陳彩虹，劉卉芳，，楊玉生，趙建民

(1.北京沃爾德防災(zāi)綠化技術(shù)有限公司，北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

我國正處在城鎮(zhèn)化建設(shè)深入發(fā)展的關(guān)鍵時期，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，城市面積不斷擴張。受此因素的影響，不少城市在雨季存在較頻繁的內(nèi)澇問題[1]。因此，在城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)時開展內(nèi)澇分析，評估建設(shè)項目配套排水能力，對建設(shè)區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測對解決內(nèi)澇問題是十分必要的[2- 7]。

造成城市內(nèi)澇的主要因素包括自然因素、規(guī)劃因素、工程因素和管理因素等[8]。自然因素主要是地形條件和降雨特征；規(guī)劃因素包括對內(nèi)澇災(zāi)害的重視程度和治澇規(guī)劃與其他專項規(guī)劃的協(xié)調(diào)性等；工程因素則包括城市建設(shè)過程中人類活動改變下墊面性質(zhì)影響產(chǎn)匯流過程，也包括管網(wǎng)排水排澇系統(tǒng)的設(shè)計水平等；管理因素則主要在于是否能夠保障設(shè)計管網(wǎng)的有效運行以及能否有效管轄河道行洪范圍內(nèi)的人類活動。

在開展工程活動時，建設(shè)環(huán)節(jié)所關(guān)注的主要是工程活動對城市內(nèi)澇的影響。即在一定的排水區(qū)域、降雨強度等自然條件下，特定的雨污水排水規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)下，保障工程建設(shè)能夠滿足城市內(nèi)澇規(guī)劃要求的內(nèi)澇安全標(biāo)準(zhǔn)，不會帶來內(nèi)澇災(zāi)害。

本文結(jié)合某城區(qū)道路建設(shè)工程，利用丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列軟件[9- 10]，構(gòu)建道路建設(shè)項目區(qū)的內(nèi)澇模型，結(jié)合項目建設(shè)前后下墊面、排水系統(tǒng)排水能力的變化，研究預(yù)測建設(shè)區(qū)的內(nèi)澇特征，評估該道路工程的建設(shè)是否滿足該區(qū)內(nèi)澇規(guī)劃要求的內(nèi)澇安全標(biāo)準(zhǔn)。

1 MIKE FLOOD耦合模型與方法

MIKE FLOOD是MIKE URBAN或MIKE 11和二維模型MIKE21的優(yōu)勢整合，是一個動態(tài)耦合的模型系統(tǒng)，適用于管網(wǎng)、明渠、河道以及坡面水流模擬，也適用于流域和城市洪水的模擬預(yù)測[9- 10]。

1.1 MIKE URBAN計算原理

MIKE URBAN軟件在內(nèi)澇模擬中包括徑流模擬和管網(wǎng)模擬兩個階段。

1.1.1降雨徑流模型

MIKE URBAN徑流模塊中提供了四種不同的徑流模型，其中的時間-面積模型適應(yīng)于城市區(qū)域，包括產(chǎn)流控制和匯流控制兩個模塊。產(chǎn)流控制模塊中不透水率、初損、沿?fù)p決定了徑流總量。匯流控制中，徑流曲線的形狀(徑流的方式)由匯流時間和時間面積曲線控制。時間-面積法將整個連續(xù)的產(chǎn)流和匯流過程離散到每個計算時間步長計算[11]，計算單元的數(shù)量由下式確定。

(1)

式中，tc—集水時間；Δt—計算時間步長。

每個單元面積由模型根據(jù)輸入條件計算得出，單元面積之和等于給定的不透水區(qū)域面積。MIKEURBAN中預(yù)定義了如圖1所示的3種時間面積曲線。

圖1 時間-面積曲線

當(dāng)降雨超過定義的初始損失時匯流模型開始計算，此后的每個時間步長中，計算單元的累積水量會進(jìn)入下游方向。因此，計算單元中實際水量根據(jù)上游單元的來水量、當(dāng)前降雨以及流入下游單元的水量計算得到。最下游單元的出流量實際上就是水文學(xué)計算的結(jié)果。

1.1.2雨水管網(wǎng)模型

管網(wǎng)水動力學(xué)模型用于管網(wǎng)中非恒定流模擬，控制方程為一維自由水面流的圣維南方程組。

質(zhì)量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

式中，A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—管流流量，m3；t—時間坐標(biāo)，s；x—管道沿水流方向長度，m；g—重力加速度，m/s2；y—管道水深，m；I0—管道坡降；If—摩阻比降。

1.2 MIKE 21計算原理

MIKE21是專業(yè)的二維自由水面流動模擬系統(tǒng)工程軟件包，在模擬城市洪水二維漫流過程中可以真實地模擬出水面在模擬區(qū)域不同地形狀況下的漫流過程，可以給出洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等統(tǒng)計特征參數(shù)[12]。

二維水動力學(xué)的基本方程采用淺水方程。

連續(xù)性方程：

(4)

X方向動量方程:

(5)

Y方向動量方程:

(6)

式中，d—水深，m；ζ—水位，μ；h—d與ζ之和；p、q—x、y方向上的流量通量，m3/(s/m)；c—謝才系數(shù)，m1/2/s；g—重力加速度；f—風(fēng)阻力系數(shù)；v、vx、vy—風(fēng)速在x、y方向上的分速度，m/s；Ω—柯氏參數(shù)；pa—大氣壓，kg/m/s2；ρw—水的密度，kg/m3；τxx、τxy、τyy—有效剪應(yīng)力組合。

1.3 MIKE FLOOD耦合模型計算過程

采用MIKE FLOOD模擬城市內(nèi)澇，既能反映雨水管網(wǎng)中水動力學(xué)特征，也能直觀的表現(xiàn)從產(chǎn)流、匯流再到退水的整個暴雨過程情況。

降雨徑流模擬：由管網(wǎng)模型中的降雨徑流模型計算降雨情況下的產(chǎn)流河匯流過程，得到每個子匯水區(qū)產(chǎn)生的水量過程線。

積水過程模擬：產(chǎn)匯流產(chǎn)生的水量，根據(jù)雨水系統(tǒng)的收水能力(雨水篦子等)，小于等于雨水系統(tǒng)收水能力的水量進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)管網(wǎng)水動力學(xué)計算最終由管網(wǎng)出口排出，而大于雨水系統(tǒng)收水能力的水量直接進(jìn)入二維地表漫流模型根據(jù)地形在地勢低的區(qū)域形成積水。同時，當(dāng)管網(wǎng)中水位上升并超過地面高程時，管網(wǎng)中的水會漫出地面，根據(jù)二維地面漫流模型計算在地勢低的區(qū)域形成積水。

退水過程模擬：當(dāng)大雨過后，地面上的積水會從相鄰近的雨水篦子流入管網(wǎng)中，從而形成退水過程，該過程同樣受到雨水系統(tǒng)的收水能力的影響。

從上述過程中可以看到，MIKE FLOOD模型真實的反映了城市內(nèi)澇從積水到退水的過程。模型中詳細(xì)的考慮了降雨的產(chǎn)匯流過程，雨水收水系統(tǒng)的收水能力，管網(wǎng)中水流動態(tài)模擬，管網(wǎng)出口水位的頂托作用，地勢問題造成的積水問題以及完整的退水過程。

2 道路建設(shè)工程內(nèi)澇分析

2.1 項目區(qū)概況

規(guī)劃項目位于河流沖洪積扇上部，地勢較平坦，原地面標(biāo)高為57.35～61.01m。屬溫帶大陸性季風(fēng)性氣候，多年平均降水量572mm，降水主要集中在6—8月份。項目區(qū)規(guī)劃了4條城市支路，總長度共計3537m，同步實施道路交通、水、電等市政專業(yè)管線工程。研究區(qū)總占地面積為10.83hm2，其中永久占地面積為9.07hm2，臨時占地1.76hm2。建設(shè)項目實施前，本項目區(qū)無現(xiàn)狀雨水管道，該項目區(qū)四條路沿線及其周邊地區(qū)雨水以坡面流方式排入項目區(qū)南、北道路現(xiàn)狀雨水管道。

項目區(qū)雨水外排重現(xiàn)期為3年，雨水經(jīng)綠地、透水鋪裝等收集后，排入市政管線，最終排入河道，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

2.2 內(nèi)澇分析標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期根據(jù)文獻(xiàn)[1]，按表1的規(guī)定確定。該道路建設(shè)工程所在城區(qū)2015年末常住人口約232.4萬人，為大型城市，根據(jù)表1，本項目內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為50年。

表1 內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期

2.3 內(nèi)澇分析范圍及模型概化

內(nèi)澇模擬分析的水力學(xué)模型要能夠合理反映城市各種建筑物(如公路、鐵路、排水溝渠、高密度建筑群等)對內(nèi)澇產(chǎn)生的影響。

2.3.1內(nèi)澇分析范圍

項目研究區(qū)域內(nèi)規(guī)劃條件下有詳細(xì)雨水管道的設(shè)計以及道路豎向設(shè)計資料。根據(jù)項目所在區(qū)域的河道治理規(guī)劃、雨水排除規(guī)劃及周邊地形圖，確定一個雨水閉合區(qū)域作為內(nèi)澇分析范圍，如圖2所示。

圖2 內(nèi)澇分析范圍示意圖

內(nèi)澇分析范圍的邊界北至現(xiàn)狀路A(雨水排除系統(tǒng)北邊界)，南至現(xiàn)狀路B(地勢較高點)，東至現(xiàn)狀路C(雨水排除系統(tǒng)東邊界)，西至現(xiàn)狀路B(地勢較高點)，內(nèi)澇分析區(qū)域的面積約為184.6hm2。選取的邊界范圍為雨水流域邊界或者地勢較高點，不會有其他區(qū)域雨水匯入該評價區(qū)域，保障了評價區(qū)域在地形上是獨立的匯水區(qū)域。

2.3.2內(nèi)澇分析模型的創(chuàng)建

將模型模擬范圍內(nèi)的管網(wǎng)、地形、建筑、道路、綠地等高程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過Arcgis進(jìn)行數(shù)字化，再通過Mike Urban模型，建立內(nèi)澇分析范圍內(nèi)的雨水管網(wǎng)模型，生成模型模擬范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型，如圖3所示。根據(jù)需要劃分滿足計算精度要求的域網(wǎng)格計算最小單元，在本模擬區(qū)域網(wǎng)格單元面積為4m2，網(wǎng)格點劃分為177973個。

圖3 模型模擬范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型

生成數(shù)字高程模型之后，通過Mike Zero軟件中Mike 21模塊，導(dǎo)入模型模擬范圍內(nèi)的數(shù)字高程圖，設(shè)定各項參數(shù)值，創(chuàng)建模型模擬范圍內(nèi)的Mike 21模型，再通過Mike Zero軟件中Mike Flood模塊，添加模型模擬范圍內(nèi)的Mike Urban模型及Mike 21模型，耦合為內(nèi)澇模擬范圍內(nèi)的Mike Flood模型，如圖4所示。

圖4 Mike Flood耦合模型示意圖

2.4 計算參數(shù)的確定

模型輸入的邊界條件包括50年一遇1440min降雨過程線、不同下墊面的不透水率、管道入河口處河道50年一遇洪水位和管網(wǎng)負(fù)荷條件等。

2.4.1設(shè)計降雨過程

本次內(nèi)澇采用50年一遇最大1440min設(shè)計雨型。根據(jù)文獻(xiàn)[13]相關(guān)方法，查得本項目所在區(qū)域50年一遇最大24小時降雨量為300mm。降雨過程按照文獻(xiàn)[14- 15]中1440min雨型分配表(%)中的分配方法分析計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 50年一遇1440min設(shè)計暴雨

2.4.2其他參數(shù)

不透水率采用文獻(xiàn)[13]中相關(guān)方法分析計算，地面糙率可根據(jù)下墊面情況及地表坡度取為0.030。管網(wǎng)排水能力按照規(guī)劃設(shè)計的項目區(qū)域內(nèi)的排水管線和市政設(shè)計管線搭建排水管網(wǎng)模型，管網(wǎng)在50年降雨條件下的排水能力由水動力學(xué)計算得到。項目區(qū)內(nèi)部規(guī)劃建設(shè)用地地塊設(shè)計管網(wǎng)通過三個排水口排入市政管線，最終排入兩條河道中。建設(shè)項目西邊界與南邊界相交處以西有上游現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)，因此在該處設(shè)置管網(wǎng)負(fù)荷條件，根據(jù)該處上游管網(wǎng)過流能力增加一個恒定流值。

至此，Mike Flood模型構(gòu)建完成，運行即可給出模型模擬成果。

2.5 現(xiàn)狀條件下內(nèi)澇分析成果

根據(jù)項目所在區(qū)域雨水排除規(guī)劃，建設(shè)項目東側(cè)現(xiàn)狀路C(規(guī)劃路B～現(xiàn)狀路D)現(xiàn)狀雨水管道排水能力不能滿足流域范圍內(nèi)3年一遇重現(xiàn)期的規(guī)劃要求，河道治理規(guī)劃還未實施。因此，道路工程建成后，在東側(cè)現(xiàn)狀路C雨水管網(wǎng)排水能力不滿足規(guī)劃要求。河道未治理的情況下，項目區(qū)內(nèi)澇分析范圍內(nèi)計算模擬結(jié)果如圖6所示，內(nèi)澇模擬范圍內(nèi)積水統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

圖6 現(xiàn)狀條件下內(nèi)澇計算結(jié)果

區(qū)域淹沒水深/m超過0.15m水深淹沒歷時/min最大淹沒面積/m2最大積水量/m3內(nèi)澇分析范圍0～0.4441213453652.4項目區(qū)0～0.32311546.8278.6

由現(xiàn)狀條件下計算模擬結(jié)果可以看出，50年一遇的降雨時，內(nèi)澇分析范圍內(nèi)部分道路有積水，最大積水深為0.44m，積水深大于0.15m的積水面積為1.48hm2，超過0.15m水深淹沒歷時約41mim。內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域主要位于現(xiàn)狀路C與規(guī)劃路B相交以南路段(規(guī)劃路B～現(xiàn)狀路D)。

50年一遇降雨時，項目區(qū)道路積水深0～0.32m，超過0.15m水深淹沒歷時為31min?，F(xiàn)狀路C雨水管道未達(dá)到3年一遇的排水標(biāo)準(zhǔn)時，項目區(qū)部分道路內(nèi)澇較為嚴(yán)重。

2.6 規(guī)劃條件下內(nèi)澇分析成果

規(guī)劃條件下，項目區(qū)東側(cè)現(xiàn)狀路C雨水管道排水能力達(dá)到3年一遇重現(xiàn)期的規(guī)劃要求，河道按規(guī)劃實施完成。規(guī)劃條件下內(nèi)澇計算模擬結(jié)果如圖7所示，內(nèi)澇模擬范圍內(nèi)積水統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

圖7 規(guī)劃條件下內(nèi)澇計算結(jié)果

區(qū)域淹沒水深/m超過0.15m水深淹沒歷時/min最大淹沒面積/m2最大積水量/m3內(nèi)澇分析范圍0～0.2822175432631.4項目區(qū)0～0.13-779.878.4

由模擬結(jié)果可以看出，規(guī)劃條件下50年一遇降雨時，內(nèi)澇分析范圍內(nèi)部分道路有積水，最大積水深為0.28m，面積僅為13m2，超過0.15m水深淹沒歷時約22mim。積水點主要位于規(guī)劃路D與現(xiàn)狀路D交叉口處。

50年一遇降雨時，項目區(qū)道路積水深0～0.13m，淹沒歷時為13min。內(nèi)澇積水點主要位于規(guī)劃路A、規(guī)劃路B道路低洼處。

3 結(jié)語

基于MIKE FLOOD耦合模型的內(nèi)澇分析表明，規(guī)劃條件下，50年一遇的降雨時，內(nèi)澇分析范圍內(nèi)存在內(nèi)澇積水，但項目區(qū)內(nèi)道路積水量不大，不屬于內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域。項目區(qū)最大淹沒水深為0.13m，位于規(guī)劃路A、規(guī)劃路B道路低洼處，積水時間為13min，最大積水量為78.4m3。積水點最大積水深度小于15cm，且在30min內(nèi)積水順利排入雨水管，因此對交通基本無影響。道路建設(shè)工程實施完成后不存在內(nèi)澇風(fēng)險。研究得到的內(nèi)澇統(tǒng)計特征數(shù)據(jù)，可供該道路工程建設(shè)項目管網(wǎng)設(shè)計校核和內(nèi)澇防治參考。