基于情景模拟的城市排水系统抗灾韧性评估及应用研究 ——以河南商丘市梁园区为例

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近年来,由于我国城市建筑群的飞速发展,造成了许多城市天然蓄水设施被建筑物和不透水路面替代。相对滞后的配套市政设施建设改造步伐大大增加了地面径流压力,排水系统在暴雨季时不足以承受雨水的排放,造成我国很多城市市区出现“内涝”和“看海”的灾害现象。针对这一现状,国内学者开始思考从“加大管径、加深节点”的角度增加雨水排放速度,建立排蓄分离的城市管网系统,解决城市旱涝问题,逐步提出了“海绵城市”、“LID”等城市建设新理论。目前,我国排水系统设施改造依据的主要是基于风险评估成果理论,该理论忽略了排水系统自身的韧性,且评估所依据的是历史降雨量资料,不具备时效性,不能够全面指导排水系统改造。本文提出了基于抗灾韧性评估成果的城市排水系统仿真模型,该模型在充分考虑抗灾韧性时效性的基础上对原降雨量公式进行了修订,并考虑了雨水的循环利用问题。主要以商丘市梁园区核心区域排水系统改造工程作为实例,采用仿真模型进行了计算分析。取得的成果主要有提出了基于时效性的降雨量统计方法,建立了基于抗灾韧性理论的排水系统仿真模型,采用论文模型理论计算了工程实例并取得良好效果。(1)首先通过对比多种数据曲线拟合方法的绝对均方差和相对均方差,分析后得出年多样法与耿贝尔曲线拟合推求出降雨量公式最优的结论;分别将新旧公式与实际数据对比,发现新公式的实用性较强;采用芝加哥雨型计算出各重现期下的2小时累积降雨量,作为仿真模型中雨量计的输入数据。(2)其次基于Arc GIS与SWMM软件拟合构建研究区域的排水系统模型,将累积降雨量输入排水系统模型,计算出排水系统在各重现期下的运行状态资料;对运行状态分析发现从10a重现期降雨量条件下开始,该区域的排水系统排水能力大幅度降低。(3)再者基于生态学韧性探讨出排水系统的抗灾韧性内涵,提出用模糊综合评价和层次分析相结合方法对排水系统进行抗灾韧性评估。分析出影响城市排水系统抗灾韧性的两层权重因子,结合梯形函数曲线计算出各节点韧性隶属度并构建抗灾韧性评估矩阵,得出该区域排水系统抗灾韧性在1a、2a、5a暴雨重现期下抗灾韧性为良性等级,在10a以上重现期该区域抗灾韧性等级为差级,整体抗灾韧性等级为差级。(4)最后以“海绵城市”理论为指导,通过加大节点深度、增大透水区面积、排蓄结合措施对该区域管网进行改造,并构建改造后系统的排水系统仿真模型,利用模糊层次综合法对其进行评估。发现各重现期下抗灾韧性指标都得到了提升,系统综合的抗灾韧性从差级提升至良性等级,从而验证了排水系统改造措施的可行性。本论文研究成果能够为市政规划部门精细化管理排水系统提供了新方法,并为城市排涝减灾和系统工程改造提供评价模型,为推进海绵城市建设具有一定的理论现实意义。
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