作者简介:龙 浩(1986—),男(汉族),湖北省汉川市人,苏州科技学院硕士研究生.E-mai:longhaomusic@126.com
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Long Hao and Li CuimeiSchool of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, Jiangsu Province, P.R.China
drainage system; urban storm sewer; security assessment of urban storm sewer system; analytic hierarchy process; assessment index; evaluation model; vulnerability degree
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.06593
分析当前城市雨水系统现状,介绍城市雨水系统脆弱性的概念,对影响城市雨水系统脆弱性的主要因素进行多层次分析,构建了城市雨水系统脆弱性评价模型,结合脆弱度、重现期和积水深度,建立了城市雨水系统脆弱性(安全性)评价体系.以武汉和长沙的雨水系统为例展开应用研究,测得这两座城市雨水系统的脆弱度分别为0.410和0.460,雨水系统脆弱度中等,系统安全性一般,当遇到重现期P≥10年的暴雨时,城市会发生严重内涝.所建立的雨水系统脆弱性评价模型与方法,可用于城市雨水脆弱性评价.
Based on the analysis of the current status of urban rainwater drainage system, the concept of urban rainwater drainage system vulnerability was introduced. The assessment indices of urban rainwater drainage system vulnerability including the vulnerability, return period and waterlogging depth were constructed. An evaluation model of the urban rainwater system vulnerability was put forth through an analytic hierarchy process. The vulnerability degrees of the rainwater drainage systems in Wuhan and Changsha were simulated by means of the proposed evaluation model. The simulation results show that the vulnerability degree values of the rainwater drainage systems in Wuhan and Changsha are 0.410 and 0.460, respectively. These results suggest that the vulnerability degrees of the two cities and the safety level of the rainwater drainage systems are at medium. The two cities would suffer serious waterlogging in storm events with an over 10-year return period. The proposed vulnerability evaluation model and method for urban rainwater system are helpful for the optimization design of urban rainwater drainage system.
随着中国城市化进程的高速发展,透水路面、半透水路面在城市道路中的比例逐年递减,不透水路面(硬化路面)占整个城市路面的比例大幅增大,城市道路负荷日益增加.为解决骤增的交通负荷,大部分城市都新建了大量的高架快速路、立体交通等,尤其在经济发达地区,高速路网已呈立体化、多层次的交通体系.如北京、上海、广州和深圳等超大城市随处可见层层叠加的高架路,有的多达6~7个层次.硬化路面、立体化交通在解决了城市交通负荷的同时,也增加了城市安全的脆弱性,尤其是城市雨水系统的脆弱性.大量的硬化路面和立体化交通降低了生态系统固有的渗透能力,增加了地表径流,且较大的路面坡度与立体交通缩短了地表径流的时间,硬化路面又加快了雨水地表径流速度,两个因素累加,使大量雨水在短时间内无法顺利排放,造成雨水灾害.2012年7月,北京再次因特大降雨造成了全城灾害性事故,死亡37人,整个城市交通处于半瘫痪状态,几天的经济损失就高达数百亿元.2014年5月,深圳也遭遇了大雨的洗礼,内涝长达半个月之久,究其原因,就是对城市雨水系统的脆弱性缺乏清醒认识和应对措施.
城市雨水系统的脆弱性[1-3]是指城市雨水系统对外部环境改变表现出的易于受扰动的程度,是导致城市雨水不能及时排出所表现出的一种属性,通俗地说就是雨水系统抵抗洪涝灾害的能力,它与雨水系统保障城市安全性相对应[4- 6].
城市雨水系统一般情况由雨水管网系统及雨水泵站组成,管网系统的主要任务是收集地表径流,将大量地面雨水及时收集并输送至雨水泵站或者排放到天然水体.管网系统由雨水边井、支管、干管和主干管等组成,设置于地下,每个城市雨水管网系统规模大小不一,多则数千公里,少则几百、几十公里,且错综复杂.鉴于雨水系统的复杂性,有必要建立雨水系统脆弱性评价的指标体系,选择准确而科学的指标来表达雨水系统的脆弱性[7-8].
根据Cutter[9]提出的VPM(vulnerability of place model)模型理论,系统的脆弱性包括物理脆弱性和社会脆弱性.结合雨水系统的组成特点及各组成部分在雨水收集、输送和排放过程中的作用,以及系统在实际运行所受外界条件干扰的现状,将指标体系分为两大类:一类为系统属性指标,由其在雨水系统中的作用和位置来确定,包括雨水口相对高程、篦子泄水能力、雨水管径大小、管道坡度、管道粗糙度、泵站调节能力、调蓄构筑物调节能力和出水口设置等; 另一类为环境属性指标,由系统所属地条件决定,包括政府财政投入百分比、雨水系统管理水平、城市绿化率和环卫工作水等.
由于各个指标在雨水系统中的作用和重要程度不同,在进行系统评价前,需对各评价指标展开权重研究[10-12].结合雨水系统组成与运行特点,本研究采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)来确定各指标的权重[13-15],具体步骤为:
1)建立层次结构[16].建立城市雨水系统脆弱性评价指标体系层次结构,见图1.其中,目标层为计算得出雨水管网的脆弱度; 准则层为评价雨水管网脆弱性的各指标; 子准则层为指标的各项评价因素.
2)构造判断矩阵.对某一层元素而言,它的下一层各因素之间的相对重要程度不同,通过赋予下层各因素不同的数值,来表征它们的重要性,该数值就为判断值.因素重要程度的判断值,见表1. 其中,Bi和Bj表示2个不同的脆弱性因素; f(Bi/Bj)表示元素Bi相对元素Bj的重要程度的判断值.
计算判断值为
bij=(f(Bi/Bj))/(f(Bj/Bi))(i,j=1,2,…,n)(1)
构造判断矩阵为
M=[b11 … b1n
bn1 … bnn](2)
根据所评价雨水管网系统脆弱性指标的相对重要性,及各个城市地理位置、气候条件等特点[16-19],可采用表1中相应情况对准则层和子准则层赋予初始的判断值,然后可分别计算bij与M.
3)计算权重值并归一化.为了检验初始赋值、bij与M的科学性与准确性,需要进行数值归一化检验.具体步骤为:
介于各等级之间 2,4,6,8
之一 1
① 若矩阵满足下列3个条件,则B=(bij)n×n为相容矩阵.
{bii=1, i∈{1,2,…,n};
bij·bji=1, i, j∈{1,2,…,n};
bij·bjk=bik, i, j, k∈{1,2,…,n};(3)
② 若判断B是相容矩阵,可令
wi=(∏nj=1bij)n(4)
则当最大特征值λmax=n时,判断B对应的特征向量就是权重向量,
w=[w1,w2,…,wn]T(5)
③ 对权重向量进行归一化检验,若满足归一化,表明初始赋值与判断矩阵满足AHP的系统要求,雨水系统脆弱性评价指标选取与赋值可以采用层次分析法.
④ 进行层次系统分析.子准则层C对目标层A总排序权重值为
W=B·C=[w1,w2,…,w12](6)
根据式(4)可计得子准则层各评价因素在系统中的权重值,从而表明各评价因素在雨水系统组成和运行管理中的重要程度,是计算雨水系统脆弱性的基础性数据之一.
雨水系统的脆弱性用脆弱度(V)指标来表示其脆弱程度[20].首先基于加权平均方法,综合表征雨水系统各组成要素,然后通过相对化处理方法,消除量纲不一致的影响,得到各组成指标要素在雨水系统中的表征值[21]. 其中,雨水口相对路面高程以ha表示; 篦子泄水能力以qa表示; 排水管径以da表示; 管道坡度以ia表示; 管道粗糙度以na表示; 泵站调节能力以Qa表示; 调蓄构筑物调节能力以Ta表示; 出水口类型以Oa表示; 政府财政投入百分比以Ca表示; 城市绿化率以Sa表示; 雨水系统管理水平以Ga表示; 环卫水平以Pa表示.
确定好雨水系统各要素指标后,采用AHP方法计算ha、 qa、 da、 ia、 na、 Qa、 Ta、 Oa、 Ca、 Sa、 Ga和Pa在系统中对目标层 A总排序的权重值,依次为w1、 w2、 w3、 w4、 w5、 w6、 w7、 w8、 w9、 w10、 w11和w12. 根据雨水系统各组成要素在雨水系统中的表征值及其在系统中的权重值,可构建雨水系统脆弱性计算的数学模型为
V=haw1+qaw2+daw3+iaw4+
naw5+Qaw6+Taw7+Oaw8+
Caw9+Saw10+Gaw11+Paw12(7)
各城市雨水系统脆弱度可采用式(7)计得,脆弱度V表示雨水系统抵抗洪涝灾害的潜在能力,雨水系统的脆弱度越小,表明其系统越安全,抗击雨、洪灾害的能力越强; 系统脆弱度越大,越不安全,抗击雨、洪的能力越弱.如何在脆弱度计算的基础上建立城市雨水系统脆弱性评价标准,是推广雨水脆弱性评估的重要前提,脆弱性的评价不能只单纯依赖于脆弱度一项指标,还应结合现行的防雨、洪相关标准与规范.鉴于对城市雨水系统建设规模影响最直接的指标是雨水设计重现期P, 因此,本研究以重现期P和脆弱度V为基础性指标,以积水深度h和积水时间t为表观性指标,参照《武汉市排水防涝系统设计标准(2013年)》,结合近20年来我国城市内涝特点,制定城市雨水脆弱性评价表,见表2. 表2中,根据各个城市所计算出的雨水脆弱度V值,可以得出不同降雨强度情况下,雨水系统可能形成的积水深度和积水时间,并得出雨水系统的安全性评价.
雨水设计重现期P是决定降雨强度关键性指标[22-23],长期以来是雨水系统设计规模重要参数,也是探讨城市内涝原因热门指标,城市雨水系统设计重现期较低一直被认为是导致内涝的主要因素.然而,重现期本身仅表达降雨强度,非雨水系统能够有效收集、输送地表径流,在一定重现期下设计出来的雨水系统,其短时间内有效收集、输送地表径流的能力,缺少相关指标来衡定. 脆弱性弥补了这个缺陷,可直接对已建设完成的城市雨水系统的收集、输送和排放能力进行分析,评估城市雨水系统的安全程度.
城市雨水系统设计重现期P的范围已达到2~50年[24],不同雨水系统组成部分设计重现期差异较大.为了计算方便,雨水管网系统设计时往往只取1个重现期,整个系统未考虑局部地面径流特点差异,也未对所设计出来的雨水系统进行安全性或者脆弱性整体计算、模拟与评价.因此,采用科学的方法对城市雨水系统进行脆弱性计算、模拟与评价,对进一步提高雨水系统整体排涝能力、安全输送能力是非常有意义的,是现有雨水系统改造、提高城市排涝能力的前期性工作.
以武汉和长沙为例,选取2座城市某区域雨水管网系统为研究对象,对影响管网脆弱度的因素进行统计.表3为武汉市雨水系统各指标要素表征值,表4为各要素在雨水系统中的权重值.按照雨水系统脆弱度计算模型,采用加权平均法,可计算得到组成雨水系统各要素的综合表征值,如表5.由式(5),可以得到武汉市所选区域雨水系统的脆弱度.同理,可得到长沙市雨水系统各指标要素的表征值、各要素在雨水系统中的权重值及组成雨水系统各要素的综合表征值, 分别见表 6至表8.
表5 武汉市雨水系统各指标要素综合表征值
Table 5 Comprehensive characterization of the indices of rainwater drainage system in Wuhan
表8 长沙市雨水系统各指标要素综合表征值
Table 8 Comprehensive characterization of the indices of rainwater drainage system in Changsha
此例中,武汉所选中心城区雨水管网系统的脆弱度为0.460,长沙该区域雨水管网系统脆弱度为0.410.根据表2可以判断,长沙和武汉两地雨水管网系统脆弱度中等,管网系统的综合性能中等,系统安全性能一般,当遇到5年≤P<10年的降雨时,城市会形成轻微内涝; 当降雨重现期P≥10时,城市就会形成严重内涝. 由于城市雨水管网系统在不断的改造和重新建设,调查统计得到的数据相对滞后管网系统现状,但在误差范内。所以,该计算脆弱度的方法和模型可以作为评价城市雨水管网系统脆弱性和安全性的一种新方法.
为评价城市雨水系统脆弱性状况,从雨水系统的固有属性和环境属性2个方面,构建了城市雨水系统脆弱性指标体系,采用层次分析和加权平均法建立了城市雨水系统脆弱性评价模型.
利用城市雨水系统脆弱性评价模型,对长沙和武汉2座城市的区域雨水系统进行脆弱性评价,结果表明,2座城市雨水系统的脆弱度都属于中等,雨水系统安全性一般,当遇到重现期P≥5年的暴雨时,城市会产生严重的内涝. 建议高速发展的大中城市重视和加强现有雨水系统薄弱环节的综合整治,提高城市雨水系统抵抗台风、暴雨的能力,确保城市的安全.
深圳大学学报理工版
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