資 強,屈振宇, 楊仲韜，燕家琪

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司， 天津 300110; 2.天津建昌環(huán)保股份有限公司，天津 300110)

近年來，我國大中型城市內(nèi)澇頻發(fā)，“城市看海”現(xiàn)象屢見不鮮。住房和城鄉(xiāng)建設部2010年對351個城市進行的專項調(diào)研結(jié)果顯示，2008—2010年，全國有62%的城市發(fā)生過城市內(nèi)澇，給民眾造成了嚴重的生命財產(chǎn)損失。

引起城市內(nèi)澇的原因有很多，其中一個重要的原因就是城市河道排水不暢，對雨水管網(wǎng)頂托，造成內(nèi)澇。因此，城區(qū)河道建設是構(gòu)建城市排水防澇體系的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的河道水文計算一般按照各地的水文計算手冊中推薦的計算方法，如推理公式法、瞬時單位線法等。計算時，一般先根據(jù)地形的分水嶺確定河道的匯水范圍，然后對河道進行分段計算河道的設計流量。該方法一般適用于匯水區(qū)域較大的河道，對于城市內(nèi)部河道，是不太適合的。主要原因如下：

(1)該方法的基礎數(shù)據(jù)均基于天然地面產(chǎn)匯流過程，而城區(qū)內(nèi)雨水經(jīng)過市政管網(wǎng)收集后經(jīng)管道排口或泵站以點狀出流的形式排入河道。河道產(chǎn)匯流過程較建設前發(fā)生了很大的變化。

城區(qū)內(nèi)的排澇河道的匯流特征與排水管網(wǎng)的布置情況息息相關。市政排水主管道的布置方式、排放口的位置、排放方式對城市河道的匯流過程影響巨大。傳統(tǒng)的以河道斷面控制的流域面積為基礎的水文計算方法，無法反映市政排水設施的布置對城市河道水文過程的影響。

(2)該方法的計算參數(shù)一般是由水文測站的數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗公式擬合得到的，而與水文測站對應的匯水區(qū)的流域面積大小、下墊面情況均與城市內(nèi)部河道有很大的差別。

(3)由于建設有排水管道，使得河道的實際匯水范圍與傳統(tǒng)意義上由地形所決定的匯水范圍往往不一致，也會影響河道洪水的計算。

(4)該方法割裂了河道與管網(wǎng)之間的聯(lián)系，不能反映管網(wǎng)入流與河道水位之間的相互作用。

基于以上因素，傳統(tǒng)的河道水文計算方法，無法滿足城市河道精細化設計和管理的需求。為了更系統(tǒng)和科學地分析城市河道排水過程的變化規(guī)律，提高城市排水設施建設和管理水平，在河道設計過程中，構(gòu)建耦合城市排水管網(wǎng)的河道水力模型進行模擬計算就顯得尤為重要。

1 耦合市政排水管網(wǎng)的城區(qū)河道模擬方法

在建模過程中，將市政排水管網(wǎng)與河道關聯(lián)主要有兩種途徑。一種是將各雨水排放的流量過程線作為排放口所在河道斷面的集中入流來實現(xiàn)。該方法在河道與管網(wǎng)采用不同的軟件模擬時經(jīng)常使用。但該方法割裂了管網(wǎng)與河道之間的相互作用，模擬管網(wǎng)的時候未能考慮河道水位對管網(wǎng)的頂托，適用于雨水管道能自由出流的情況。

第二種方法就是市政排水管網(wǎng)與河道直接耦合，即構(gòu)建一個包含市政管網(wǎng)和城區(qū)河道的模型，直接模擬降雨經(jīng)管網(wǎng)收集后匯入河道的城市水文過程。該方法能夠考慮管網(wǎng)與河道之間的相互作用，可動態(tài)模擬河道水位對雨水管網(wǎng)的頂托以及管道排水對河道水位的影響，適用條件更為廣泛。

Infoworks ICM 軟件能夠很方便地將市政排水管網(wǎng)和城區(qū)河道進行耦合計算，還能夠?qū)崿F(xiàn)一維管網(wǎng)、河道和二維地形之間的耦合。不僅能夠動態(tài)模擬降雨在地面漫流和在管網(wǎng)及河道中的轉(zhuǎn)輸過程，還能體現(xiàn)城市河道淹水范圍、淹水深度的變化，分析河道水位對城市內(nèi)澇的影響。同時Infoworks ICM具有友好的用戶界面、強大的后處理功能。鑒于這些特點，本文采用Infoworks ICM進行耦合市政排水管網(wǎng)的城市河道模型構(gòu)建。

2 模型構(gòu)建與模擬條件

2.1 耦合市政排水管網(wǎng)的城市河道建模

以滕州高鐵新區(qū)小洪河為例，構(gòu)建耦合市政排水管網(wǎng)的城市河道水力模型。

滕州市高鐵新區(qū)小洪河發(fā)源于磨坑東南虎山北麓，流經(jīng)東沙河鎮(zhèn)高鐵新區(qū)，于萬年莊村西300m匯入郭河，是郭河支流，全長6.2km。小洪河上游為山區(qū)，地形坡度較大，經(jīng)過高鐵新區(qū)城區(qū)段后，河道坡度逐漸變緩，河道干流平均坡度4.31‰。河道設計防洪標準為20年一遇，河道設計寬度20～25m。為滿足景觀蓄水要求，沿途需設置5處攔河壩。

(1)初步確定河道匯水范圍

利用ArcGIS對地形圖進行處理后，提取出小洪河流域分界限，從而得到地面漫流的河道匯水范圍。

(2)河道匯水范圍修正

由于城區(qū)段規(guī)劃有雨水管網(wǎng)，受管道布置情況影響，河道的實際匯水范圍在城區(qū)段將會發(fā)生變化，因此需要結(jié)合管網(wǎng)布置情況對劃定的河道匯水范圍進行修正。剔除原匯水分區(qū)中直接排入郭河和城區(qū)西部鳳凰湖的雨水管道的匯水范圍。修正后小洪河實際匯水范圍如圖1所示，匯水范圍約14.2km2.

圖1 修正后小洪河實際匯水范圍

(3)構(gòu)建管網(wǎng)、河道耦合模型

構(gòu)建小洪河匯水范圍內(nèi)的雨水管網(wǎng)和河道的一維模型如圖2所示。管網(wǎng)的管徑、標高等信息均采用雨水規(guī)劃數(shù)據(jù)。模型共包含180個雨水檢查井、25個雨水排口、205個雨水管段，總長度37.57km。河道數(shù)據(jù)采用河道的設計斷面和坡度。模型共包含139個河段、144個河道節(jié)點，總長6.95km。

圖2 市政排水管網(wǎng)和河道耦合模型

(4)子集水區(qū)劃分

根據(jù)規(guī)劃地形和規(guī)劃雨水管網(wǎng)布置情況對匯水區(qū)域進行劃分。對于城區(qū)段，由于地形較為平坦，雨水管道較為密集，采用泰森多邊形法進行劃分。南部山區(qū)段，由于地形變化較大，且沒有市政管道，水流沿地面漫流進入河道，改區(qū)域根據(jù)地形情況進行劃分?？偣矂澐至?87個排子集水區(qū)，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 子集水區(qū)劃分結(jié)果圖

2.2 降雨條件設置

根據(jù)滕州水文站、山亭雨量站的暴雨資料，經(jīng)排序整理和頻率分析計算后求出不同頻率下的24h設計暴雨量，并按照典型降雨過程對降雨進行時程分配得到不同頻率下的降雨過程線如圖4所示。

圖4 不同頻率下長歷時降雨過程線

2.3 水文水動力模擬

結(jié)合匯水區(qū)域現(xiàn)狀下墊面情況及城區(qū)規(guī)劃用地性質(zhì)，對各子集水區(qū)設置相應的水文模擬參數(shù)。對于透水地面的降雨產(chǎn)流采用Horton法，不透水地面的降雨產(chǎn)流采用SCS曲線法，地面匯流采用SWMM Runoff非線性水庫法。根據(jù)規(guī)劃用地中下墊面的透水和不透水百分比估計，模擬降雨和產(chǎn)匯流過程。

管網(wǎng)和河道的水動力模擬采用動力波法差分離散型圣·維南方程組進行迭代計算，考慮淺水非恒定流的所有項，動態(tài)模擬重力流、壓力流、逆向流、回水對上游水流的影響。

2.4 模擬結(jié)果分析

采用非恒定流的計算方法，求解圣·維南方程組，計算得20年一遇降雨情況下，河道最大水位縱斷面圖如圖5所示。從圖中可以看出，在河道的上游，由于坡度較大，水深較小，流速較大。河道下游坡度逐漸變小，水深逐漸增大。在設置攔河壩的部位，水位發(fā)生了突變。攔河壩的上游水位變化較為平緩，這是由于受攔河壩回水范圍的影響，上游水位被抬升。在河道下游河段，河道底坡較為平緩，河道水深變化較小。這是由于下游段匯入河道的匯水區(qū)域較小(如圖3所示)，管道匯水量對河道總流量的貢獻較小。河道在城區(qū)下游段，由于河道斷面、底坡均保持不變，排入的雨水流量很小，水流近似呈現(xiàn)恒定均勻流的特性，水面線與河底線近似平行。

下面以樁號K1+450～K1+350河段流量過程線(如圖6所示)為例，分析城區(qū)段河道流量過程。圖中上部條狀圖是降雨過程線，下面部分兩條線為流過該河段的流量過程線。其中綠色線(US)為從河段上游流入河段的流量過程線，棕色線(DS)為從河段下游流出河段的流量過程線。兩者之差就是該河段沿途匯入的城區(qū)雨水量。從圖中可以看出，在起始階段，降雨很小時，河道內(nèi)沒有流量。隨著降雨過程的持續(xù)和降雨量的增加，河道內(nèi)流量逐漸增加。河道內(nèi)流量的增長總是滯后于降雨量的增長。河道流量的峰值滯后于降雨峰值。這是因為從降雨到在河道內(nèi)產(chǎn)生徑流，需要經(jīng)過雨水在地面產(chǎn)流，并沿地面進行坡面匯流，經(jīng)雨水口進入管道，

圖5 20年一遇河道最大水位縱斷面圖

并在管道內(nèi)行進最終排入河道形成河道流量，這需要時間。

同時，我們也可以看出，流出河道的流量過程線的峰值要比流入河道的大。這是由于在河道沿線有雨水管道的匯入，二者流量疊加，使得流出河道的流量比流入的流量要大。

圖6 河道城區(qū)段典型流量過程線

在計算時段內(nèi)河道各斷面的最高水位的連線就是設計重現(xiàn)期下的河道最高水位包絡線，該包絡線可作為確定堤頂高程的依據(jù)。

3 結(jié)語

本文以小洪河為例，簡述了耦合市政管網(wǎng)的城市河道洪水分析建模過程，并構(gòu)建了耦合城區(qū)管網(wǎng)的小洪河模型，根據(jù)市政管道的收水范圍對河道的匯水區(qū)域進行了修正。模型考慮了城區(qū)河道水位與市政管網(wǎng)排水之間的相互作用，模擬了城市產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流與城市河道的水力過程，計算結(jié)果更加符合實際。計算成果可作為河道設計、城市防洪管理的依據(jù)。

受條件限制，本文構(gòu)建的模型是基于規(guī)劃的河道斷面和規(guī)劃的雨水管網(wǎng)，地塊的產(chǎn)流過程模擬是根據(jù)規(guī)劃用地屬性選擇的經(jīng)驗參數(shù)，未進行參數(shù)率定，這與最后實施完成的情況會存在一定的偏差。另外，本次降雨資料是基于水文站的降雨資料，水文站距離目標城區(qū)有一定的距離。另外城市建成后，由于城市熱島效應，城區(qū)的降雨特征與水文站所在的山區(qū)存在較大差異。這些均會導致模型計算結(jié)果與實際情況產(chǎn)生偏差。

因此，在進行城區(qū)河道設計時，應當在模擬計算的基礎上，分析模型與實際可能存在的區(qū)別，避免因資料問題導致計算結(jié)果與實際偏差較大，影響河道的安全性。