一种雨水排水系统内涝风险评估方法与流程

本发明涉及雨水排水系统及设计方案的性能评估技术领域，特别涉及一种雨水排水系统内涝风险评估方法。

背景技术

城市雨水排水系统担负着排放降雨径流，防止内涝发生的作用。排水系统的设计计算一般按照不同重现期的降雨量下进行设计，且设计计算时默认为汇流时间内降雨未均匀降雨，这与真实随机降雨之间存在较大差异。因此，在完成排水系统设计时，对如何更好的考虑真实降雨随机且不均匀的实际情况下，对其进行针对性的评估和内涝风险计算，对优化排水系统设计，提升排水系统运行具有重要意义。

目前，排水系统的性能评估及内涝风险计算有几种方法，一是根据i-d-f曲线所得的降雨量基础上设计雨型，形成设计暴雨用于排水系统排涝性能评估和内涝风险计算，但常用的芝加哥雨型芝加哥雨型峰值雨强偏大，在设计和评估中过于安全。三角形雨型受历时影响较为显著，并且不能有效地突出峰值雨强的作用，影响设计和评估的可靠性。另一种方法是采用长序列降雨资料进行计算机长期模拟，通过长历时模拟计算，统计每年内涝发生的频次，从而评估和计算该排水系统在实际运行过程中的排涝效果和内涝发生几率。

但是上述方法要求数据量大，计算成本高，风险概率计算取决于降雨数据的连续性和长时性，适应性较差。寻找高效准确的城市排水系统性能评估方法与内涝计算手段对加强排水系统管理，提升排水系统运行效率具有十分重要的作用。

技术实现要素：

本发明提供了一种雨水排水系统内涝风险评估方法，使用该方法可在简化计算的基础上，提高排水系统性能评估和内涝风险计算的准确性。

一种雨水排水系统内涝风险评估方法，包括以下步骤：

(1)按照气象标准中的大雨标准，从历史降雨数据中选取一定数量的降雨事件；

(2)在传统的降雨事件特征参数的基础上，增加反映降雨不均匀性对排水系统的影响的降雨事件特征参数；

(3)根据步骤(2)中的降雨事件特征参数对待评估排水系统的内涝敏感性，从降雨事件特征参数中选取排水系统发生内涝的降雨敏感性参数，并确定内涝发生的降雨敏感性参数阈值，得到排水系统内涝发生的降雨特征值区间，定义为排水系统失效域；

(4)以步骤(3)中的降雨敏感性参数为特征参数，建立降雨概率密度函数，用于描述降雨的概率分布；

(5)根据步骤(4)中的降雨概率密度函数在步骤(3)的排水系统失效域中的积分，计算降雨特征参数出现在失效域中的概率，进而得到排水系统发生内涝的几率。

为了保证准确性和精度，一定数量指约100组以上的降雨事件。

传统的降雨事件特征参数包括但不仅限于平均雨强、降雨历时、降雨量。

针对不同特征参数的降雨事件下排水系统漫溢的情况，统计各特征参数及特征参数组合与漫溢发生程度之间的相关性，根据步骤(2)中的降雨事件特征参数对待评估排水系统的内涝敏感性，将相关性达到0.9以上的特征参数(或特征参数组合)确定为该排水系统的内涝敏感性特征参数，从而选取并确定排水系统发生内涝的降雨敏感性参数；

在相关性分析的基础上，当该区域内涝达到一定标准(路边积水深度大于15cm，或道路中心积水时间大于1h，积水范围超过50m²)，并确定内涝发生的降雨敏感性参数阈值，得到排水系统内涝发生的降雨特征值区间，定义为排水系统失效域；

确定排水系统发生内涝的降雨敏感性参数，降雨敏感性参数可随排水系统特征进行调整和优化。确定排水系统发生内涝的降雨特征参数阈值，并按照不同的排水系统建立失效域。

本发明将降雨敏感性参数为变量建立降雨概率分布函数，计算失效域内的降雨出现频次，从而将内涝风险计算转变成致灾降雨出现频率的计算，达到降低计算成本，提高计算精度的要求。

优选的，反映降雨不均匀性对排水系统的影响的降雨事件特征参数为5min～30min峰值雨强。考虑到雨水口的汇水时间和流域汇水时间，进一步优选的，降雨事件特征参数为10min峰值雨强，20min峰值雨强和30min峰值雨强。

除了峰值雨强以外，还可以选择其他降雨事件特征参数，反映降雨不均匀性对排水系统的影响的同时，同步反应降雨事件整体大小的特征参数为降雨强度。

为了反映排水系统与收纳水体之间水位的相互影响，优选的，步骤(2)中，将峰前雨量也作为降雨事件特征参数。

根据不同特征参数(或不同特征参数的组合)与排水系统内涝发生状况的相关性，优选的，步骤(3)中，选取排水系统发生内涝的降雨敏感性参数为峰值雨强和平均雨强。

优选的，步骤(4)中，建立降雨概率密度函数具体为：根据峰值雨强和平均雨强建立联合概率密度函数，以上两项参数能准确反映降雨事件整体对排水系统内涝发生的影响。

为了提高计算的准确性和精度，优选的，步骤4中，采用copula的方法进行构建多参数降雨概率分布函数。

为了提高计算的准确性和精度，优选的，步骤(5)中，得到的排水系统发生内涝的几率的计算公式为：

式中，ci代表着内涝区域内降雨事件发生的概率，cj代表着非内涝区域内降雨事件发生的概率，xi，yi，xj，yj代表不同的特征参数取值，i，j为序号。

本发明的有益效果：

本发明的雨水排水系统内涝风险评估方法，将排水系统内涝发生概率的计算转变成致灾降雨发生频率的计算，从而减少了管网水力模型的运算，也充分考虑了随机降雨的不均匀性和不确定，在降低了计算量的同时也提高了内涝风险的评估精度。

附图说明

图1为某市老城区的排水系统示意图。

图2为平均雨强和最大30min峰值雨强确定的失效域。

具体实施方式

如图1所示，某市老城区是市区的中心区域，四周以环城河为界，其规划用地总面积为237.7公顷，是全市高档次、高品位、高效益的的商业、娱乐、金融贸易、信息中心。由于排水系统建成时间较早，其排水体制为雨污合流制，且由于管道设计标准偏低，区域内在极端降雨下已发生积水与内涝。

本实施例的雨水排水系统内涝风险评估方法包括以下步骤：

(1)从30年降雨资料的1249场独立的降雨事件中，将有可能导致内涝的达到大雨级别的降雨事件筛选出来，最终筛选出162场可能造成城市内涝灾害的次降雨事件。

(2)选取多个降雨事件特征参数；

(3)利用排水系统模型实验和敏感性分析，从多个降雨事件特征参数和特征参数组合中，选取与内涝发生程度相关性达到0.9，且相关性最高的特征参数组合作为敏感特征参数，从而确定该排水区域发生内涝的降雨敏感性参数为降雨的平均雨强和30min峰值雨强，最终选择这两个参数作为降雨敏感性参数用来评估内涝风险，按照上述内涝标准(路边积水深度大于15cm，或道路中心积水时间大于1h，积水范围超过50m²)，确定内涝发生的参数阈值，明确排水系统内涝发生的降雨特征值区间，可称为排水系统失效域，如图2所示。

(4)采用colupa方法，建立峰值雨强和平均雨强建立联合概率密度函数。

(5)根据降雨概率密度函数在失效域中的积分计算降雨特征参数出现在失效域中的概率，得到内涝风险概率的计算公式为：

式中，ci代表着内涝区域内降雨事件发生的概率，cj代表着非内涝区域内降雨事件发生的概率，xi，yi，xj，yj代表不同的特征参数取值，i，j为序号。

最终计算得到的结果为该区域发生内涝风险概率为0.29。

综上所述，本实施例的雨水排水系统内涝风险评估方法，将排水系统内涝发生概率的计算转变成致灾降雨发生频率的计算，从而减少了管网水力模型的运算，也充分考虑了随机降雨的不均匀性和不确定，在降低了计算量的同时也提高了内涝风险的评估精度。