潘文俊 ，柳樹票 ，徐 嫣 ，郭曉輝

（1.廣東華南水電高新技術(shù)開發(fā)有限公司,廣東 廣州 510611；2.廣東省水利信息化工程技術(shù)研究中心,廣東廣州 510611）

0 引言

近些年來,極端氣候頻發(fā)造成城市內(nèi)澇,嚴(yán)重影響了城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[1]。因此,如何精準(zhǔn)模擬城區(qū)遭遇極端降雨后的淹沒和易澇點(diǎn)情況,進(jìn)而對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)已成為亟待解決的問題[2]。為補(bǔ)強(qiáng)城市綜合防災(zāi)體系,落實(shí)海綿城市建設(shè)要求,做好防洪排澇評(píng)估,提高防洪排澇建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),解決城市防洪排澇等安全問題,文章以城市內(nèi)澇災(zāi)害為目標(biāo),建立一維河道模型、二維地表模型和地下管網(wǎng)排水模型,進(jìn)行多模型耦合對(duì)研究區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行模擬分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]。

1 區(qū)域概況

項(xiàng)目控規(guī)調(diào)整范圍屬于永和河流域,永和河發(fā)源于永和經(jīng)濟(jì)區(qū)的了歌髻山西北山麓,由西北向東南縱貫永和開發(fā)區(qū),經(jīng)紅旗水庫(kù)、水和、官湖、久裕、泥紫至久裕閘流入東江北干流。永和河總集雨面積106 km2,其中黃埔區(qū)28.65 km2。永和河主干在黃埔區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約8.52 km,紅旗水庫(kù)為其重要節(jié)點(diǎn),均為非感潮河段。

現(xiàn)狀控規(guī)調(diào)整范圍區(qū)域內(nèi)沿新莊四路布有現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)DN400～500、新莊五路布有現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)DN600、田園路布有現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)DN800,同時(shí)在新安路布有規(guī)劃擴(kuò)建雨水管道DN1600。地塊內(nèi)無水庫(kù),湖泊以及水閘、雨水泵站、供水加壓泵站、污水提升泵站及處理設(shè)施等其他水務(wù)設(shè)施。區(qū)域現(xiàn)狀見圖1。

圖1 項(xiàng)目地塊概況

東江北干流排澇片整體地勢(shì)呈西北高,東南低,屬于丘陵、平原地貌,山地高程為50 m～430 m,平原地面高程大多為 5 m～15 m。

本項(xiàng)目控規(guī)調(diào)整地塊位于AG0517 規(guī)劃管理單元,根據(jù)2019 年區(qū)域高精度DEM資料,整個(gè)控規(guī)管理單元范圍內(nèi)地勢(shì)為西南部高東北部低,高程范圍32.94 m～55.62 m,排澇分區(qū)內(nèi)的低洼地主要集中在新莊四路北側(cè),其中控規(guī)調(diào)整地塊地勢(shì)平坦,高程約在42.20 m～45.57 m左右,區(qū)域地形見圖2。

圖2 區(qū)域地形分布

2 模型構(gòu)建

城市洪澇模型由一維河道模型、二維地表模型、地下管網(wǎng)排水模型等多模型耦合組成。

2.1 河道一維模型構(gòu)建

（1）模型原理

采用圣維南方程組作為單一河道非恒定流控制方程：

式中：x為里程；t為時(shí)間；Z為水位；B為過水?dāng)嗝嫠鎸挾?；Q為流量；q為側(cè)向單寬流量,正值表示流入,負(fù)值表示流出；A為過水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度；u為斷面平均流速；β為校正系數(shù)；R為水力半徑；c為謝才系數(shù),n為曼寧糙率系數(shù)。

（2）河道概化及斷面布置

一維模型河網(wǎng)和斷面布置見圖3。

圖3 一維模型斷面分布示意圖

2.2 地表二維模型構(gòu)建

（1）模型原理

采用守恒形式的二維淺水方程：

式中：U為守恒向量,Eadv、Gadv分別為x、y方向的對(duì)流通量向量；Ediff、Gdiff分別為x、y方向的擴(kuò)散通量向量；S為源項(xiàng)向量。

式中：h為水深；u、v分別為垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b為底高程；r為降雨強(qiáng)度；i為入滲強(qiáng)度；vt為水平方向的紊動(dòng)粘性系數(shù)；g為重力加速度；Sfx、Sfy分別為x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分別為x、y方向的底坡斜率。

（2）二維網(wǎng)格剖分及高程插值

根據(jù)本次項(xiàng)目更新改造范圍及地形圖劃定二維模擬范圍。項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)東部,附近河涌為永和河,因此將二維模擬范圍劃定為永和河流域片區(qū),見圖4。

圖4 模擬范圍示意圖

（3）高程插值及糙率取值

根據(jù)已有資料生成網(wǎng)格并進(jìn)行高程插值,得到模擬范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)。地表糙率根據(jù)土地利用類型進(jìn)行取值,研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型多且分布零散,河道、灘地、林地、草地、居民地、耕地水域等不同區(qū)域的地形地貌不同,為保證模型計(jì)算精度,需要分別設(shè)置不同土地利用類型的糙率。此外,為模擬建筑物對(duì)洪水演進(jìn)的影響,在網(wǎng)格尺度制約及收集到的地形難以準(zhǔn)確代表建筑物高程的情況下,采用加大糙率的方法進(jìn)行建筑物阻水效果概化。根據(jù)土地利用類型數(shù)據(jù),按照下墊面情況選取糙率參數(shù),根據(jù)下表進(jìn)行相應(yīng)初始糙率賦值,見表1。

表1 糙率取值參考表

2.3 管網(wǎng)模型構(gòu)建

2.3.1 模型原理

項(xiàng)目利用自主研發(fā)的一維管網(wǎng)模型對(duì)管網(wǎng)排水進(jìn)行數(shù)值模擬,主要應(yīng)用包含產(chǎn)匯流計(jì)算和管網(wǎng)水力學(xué)計(jì)算。在該模型中,子匯水區(qū)是最精細(xì)的反映單元,地表徑流以子匯水區(qū)為空間單元進(jìn)行模擬計(jì)算。

（1）產(chǎn)流計(jì)算

產(chǎn)流是指降雨量扣除損失形成凈雨的過程。降雨損失包括蒸發(fā)、植物截留、入滲與洼地蓄水。模型地面產(chǎn)流模塊是模擬降雨扣除損失后到產(chǎn)生地表匯流的過程的部分為凈雨量。降雨損失中下滲是最主要的,蒸發(fā)量對(duì)黃埔區(qū)這種城市化區(qū)域常可以忽略不計(jì),洼地蓄水部分的計(jì)算會(huì)包含植物截留。

①透水地表產(chǎn)流量計(jì)算：

式中：R1為透水地表產(chǎn)流量,mm；i為降雨強(qiáng)度,mm/s；f為入滲強(qiáng)度,mm/s；t為時(shí)間間隔,s。

②無洼蓄不透水地表產(chǎn)流量計(jì)算：

式中：R2為無洼蓄不透水地表產(chǎn)流量,mm；P為降雨量,mm；E為蒸發(fā)量,mm。

③有洼蓄不透水地表產(chǎn)流量計(jì)算：

式中：R3為有洼蓄不透水地表產(chǎn)流量,mm；D為洼蓄量,mm。

匯流是指產(chǎn)流水量在某一范圍內(nèi)的集中過程。本模型中有兩種匯流方式,即地表匯流和管網(wǎng)、街溝匯流。地表匯流的計(jì)算過程要將各個(gè)子匯水區(qū)的凈雨過程轉(zhuǎn)化為出流過程,對(duì)這部分的計(jì)算本模型采用非線性水庫(kù)法,將連續(xù)方程和曼寧公式聯(lián)立進(jìn)行求解。

（2）管網(wǎng)匯流計(jì)算

管網(wǎng)中流量的演算是通過質(zhì)量平衡方程和動(dòng)量平衡來確定的,通常以運(yùn)動(dòng)波法和動(dòng)力波演算法求解。在以動(dòng)力波模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),通過連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和節(jié)點(diǎn)控制方程進(jìn)行聯(lián)立計(jì)算,為保證計(jì)算時(shí)的精度和穩(wěn)定性,在應(yīng)用此方法時(shí),必須以設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)來運(yùn)行。

①管道控制方程：

動(dòng)量方程：

摩阻坡度：

式中：K=gn2

②節(jié)點(diǎn)控制方程：

式中：Ask為節(jié)點(diǎn)自由表面積,m3；Qt為進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的流量,m3/s。

2.3.2 模型構(gòu)建

現(xiàn)狀控規(guī)調(diào)整范圍周邊主要排水管渠為地塊南側(cè)田園路的排水干管B×H=3.0×2.5 匯入桑田三路的排水干網(wǎng)B×H=2.4×1.6,排入永和河,本次對(duì)承接該片區(qū)雨水的排水主干管進(jìn)行模擬。管網(wǎng)分布見圖5。

圖5 永和河片區(qū)雨水管網(wǎng)分布圖

2.4 模型耦合

一維河道模型、二維地表模型、地下管網(wǎng)排水模型通過以下過程進(jìn)行耦合：

（1）一維河道-二維地表模型通過堤岸進(jìn)行耦合,以模擬漫堤洪水演進(jìn)過程；

（2）一維河道-排水管網(wǎng)通過排水口進(jìn)行耦合,以反映河道水位對(duì)管網(wǎng)的頂托或倒灌作用；

（3）二維地表-排水管網(wǎng)通過雨水口/地表單元進(jìn)行耦合,以反映管網(wǎng)排水作用及漫溢淹沒過程。

模型耦合示意圖見圖6。

圖6 模型耦合關(guān)系示意圖

2.5 洪澇安全計(jì)算

2.5.1 現(xiàn)狀工況洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

由洪澇淹沒分析計(jì)算得到淹沒水深及流速,綜合確定城市建設(shè)用地洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同時(shí),按兩者的高等級(jí)采用。

表2 城市建設(shè)用地洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.5.2 洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

模擬范圍內(nèi)地面高程、水利工程、排水管網(wǎng)按現(xiàn)狀情況考慮?，F(xiàn)狀工況100 年一遇情景計(jì)算得到的內(nèi)澇淹沒情況見圖7。從模擬結(jié)果可以看出,在100 年一遇降雨情景下,項(xiàng)目地塊附近無大片積水情況,內(nèi)澇情況主要集中在新莊四路以北、新莊五路與田園路交叉路口,積水深度0.2 m～0.3 m。

圖7 100年一遇暴雨情景淹沒水深

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研成果,距離項(xiàng)目位置最近的易澇點(diǎn)為新莊五路與田園路交叉口,位于本次調(diào)整地塊的東南角。規(guī)劃管道過流能力滿足5 年一遇的排水標(biāo)準(zhǔn),項(xiàng)目地塊為內(nèi)澇低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。管控單元100 年一遇暴雨情景淹沒水深見圖8。

圖8 管控單元100年一遇暴雨情景淹沒水深

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)地塊所在排水分區(qū)的雨水管網(wǎng)、河涌水系現(xiàn)狀,基于已建的SWMM模型和明渠計(jì)算方式,計(jì)算地塊所在的排澇片區(qū)遭遇100年一遇降雨時(shí)地塊內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)情況。根據(jù)洪澇安全計(jì)算的模型計(jì)算結(jié)果,得出：

（1）廠區(qū)出入口過流能力大于該廠區(qū)產(chǎn)流。

（2）街道坡頂匯流小于新莊五路雙向過流能力,廠區(qū)及廠區(qū)外新莊五路不會(huì)產(chǎn)生積水。

（3）廠區(qū)出口地面高程高出新莊五路坡頂0.6 m～2.0 m以上,街道雨水不會(huì)倒灌廠區(qū)。

綜上,地塊在遭遇100 年一遇24 小時(shí)降雨時(shí),區(qū)域?qū)a(chǎn)生內(nèi)澇,即地塊所在管控單元當(dāng)前內(nèi)澇治標(biāo)準(zhǔn)不滿足100 年一遇規(guī)劃要求,地塊本身滿足內(nèi)澇治標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇規(guī)劃要求。