城區(qū)防洪排澇模型在鎮(zhèn)江市的應用

高煥芝，洪 濤，陳 凱，秦建平

（1.鎮(zhèn)江市工程勘測設計研究院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.南京慧水軟件科技有限公司，江蘇南京210000）

0 引 言

在城區(qū)管道排水數字化模擬方面，國內外目前已有許多較為成熟軟件，如SWMM、STORM、MOUSE、HydroWorks 等，大量地應用于實際的城市排水系統(tǒng)模擬中。有學者利用RisUrSim模型模擬了德國Kaiserslautern的城市排水，利用MOUSE模型模擬了曼谷Sukhumvit 小流域的城市排水［1］，Drew Mihoeko 等［2］建立了費城城區(qū)的排水管理系統(tǒng)。但在模擬城市大范圍排水管網或地表積水等情況的實際應用時，這些軟件都因無法實現區(qū)域淹沒可視化而顯得不夠完美。解以揚等［3］創(chuàng)建了城市暴雨內澇數學模型，并通過天津、南京、南昌3個城市的暴雨過程進行驗證。仇勁衛(wèi)等［4］將城市洪澇模擬與氣象預報監(jiān)測結合，對天津市暴雨內澇情景進行了模擬驗證。耿艷芬［5］將地表徑流模型和排水管網模型相聯(lián)系，形成一、二維相耦合的城市雨洪模型，但對排水地下管網與城市防洪大河網水系之間關聯(lián)關系重視不夠。本文著重對此加以改進，將鎮(zhèn)江市城市水文水動力模型與城市雨洪模型進行耦合，建立城區(qū)防洪排澇模型，并應用于鎮(zhèn)江城市典型片區(qū)江濱片區(qū)。

1 城區(qū)防洪排澇模型介紹

1.1 城區(qū)匯水零維區(qū)域及積水模擬

城市水文單元，作為一個獨立的城市匯水區(qū)域，其間地形起伏不平，在地勢低洼的地方易形成積水。這種水文特點和眾多內部河道的存在，使城市水文單元自身具有對降雨產流進行再次調蓄的能力。因此，可以將城區(qū)產流在進入雨水井之前的階段概化為經過零維區(qū)域調蓄的過程。

當城區(qū)河網水位高于內部地表，管道出口淹沒于河道水位之下，城區(qū)強排能力不足，會產生河網水位對于管網系統(tǒng)水位的頂托作用。此時管道發(fā)生滿溢，認為溢出的流量匯入區(qū)域零維要素中，根據零維要素的水量變化推斷城區(qū)的對應水位。

零維區(qū)域模擬積水技術過程見圖1，零維調蓄填洼示意見圖2。

圖1 零維區(qū)域模擬積水技術過程

圖2 零維調蓄填洼示意

1.2 雨水井概化和連通

（1）對于雨水井的通過流量，采用雨水井流量計算公式：

（2）對于通過雨水井進入管道的流量，可以采用如下通用公式計算：線性化后得到雨水井匯入流量為

式中：針對河網公式與雨水井地表水位ZN1及出水口河道水位ZN2建立關系：

φ′=，為雨水井過堰流量系數，其中分為淹沒與自由出流而不同。正常情況下落差大，為自由出流系數居多，滿溢時可能為淹沒出流。

φ″=為與河道銜接出水口流量系數，其中φn分為孔流與管嘴出流而不同。

1.3 管網與河網耦合

采用如下簡化四點線性隱格式方法對圣維南方程進行差分離散。

1.3.1 明渠和有壓管流

兩組圣維南方程組形式上的區(qū)別在于摩阻項，最終二者形式上可統(tǒng)一寫作：

式中：C為謝才系數；A為當量面積；R為水力半徑；Q為通過斷面的流量。

1.3.2 管渠的明滿過渡流方程

考慮了當量壓縮模數，并統(tǒng)一了摩阻項和水面寬度（當量寬度）的表達式后，明渠、滿管流、明滿過渡流三者統(tǒng)一方程組為

2 應用實例

2.1 自然地理條件

鎮(zhèn)江城市北靠長江，南倚寧鎮(zhèn)山脈，地理位置優(yōu)越，是重要的交通、港口和新型產業(yè)聚集中心，長江經濟帶上聯(lián)動南北的區(qū)域中心城市。2019年，鎮(zhèn)江市區(qū)戶籍人口為102.97萬人，地區(qū)生產總值達到1 856.02 億元。鎮(zhèn)江市區(qū)水系發(fā)達，共有87 條重要河道、27 座在冊水庫及31 處重要城市水域，城市生態(tài)良好，2015年入選國家首批海綿城市建設試點城市。主城區(qū)位于市區(qū)北部沿江，現狀建成區(qū)面積約140 km2。鎮(zhèn)江北部長江流域洪水繞城而下，南部山洪短時間內穿城入江，城市腹背皆受洪水威脅，城市防洪任務復雜艱巨。

典型研究區(qū)域位于鎮(zhèn)江城市建成區(qū)的京口區(qū)的江濱片區(qū)，北臨金山湖，南至東吳路，西從濱水路，東至虹橋港，總面積約2.1 km2。片區(qū)內分布有居民小區(qū)、商業(yè)店鋪、文化廣場等設施。

2.2 模型概化

2.2.1 雨水井及匯水區(qū)的概化與連通

城區(qū)產生的地面徑流在匯入零維要素之后，再通過雨水井進入管道中。雨水井的水力學要素可以通過雨水篦子數據獲得。國家標準的雨水口篦子，尺寸為750 mm×450 mm，外框尺寸是872 mm×572 mm，凈空402 mm×702 mm，適用于380 mm×680 mm或400 mm×700 mm的雨水口使用。

本次研究收集了鎮(zhèn)江江濱片區(qū)研究區(qū)域內的雨篦子信息，并加以分析整理成模型規(guī)范格式，導入系統(tǒng)中，如圖4 所示，共計858 個雨水口，總凈空面積83.25 m2，平均面積為0.097 m2。

模型匯水區(qū)的劃分充分考慮雨水管網實際匯流方式，采用片區(qū)實測DEM 高程、道路及雨水口位置等信息概化而成，模型生成各雨水井的匯水區(qū)域如圖3、圖4所示。

圖3 城區(qū)雨水井概化圖

圖4 城區(qū)雨水井匯水區(qū)域概化圖

2.2.2 管道概化

本次研究收集江濱片區(qū)管道共計366 段，根據所收集的每段管道信息，經過整合連接概化管道共計21條。

2.2.3 管網與河網耦合

江濱片區(qū)內地形南高北低，內部無河道，片區(qū)雨水由地下雨水管網搜集，排入金山湖。江濱片區(qū)的管網入金山湖共設置了5個出水口。

2.3 模型率定

本次模型概化了鎮(zhèn)江江濱片區(qū)范圍內的管網和河網，并將其進行耦合，由于管網對象的特殊性，管道內部水位流量情況無法獲知，因此針對管網模型的率定只能從設計暴雨下江濱片區(qū)地面的現狀積水情況方面進行考慮。模型采用2015年6月2日14：00 至16：30 實測降雨水位進行江濱片區(qū)管網的率定工作?；阪?zhèn)江市城市防洪規(guī)劃已經建立的模型相關參數，結合本次率定結果，共率定城區(qū)糙率、洼地最大攔蓄量等13項參數。

模型多次調試后，模擬成果顯示該場降雨下，江濱片區(qū)地面有明顯的積水，其中江濱路、夢溪路、東吳路以及古城路包圍區(qū)域積水相對嚴重，積水深度集中分布在5~25 cm 范圍內，小范圍地區(qū)積水深度超過50 cm。與現場調研了解到2015 年6 月2 日降雨江濱片區(qū)地面積水情況基本一致。

2.4 模擬成果

2.4.1 設計方案

本次研究重點考慮管網1 年、2 年、3 年、5 年一遇設計暴雨情況下的管道排水及地面積水情況，選取1 年、2 年、3 年和5 年一遇作為本次計算方案，河網邊界條件采用金山湖常水位5.8 m和持續(xù)高水位7.5 m兩種情況，共組合為8種設計方案。

2.4.2 計算成果

經計算分析，江濱片區(qū)管道滿足1 年一遇設計標準的約占64.55%，積水面積0.175 km2，約占總面積的8.37%；滿足2 年一遇設計標準的約占59.09% ，積 水 面 積0.234 km2，約 占 總 面 積 的11.20%；滿足3 年一遇設計標準的約占52.73%，積水面積0.259 km2，約占總面積的12.39%；滿足5 年一遇設計標準約占41.18%，積水面積0.324 km2，約占總面積的15.50%。

當金山湖水位達到7.5 m 時，邊界水位發(fā)生倒灌，江濱片區(qū)管道滿足1 年一遇設計標準的約占39.09%，積水面積0.317 km2，約占總面積的15.17%；滿足2 年一遇設計標準的約占38.18%，積水面積0.353 km2，約占總面積的16.89%；滿足3 年一遇設計標準的約占36.36%，積水面積0.379 km2，約占總面積的18.13%；滿足5 年一遇設計標準約占34.55%，積水面積0.424 km2，約占總面積的20.29%。

不同設計工況城區(qū)管網排水模擬成果統(tǒng)計見表1。

表1 不同設計工況城區(qū)管網排水模擬成果統(tǒng)計

2.4.3 成果分析

根據前述江濱片區(qū)城區(qū)排水雨洪模型模擬計算分析成果，為改善江濱片區(qū)排水條件，保護江濱片區(qū)內重要基礎設施安全，建議采取以下措施。

（1）盡快落實地下排水管道提標改造計劃，結合模型模擬成果可明確針對性改造片區(qū)和位置。建設與城市發(fā)展進程相匹配的城市排水體系，提高片區(qū)管道排水能力。江濱片區(qū)人口集中，商業(yè)發(fā)達，防洪排澇保障需求高，而目前該片區(qū)管網排水能力達到1年一遇設計標準的僅為64.55%，尚有超過1/3 的排水管網過流能力不足1 年一遇。建議城市實施管網建設時，優(yōu)先考慮江濱片區(qū)，優(yōu)先改造增大或擴充不滿足設計標準區(qū)域的管道。

（2）建議江濱片區(qū)位于鎮(zhèn)江市海綿城市建設試點區(qū)范圍內，并在該片區(qū)內積極推廣采用LID技術，因地制宜建設或改造綠色屋頂、下凹式綠地、透水鋪面等海綿城市相關措施，保持和增強雨水的滲透，合理利用城市空間對暴雨徑流進行源頭控制，降低片區(qū)內雨水管網的排水壓力。

（3）加強片區(qū)內排水管理，結合模型模擬成果可預測不同強度降雨可能造成的積水情況。及時關注本地暴雨、金山湖水位情況，及早預知暴雨到來，根據模型結果參照預測暴雨可能造成的積水范圍和程度，提前通知積水影響區(qū)域居民做好防護措施，必要時組織居民提前撤出，實行交通管制。

（4）加強城市排水與城市防洪管理部門之間的溝通，在保障城市外圍防洪安全的前提下，盡可能降低城區(qū)內部特別是金山湖水位，為城市澇水外排提供順暢條件。

（5）城市其他排水管網區(qū)域可參照江濱片區(qū)，構建城區(qū)排水雨洪模型，模擬分析計算現狀管網的實際排水能力，診斷排水能力較低的管網具體位置，明確暴雨時排水管理和防御重點區(qū)域與城區(qū)管網優(yōu)先改造計劃。

3 結 語

運用模型可以探明片區(qū)管網總體排水能力，識別片區(qū)內管網各條排水管道具體過流能力；運用模型可以探明片區(qū)城市排水風險區(qū)域，識別雨后風險區(qū)域的具體位置、范圍和可能積水深度；運用模型可以探明外排條件對片區(qū)管網總體排水狀況的影響，當外排條件較為惡劣，金山湖水位達到城市防洪最高控制水位7.5 m，該片區(qū)遭遇不同設計雨型的降雨可能造成的積水情況。根據江濱片區(qū)城區(qū)排水雨洪模型模擬計算分析成果，可為鎮(zhèn)江城市防洪排澇管理提供技術支撐。