劉 暢，周玉文，趙 見

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

城市的某些特定地點(diǎn)，如立交橋、地下通道、鐵路橋，由于其地勢坑洼、地下管道陳舊，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨時(shí)往往成為最容易發(fā)生積水的地方。

城市暴雨積水內(nèi)澇模型的建立是一個(gè)對水災(zāi)害進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的過程，它科學(xué)準(zhǔn)確地分析了降雨徑流、城市管網(wǎng)排水和積水漫流的整個(gè)系列過程，同時(shí)也成為了城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、改造的有力工具［1-4］。

本文通過北京GQM橋區(qū)防洪工程數(shù)學(xué)模型實(shí)例的構(gòu)建，介紹通過InfoWorks ICM模型技術(shù)來防治城市內(nèi)澇這一思路，且通過分析GQM橋“7·21”內(nèi)澇模擬結(jié)果與內(nèi)澇現(xiàn)狀，來探討普遍的下凹式立交橋積水原因［5］。

1 橋區(qū)基本情況

GQM鐵路橋是兩廣路下穿現(xiàn)狀京山鐵路的下凹式立交橋，下凹長度約為546m，面積約3.3公頃，檢查井約300座。GQM橋雨水泵站位于崇文區(qū)夕照寺街鐵路立交東北側(cè)，設(shè)計(jì)流量為2.2m3／s，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2a，進(jìn)出水管徑均為1 400mm，下游直接排入東護(hù)城河。橋區(qū)內(nèi)有現(xiàn)況DN 3 400 mm×1 750mm～DN 4 000mm×1 500mm東西走向雨水主干管，向東排入東護(hù)城河。

2 建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

構(gòu)建InfoWorks ICM內(nèi)澇模型需要如下幾種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：CAD數(shù)據(jù)，用于確定模型管網(wǎng)系統(tǒng)以及各構(gòu)筑物的屬性；GIS數(shù)據(jù)，作為CAD數(shù)據(jù)不完善時(shí)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)來源；勘察測繪高程數(shù)據(jù)，用于生成二維地表模型并進(jìn)行加密處理；現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)，確保模型網(wǎng)絡(luò)以及參數(shù)與實(shí)際相符。

GQM橋?qū)傩詳?shù)據(jù)主要有：1）管段、節(jié)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)缺失；2）管段結(jié)構(gòu)存在缺陷，如逆坡、錯(cuò)位等。

經(jīng)復(fù)查設(shè)計(jì)圖紙以及應(yīng)用推斷方法對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化推斷，如根據(jù)上、下游檢查井井底高程推斷井底高程，根據(jù)附近CAD高程點(diǎn)推斷井面高程等。雖然推斷數(shù)據(jù)存在不確定因素，但由于數(shù)量較少或符合施工圖紙，對模型造成的誤差在允許范圍內(nèi)。

3 InfoWorks ICM模型建立

完成管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作后，可建立GQM橋的一維管網(wǎng)模型和二維地面高程模型。一維管網(wǎng)模型可以模擬管網(wǎng)的排水情況和檢查井的冒水情況，即“哪兒冒水”；二維地面高程模型可以用于地表水匯流的模擬，即“水往哪兒去”。

3.1 建立橋區(qū)一維模型

3.1.1 確定橋區(qū)一維模型邊界

一維模型邊界范圍內(nèi)應(yīng)包含所有對橋區(qū)水力分析有影響的管線的服務(wù)范圍。根據(jù)現(xiàn)有CAD以及現(xiàn)場勘察管道以及水力構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，向上、下游追蹤找到管道起始點(diǎn)或者能夠劃分合理的分界點(diǎn)，并結(jié)合GQM橋區(qū)實(shí)際地形以及實(shí)際匯水情況和雨水口的匯流能力，來確定建模范圍。最終確定GQM橋區(qū)模型的上游邊界為安化樓大街，下游為東護(hù)城河出水口（見圖1）。

圖1 GQM橋區(qū)模型區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of GQM area in model

3.1.2 一維模型參數(shù)設(shè)置

GQM橋區(qū)的一維模型的管網(wǎng)系統(tǒng)包含排水管線、檢查井、雨水篦子、出水口和雨水泵站。對于管道的參數(shù)選擇，一般排水管道曼寧值為0.013，但由于GQM橋區(qū)排水管網(wǎng)建成時(shí)間較長，管道粗糙度略變大，故取曼寧值為0.014。以儲(chǔ)水池來表示雨水泵站的泵站前池，通過設(shè)置設(shè)計(jì)流量來表示每臺(tái)泵的排水量。開停泵水位等泵站信息按照記錄信息在RTC中進(jìn)行設(shè)置，檢查井與雨水篦子的洪水類型設(shè)置為stored。

確定橋區(qū)一維模型邊界后進(jìn)行匯水區(qū)的劃分，要考慮不同的用地屬性來劃分不同的大區(qū)域，再在大區(qū)域上采用泰森多邊形法自動(dòng)進(jìn)行匯水區(qū)的細(xì)劃分。匯水區(qū)產(chǎn)流的模擬采用霍頓滲透模型與固定徑流量模型。根據(jù)用地屬性的不同設(shè)置低區(qū)匯水區(qū)不同的產(chǎn)流參數(shù)，而高區(qū)匯水區(qū)則采用綜合徑流系數(shù)法。對于匯水區(qū)的匯水模擬，采用SWMM匯流模型，不同的下墊面匯流曼寧系數(shù)分別是：綠地0.02，道路0.014，鋪磚0.015，綜合0.018。

3.2 橋區(qū)二維模型的構(gòu)建

3.2.1 建立道路數(shù)字高程模型（DEM）

高精度城市下凹式立交橋數(shù)字高程模型（DEM）對于內(nèi)澇模型十分重要。將DEM高程模型與排水模型模擬所得的積水量數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以更加準(zhǔn)確直觀地進(jìn)行積水的淹沒分析。

制作DEM所用到的原始高程點(diǎn)數(shù)據(jù)來自GIS數(shù)據(jù)和勘察測繪高程數(shù)據(jù)，利用有限的高程數(shù)據(jù)生成的路面DEM模型的起伏狀況與實(shí)際情況有很大差別，路面粗糙不平整，不滿足道路平緩起伏的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，因此，還需對道路邊線及道路內(nèi)部高程數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，從而提高模型精度。

提取GIS圖層中的道路邊界作為背景底圖，手工加密道路邊線和一些特殊點(diǎn)高程（如邊坡點(diǎn)）。由于測量數(shù)據(jù)所給高程不一定位于道路邊線上，而是分散在道路面上。需在一段道路面內(nèi)尋找典型的橫縱斷面，并擬合此橫縱斷面內(nèi)原始的高程點(diǎn)，可利用CAD中偏移、定距等分、復(fù)制等功能對道路邊線分割，并結(jié)合ArcGIS的拓?fù)涔δ芸焖偕杉用茳c(diǎn)，輸入擬合曲線高程數(shù)據(jù)［6］。直接采用地面測量數(shù)據(jù)生成的DEM（圖2a））因?yàn)閿?shù)據(jù)分布不規(guī)則和數(shù)據(jù)量的限制，模型內(nèi)部呈鋸齒狀分布，與真實(shí)情況不符；采用擬合曲線方法對測量數(shù)據(jù)處理并加密之后生成的道路DEM模型（圖2b））路面平緩，且坡度和拱度使路面起伏更逼真，模型精度大幅度提高。

圖2 地面高程修正前后效果圖Fig.2 Effect before and after correction of ground elevation

3.2.2 二維模型參數(shù)設(shè)置

建立二維模型首先要搭建2D區(qū)間，而2D的范圍應(yīng)等同于數(shù)字高程模型（DEM）的范圍。建立好2D區(qū)間后需要網(wǎng)格化2D區(qū)間來建立完整的二維模型，2D網(wǎng)格化后的地面模型（DEM）便可模擬準(zhǔn)確的地面雨水匯流過程與積水情況。設(shè)置2D區(qū)間內(nèi)低水區(qū)的檢查井的洪水類型為gully 2D，其他區(qū)域設(shè)置為2D。gully 2D雨水口可以更加準(zhǔn)確地描述雨水篦的泄水能力。具體的gully 2D雨水口相關(guān)水力參數(shù)見圖3。

圖3 gully 2D雨水口相關(guān)水力參數(shù)Fig.3 Parameters of gully 2D

3.3 橋區(qū)模型的校核

模型校核以構(gòu)建的模型為基礎(chǔ)，利用雨天和旱天的實(shí)測數(shù)據(jù)對建模區(qū)域內(nèi)的雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、合流制管網(wǎng)、匯水區(qū)、2D區(qū)間內(nèi)的水力參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與修改。雨天校核主要修正的是雨水管網(wǎng)、合流式管網(wǎng)的水力參數(shù)；旱天校核主要修正合流式管網(wǎng)和污水管網(wǎng)的水力參數(shù)。

3.3.1 橋區(qū)校核標(biāo)準(zhǔn)

1）旱天校核標(biāo)準(zhǔn)

旱天模型模擬數(shù)據(jù)應(yīng)和實(shí)測數(shù)據(jù)擬合后滿足以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①谷值和峰值之間的時(shí)間差應(yīng)在1h以內(nèi)；②峰值流量的相對誤差為10%～-10%；③總流量的相對誤差為10%～-10%。

2）雨天校核標(biāo)準(zhǔn)

雨天模型模擬數(shù)據(jù)應(yīng)和實(shí)測數(shù)據(jù)擬合后滿足以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①在整個(gè)降雨事件中，峰值發(fā)生時(shí)間應(yīng)相似；②明顯的峰值流量的相對誤差應(yīng)控制在25%～-15%；③總流量的相對誤差應(yīng)控制在20%～-10%；④在管道滿流的情況下，管道內(nèi)水深差為0.5～-0.1m。

校核的目的是基于實(shí)測數(shù)據(jù)，調(diào)整多個(gè)模型參數(shù)，從而使得模型的數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)達(dá)到擬合結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工程中，沒有對實(shí)測數(shù)據(jù)評(píng)估、忽略測量時(shí)出現(xiàn)誤差的情況下，應(yīng)避免強(qiáng)制校核。

3.3.2 橋區(qū)校核數(shù)據(jù)的收集和評(píng)估

實(shí)測數(shù)據(jù)是橋區(qū)校核的基礎(chǔ)，因此正確的測流方案是模型校核的關(guān)鍵。監(jiān)測點(diǎn)的位置原則上集中在主干管、排水口、特殊位置點(diǎn)的上下游（如泵站）等。GQM橋區(qū)測流共布置了8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（安裝流量計(jì)）來監(jiān)測高、低水系統(tǒng)的水量流速數(shù)據(jù)，在東護(hù)城河出水口處布置了1臺(tái)液位計(jì)，橋區(qū)泵站中的雨量計(jì)收集降雨數(shù)據(jù)。

實(shí)測數(shù)據(jù)的評(píng)估需滿足以下幾點(diǎn)：①實(shí)測的流速數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)間的相關(guān)性良好；②選取的雨天實(shí)測數(shù)據(jù)曲線應(yīng)表現(xiàn)一場雨自始至終的變化，而不是一場雨的一段時(shí)間；③實(shí)測的合流管道和污水管道在旱天的數(shù)據(jù)在24h內(nèi)的變化曲線應(yīng)有明顯的谷值和峰值。

圖4為2013-06-30到2013-07-01雨水管上監(jiān)測點(diǎn)2監(jiān)測的雨天數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)一場雨的完全變化過程且谷值峰值明顯，可以用作模型校核。本次監(jiān)測有效時(shí)間段為6月30日00：00至7月1日24：00，共計(jì)48h。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Measured data

3.3.3 旱天校核、雨天校核

1）旱天校核

在評(píng)估旱天實(shí)測數(shù)據(jù)的有效性的基礎(chǔ)之上，對橋區(qū)排水系統(tǒng)的污水管線與合流制管線進(jìn)行旱天校核。旱天校核主要調(diào)整的參數(shù)為管道服務(wù)區(qū)域人口數(shù)、變化系數(shù)和污水當(dāng)量、管道參數(shù)（曼寧值、管道沉積物深度等），當(dāng)旱天模擬數(shù)據(jù)和旱天實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合誤差達(dá)到旱天擬合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，模型校核成功。由于GQM橋區(qū)排水系統(tǒng)無合流制管線與污水管線，故無需旱天校核。

2）雨天校核

在評(píng)估雨天實(shí)測數(shù)據(jù)的有效性的基礎(chǔ)上，通過修正橋區(qū)系統(tǒng)中的管道參數(shù)、產(chǎn)流參數(shù)、匯流參數(shù)等，對GQM橋區(qū)的高、低水系統(tǒng)的雨水管線進(jìn)行雨天校核，使得模型的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)達(dá)到雨天擬合標(biāo)準(zhǔn)。GQM橋區(qū)管道修正參數(shù)如下：管道沿程損失系數(shù)（管道曼寧數(shù)），由于排入東護(hù)城河的暗溝為混凝土材質(zhì)且出口處垃圾較多，故由0.014調(diào)整為0.02；節(jié)點(diǎn)局部損失系數(shù)，建模時(shí)選取“normal”，由1.5調(diào)整為2.5。產(chǎn)匯流參數(shù)修正如下：道路徑流系數(shù)，由0.85調(diào)整為0.8；綜合徑流系數(shù)，由0.6調(diào)整為0.55；模擬地表二維流動(dòng)，地表粗糙系數(shù)采用曼寧公式，地表曼寧數(shù)按不同用地屬性，經(jīng)調(diào)整如下：道路由0.014調(diào)整為0.016，綜合地表由0.018調(diào)整為0.02，空白鋪磚由0.015調(diào)整為0.018。由圖5可看出，參數(shù)校正后，模型模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)深度、流量、流速都趨于擬合，滿足雨天校核標(biāo)準(zhǔn)。表1為2013-6-30GQM橋區(qū)有效監(jiān)測點(diǎn)的雨天校核結(jié)果。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of measured data and simulated data

表1 GQM橋區(qū)模型雨天校核結(jié)果Tab.1 Result of storm flow verification in GQM area model

由表1綜合評(píng)估分析：FM02點(diǎn)水文曲線擬合度較好，總流量與峰值流量趨于擬合，水深超過4.5 m時(shí)數(shù)據(jù)無法記錄，數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致峰值水深無法完全擬合，但水深數(shù)據(jù)的趨勢可做擬合。FM03點(diǎn)水文曲線較為吻合，趨勢、峰值流量與水深都趨于擬合，因?yàn)閷?shí)測時(shí)流速出現(xiàn)不連續(xù)的情況，導(dǎo)致一些時(shí)間點(diǎn)流速為零，流量也為零，所以總流量模擬值大于實(shí)測值。FM05點(diǎn)水文曲線較為吻合，流速數(shù)據(jù)差，峰值水深模擬值大于實(shí)測數(shù)據(jù)，峰值流量與總流量難校核。

4 下凹式立交橋積水原因分析

4.1 高水區(qū)排水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過低，造成大量客水匯入地區(qū)

以“7·21”降雨為例，由InfoWorks ICM 進(jìn)行地表漫流二維模擬，可以看出在橋區(qū)設(shè)計(jì)低區(qū)范圍外有大量客水匯入（見圖6），造成了低區(qū)范圍積水。

圖6 GQM橋區(qū)客水范圍Fig.6 Range of guest water in GQM area

由北京市排水集團(tuán)提供的“7·21”當(dāng)天的資料顯示，夕照寺泵站“7·21”暴雨時(shí)運(yùn)行正常，6點(diǎn)50分以后，由于南、東護(hù)城河洪峰逐漸形成，而GQM鐵路橋區(qū)降雨強(qiáng)度此時(shí)并未減弱，形成雨洪同期，洪水位快速上漲至36.50m以上，高區(qū)雨水不能順利依靠重力流排入東護(hù)城河，同時(shí)北至東花市大街（客水范圍1），西至南花市大街（客水范圍2），大面積客水進(jìn)入GQM鐵路橋區(qū)，模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。

4.2 橋區(qū)低水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低及雨水口數(shù)量不足，造成雨水不能及時(shí)匯入泵站

利用“7·21”實(shí)測降雨，通過InfoWorks ICM模擬可以得到設(shè)計(jì)低區(qū)范圍內(nèi)各個(gè)雨水篦子的入流過程線，通過對各個(gè)雨水篦子入流過程線的疊加，得到低區(qū)范圍內(nèi)所有篦子總雨水入流過程線，再由網(wǎng)絡(luò)結(jié)果多邊形得到客水匯入設(shè)計(jì)低區(qū)的入流過程線，把客水匯入的入流過程線加上低區(qū)所有篦子的入流過程線，得到設(shè)計(jì)低區(qū)總的入流過程線。通過北京市排水集團(tuán)提供的設(shè)計(jì)資料可以得到設(shè)計(jì)低區(qū)范圍內(nèi)共有雨水篦子323個(gè)，按照每個(gè)雨水篦子的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)15L／s流量計(jì)算，可以得到設(shè)計(jì)低區(qū)篦子的總設(shè)計(jì)入流能力4.845m3／s，通過與模型中得到的總?cè)肓鬟^程線對比，可以得出由于雨水口數(shù)量不足和分布不合理，導(dǎo)致GQM橋區(qū)積水嚴(yán)重。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘：GQM橋區(qū)二環(huán)主路道路低點(diǎn)共有雨水口44個(gè)，輔路有雨水口32個(gè)，共計(jì)76個(gè)。按每個(gè)雨水口15L／s的泄水量計(jì)算，進(jìn)水量為1.14 m3／s，不滿足“7·21”暴雨的設(shè)計(jì)進(jìn)水量，需改造并增加雨水口數(shù)量；中軸路下穿鐵路道路低點(diǎn)共有雨水口118個(gè)，按每個(gè)雨水口15L／s的泄水量計(jì)算，進(jìn)水量為1.77m3／s，不滿足“7·21”暴雨的設(shè)計(jì)進(jìn)水量，需改造并增加雨水口數(shù)量。

下凹式立交橋積水原因總結(jié)：1）橋區(qū)內(nèi)雨水口數(shù)量不足，布局不合理，造成雨水不能及時(shí)匯入泵站；2）橋區(qū)外和橋區(qū)內(nèi)雨水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，造成客水匯入橋區(qū)；3）泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，且大量客水匯入造成泵站抽升能力不能及時(shí)應(yīng)對極端暴雨。

5 結(jié) 語

1）高精度下凹式立交道路區(qū)域數(shù)字高程模型對地面匯流和橋區(qū)內(nèi)澇模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。下凹式立交橋積水原因之一是客水匯流進(jìn)入橋區(qū)，高程處理不精確會(huì)影響客水量，進(jìn)而模型失真。

2）橋區(qū)模型范圍應(yīng)考慮所有對橋區(qū)水力分析有影響的管網(wǎng)的服務(wù)范圍。根據(jù)現(xiàn)有CAD，GIS以及現(xiàn)場勘察管道以及水力構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，向上游追蹤找到管道起始點(diǎn)或者能夠劃分合理的分界點(diǎn)，并結(jié)合橋區(qū)實(shí)際地形以及實(shí)際匯水情況和雨水口的匯流能力。下游邊界根據(jù)流域出水口的位置以及現(xiàn)有實(shí)測水位信息資料來確定建模范圍。

3）實(shí)測數(shù)據(jù)是橋區(qū)校核的基礎(chǔ)，關(guān)系到模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性評(píng)估，不應(yīng)過度信賴實(shí)測數(shù)據(jù)，避免強(qiáng)制性校核。

4）下凹式立交橋內(nèi)澇改造工程應(yīng)重點(diǎn)在增加橋區(qū)內(nèi)雨水口數(shù)量，增大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提升泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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