蔣衛(wèi)威，魚京善，陳基培，陳寅生，劉艷民，劉 源

(1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院, 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875；2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510611；3.泉州市晉江河道堤防管理處，福建 泉州 362000)

1 研究背景

在氣候變化與人類活動(dòng)的共同影響下，極端水文事件發(fā)生的概率越來越大[1]。我國洪澇災(zāi)害多發(fā)，但關(guān)于洪水風(fēng)險(xiǎn)的管理與研究均集中在大中流域與大中城市。山區(qū)小流域的洪水預(yù)報(bào)與管理技術(shù)等相關(guān)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)[2]。近年來，海綿城市建設(shè)在我國各大城市施行[3]，其中低影響開發(fā)能夠有效地削減低重現(xiàn)期降雨的洪量[4]。但在高重現(xiàn)期下，這些海綿城市的措施發(fā)揮作用很小，必須要協(xié)同管網(wǎng)系統(tǒng)共用作用[5]，這表明了管網(wǎng)系統(tǒng)在城市防洪排澇中發(fā)揮著更重要的作用。

長(zhǎng)期以來，學(xué)者們針對(duì)城市管網(wǎng)系統(tǒng)開展了大量研究。從手段上，SWMM，MIKE Urban，Info Works，DR3M-UQAL，F(xiàn)LO-2D等眾多模型應(yīng)用廣泛[4-8]。例如，在不同降雨特征與不同下墊面特征下，管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)城市產(chǎn)匯流過程的差異與比較[9-10]。也有針對(duì)于不同流域的管網(wǎng)排水能力、不同管網(wǎng)密度、管道系統(tǒng)概化、管網(wǎng)坡度與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等機(jī)制的研究[10-12]。此外，在計(jì)算方法的改進(jìn)上，結(jié)合GIS軟件和SWMM模型，使得管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)城市內(nèi)澇的淹沒模擬可視化[13]。耦合管道一維與地表二維水動(dòng)力模擬，實(shí)現(xiàn)管道溢流與地表漫流的結(jié)合[14]。研究表明，外江或外河的頂托作用對(duì)城市管網(wǎng)系統(tǒng)排水效率有一定的影響[15]，而且可能還會(huì)導(dǎo)致倒灌，說明了外江水位的影響不可忽視[16]，這種情況下，單向流拍門就會(huì)產(chǎn)生一定的防倒灌作用。管道堵塞是城市管網(wǎng)系統(tǒng)的常見問題，往往會(huì)導(dǎo)致排水效率降低。因此定量開展管道堵塞對(duì)城市水動(dòng)力過程影響的研究，對(duì)管道清淤與管道泄洪工程也有十分重要的作用。

2016年9月，“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)登陸泉州市，強(qiáng)降雨引起了梅溪流域內(nèi)洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)特大洪水，城區(qū)主路東大路淹沒水深達(dá)1.8 m，梅溪沿岸農(nóng)田淹沒最深達(dá)3 m，造成了極大的損失[17-18]。在眾多的致洪原因中，除極強(qiáng)暴雨外，管網(wǎng)系統(tǒng)堵塞與外江水位頂托[18]均加劇了淹沒程度。基于此，本研究以梅溪流域?yàn)槔?，?gòu)建并耦合山區(qū)水文模型、城區(qū)洪泛區(qū)二維水動(dòng)力模型與管網(wǎng)系統(tǒng)一維水動(dòng)力模型，分別在空間上、堵塞程度及不同重現(xiàn)期等方面定量研究了管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)特征。同時(shí)，定量計(jì)算了外江拍門對(duì)城市水動(dòng)力過程的效應(yīng)，為梅溪流域尺度下的洪水預(yù)報(bào)、城區(qū)范圍內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)和清淤工作以及防洪排澇的相關(guān)工程措施提供參考。

2 研究區(qū)概況

梅溪流域位于我國東南沿海福建省泉州市南安市，降雨充沛且經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)短時(shí)暴雨的影響。梅溪流域面積101 km2，整個(gè)流域由山區(qū)與城區(qū)組成，梅溪流域概況及子流域分區(qū)見圖1。梅溪流域?yàn)樯絽^(qū)小流域，氣象、地形和水文觀測(cè)數(shù)據(jù)均十分缺乏。根據(jù)山區(qū)DEM子流域劃分，可分為5個(gè)子流域S1-S5，面積依次為6.5、55.1、1.4、1.9和38.4 km2。其中S2與S5面積較大，有天然河道梅溪與四都溪，并最終匯入東溪(即外江)。城區(qū)即為洪瀨鎮(zhèn)主城區(qū)，城區(qū)面積5.4 km2。人口與建筑物密集，地勢(shì)低洼，洪水風(fēng)險(xiǎn)與損失遠(yuǎn)大于山區(qū)。由于梅溪流域的洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)三面環(huán)山，西面為外江，在高重現(xiàn)期降雨下，城區(qū)易受到山區(qū)產(chǎn)流三面來洪。其中S2與S5區(qū)域內(nèi)的梅溪和四都溪洪水進(jìn)入城區(qū)后，會(huì)在兩岸農(nóng)田等低洼處漫堤造成洪災(zāi)；而S1、S3與S4區(qū)域的山洪則會(huì)以坡面流的方式直接進(jìn)入城區(qū)并繼續(xù)演進(jìn)。同時(shí)，受上游來洪的影響，高重現(xiàn)期降雨下外江水位同樣很高。雖然東溪(外江)洪水不會(huì)直接漫堤進(jìn)入城區(qū)，但外江高水位對(duì)城區(qū)梅溪下游與管網(wǎng)系統(tǒng)的排水造成了頂托甚至倒灌的作用，可能會(huì)加劇洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)范圍的淹沒程度。梅溪流域洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)概況與管網(wǎng)系統(tǒng)分布見圖2。

圖1 梅溪流域概況及子流域分區(qū) 圖2 梅溪流域城區(qū)概況及管網(wǎng)系統(tǒng)分布

3 研究方法

3.1 BTOPMC水文模型

BTOPMC是基于物理學(xué)原理的分布式流域水文模型。詳細(xì)的模型介紹、原理及主要敏感參數(shù)見周碧瓊等[19]、程艷等[20]的應(yīng)用研究。研究表明[20]，BTOPMC模型在地形差異更大的山區(qū)流域適應(yīng)性較好，故本研究中利用BTOPMC模型分別計(jì)算5個(gè)山區(qū)子流域的產(chǎn)流量。

3.2 FLO-2D水動(dòng)力模型

由于城區(qū)下墊面復(fù)雜，借助了FLO-2D水動(dòng)力模型模擬城區(qū)的水動(dòng)力與淹沒過程。FLO-2D模型可考慮城區(qū)建筑物、街道、水工建筑、地下管網(wǎng)系統(tǒng)等，已成功應(yīng)用于泥石流與河道一維、洪泛區(qū)二維坡面流淹沒模擬[17, 21]。FLO-2D模型的基本控制方程如下。

連續(xù)方程式：

(1)

式中:h為流體深度，m；t為時(shí)間，s；u為水平方向上的平均流速，m/s；v為垂直方向上的平均流速，m/s；i為有效降雨強(qiáng)度，mm/h。

動(dòng)力波方程式：

(2)

(3)

式中：Sfx、Sfy為摩擦坡降；Sox、Soy為底床坡降。

此外，本研究中使用的FLO-2D 2012版本已經(jīng)內(nèi)嵌耦合了EPA SWMM 5.0模塊，該模塊調(diào)用一維水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)了流域地下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的排水和滿管溢流等現(xiàn)象的模擬，從而考慮了地下管網(wǎng)排水對(duì)洪泛區(qū)洪水的耦合過程。SWMM模型介紹、原理與控制方程詳見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[4-6]。需要說明的是，本研究只是借助了SWMM模塊構(gòu)建研究區(qū)城區(qū)地下管網(wǎng)系統(tǒng)，再導(dǎo)入FLO-2D中，而降雨、產(chǎn)流模塊、匯流過程、管網(wǎng)排水及溢流等過程均在FLO-2D模型中設(shè)置與模擬計(jì)算。

3.3 模型耦合

本文采用了松散耦合的方法，即將多種軟件模型組合，不用修改代碼，是一種最有效且最方便的多模型耦合方式。即將BTOPMC水文模型計(jì)算的山區(qū)各子流域產(chǎn)流量輸出結(jié)果作為城區(qū)水動(dòng)力FLO-2D模型的輸入。因FLO-2D內(nèi)置嵌入了SWMM模塊，從而實(shí)現(xiàn)山區(qū)產(chǎn)流、城區(qū)河道、洪泛區(qū)及管網(wǎng)系統(tǒng)的水文與水動(dòng)力模擬過程。

4 耦合模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)來源

4.1.1 水文模型 水文模型所需要的降雨數(shù)據(jù)來自于流域內(nèi)洪瀨水文站；DEM數(shù)據(jù)(30 m分辨率)與土地利用數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)；土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所1∶100萬中國土壤圖；S-W蒸散發(fā)模型所需NDVI數(shù)據(jù)采用GIMMS NDVI遙感數(shù)據(jù)。由于梅溪與四都溪均無水文站，梅溪流域?qū)贌o資料地區(qū)，故于2019年3-9月在兩條河道從山區(qū)匯進(jìn)城區(qū)的邊界處布設(shè)了小型氣象儀(JLC-QTF，每5 min測(cè)1個(gè)數(shù)據(jù))與水位計(jì)(HOBO U20，每分鐘測(cè)1個(gè)數(shù)據(jù))獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)，用于率定與驗(yàn)證水文模型。根據(jù)獲取的水位數(shù)據(jù)和斷面形狀，推算出了相應(yīng)的河道流量，具體方法見文獻(xiàn)[22]。

4.1.2 水動(dòng)力模型 水動(dòng)力模型需要的降雨數(shù)據(jù)同樣來自于洪瀨水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)。本研究采用了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲取了城區(qū)1 m高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，流量輸入數(shù)據(jù)源于水文模型的輸出。下墊面土地利用也采用了無人機(jī)航拍高清影像解析。建筑物通過高清影像利用ArcGIS軟件等比例刻畫，并導(dǎo)入FLO-2D模型中。本模型考慮建筑物的方式為設(shè)定高程法，即將建筑物看成不透水實(shí)體，建筑物內(nèi)的網(wǎng)格與外界沒有水交換和下滲。

SWMM模塊需要的地下管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來自于城區(qū)相關(guān)部門收集的管網(wǎng)系統(tǒng)資料與現(xiàn)場(chǎng)走訪及調(diào)研，確定了各雨水排水口和檢查井位置(見圖2)以及地下管網(wǎng)系統(tǒng)的走向、各節(jié)點(diǎn)高程、坡度(0.1%～2.5%)和管徑(DN600～1 200 mm)。最終確定，模型中共有229個(gè)檢查井，管段總長(zhǎng)度為27.5 km，管網(wǎng)排水長(zhǎng)度為196.36 m。另外，通過實(shí)地走訪調(diào)研，觀測(cè)了各排水口的位置、高程、形狀和內(nèi)徑，確定管網(wǎng)系統(tǒng)有10個(gè)排水口，其中O1有可調(diào)控閘門，O2～O10均為自由出流，各自沿江排入東溪(見圖2)。為了減少模擬過程的復(fù)雜性，本研究城區(qū)水動(dòng)力模型的模擬范圍不包含東溪，只需將東溪水位作為下邊界輸入模型中即可。梅溪河道與管網(wǎng)系統(tǒng)的下邊界均為東溪水位，數(shù)據(jù)源于東溪洪瀨水文站，結(jié)合《福建省南安市洪瀨鎮(zhèn)區(qū)排澇規(guī)劃報(bào)告》中東溪洪瀨段沿程水面線，分別計(jì)算出了10個(gè)排水口各自對(duì)應(yīng)的水位與梅溪東溪匯合處的水位。

4.2 模型率定與驗(yàn)證

4.2.1 水文模型 BTOPMC水文模型的網(wǎng)格為30 m，計(jì)算步長(zhǎng)為1 h。根據(jù)梅溪與四都溪河道監(jiān)測(cè)獲取的流量數(shù)據(jù)，對(duì)梅溪子流域S2和四都溪(子流域S5)進(jìn)行了率定與驗(yàn)證，結(jié)果見圖3。由圖3可見，流量模擬值與實(shí)測(cè)值較為吻合，兩個(gè)子流域率定期與驗(yàn)證期的Nash系數(shù)均大于0.6。由于子流域S1、S3和S4內(nèi)沒有天然河道，北部S1和東部S3與S2相鄰，東南部S4與S5相鄰，故本研究中采用了相鄰流域參數(shù)移植的方法。有研究發(fā)現(xiàn)參數(shù)移植在無資料流域具有良好的效果[19-20]，各子流域率定與驗(yàn)證的具體參數(shù)見表1。

圖3 BTOPMC水文模型在子流域S2和S5的流量率定與驗(yàn)證結(jié)果

表1 BTOPMC水文模型參數(shù)率定結(jié)果

4.2.2 水動(dòng)力模型 水文模型參數(shù)率定與驗(yàn)證后，根據(jù)2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景的降雨數(shù)據(jù)，計(jì)算了2016-09-14T22：00-2016-09-15T23：00山區(qū)各子流域的產(chǎn)流量(結(jié)果見圖4)，并將其輸入到FLO-2D模型中。城區(qū)水動(dòng)力模型的網(wǎng)格為10 m，網(wǎng)格共計(jì)51 265個(gè)，計(jì)算步長(zhǎng)為1 s。城區(qū)下墊面由建筑物、不透水地面、河道、農(nóng)田及林地構(gòu)成，F(xiàn)LO-2D模型使用的下滲計(jì)算方法為Green-Ampt法，參考FLO-2D使用手冊(cè)進(jìn)行下滲參數(shù)設(shè)置(見表2)。城區(qū)不同下墊面的糙率與管網(wǎng)系統(tǒng)的糙率(見表3)參考了相關(guān)文獻(xiàn)[23]。

表2 FLO-2D水動(dòng)力模型下滲參數(shù)設(shè)定

表3 FLO-2D模型不同下墊面與管道糙率設(shè)置

圖4 “莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下山區(qū)各子流域的產(chǎn)流量計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證水動(dòng)力模型，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取了2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)17 處洪水淹沒痕跡(即最大淹沒水深)，模擬計(jì)算得到的最大淹沒水深分布見圖5。兩者比較結(jié)果表明，17個(gè)點(diǎn)位模擬最大淹沒水深值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差平均值為0.13 m，平均相對(duì)誤差9.3%(見圖6)，可見水文水動(dòng)力耦合模型的計(jì)算結(jié)果良好。此外，模擬結(jié)果(圖5)還顯示，梅溪沿岸的農(nóng)田淹沒水深達(dá)到了3 m，雖然城中心建筑密集區(qū)和主干道(即圖5中重點(diǎn)區(qū)域)的淹沒水深只有1.5 m左右，但關(guān)注度與風(fēng)險(xiǎn)更高，東大路中段重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的峰現(xiàn)時(shí)間為15日12時(shí)左右，這與筆者在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及事后新聞報(bào)道的時(shí)間大致相同，進(jìn)一步的說明了耦合模型的適應(yīng)性較好。

圖5 “莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)模擬最大淹沒水深分布

圖6 FLO-2D水動(dòng)力模型最大淹沒水深驗(yàn)證結(jié)果

5 模型應(yīng)用與分析

5.1 不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)特征

由于研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)十分缺乏，故根據(jù)南安市暴雨計(jì)算公式[17]，分別設(shè)計(jì)了6種不同重現(xiàn)期的降雨數(shù)據(jù)。降雨雨型采用芝加哥雨型，雨峰系數(shù)為0.5。不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度及3 h累計(jì)降雨量見表4，不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，節(jié)點(diǎn)平均超滲時(shí)間的占比與溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)的占比變化趨勢(shì)基本一致；在1 a低重現(xiàn)期下，超滲管段數(shù)的占比即達(dá)到了36%，在100 a重現(xiàn)期下甚至可以達(dá)到90%。這可能是因?yàn)楣艿老到y(tǒng)的管徑整體較小，總體排水能力較弱所致。有研究也得出了類似的結(jié)果，超滲比例在1 a重現(xiàn)期就達(dá)到了38%[6]。由于洪瀨鎮(zhèn)主城區(qū)管網(wǎng)排水口中有9個(gè)為自由出流，高重現(xiàn)期下外江(東溪)高水位會(huì)導(dǎo)致洪水倒灌入管網(wǎng)系統(tǒng)中。降雨重現(xiàn)期為10 a以上就會(huì)產(chǎn)生少量外江水倒灌，而降雨重現(xiàn)期為20 a以上時(shí)，外江水倒灌量占地表匯入管網(wǎng)系統(tǒng)總水量的比例為15%左右，從而加劇了城區(qū)地表的淹沒狀況。

表4 不同重現(xiàn)期研究區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度及3 h累計(jì)降雨量

圖7 不同降雨重現(xiàn)期研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)特征

5.2 管道系統(tǒng)堵塞的影響

由2017年南安市洪瀨鎮(zhèn)開展的東大路管道檢測(cè)工程報(bào)告可知，東大路地下主管道有不同程度的泥沙、碎石與雜物堆積，比較嚴(yán)重的局部管段，1.2 m內(nèi)徑的管道就堵塞了25 cm左右，約占管道內(nèi)徑的20%。管網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀使低重現(xiàn)期降雨也會(huì)發(fā)生部分飽和超滲狀況，因此，在2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景的淹沒情況中，管道堵塞很可能帶來了不利效應(yīng)。

SWMM模型中，通過設(shè)定管道中沉積物不同淤積深度來實(shí)現(xiàn)管道不同堵塞程度的模擬。為判別出城區(qū)空間上不同位置管段堵塞對(duì)淹沒過程的影響，選擇了洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)內(nèi)兩條主路不同位置下方5處坡度較小、可能易堵塞的代表性管段(東大路和江濱路C2、C8、C27、C32、C172管段，見圖5)，分別計(jì)算2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下管道堵塞20%后對(duì)城區(qū)淹沒狀況的影響。所選擇的管段均為主管道(內(nèi)徑1 200 mm，為最大)，其主要參數(shù)見表5，各管段堵塞20%后對(duì)城區(qū)淹沒狀況影響的模擬結(jié)果見圖8。由圖8可看出，與無堵塞狀況相比，東大路中段C2管段堵塞造成的影響最大；各個(gè)管段相比，雖然最大淹沒面積相差不大，但C2管段明顯增大了管道溢流總水量，且重點(diǎn)區(qū)域淹沒歷時(shí)對(duì)C2管段堵塞的響應(yīng)更大，增量達(dá)到了7%。因此，應(yīng)該對(duì)東大路中段的管段進(jìn)行常年重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖8 各代表性管段堵塞20%對(duì)城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒狀況的影響 圖9 C2管段不同程度堵塞對(duì)城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒狀況的影響

表5 洪瀨鎮(zhèn)城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)不同位置各代表性管段主要參數(shù)

同樣在2016年“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)場(chǎng)景下，C2管段不同程度堵塞對(duì)城區(qū)淹沒狀況影響的模擬結(jié)果見圖9。由圖9可看出，最大淹沒面積雖然隨著C2管段堵塞程度的增大而增大，但增幅很??；重點(diǎn)區(qū)域淹沒歷時(shí)在堵塞10%時(shí)的增量為3.7%，而堵塞20%后，淹沒歷時(shí)對(duì)堵塞的影響開始變得敏感(淹沒歷時(shí)增量>5%)；堵塞程度由10%變?yōu)?0%的情況下，管道溢流水量明顯增大。綜上所述，C2管段堵塞程度達(dá)到20%后對(duì)淹沒歷時(shí)的影響較大，因而，在對(duì)城區(qū)主管網(wǎng)系統(tǒng)清淤時(shí)，應(yīng)盡量將堵塞程度減少到10%以下。

此外，還分別計(jì)算了C2管段堵塞20%的情況下對(duì)不同降雨重現(xiàn)期城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒狀況的影響，結(jié)果見圖10。由于計(jì)算中僅設(shè)置了C2管段堵塞20%，而該管段長(zhǎng)度僅為98.43 m，占整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)度的比例很小。因此，各個(gè)降雨重現(xiàn)期下整個(gè)系統(tǒng)的溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超滲管段數(shù)與平均超滲時(shí)間的變化都不大。由圖10中地面洪泛區(qū)的淹沒情況來看，堵塞對(duì)城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的平均最大淹沒水深、平均峰現(xiàn)時(shí)間與平均淹沒歷時(shí)影響最大的降雨重現(xiàn)期分別為10、5及20 a；隨著降雨重現(xiàn)期的增加，堵塞貢獻(xiàn)比均基本表現(xiàn)為先增大后減小，這種中間降雨重現(xiàn)期出現(xiàn)最大堵塞貢獻(xiàn)比的原因，可能是在更高重現(xiàn)期下，最大淹沒水深、峰現(xiàn)時(shí)間及淹沒歷時(shí)的基數(shù)比上一個(gè)重現(xiàn)期增大了很多，導(dǎo)致堵塞的貢獻(xiàn)比可能會(huì)低于上一個(gè)重現(xiàn)期。其次，各重現(xiàn)期下，最大淹沒水深與峰現(xiàn)時(shí)間對(duì)堵塞的響應(yīng)不敏感(見圖10(a)、10(b))。而在10 a重現(xiàn)期以上，淹沒歷時(shí)對(duì)堵塞十分敏感，在20、50 和100 a降雨重現(xiàn)期下，堵塞貢獻(xiàn)比分別達(dá)到了38%、11%和10%(見圖10(c))。

圖10 C2管段堵塞20%對(duì)不同降雨重現(xiàn)期城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒狀況的影響

5.3 排水口拍門的效應(yīng)

管網(wǎng)系統(tǒng)排水口O2～O10均為自由出流，當(dāng)外江水位壓力大于管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力時(shí)，外江水會(huì)大量倒灌入管網(wǎng)系統(tǒng)中，因此單向的防倒灌拍門具有一定的作用。FLO-2D模型自帶外江水位邊界條件開閉設(shè)定，從而可等效實(shí)現(xiàn)單向流動(dòng)拍門的模擬。由于在低降雨重現(xiàn)期下不會(huì)出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象(見圖7)，因此分別計(jì)算了20、50和100 a降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)系統(tǒng)排水口全部安裝拍門后對(duì)城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒狀況的影響。

計(jì)算結(jié)果表明：峰現(xiàn)時(shí)間對(duì)拍門不敏感；相對(duì)于無拍門情況，安裝拍門后最大淹沒水深略有降低，但降幅均在2%以內(nèi)；有拍門的情況下20、50和100 a降雨重現(xiàn)期的最大淹沒面積分別減少了1.4%，2.9%和1.1%?？梢姲惭b拍門對(duì)最大淹沒水深和最大淹沒面積均有正面作用，但作用很小。安裝拍門對(duì)城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒歷時(shí)的影響計(jì)算結(jié)果見圖11，由圖11可知，拍門有效地縮短了城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的平均淹沒歷時(shí)。20、50和100 a降雨重現(xiàn)期的淹沒歷時(shí)平均分別減少了0.75、0.68和1.12 h。分析城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)東大路最低洼點(diǎn)的淹沒過程線(見圖12)可以發(fā)現(xiàn)，安裝拍門后各降雨重現(xiàn)期下，峰現(xiàn)時(shí)間幾乎沒有變化，最大淹沒水深略降低了1～3 cm左右，但淹沒過程線消退的時(shí)間明顯縮短。20、50和100 a降雨重現(xiàn)期下拍門對(duì)縮短淹沒歷時(shí)的貢獻(xiàn)率分別為13.5%、5.4%和6.9%。因此，安裝拍門對(duì)減輕城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域高降雨重現(xiàn)期下的淹沒程度有明顯的作用。

圖11 拍門對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域淹沒歷時(shí)的影響

圖12 不同降雨重現(xiàn)期下城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)東大路最低洼處的淹沒過程線

6 結(jié) 論

(1)以山區(qū)小流域梅溪流域?yàn)槔?，?gòu)建了山區(qū)水文、城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)一維水動(dòng)力與洪泛區(qū)二維水動(dòng)力耦合模型。水文模型通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定與驗(yàn)證，Nash系數(shù)均大于0.6。水動(dòng)力模型采用實(shí)測(cè)最大淹沒水深驗(yàn)證，平均相對(duì)誤差為9.3%。表明水文模型和耦合模型的模擬結(jié)果較好。

(2)定量研究了管網(wǎng)系統(tǒng)堵塞對(duì)城市水動(dòng)力過程的影響。在空間上，識(shí)別出了東大路中段管道堵塞對(duì)城區(qū)淹沒狀況的不利影響最大；在堵塞程度上，管道堵塞程度達(dá)到20%后的影響明顯增大。隨著重現(xiàn)期的增加，管道堵塞對(duì)最大淹沒水深、峰現(xiàn)時(shí)間和淹沒歷時(shí)的貢獻(xiàn)比例均基本表現(xiàn)為先增大后減小。其中，最大淹沒水深和峰現(xiàn)時(shí)間對(duì)管道堵塞不敏感，而在10 a降雨重現(xiàn)期以上，淹沒歷時(shí)對(duì)管道堵塞十分敏感。

(3)定量研究了排水口安裝防倒灌拍門對(duì)城市水動(dòng)力過程的作用。安裝拍門后，各重現(xiàn)期的最大淹沒水深和最大淹沒面積均略有減??；拍門最大的作用是有效縮短了城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的平均淹沒歷時(shí)，在20、50和100 a降雨重現(xiàn)期下，拍門對(duì)縮短淹沒歷時(shí)的貢獻(xiàn)率分別為13.5%、5.4%與6.9%，表明安裝拍門對(duì)減輕城區(qū)重點(diǎn)區(qū)域高降雨重現(xiàn)期下的淹沒程度有明顯的作用。