錢 真，譚 瓊，賈衛(wèi)紅

(上海市水務規(guī)劃設計研究院，上海 200233)

當發(fā)生暴雨、臺風、洪水等災害時，平原感潮河網地區(qū)往往會“因洪致澇”，使得城市區(qū)域除澇形勢嚴峻。隨著城市的發(fā)展，城市排水量和排水強度明顯增大，形成了城市小區(qū)和城市區(qū)域二級排水格局。區(qū)域除澇與城鎮(zhèn)排水的有機結合才能真正解決城市內澇問題，對兩者進行統(tǒng)一模擬分析也是城市雨洪綜合管理的一項重要內容［1-4］。

目前，在城市排水管網系統(tǒng)模擬計算中國外有不少成熟的商業(yè)軟件，并在排水實時模擬中得到應用［5-7］，如 MIKE URBAN、SewerGEMS 以及 InfoWorks CS等，這些商業(yè)軟件中也集成了相應模塊模擬河網水流，但由于國內外防洪體系及各地區(qū)水情差異等原因，國外商業(yè)軟件并不能完全適應我國水情分析的實際需求。就河網水文水動力學模型而言，國內在模型研究方面有成熟先進的技術，也在區(qū)域除澇分析評估和規(guī)劃設計中得到應用［8-11］。利用 OpenMI(open modeling interface)標準接口技術，能夠在較短時間內有效集成現(xiàn)有的城市排水管網水力模型軟件和河網水文水動力模型軟件，取長補短，發(fā)揮各自優(yōu)勢，綜合模擬城市雨洪。

本文采用水文水動力學方法建立城市感潮河網水流模型，運用InfoWorks CS V12.0建立城市小區(qū)排水管網系統(tǒng)模型，利用OpenMI技術對兩者進行動態(tài)耦合從而實現(xiàn)城市雨洪綜合模擬，并應用該方法建立淀北片雨洪模型，分析不同雨潮組合對淀北片區(qū)域內澇的影響，為城市區(qū)域除澇規(guī)劃和相關標準制定提供技術支撐和科學依據。

1 城市雨洪綜合模擬

根據城市二級排水的格局，城市雨洪綜合模擬包括對城市河網水流和小區(qū)排水的計算，以及兩者之間的動態(tài)數據交換。

1．1 城市河網水流計算

在感潮河網地區(qū)，城市河網水流計算采用感潮河網水文水動力模型。根據不同的產流規(guī)律，降雨徑流模擬將區(qū)域下墊面分成水面(包括河道、湖泊等水面)、水田、旱地或綠地及城鎮(zhèn)道路等有覆蓋的下墊面，按照水文學的原理和方法分塊計算區(qū)域的產匯流［8-9］。河網水動力模擬基本方程為Saint-Venant方程組(式(1))，數值離散采用成熟的四點線性隱格式，使用矩陣標識法求解河網節(jié)點水位方程組［11］。

式中:B為斷面河寬;Z為斷面水位;Q為斷面流量;q為單位河長上的區(qū)間入流;α為動量校正系數;A為過水斷面面積;g為重力加速度;Sf為摩阻比降。

1．2 小區(qū)排水計算

本文以InfoWorks CS構建城市排水管網水力學模型，通過劃分子集水區(qū)，針對不同產流特性的表面采用固定比例徑流模型、Green-Ampt滲透模型及Horton滲透模型的組合模擬產流，對各表面的匯流模擬采用雙線性水庫(Wallingford)模型和SWMM徑流模型的組合。通過完全求解Saint-Venant方程組計算小區(qū)管網內的水流運動，對于超負荷的模擬采用Preissmann Slot方法?；赥VD格式應用二維有限體積法求解淺水方程組來演算小區(qū)地面積水過程，并在網格單元尺度上模擬水量的垂向交換:降雨和下滲［17］。

1．3 耦合方法

城市河網水流計算和小區(qū)排水計算采用不同結構的模型，無法直接通信。為了準確地模擬計算城市雨水排水與河網蓄排水的相互關系，建立完整的城市雨洪模型，本文利用OpenMI系統(tǒng)平臺，集成現(xiàn)有的、相對獨立的雨水排水管網水力模型和河網水力模型，實現(xiàn)不同模型間的動態(tài)交互并行計算，提高模擬計算精度。OpenMI是水環(huán)境模型開發(fā)研究領域的開放的公共接口標準，通過其提供的模型包裝功能，可將原模型包裝為兼容模型，在統(tǒng)一的平臺上動態(tài)耦合集成多個異構模型，發(fā)揮各個模型的優(yōu)勢［12-16］，并被不少國外商業(yè)軟件所兼容，如InfoWorks CS、MIKE。

使用OpenMI開放式模型接口為感潮河網水文水動力模型和以InfoWorks CS建立的城市排水管網水力學模型實現(xiàn)每個時間步長內的數據交換提供公共平臺。異構模型的數據交換為雙向，即在每個計算時間步長內，城市排水管網水力學模型的排放口出流量值輸出給感潮河網水文水動力模型作為斷面的入流量，感潮河網水文水動力模型運行后將斷面的水位值反饋給城市排水管網水力學模型作為排放口的水位邊界。在 OpenMI平臺中，分別導入InfoWorks CS構建的城市排水管網水力學模型(new model to omi)和感潮河網水文水動力模型(dbp)的接口文件，并為上述雙向連接定義對應關系(圖1)。

1 OpenMI模型耦合配置界面

2 淀北片雨洪模型

2．1 模型構建

淀北片為上海市14個水利分片之一，位于蘇州河以南、淀浦河以北、小淶港以東、黃浦江以西，總面積179.28km2，呈西北向東南的斜長形(圖2)。片內河道總長261.35km，河道密度達到1.46 km/km2，河湖面積達到5.37 km2，河網率達到2.99%，常水位河網槽蓄量約1084.68萬m3。本河網模型共概化河道(段)146條，計算節(jié)點228個，可控水工建筑物36個。

圖2 淀北片示意圖

淀北片雨水排水系統(tǒng)主要包括該片閔行區(qū)域、長寧區(qū)域、徐匯區(qū)域的排水系統(tǒng)，根據3區(qū)的雨水排水規(guī)劃，片內規(guī)劃強排系統(tǒng)51個，自流排水系統(tǒng)11個，規(guī)劃泵排流量約671.77 m3/s。以羅秀、梅隴、長橋為典型排水系統(tǒng)建立InfoWorks CS排水模型，概化節(jié)點個2708個，管段2700條，地面網格11548個，集水區(qū)310個，每個集水區(qū)進行獨立產匯流計算。

2．2 模型率定及驗證

采用2012年8月1—13日“?？迸_風暴雨期間和2013年10月1—15日“菲特”臺風暴雨期間的降雨、水文同步監(jiān)測資料進行模型參數的率定與驗證。根據上海市降雨徑流計算相關研究［5-6］，確定城市排水管網水力學模型及河網水文水動力模型的參數。經率定，各排水系統(tǒng)降雨模擬的體積和徑流洪峰的平均相對誤差分別為4.1%和7.9%，達到城市排水系統(tǒng)水力模擬應用規(guī)范的相應要求。以虹橋新橋站作為河網水流模型的模擬實測對照站，模擬的2場次洪水的洪峰水位相對誤差均小于5%，確定性系數均在0.95以上，與實測結果吻合較好。

3 雨潮組合對淀北片內澇的影響

3．1 計算方案

目前上海市在區(qū)域除澇計算中采用典型年法，現(xiàn)行的區(qū)域除澇標準中，以1963年9月發(fā)生的“639”暴雨(1963年9月12日8:00至13日8:00)作為典型暴雨，區(qū)域除澇標準為20年一遇最大24 h面雨量，該標準下淀北片的24h總雨量為192.9mm。

2005年8月出現(xiàn)的“麥莎”雨型對上海的影響較大，其中最大24 h(2005年8月6日8:00至7日8:00)面雨量181.5 mm，其雨型特點為雨峰靠后且連續(xù)3 h雨強未明顯衰減，這種持續(xù)強暴雨容易造成區(qū)域內澇，因此“麥莎”雨型也常作為驗算雨型。

綜合考慮以上2種雨型特點，擬定以“639”雨型和“麥莎”雨型為基礎概化的雨型作為設計暴雨，淀北片的20年一遇最大24 h設計面雨量提高到203.0 mm。

為研究不同暴雨、潮型以及雨潮組合對區(qū)域除澇和城鎮(zhèn)排水的影響，以“639”暴雨與對應的同步潮水位過程組合作為基準計算方案(方案0)，在方案0的基礎上逐一改變雨型(方案1)、潮型(方案2)，計算分析新概化雨型對區(qū)域除澇的影響，并計算模擬“麥莎”期間淀北片河網內水流運動情況(方案3)。雨洪綜合模擬的具體方案見表1。

表1 雨洪綜合模擬計算方案

片內河道常水位2.5 m，預降水位為2.0 m，初始流速為0.0 m/s。在除澇時段，除澇泵、閘調度遵循水閘能排則排、盡量自排的原則，水閘不能開則啟用除澇泵站抽排。

3．2 結果分析

3．2．1 節(jié)點最高水位分布

在方案0的情況下，淀北片河網節(jié)點最高水位分布見圖3，可以看出其分布總體趨勢為西北高、東南低，這與沿黃浦江、淀浦河(淀東閘外段)的排水條件較好有關;其中81.3%的節(jié)點最高水位達4.00～4.20 m，8.3%的節(jié)點最高水位在4.20 m以上，集中在蘇州河沿線及其閘外節(jié)點;本次城市雨洪耦合模擬的河網節(jié)點最高水位的平均值為4.09m，比以往僅用河網水文水動力模型在相同情況下模擬的節(jié)點最高水位平均值4.29m低0.20m。兩者的差異主要源于:以往僅用河網水文水動力模型模擬時認為片內澇水全歸槽，即地塊上產流后瞬時匯流入河道;而本次城市雨洪綜合模擬中，地塊上產流后經雨水井收集匯入雨水排水管網，再由雨水泵站就近排入河網水體中，在此過程中雨水排水管網的調蓄作用對匯入河道的流量過程進行了“削峰”;同時由于排水管網系統(tǒng)實際排水能力有限，導致一定深度的地面積水，排水系統(tǒng)出現(xiàn)最大30～40 cm的地面積水深度。

圖3 方案0河網節(jié)點最高水位分布

3．2．2 最高水位分布

為了更加直觀方便地對各計算方案結果進行比較，根據河網節(jié)點的最高水位計算值，利用ArcGIS繪制淀北片最高水位分布如圖4所示。方案1計算的面平均最高水位為4.249 m，面最高水位4.00 m以上的區(qū)域面積占比為89.5%;方案2計算的面平均最高水位為4.198 m，面最高水位4.00 m以上的區(qū)域面積占比為89.9%。

新概化雨型總雨量大于“639”雨型，方案1、2計算得到的淀北片面最高水位都相應上升(圖5)，尤其在潮水位條件相同時，雨型變化對面最高水位分布的影響顯著，方案1區(qū)域河道最高水位最大增幅達21.5cm，增幅超過20.0 cm的區(qū)域面積占比達19.4%。

新概化雨型較“麥莎”雨型的雨峰出現(xiàn)時間提前，與“麥莎”期間同步潮水位組合時，雨峰恰遇潮谷，使得片內河網能夠“趁潮排澇”，河道內最高水位降低;而在漲潮時段由泵、閘將片內外的河網水系相阻隔，與方案1相比，在相同的暴雨設計條件下，方案2計算的面最高水位上升主要集中在邊界附近，其中最高水位4.60 m以上的區(qū)域面積占比達11.1%?？梢?，區(qū)域排水條件受片外潮水位控制，從而影響了面最高水位分布。

圖4 最高水位分布

圖5 最高水位變幅分布

方案3復演出“麥莎”臺風暴雨期間淀北片的最高水位分布情況(圖4(d))，可以清晰地看到，與方案2的模擬結果接近。

4 結語

本文在OpenMI異構模型集成平臺上，耦合感潮河網水文水動力模型和InfoWorks CS城市排水管網水力學模型，構建了淀北片雨洪模型，利用2012年和2013年的兩次臺風暴雨實測水文數據對模型進行了率定、驗證，并應用該模型對不同雨潮組合條件下的最高水位分布進行了計算。結果表明:雨洪綜合模擬較真實地反映了感潮河網城市區(qū)域的內澇情況，可以為城市區(qū)域除澇、市政雨水排水新標準和規(guī)劃的制定提供參考。

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