利用模拟软件进行排水能力模拟，评估设计方案的应用效果。在改造完成后，设置监测点，收集降雨量、排水量、积水深度等数据，统计模拟结果，将其作为检验排水基础设施优化效果的关键指标。

3.2" "实验结果分析

3.2.1" "最大积水深度对比

某市政道路排水基础设施优化前、后路面最大积水深度对比如图3所示。从图3中可以看出，市政排水基础设施经过优化改造后，最大积水深度的显著下降。在遭遇同等强度的降雨时，优化后的排水系统能够更迅速地将雨水导入管网并排出，有效减少了路面积水现象。

3.2.2" "路面排水能力对比

市政道路排水基础设施优化前、后路面平均排水能力如图4所示。从图4中可以看出，排水基础设施的优化不仅降低了积水深度，还实现了路面平均排水能力的显著提升。优化后的排水系统能够在更短的时间内完成大量雨水的收集与排放，使得路面在降雨期间保持相对干燥，大大提升了道路的通行能力和使用寿命。

4" "结束语

本文详细分析城市内涝概况、影响因素与数据处理方法。市政排水基础设施经过优化改造后，其最大积水深度显著下降。在遭遇同等强度的降雨时，优化后的排水系统能够更迅速地将雨水导入管网并排出，有效减少了路面积水现象。排水基础设施的优化不仅降低了积水深度，还实现了路面平均排水能力的显著提升。优化后的排水系统能够在更短的时间内完成大量雨水的收集与排放，使得路面在降雨期间保持相对干燥，大大提升了道路的通行能力和使用寿命。

参考文献

[1] 李熙浩.浅析简析市政道路排水管道顶管施工技术的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2024，（24）：103-105.

[2] 成嘉玮.论市政排水基础设施的雨污分流改造重点及方案[J].居业，2024（8）：55-57.

[3] 邓庆喜.城市更新背景下市政排水管道改造设计要点编制思考[J].城市建设理论研究（电子版），2024，（19）：192-194+182.

[4] 张丽，朱勇，寻昊.城市市政排水与水利防洪排涝标准的相容性衔接研究[J].水利发展研究，2024，24（8）：31-37.

[5] 白莲霞.加强市政排水设施维修养护中的安全防护工作探究[J].产品可靠性报告，2024（5）：144-146.

[6] 罗根太.市政工程道路排水管道施工技术的应用探析[J].居业，2024（5）：65-67.