基于HydroInfo的城市內(nèi)澇數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

于津晨，金 生

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化速度不斷加快，改變了原有的下墊面情況，使得由于暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。城市化帶來(lái)的城市雨洪問(wèn)題已經(jīng)對(duì)人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響，對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成重大損失。面對(duì)嚴(yán)峻復(fù)雜的城市安全形勢(shì)，亟需更先進(jìn)的安全發(fā)展理念、更系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)治理方法以及更智慧的技術(shù)應(yīng)用賦能，為城市穩(wěn)定、安全地發(fā)展提供支撐[2]。

數(shù)值模擬技術(shù)用于預(yù)測(cè)城市在暴雨情況下發(fā)生內(nèi)澇的危害程度，在城市內(nèi)澇研究中作用日益突出。建立一套可靠、高效并綜合考慮水文-水動(dòng)力耦合的城市雨洪模型十分有必要，以便模擬城市由暴雨引起的洪水過(guò)程，分析城市洪澇災(zāi)害的特點(diǎn)，供決策者以及設(shè)計(jì)研究人員進(jìn)行海綿城市建設(shè)和城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的工作。

城市內(nèi)澇研究方法主要分為3種：水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、水文-水動(dòng)力耦合方法。水文學(xué)模型使用簡(jiǎn)便，計(jì)算速度快，因此在解決城市雨洪問(wèn)題上早期多采用以水文學(xué)為主的模型。水文學(xué)模型多為經(jīng)驗(yàn)性模型與概念性模型，以SWMM模型[3]和InfoWorks模型[4]最為典型。由于以水文學(xué)為主的模型法無(wú)法滿(mǎn)足日益提高的高精度防洪資料要求，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，以水動(dòng)力為主的模型逐漸被采用來(lái)解決城市雨洪問(wèn)題。水力學(xué)模擬水流運(yùn)動(dòng)的方法主要有試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬2類(lèi)方法。模型試驗(yàn)也有著模型試驗(yàn)周期長(zhǎng)、造價(jià)高的問(wèn)題。數(shù)值模擬的模擬能力更強(qiáng)、成本更低、計(jì)算速度更快、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。一維水動(dòng)力模型主要用于模擬河道及管道的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常采用圣維南方程組及改進(jìn)的簡(jiǎn)化模式。二維區(qū)域通常采用簡(jiǎn)化的二維淺水方程進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)離散方法分為有限元法、有限差分法、有限體積法等。由于水文、水動(dòng)力模型各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此采用能夠利用2種模型優(yōu)勢(shì)的水文-水動(dòng)力耦合模型來(lái)解決城市雨洪問(wèn)題成為了近年來(lái)的熱點(diǎn)。例如：羅德里戈等人在 2010 年將水文模型 MGB-IPH與水動(dòng)力方法進(jìn)行耦合，提出了一種計(jì)算復(fù)雜河網(wǎng)水流傳播的大型水文模型，模擬了亞馬遜流域的洪水過(guò)程，證明了在大規(guī)模水文模型中結(jié)合水動(dòng)力模型是可行的[5]。水文-水動(dòng)力耦合模型在我國(guó)也有諸多應(yīng)用[6]。陳煉鋼等人于 2014 年提出了一套綜合考慮水文、水質(zhì)、水力學(xué)參數(shù)及下墊面等情況分塊組合的大型河網(wǎng)耦合模型。用于淮河中游流域水流與污染物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[7]。董健武基于自主研發(fā)的HydroInfo水利云計(jì)算平臺(tái)對(duì)成都繞城高速公路區(qū)域進(jìn)行雨洪模擬研究等[8]。

1 控制方程

1.1 地下排水管網(wǎng)計(jì)算方程

在城市雨洪問(wèn)題中，降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的同時(shí)，地表雨水徑流匯入排水管網(wǎng)的流量也在隨時(shí)間變化，從一開(kāi)始有自由表面的無(wú)壓流，逐漸進(jìn)入管網(wǎng)中的流量大于管道的出流量形成有壓流，再隨著降雨強(qiáng)度的減少又恢復(fù)成無(wú)壓流。地下排水管網(wǎng)始終處在明流和滿(mǎn)流之間交替變化，稱(chēng)之為明滿(mǎn)流[9]。本文采用Preissmann窄縫方法，離散采用交錯(cuò)網(wǎng)格和半隱式離散方法計(jì)算明滿(mǎn)交替流，同時(shí)考慮局部損失以及管網(wǎng)與地表的水量交換。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中，qj—和二維地表交換的水量；S0、Sf、SL—底坡源項(xiàng)、沿程阻力損失、局部阻力損失。

1.2 平面二維淺水方程

對(duì)于垂直方向尺度遠(yuǎn)小于另外2個(gè)維度尺度的水流運(yùn)動(dòng)，可以采用平面二維淺水方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于基本的守恒方程做如下假設(shè)與簡(jiǎn)化，假設(shè)縱向壓力滿(mǎn)足靜壓分布，并且忽略科氏力、風(fēng)應(yīng)力與湍流項(xiàng)。為滿(mǎn)足城市雨洪問(wèn)題降雨下滲條件，在方程源項(xiàng)中加入降雨項(xiàng)與入滲項(xiàng)，同時(shí)還考慮地表與地下管網(wǎng)的水流交換項(xiàng)。

x、y方向動(dòng)量方程：

(3)

(4)

連續(xù)性方程：

(5)

式中，h—水深；u、v—x、y方向的流速；Sx、Sy—x、y方向的源項(xiàng)；q—入流量；qj—和一維之間的流量交換；n—粗糙系數(shù)。

1.3 一、二維耦合

地表與排水管網(wǎng)之間的耦合是通過(guò)檢查井進(jìn)行流量交換來(lái)完成的，流量可以通過(guò)堰流或是孔口出流公式進(jìn)行概化計(jì)算得到[10]。

Zd>Zg，Qj=αAm(Zd-Zg)

(6)

Zd

(7)

式中，α=[0，1]—流量系數(shù)；Am—雨水口面積；Zg—管網(wǎng)或雨水口水頭；Zd—地面水頭。

2 內(nèi)澇模型建立

模型研究的區(qū)域?yàn)楹戏适心承^(qū)，計(jì)算區(qū)域如圖1所示，地形采用已有實(shí)測(cè)地形，管網(wǎng)及河道斷面信息采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，下墊面參數(shù)通過(guò)實(shí)際土地利用類(lèi)型進(jìn)行賦值。采用HydroInfo軟件流域多維耦合水動(dòng)力模型進(jìn)行模型的建立與驗(yàn)證。

圖1 區(qū)域土地規(guī)劃示意圖

2.1 內(nèi)澇模型建立

HydroInfo 城市雨洪模型建立主要過(guò)程如下：

(1)首先建立一維管網(wǎng)河道模型，根據(jù)計(jì)算要求對(duì)管網(wǎng)按照10m的尺度進(jìn)行網(wǎng)段劃分，對(duì)河道進(jìn)行40m尺度進(jìn)行網(wǎng)段劃分，輸入河道水位邊界條件、管網(wǎng)糙率及河道糙率，完成流域一維模型的建立。

(2)建立二維區(qū)域模型，對(duì)于實(shí)測(cè)點(diǎn)附近采用最大1m非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格離散；為保證計(jì)算效率，模型除了測(cè)點(diǎn)之外的區(qū)域采用最大15m非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，整體計(jì)算域由3209個(gè)節(jié)點(diǎn)、6064個(gè)單元組成。地表糙率及下墊面的參數(shù)根據(jù)土地利用類(lèi)型進(jìn)行賦值。

(3)依據(jù)排水井實(shí)際位置及大小，進(jìn)行流域模型與二維區(qū)域模型耦合。

(4)輸入實(shí)測(cè)降雨、氣象等數(shù)據(jù)完成城市雨洪建模，模型測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格加密及測(cè)點(diǎn)示意圖

2.2 模型適用性驗(yàn)證與結(jié)果分析

2.2.1實(shí)用性驗(yàn)證

為保證建立的城市雨洪模型的準(zhǔn)確性及適用性，選取該區(qū)域兩場(chǎng)歷時(shí)降雨(其中降雨1為短歷時(shí)小降雨，降雨2為短歷時(shí)大降雨)，分別進(jìn)行內(nèi)澇模擬，統(tǒng)計(jì)河道水位變化過(guò)程與實(shí)測(cè)值的擬合情況，比較監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬值的差異。實(shí)測(cè)點(diǎn)位置模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照見(jiàn)表1。河道水位變化情況與實(shí)測(cè)值擬合情況如圖3—4所示。由此可見(jiàn)，模型能較為真實(shí)的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)澇情況，可用于內(nèi)澇模擬計(jì)算及分析應(yīng)用。

表1 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)照表

圖3 降雨1河道水位變化曲線

圖4 降雨2河道水位變化曲線

2.2.2結(jié)果分析

對(duì)區(qū)域管網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，管網(wǎng)主要集中在道路下，故主要對(duì)道路部分積水情況進(jìn)行分析。在降雨2情況下，區(qū)域在0.6h出現(xiàn)積水；在第2h，積水淹沒(méi)區(qū)域最大，如圖5所示，道路最大積水深度為54.22cm，道路最大平均積水深度為20.8cm；在第9h，道路積水基本消退；第12h，區(qū)域內(nèi)積水幾乎完全消退。

圖5 研究區(qū)最大淹沒(méi)示意圖(t=2h)

考慮到區(qū)域的土地利用類(lèi)型較多，下墊面情況也復(fù)雜，模型的模擬結(jié)果基本反映區(qū)域的內(nèi)澇淹沒(méi)過(guò)程，模擬結(jié)果比較合理且與實(shí)測(cè)值吻合較好，驗(yàn)證HydroInfo軟件計(jì)算的可靠性。

3 模型應(yīng)用

3.1 應(yīng)急搶險(xiǎn)處置方案設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果分析

在我國(guó)大多數(shù)城市，管網(wǎng)與河道直接連接，共同構(gòu)成城市的防洪排澇系統(tǒng)。但因?yàn)楣芫W(wǎng)設(shè)計(jì)或鋪設(shè)問(wèn)題導(dǎo)致管網(wǎng)里的雨水無(wú)法自流排出時(shí)，僅依靠管網(wǎng)自流無(wú)法解決內(nèi)澇問(wèn)題，需要借助搶險(xiǎn)應(yīng)急處置措施來(lái)緩解內(nèi)澇，保證道路交通正常運(yùn)轉(zhuǎn)[11]。

考慮到區(qū)域右側(cè)有管徑較大的管網(wǎng)未與河道相連，導(dǎo)致道路產(chǎn)生較深積水，故在內(nèi)澇發(fā)生時(shí)，考慮將58#管段與河道利用管網(wǎng)連接，如圖6所示，同時(shí)道路下部考慮采用3個(gè)移動(dòng)式抽水泵進(jìn)行應(yīng)急處理，抽排流量均為1m3/s，啟動(dòng)時(shí)間為降雨后24min。在應(yīng)用移動(dòng)式抽水泵后，道路積水得到顯著緩解，經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證，道路最大積水深度為25.99cm，道路最大平均積水深度為12.25cm。相比初始情況削減41.1%，模擬結(jié)果如圖7所示。道路淹沒(méi)歷時(shí)從9h減少到5h。由此可見(jiàn)，該應(yīng)急方案可以有效減少內(nèi)澇災(zāi)害淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)、淹沒(méi)范圍及淹沒(méi)深度，減少內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，降低內(nèi)澇損失。

圖6 河道管網(wǎng)連通位置示意圖

圖7 應(yīng)急方案區(qū)域最大淹沒(méi)示意圖(t=1h)

3.2 區(qū)域改造方案設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果分析

3.2.1管網(wǎng)改造方案

分析已有的管網(wǎng)數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系，發(fā)現(xiàn)排水管網(wǎng)主要集中在道路下部，同時(shí)存在部分管網(wǎng)出現(xiàn)錯(cuò)接、逆接及未與水系連通的問(wèn)題。對(duì)排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀能力進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)道路積水嚴(yán)重的區(qū)域有3個(gè)部分。

針對(duì)上述情況對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行改造，考慮采用增大管徑的方法，增大管網(wǎng)的排水能力。

對(duì)改造管網(wǎng)后的模型進(jìn)行區(qū)域內(nèi)澇模擬，通過(guò)水深變化可以看見(jiàn)道路上的積水情況明顯改善，最大積水深度減少到19.29cm，相比改造前削減 71.14%，最大平均積水深度9cm，相比改造前削減56.7%，模擬結(jié)果如圖8所示。道路淹沒(méi)歷時(shí)從8h減少到3h，降低了5h。

圖8 管道改造方案最大淹沒(méi)示意圖(t=0.8h)

圖8 不同方案下淹沒(méi)水量變化圖

由此可見(jiàn)，針對(duì)管網(wǎng)的改造，可有效降低內(nèi)澇的深度、時(shí)間，削減道路積水面積。

同時(shí)，管網(wǎng)改造并沒(méi)有明顯減少小區(qū)內(nèi)部的積水情況，考慮到小區(qū)內(nèi)部不易進(jìn)行管網(wǎng)布設(shè)及改造，故考慮從海綿城市治理的角度，結(jié)合低影響開(kāi)發(fā)的方法對(duì)小區(qū)內(nèi)部進(jìn)行LID改造，可有效減少小區(qū)內(nèi)部的積水情況。

3.2.2LID方案設(shè)計(jì)

本文研究區(qū)域?yàn)楹戏适心承^(qū)，研究區(qū)下墊面條件復(fù)雜，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已有海綿城市案例分析，組合 LID 措施方案通常要優(yōu)于單一的LID的措施方案，所以LID 措施的組合是本方案設(shè)計(jì)思路，結(jié)合到區(qū)域?qū)嶋H開(kāi)發(fā)建設(shè)情況，綜合考量建設(shè)成本和改造方案對(duì)區(qū)域雨水徑流量、洪峰流量等的控制效果，本文考慮采用下沉式綠地、透水鋪裝、綠色屋頂3種LID措施組合方案的設(shè)計(jì)。

(1)下沉式綠地：小區(qū)內(nèi)部本身具有綠地，將其改造為下沉式綠地方便建設(shè)改造，故將研究區(qū)內(nèi)所有綠地及裸土均設(shè)置為下沉式綠地。

(2)透水鋪裝：根據(jù)海綿城市建設(shè)要求，透水鋪裝覆蓋率不得低于小區(qū)內(nèi)面積的70%[12]，分析現(xiàn)狀區(qū)域的淹沒(méi)范圍及水深，多為道路及不透水廣場(chǎng)，考慮到透水鋪裝適用于承壓能力相對(duì)較小的區(qū)域，故只對(duì)不透水廣場(chǎng)進(jìn)行透水鋪裝改造，考慮到可能區(qū)域仍有大降雨情況，故對(duì)全區(qū)域的不透水廣場(chǎng)進(jìn)行透水鋪裝。

(3)綠色屋頂：從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，對(duì)區(qū)域內(nèi)所有屋頂改造為綠色屋頂，減少地面徑流。

區(qū)域排水改造總體方案具體如圖9所示，LID設(shè)施主要參數(shù)見(jiàn)表2。

圖9 區(qū)域總體排水改造方案示意圖

表2 LID設(shè)施主要參數(shù)表

對(duì)LID改造后的區(qū)域雨洪內(nèi)澇模型進(jìn)行模擬分析，區(qū)域內(nèi)最大水深為21.7cm，道路最大水深15.03cm，區(qū)域內(nèi)最大平均水深為3.4cm，相較于改造前減少了50%，模擬結(jié)果如圖10所示。區(qū)域淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)為5.5h，相較于改造前時(shí)間縮短了6.5h，可見(jiàn)區(qū)域的“管網(wǎng)+LID”改造方案能很好地解決區(qū)域內(nèi)澇問(wèn)題。同時(shí)從海綿城市的規(guī)劃角度來(lái)看，上述的LID措施不僅控制雨水徑流，而且能補(bǔ)充地下水，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著積極的作用。

圖10 “管網(wǎng)+LID”改造方案最大淹沒(méi)示意圖(t=1.5h)

綜合上述4種情況，分析不同情況下的淹沒(méi)水量，如圖11所示，可以看出“管網(wǎng)+LID“改造方案很好地解決了區(qū)域的內(nèi)澇問(wèn)題，減少區(qū)域淹沒(méi)水量，縮短淹沒(méi)時(shí)間；同時(shí)應(yīng)急處置方案也大大縮減了區(qū)域內(nèi)澇淹沒(méi)時(shí)間，削減了區(qū)域洪峰。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用HydroInfo水利計(jì)算系統(tǒng)對(duì)合肥市某小區(qū)進(jìn)行城市雨洪內(nèi)澇模型建立，并針對(duì)實(shí)際降雨情況對(duì)區(qū)域內(nèi)澇情況進(jìn)行模擬分析。同時(shí)從災(zāi)情處理和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃角度，提出了應(yīng)急搶險(xiǎn)處置方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了區(qū)域組合 LID 措施方案設(shè)計(jì)，并對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析。城市雨洪內(nèi)澇研究發(fā)展到如今，水文-水動(dòng)力學(xué)耦合的方法逐漸成為研究城市內(nèi)澇的主流方法。如何提高模型精度和適用性成為主要研究方向，土地利用類(lèi)型的不同導(dǎo)致區(qū)域下墊面諸多參數(shù)的不同直接影響模型的精度。因此在今后的研究中，應(yīng)將研究區(qū)域的土地利用類(lèi)型納入研究范疇。同時(shí)從“智慧城市”角度出發(fā)，模型的結(jié)果的展示應(yīng)當(dāng)充分利用WebGIS、Cesium等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果多平臺(tái)多終端的三維可視化展示。