城市洪澇試驗研究進展

郝曉麗，穆 杰，2, 喻海軍，2，黃綿松，吳濱濱，2

(1.中國水利水電科學研究院減災中心，北京 100038； 2.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100044)

在全球氣候變化與城市化的背景下，極端水文事件的發(fā)生頻率、影響范圍及影響程度等均有所增加，而由極端降雨所引發(fā)的洪澇災害目前已成為全球范圍內(nèi)發(fā)生最頻繁、影響最嚴重的自然災害之一，引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1-7]。隨著城市化進程加快，城市中的不透水面積急劇增加，“先地上，后地下”的開發(fā)模式導致管網(wǎng)排水能力嚴重不足，城市也面臨著不斷上升的洪澇風險。例如，2013年6月加拿大西部、印度北部及歐洲中部地區(qū)、2013年9月美國科羅拉多州和新墨西哥州、2018年2月印度尼西亞雅加達地區(qū)、2018年7月日本東京等地都遭受了不同程度的洪澇災害[8-10]。在城市化發(fā)展和季風氣候的雙重影響下，我國的洪澇災害也十分嚴重。2018年，全國有30多個省(市、區(qū))的83座城市遭受了不同程度的洪澇災害，因災致死人數(shù)達187人，直接經(jīng)濟損失高達1615.47億元[11]。

通過城市洪澇過程的模擬仿真可更好地應對頻發(fā)的城市區(qū)域性洪澇問題，提高城市防洪減災能力，最大程度降低洪澇災害帶來的損失。近年來，通過構(gòu)建城市精細化數(shù)值模型來模擬洪澇演進過程及淹沒范圍，為洪澇預警預報、災害預估以及應急響應決策支持等方面提供理論支撐已成為城市洪澇研究領(lǐng)域的研究熱點[12-15]。目前，國內(nèi)外學者基于Mike Urban、Infoworks CS、Wallingford以及SWMM等模型，開展了部分城市的洪澇影響研究，并形成了一些代表性成果。然而，由于城市特征的高度異構(gòu)性、模型局部概化不合理以及實測數(shù)據(jù)驗證不足等因素的影響，數(shù)值模擬結(jié)果的準確性不高[16-17]。為此，研究人員針對城市洪澇數(shù)值模型的三大模擬過程，即降雨產(chǎn)流過程、地表匯流演進過程和管網(wǎng)匯流過程，開展了一系列的城市洪澇物理試驗及原型試驗，探索了城市洪水演進機理[18-19]。本文針對上述三大模擬過程，從城市產(chǎn)流過程、地表洪水演進、地表徑流與管網(wǎng)水流交互三方面對城市洪澇試驗發(fā)展動態(tài)進行綜述，旨在為數(shù)值模型產(chǎn)匯流參數(shù)設(shè)定、城市建筑物防洪優(yōu)化布局、地表徑流和地下管流的交互過程合理概化等提供參考。

表1 城市產(chǎn)流過程的物理試驗成果

1 城市產(chǎn)流過程試驗

針對城市下墊面對地表產(chǎn)匯流的影響，當前主要采用室內(nèi)(外)人工降雨-徑流模擬試驗法、室外真實降雨法以及原型試驗法等來開展兩類研究工作，部分代表性成果見表1。第一類研究關(guān)注地表產(chǎn)流過程，定性分析不同的下墊面類型對地表徑流量、徑流深和徑流系數(shù)等的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在同一降雨強度下，隨著下墊面的透水性及粗糙程度的增加，地表匯流時間增長，產(chǎn)流量和徑流系數(shù)減小。如果城市下墊面的坡度較大，則匯流過程短、洪峰較大[19-22]。地表植被具有延緩徑流、增加土壤下滲量的作用。在植被覆蓋率高的區(qū)域中，土質(zhì)通常較為疏松，土壤下滲速率較大，達到穩(wěn)定下滲狀態(tài)所需的時間較短，土壤蓄水能力較強，導致地表徑流量較小。此外，地表的植被覆蓋類型以及空間分布等因素也會影響地表徑流量，游宇等[23]研究發(fā)現(xiàn)林冠截留效應能有效減少降雨產(chǎn)流量。

另一類研究側(cè)重于下滲參數(shù)的測定，通過雙環(huán)滲水試驗法、Guelph 入滲儀法等方法來測定下滲相關(guān)參數(shù)。北京、西安、南京、廈門及淮南等地區(qū)下墊面下滲參數(shù)均已實測[24-28]，研究表明城市下滲能力與下墊面的類型以及功能區(qū)的作用相關(guān)，城市不同下墊面類型下土壤下滲能力從大到小順序為林地、草地、裸土、道路，城市不同功能區(qū)的土壤下滲能力從大到小順序為農(nóng)田保護區(qū)、風景區(qū)、文教區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)，不同海綿措施下土壤的下滲能力也有所不同，入滲能力從大到小順序為多孔纖維棉、轉(zhuǎn)輸型植草溝、隔水頂板，相關(guān)數(shù)據(jù)集可用于模型參數(shù)率定。隨著海綿城市建設(shè)工作的持續(xù)開展，海綿設(shè)施的下滲特性也成為研究熱點，Abbott等[22]研究發(fā)現(xiàn)透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)下滲速率約是普通磚下滲速率的50倍。張書函等[28-29]通過室內(nèi)模型試驗尋找最佳的鋪裝結(jié)構(gòu)形式，張陽維等[30]通過人工降雨-徑流試驗法研究橫坡坡度、縱坡坡度及降雨強度等因素對不同類型透水鋪裝的下滲參數(shù)的影響，結(jié)果表明穩(wěn)定下滲率與降雨強度之間呈對數(shù)關(guān)系，與坡度呈負相關(guān)關(guān)系。海綿城市的低影響開發(fā)(LID)措施對于減少降雨徑流量非常重要，其中Mai等[31]通過模擬降雨和徑流，證明紅壤地區(qū)通過LID措施可以有效減少降雨徑流量。

2 城市二維地表洪水演進試驗

城市二維地表洪水演進的物理模型試驗中，通常將城市區(qū)域概化為街道、建筑物[32]和交叉路口[33]等的組合，研究地表洪水的流動特性，從而獲得其多向流動路徑以及水深、流速等信息，以便為城市數(shù)值模擬提供更為精細和豐富的驗證數(shù)據(jù)。

表2 道路交叉路口洪澇物理試驗成果

2.1 道路交叉路口的洪澇演進試驗

國內(nèi)外針對城市地表道路交叉路口的洪澇演進研究所采用的物理模型比尺通常較小，一般為1/200～1/10，試驗模擬徑流的來流方式主要是上游徑流(表2)。目前已開展的研究主要有下述兩類：第一類研究主要關(guān)注局部尺度的交叉路口研究，以三岔路口或四岔路口作為研究對象，通過測定分析不同路口方位的水深、流速及流量等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)對城市道路交叉路口分流規(guī)律影響較大的因素包括尾水的弗勞德數(shù)、下游堰高、流入功率比以及支流占總流的流量比[34-39]，且進一步推導出公式來預測交叉路口的流量分配規(guī)律。第二類研究則是基于縮比尺的城市區(qū)域模型，探討城市街區(qū)的洪水演進特性，Velickovic等[37]通過1/200比尺的精細化城市十字路口試驗平臺，研究了不同的道路寬度、坡度和上游洪水來流量的城市街道水流流動的演進特征，研究表明每條街道的分流水量與流入總量以及上游街道入流位置無關(guān)，與街道寬度正相關(guān)，街道的坡度影響交叉路口水躍的形成位置[40-41]。

2.2 建筑物對洪澇演進的影響試驗

地表建筑物的阻水作用改變了城市洪澇演進過程。目前，已開展的物理試驗工作主要分析了建筑物的布局及覆蓋度等因素對地表徑流的影響。該類模型的比尺通常比較小，一般為1/300～1/20。在開展物理模型試驗時，部分學者將建筑物概化為規(guī)則砌塊，以研究建筑物的布局方式、覆蓋度、透水性及類型等參數(shù)對地表徑流二維演進過程的影響。Soares-Fraz?o等[42-44]通過1/150比尺的試驗平臺來開展規(guī)則砌塊在不同布局方式下的物理試驗，重現(xiàn)了地表二維水流繞過建筑物的過程。黃瓊等[45]研究表明當建筑物與水流方向平行時建筑物之間的水深最小，建筑物與水流方向夾角越大建筑物之間的水深越大。Huang等[46]通過1/100比尺的試驗平臺來開展物理試驗，量化了建筑物與曼寧系數(shù)的關(guān)系，并提出在數(shù)值模擬中通過調(diào)整曼寧系數(shù)的方式來概化不同建筑物的阻水作用，這種概化建筑物的方法具有一定的合理性，但是由于建筑物前洪水波的反射效果明顯，流場復雜多變，僅以曼寧系數(shù)來量化建筑物的方法無法準確模擬出建筑物周圍流場的變化情況。Zhou等[47]針對不同透水性的城區(qū)，以1/300比尺的試驗平臺來開展物理試驗，研究了建筑物的地表二維水流流動模式，表明隨著建筑物的不透水性增大，建筑物間的水深增加。

部分學者則是以城市中的真實房屋或其他建筑物作為原型開展研究，通過開展尺度物理試驗來進行有關(guān)房屋洪水入侵、洪澇易發(fā)區(qū)等方面的研究[48-53]。Liu等[48]以PVC板制作了比尺為1/20的房屋模型開展物理試驗來再現(xiàn)洪水在單一房屋周圍的流動特性及入侵過程，研究表明，與房門上鎖時相比，在不鎖門的情況下屋內(nèi)水位上升更為迅速，當洪水來流方向垂直于房屋正面時將會產(chǎn)生最大的沖擊力。Güney等[51]建立了比尺為1/150的模型，再現(xiàn)了城市區(qū)域內(nèi)洪水的傳播過程。Larocque等[52]以新奧爾良十七街區(qū)運河潰口附近的區(qū)域作為原型，建立了1/50比尺物理模型對建筑物周圍的流場和水深進行實測。這些研究為數(shù)值模型提供了有效的水深、流速等驗證數(shù)據(jù)集。

表3 地表-地下管網(wǎng)水流交互物理模型試驗成果

3 地表-管網(wǎng)水流交互試驗

地表-地下管網(wǎng)水流的交互作用是城市洪水演進過程中非常重要的垂向交互過程，地表徑流通過雨水口的截流和泄流作用，將地表雨水下泄到排水管網(wǎng)中。在不同形式或位置的交互口附近，局部水動力模式也有所不同，在數(shù)值模型中應結(jié)合實際情況來運用合理的交互公式，以進行交互水流特性的研究。目前國內(nèi)外已開展了一系列的物理試驗(表3)來進行地表-管網(wǎng)水流交互過程的模擬。由于該類研究主要關(guān)注交互口在關(guān)鍵位置處的精細化水流狀態(tài)，因此大部分的工作采用了原比尺模型，以上游來流模擬順街洪水，研究在單個或多個雨水口的情況下，地表-管網(wǎng)單向排水及地表-管網(wǎng)-地表雙向水流交互的規(guī)律。

目前，大多數(shù)關(guān)于地表與管網(wǎng)交互流量系數(shù)的研究主要針對恒定流來展開，通過控制變量法研究了地表徑流通過單一或多個雨水口下泄至地下管網(wǎng)的過程，以此分析道路雨水口下泄流量的影響參數(shù)。研究表明，雨水口下泄流量與雨水口前水深、流速、來流流量、雨水口形式(包括平篦形式、偏溝形式及立篦形式等)、柵條類型(包括橫縱柵條、斜柵及曲柵等)、雨水口尺寸、道路橫坡、縱坡以及地下管道內(nèi)水壓等因素相關(guān)；下泄流量隨著橫坡的增大而增大，隨著縱坡的增大而減小，隨著柵條角度的減少而增大[54, 62-63]。在確定了雨水口下泄流量影響因素的基礎(chǔ)上，安智敏等[55-59]推導了不同形式雨水口(包括方孔形、圓孔形及柵格形等)的流量系數(shù)范圍及經(jīng)驗公式(表3)。但需要注意的是，不同的試驗條件下，雨水口的下泄流量公式及流量系數(shù)范圍受雨水口類型、道路坡度等因素的影響會有所差異。在開展數(shù)值模型研究時，可根據(jù)雨水口的實際情況并且參照表3中的對應雨水口試驗條件來選取合適的參數(shù)開展模擬工作。

當水流為恒定流時，在數(shù)值模型中可通過堰流和孔口出流公式來較為合理地估算城市地表徑流通過雨水口下泄入管網(wǎng)內(nèi)水流的交互流量，但是在非恒定流的情況下，通過數(shù)值模型計算所得的交互流量大于物理模型的試驗結(jié)果，這是由于在非恒定流的試驗中產(chǎn)生了強烈的湍流效應，從而造成大量的水頭損失，最終導致數(shù)值模擬結(jié)果偏大[16,64]。因此，需開展相關(guān)試驗來量化非恒定流的水頭損失，以提高數(shù)值模型的準確性[65]。

然而，已有的研究仍存在一定的局限性。例如，雨水口前水深的實測位置并未參照統(tǒng)一的標準來確定，導致現(xiàn)有交互流量公式的適用性有待提高。當?shù)乇淼乃钶^淺時，徑流并未覆蓋整個雨水口區(qū)域。在超臨界流條件下，部分試驗忽略流速水頭的假設(shè)已失效。此外，在試驗過程中出現(xiàn)的水頭損失也使結(jié)果存在一定的誤差。

4 研究展望

a. 完善現(xiàn)有城市產(chǎn)匯流過程相關(guān)機理方面的試驗研究。目前有關(guān)城市產(chǎn)匯流方面的試驗研究大多定性地分析不同的下墊面類型對地表徑流量、徑流深和徑流系數(shù)等的影響規(guī)律,同時有關(guān)城市產(chǎn)匯流過程對城市內(nèi)澇的產(chǎn)生特征以及演化機制的試驗研究略少。為此需開展包括下墊面的下滲相關(guān)參數(shù)、透水性以及植被類型和覆蓋率等參數(shù)的機理推導，以便定量地分析地表產(chǎn)匯流過程，同時需要加強有關(guān)產(chǎn)匯流過程對城市內(nèi)澇的產(chǎn)生特征及演化機制方面的物理試驗研究，為城市內(nèi)澇災害的防治措施提供參考。

b. 深入研究地表與管網(wǎng)垂向交互過程。現(xiàn)有地表與管網(wǎng)垂向交互模型試驗中，實測的穩(wěn)定水深及流速的位置不同，導致部分流量經(jīng)驗公式的適用性不足，后期需加強流量系數(shù)試驗中關(guān)于實測位置選取方面的論證研究，建立更適用于城市洪澇過程的雨水口下泄流量過程。除此之外，目前有關(guān)城市洪澇過程中檢查井涌水的相關(guān)物理試驗略少，建議今后應加強此方面的試驗研究，為完善城市洪澇數(shù)值模擬過程提供基礎(chǔ)。

c. 加強與城市洪澇期間的流動行為密切相關(guān)過程的定量試驗研究。目前城市洪澇期間發(fā)生的“相關(guān)事件”的研究略少，包括估算進入建筑物或街區(qū)的水量，計算城市洪澇過程中漂浮物或者沉積物的運輸過程，淹沒的街道中家具等的夾帶流動分析等相關(guān)試驗。對這些與城市洪澇期間的流動行為密切相關(guān)的過程進行定量的試驗研究，有助于解開當前建模實踐的關(guān)鍵瓶頸問題,從而為城市洪澇精細化模擬提供數(shù)據(jù)支撐。