耦合市政排水管網(wǎng)的城區(qū)河道洪水過(guò)程模擬

資 強(qiáng),屈振宇, 楊仲韜，燕家琪

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)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(lái)，我國(guó)大中型城市內(nèi)澇頻發(fā)，“城市看?！爆F(xiàn)象屢見不鮮。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2010年對(duì)351個(gè)城市進(jìn)行的專項(xiàng)調(diào)研結(jié)果顯示，2008—2010年，全國(guó)有62%的城市發(fā)生過(guò)城市內(nèi)澇，給民眾造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。

引起城市內(nèi)澇的原因有很多，其中一個(gè)重要的原因就是城市河道排水不暢，對(duì)雨水管網(wǎng)頂托，造成內(nèi)澇。因此，城區(qū)河道建設(shè)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(jì)算一般按照各地的水文計(jì)算手冊(cè)中推薦的計(jì)算方法，如推理公式法、瞬時(shí)單位線法等。計(jì)算時(shí)，一般先根據(jù)地形的分水嶺確定河道的匯水范圍，然后對(duì)河道進(jìn)行分段計(jì)算河道的設(shè)計(jì)流量。該方法一般適用于匯水區(qū)域較大的河道，對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)均基于天然地面產(chǎn)匯流過(guò)程，而城區(qū)內(nèi)雨水經(jīng)過(guò)市政管網(wǎng)收集后經(jīng)管道排口或泵站以點(diǎn)狀出流的形式排入河道。河道產(chǎn)匯流過(guò)程較建設(shè)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(guān)。市政排水主管道的布置方式、排放口的位置、排放方式對(duì)城市河道的匯流過(guò)程影響巨大。傳統(tǒng)的以河道斷面控制的流域面積為基礎(chǔ)的水文計(jì)算方法，無(wú)法反映市政排水設(shè)施的布置對(duì)城市河道水文過(guò)程的影響。

(2)該方法的計(jì)算參數(shù)一般是由水文測(cè)站的數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式擬合得到的，而與水文測(cè)站對(duì)應(yīng)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(shè)有排水管道，使得河道的實(shí)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(huì)影響河道洪水的計(jì)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(jì)算方法，無(wú)法滿足城市河道精細(xì)化設(shè)計(jì)和管理的需求。為了更系統(tǒng)和科學(xué)地分析城市河道排水過(guò)程的變化規(guī)律，提高城市排水設(shè)施建設(shè)和管理水平，在河道設(shè)計(jì)過(guò)程中，構(gòu)建耦合城市排水管網(wǎng)的河道水力模型進(jìn)行模擬計(jì)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(guò)程中，將市政排水管網(wǎng)與河道關(guān)聯(lián)主要有兩種途徑。一種是將各雨水排放的流量過(guò)程線作為排放口所在河道斷面的集中入流來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法在河道與管網(wǎng)采用不同的軟件模擬時(shí)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(shí)候未能考慮河道水位對(duì)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(gè)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(guò)程。該方法能夠考慮管網(wǎng)與河道之間的相互作用，可動(dòng)態(tài)模擬河道水位對(duì)雨水管網(wǎng)的頂托以及管道排水對(duì)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(jìn)行耦合計(jì)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(dòng)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(guò)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(duì)城市內(nèi)澇的影響。同時(shí)Infoworks ICM具有友好的用戶界面、強(qiáng)大的后處理功能。鑒于這些特點(diǎn)，本文采用Infoworks ICM進(jìn)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?xùn)|南虎山北麓，流經(jīng)東沙河鎮(zhèn)高鐵新區(qū)，于萬(wàn)年莊村西300m匯入郭河，是郭河支流，全長(zhǎng)6.2km。小洪河上游為山區(qū)，地形坡度較大，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，河道設(shè)計(jì)寬度20～25m。為滿足景觀蓄水要求，沿途需設(shè)置5處攔河壩。

(1)初步確定河道匯水范圍

利用ArcGIS對(duì)地形圖進(jìn)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(shí)際匯水范圍在城區(qū)段將會(huì)發(fā)生變化，因此需要結(jié)合管網(wǎng)布置情況對(duì)劃定的河道匯水范圍進(jìn)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(shí)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(shí)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(biāo)高等信息均采用雨水規(guī)劃數(shù)據(jù)。模型共包含180個(gè)雨水檢查井、25個(gè)雨水排口、205個(gè)雨水管段，總長(zhǎng)度37.57km。河道數(shù)據(jù)采用河道的設(shè)計(jì)斷面和坡度。模型共包含139個(gè)河段、144個(gè)河道節(jié)點(diǎn)，總長(zhǎng)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(duì)匯水區(qū)域進(jìn)行劃分。對(duì)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(jìn)行劃分。南部山區(qū)段，由于地形變化較大，且沒(méi)有市政管道，水流沿地面漫流進(jìn)入河道，改區(qū)域根據(jù)地形情況進(jìn)行劃分?？偣矂澐至?87個(gè)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(shè)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(jì)算后求出不同頻率下的24h設(shè)計(jì)暴雨量，并按照典型降雨過(guò)程對(duì)降雨進(jìn)行時(shí)程分配得到不同頻率下的降雨過(guò)程線如圖4所示。

圖4 不同頻率下長(zhǎng)歷時(shí)降雨過(guò)程線

2.3 水文水動(dòng)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(duì)各子集水區(qū)設(shè)置相應(yīng)的水文模擬參數(shù)。對(duì)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(kù)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(jì)，模擬降雨和產(chǎn)匯流過(guò)程。

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

2.4 模擬結(jié)果分析

采用非恒定流的計(jì)算方法，求解圣·維南方程組，計(jì)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(shè)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(duì)河道總流量的貢獻(xiàn)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(hào)K1+450～K1+350河段流量過(guò)程線(如圖6所示)為例，分析城區(qū)段河道流量過(guò)程。圖中上部條狀圖是降雨過(guò)程線，下面部分兩條線為流過(guò)該河段的流量過(guò)程線。其中綠色線(US)為從河段上游流入河段的流量過(guò)程線，棕色線(DS)為從河段下游流出河段的流量過(guò)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(shí)，河道內(nèi)沒(méi)有流量。隨著降雨過(guò)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(zhǎng)總是滯后于降雨量的增長(zhǎng)。河道流量的峰值滯后于降雨峰值。這是因?yàn)閺慕涤甑皆诤拥纼?nèi)產(chǎn)生徑流，需要經(jīng)過(guò)雨水在地面產(chǎn)流，并沿地面進(jìn)行坡面匯流，經(jīng)雨水口進(jìn)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(jìn)最終排入河道形成河道流量，這需要時(shí)間。

同時(shí)，我們也可以看出，流出河道的流量過(guò)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(guò)程線

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

3 結(jié)語(yǔ)

本文以小洪河為例，簡(jiǎn)述了耦合市政管網(wǎng)的城市河道洪水分析建模過(guò)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(duì)河道的匯水區(qū)域進(jìn)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(guò)程，計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。計(jì)算成果可作為河道設(shè)計(jì)、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(guò)程模擬是根據(jù)規(guī)劃用地屬性選擇的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，未進(jìn)行參數(shù)率定，這與最后實(shí)施完成的情況會(huì)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(biāo)城區(qū)有一定的距離。另外城市建成后，由于城市熱島效應(yīng)，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(huì)導(dǎo)致模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差。

因此，在進(jìn)行城區(qū)河道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析模型與實(shí)際可能存在的區(qū)別，避免因資料問(wèn)題導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大，影響河道的安全性。