南方平原河網(wǎng)區(qū)城市內(nèi)澇的全過程監(jiān)測與特征分析

李小寧，俞 悅，王船海，鄭世威，李伶杰，陳 鋼

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院 水利部水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

1 研究背景

近年來，伴隨著以人為本的新型城鎮(zhèn)化的逐步推進(jìn)，城市內(nèi)澇應(yīng)急管理得到了國家和社會前所未有的重視[1-2]。2021年7月，河南暴發(fā)超記錄強(qiáng)降水引發(fā)特大洪澇災(zāi)害，造成1478.6萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1200.6億元，國務(wù)院災(zāi)害調(diào)查組指出此次災(zāi)害中存在預(yù)警與響應(yīng)聯(lián)動機(jī)制不健全和水文監(jiān)測預(yù)報(bào)能力不足的問題[3]。城市內(nèi)澇全過程監(jiān)測可以為城市內(nèi)澇災(zāi)害特征分析和內(nèi)澇過程模擬概化方法提供科學(xué)依據(jù)，對降低內(nèi)澇災(zāi)害影響和推動海綿城市建設(shè)具有重要的意義[4-6]。

自1980年代起，諸多學(xué)者從流域產(chǎn)匯流、城市化的水文效應(yīng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市暴雨以及水文循環(huán)的角度開展了城市內(nèi)澇的成因機(jī)制研究，研究中廣泛采用室內(nèi)試驗(yàn)和野外監(jiān)測的方法[7-8]。在室內(nèi)試驗(yàn)方面，岑國平等[9]采用模擬降雨試驗(yàn)對不同城市下墊面組合的產(chǎn)流特性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)為城市水文規(guī)律的研究和模擬計(jì)算提供了可靠依據(jù)。Noh等[10]建立了室內(nèi)地表-雨篦子-管道交互裝置，用來研究城市內(nèi)澇過程，并采用蒙特卡洛方法確定了地表-雨篦子-管道流量交互計(jì)算參數(shù)的不確定性。Mignot等[11]綜述了城市內(nèi)澇室內(nèi)試驗(yàn)研究，指出室內(nèi)試驗(yàn)主要是從水動力學(xué)的角度研究路口、地表-管道交互、建筑物等對城市內(nèi)澇水流特征的影響。Li等[12]建立了全尺寸的道路-生物滯留設(shè)施裝置，研究綠色設(shè)施對于城市內(nèi)澇的影響，并強(qiáng)調(diào)了道路大排水在城市排澇中的作用。Dong等[13]構(gòu)建了地表-管道裝置及其二維水動力模型，證明了雨篦子收水能力比道路布局和建筑對內(nèi)澇積水深度有更大的影響，可以通過堰流公式和孔口過流公式來計(jì)算不同情景下的雨篦子收水能力。

由于室內(nèi)空間有限，需要按照一定尺度因子制作縮小的試驗(yàn)裝置來模擬地表、管道以及河道的情況。而且試驗(yàn)裝置所用的材質(zhì)往往與實(shí)際情況不同，因此很難通過室內(nèi)試驗(yàn)來模擬城市內(nèi)澇的全過程[14]。在野外監(jiān)測方面，周玉文等[15]在北京進(jìn)行了小區(qū)尺度的野外產(chǎn)流監(jiān)測并評估了城市雨水徑流模型CSYJM的精度，為城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。Neal等[16]收集了2005年英國Carlisle市由一場極端降雨事件引起的城市內(nèi)澇的數(shù)據(jù)來比較模型中考慮建筑與否對內(nèi)澇模擬結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)在模擬城市內(nèi)澇時不能忽視建筑物的阻隔作用。車伍等[17]和Gong等[18]分別在北京和深圳進(jìn)行了雨水管道水量、水質(zhì)監(jiān)測，指出了城市雨水徑流污染中的初期沖刷問題。覃建明等[19]在廣州市針對典型降雨的積水深度、流速和淹沒范圍進(jìn)行了監(jiān)測，為內(nèi)澇形成規(guī)律和精細(xì)化內(nèi)澇預(yù)報(bào)模型開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支撐。向晨瑤等[20]對道路積水進(jìn)行了監(jiān)測和模擬，提出道路積水對降雨強(qiáng)度響應(yīng)較為敏感并總結(jié)了不同下墊面的產(chǎn)匯流特征。申紅彬等[21]通過監(jiān)測城市屋頂降雨-徑流過程提出了相應(yīng)的單位線模型并指出了綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p效果和作用機(jī)理。

大多城市水文模型概化城市內(nèi)澇時通常將研究區(qū)域劃分為若干子匯水區(qū)，并基于子匯水區(qū)的下墊面類型、蒸散發(fā)特點(diǎn)以及下滲參數(shù)計(jì)算其出口流量曲線；之后，將出口流量曲線輸入管網(wǎng)模塊進(jìn)行管網(wǎng)匯流計(jì)算；最后，將檢查井溢流冒水的水量作為內(nèi)澇積水來模擬積水分布。然而，這與實(shí)際的內(nèi)澇過程有所出入，將導(dǎo)致模擬內(nèi)澇范圍小于實(shí)際淹沒范圍[22]。實(shí)際城市內(nèi)澇過程中不僅存在著檢查井溢流冒水引起內(nèi)澇的情況，還存在著由于局部低洼或雨篦子收水能力不足而引起內(nèi)澇的情況。城市分布式水文模型可以較好地體現(xiàn)流域的空間異質(zhì)性，但是，仍然需要對其優(yōu)化使其更加符合城市水循環(huán)的物理機(jī)制[4]。進(jìn)行城市內(nèi)澇全過程監(jiān)測可以為優(yōu)化城市內(nèi)澇概化方法和改進(jìn)城市分布式水文模型提供參考。

總體而言，氣候變化導(dǎo)致極端降水事件增多，下墊面硬化使得城市徑流系數(shù)增大、徑流峰值提前，城市擴(kuò)張擠占了雨洪調(diào)蓄空間，進(jìn)而造成城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增大。然而目前仍然缺少針對南方城市受降雨過程和泵站啟閉影響下內(nèi)澇特征與模擬概化方法的長期、系統(tǒng)研究。城市內(nèi)澇全過程監(jiān)測包括降雨、地表徑流、管網(wǎng)流量和水位以及河道流量和水位等，需要涵蓋降雨-產(chǎn)匯流-內(nèi)澇的完整過程[1]。長期、系統(tǒng)地對城市內(nèi)澇全過程進(jìn)行監(jiān)測是當(dāng)前城市雨洪管理的迫切需求，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)城市內(nèi)澇特征和概化模擬方法對于城市雨洪管理和推動海綿城市建設(shè)具有重要意義[23-25]。

2 研究方法

圖1 壓力-水深換算校正試驗(yàn)裝置

2.1 內(nèi)澇水位監(jiān)測試驗(yàn)研究中采用水位計(jì)(型號：HOBO U20-001-0X)來監(jiān)測地表積水點(diǎn)的壓力和對應(yīng)時刻的大氣壓力，通過計(jì)算兩者壓力差來換算成對應(yīng)的地表水深。在實(shí)際監(jiān)測過程中，首先需要進(jìn)行多次室內(nèi)校正試驗(yàn)以得到水位計(jì)的壓力-水深換算參數(shù)。圖1所示為加工的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓力-水深校正試驗(yàn)裝置，裝置為亞克力材質(zhì)，其尺寸(長×寬×高)為20 cm×20 cm×30 cm。裝置分為上下兩部分，上半部分高30 cm，用來模擬地表局部積水的不同水深情況；下半部分為20 cm，其中有一個深14 cm，直徑3 cm的圓柱筒用于放置HOBO水位計(jì)以模擬在路邊埋設(shè)水位計(jì)的情景。當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時，用量杯向試驗(yàn)裝置中加水來模擬降雨時路面積水水深緩慢增加的過程。試驗(yàn)裝置中HOBO水位計(jì)1用來記錄試驗(yàn)進(jìn)行時的大氣壓力，水位計(jì)2用來記錄對應(yīng)時刻的大氣和積水壓力之和。讀取對應(yīng)時間試驗(yàn)裝置內(nèi)的水深刻度值，在試驗(yàn)完畢后計(jì)算水位計(jì)的壓力差即可得出水位計(jì)的壓力-水深換算關(guān)系并對水位計(jì)進(jìn)行校正。

應(yīng)用水位計(jì)監(jiān)測地表積水壓力和對應(yīng)時刻的大氣壓力差來換算成對應(yīng)的地表水深，在計(jì)算時通過式(1)進(jìn)行換算。

(1)

式中：h為地表積水水深，m；P1為地表積水水壓和大氣壓之和，×103N/m2；P2為監(jiān)測大氣壓，×103N/m2；ρ為常溫下水的密度，取1.0 kg/m3；g為重力加速度常數(shù)，取9.8064 m/s2。

圖2分別展示了3次試驗(yàn)中的實(shí)際水深與監(jiān)測水深的擬合關(guān)系。從圖2可以看出，整體而言試驗(yàn)的監(jiān)測水深與實(shí)際水深的擬合較好，兩者線性擬合的確定性系數(shù)(R2)均達(dá)到了0.99以上。從圖2可以看出地表積水監(jiān)測水深值往往會小于實(shí)際的水深值，這主要是由于在進(jìn)行壓力-水深轉(zhuǎn)換時不同區(qū)域的重力加速度常數(shù)(g值)取值有所不同造成的。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合野外實(shí)驗(yàn)基地監(jiān)測時的換算系數(shù)得到野外監(jiān)測中壓力-水深換算系數(shù)取值為9.2186 m/s2。從圖2可以看出當(dāng)?shù)乇矸e水的水深較淺(<10 cm)時監(jiān)測水深與實(shí)際水深的差別較大，這主要是由于水位計(jì)測量絕對壓力的氣孔位于水位計(jì)底部造成的。在野外實(shí)驗(yàn)基地監(jiān)測中，通過將水位計(jì)埋入地下，并使水位計(jì)頂端與地表平齊來降低監(jiān)測誤差?？傮w而言，通過在野外實(shí)驗(yàn)基地埋設(shè)水位計(jì)進(jìn)行城市道路、綠地以及荒地等位置內(nèi)澇積水深度監(jiān)測是可行的。

圖2 壓力-水深換算校正擬合結(jié)果

2.2 城市內(nèi)澇全過程監(jiān)測常州市城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇實(shí)驗(yàn)基地位于江蘇省常州市中北部，屬太湖流域武澄錫虞區(qū)，是較為典型的城市小區(qū)。實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)地勢平坦，略呈西北高、東南低之勢，地面高程在-1.13～12.35 m(1985國家高程標(biāo)準(zhǔn))之間。實(shí)驗(yàn)基地研究區(qū)域總面積為1.63 km2，其中，交通用地0.20 km2，城市綠地0.45 km2，建設(shè)用地0.76 km2，河道0.02 km2，閑置用地0.18 km2。雙橋浜河道由北向南貫穿實(shí)驗(yàn)基地，北至錦繡路，向南在潤德半島附近分成兩支，一支向西至錦繡南苑，一支向南至北塘河，河道總長1.91 km(其中西支0.27 km)，河道寬約20.0 m，水面面積約3.82 hm2。雙橋浜河道下游末端出口處(匯入北塘河)建有泵站，泵站設(shè)計(jì)流量為4.0 m3/s。實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均已收集整理完畢，包括：下墊面數(shù)據(jù)、管道數(shù)據(jù)和地面高程數(shù)據(jù)等。圖3顯示的是研究區(qū)域地面高程模型，其分辨率為0.5 m，能夠清晰地反映出區(qū)域內(nèi)建筑的分布情況和道路的走向，是內(nèi)澇特征分析的基礎(chǔ)。從地面高程模型和管道分布可以看出研究區(qū)域?yàn)橄鄬Ψ忾]且獨(dú)立的匯水分區(qū)，不會受到客水的影響，更有利于內(nèi)澇特征的分析。

基于城市內(nèi)澇全過程監(jiān)測的目的，研究中通過布設(shè)雨量計(jì)、地表水位計(jì)以及管道和河道水位流量計(jì)進(jìn)行降雨、地表水位以及管道和河道的水位、流量立體監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)基地北部和南部各放置一臺自記式雨量計(jì)(型號：HOBO RG3-M)，用于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨過程和空間分布情況。由于河道下游泵站會周期性開啟對該河道進(jìn)行階段性抽水，導(dǎo)致該河道水位呈現(xiàn)周期性的起伏變化。實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)管道水位、流量監(jiān)測點(diǎn)(圖3)平時均處在淹沒狀態(tài)，因此管道內(nèi)的水位會隨著河道水位變化而同步變化。無降雨時，管道內(nèi)的水位和流量受到泵站啟閉影響，呈現(xiàn)周期性的起伏波動；降雨時，管道內(nèi)的水位和流量變化受降雨過程和泵站啟閉同時影響。在這種情況下，研究中對管道水位、流量進(jìn)行長期的監(jiān)測，可以研究降雨過程和泵站啟閉對城市管道排水能力的影響。因此，實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)布設(shè)3套管道水位流量計(jì)(型號：TWQ智慧排水監(jiān)測流量計(jì))來監(jiān)測兩處管道入河口(測點(diǎn)1、3)的水位、流量數(shù)據(jù)和一處檢查井(測點(diǎn)2)的水位、流量數(shù)據(jù)；1臺河道自動測流裝置(型號：THC全量程智能液位儀)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)河道末端流出研究區(qū)域的流量和水位(圖3)。設(shè)備均配備太陽能充電模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以將管道和河道流量監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至云端，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇全過程的實(shí)時在線監(jiān)測。

通過加工的室內(nèi)試驗(yàn)裝置對水位計(jì)監(jiān)測城市地表水深的可行性進(jìn)行驗(yàn)證并得出監(jiān)測點(diǎn)壓力與水深之間的換算關(guān)系后，選擇實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)3處低洼點(diǎn)(測點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)(圖3)進(jìn)行地表水深監(jiān)測，包括兩處路面水深和一處城中村內(nèi)的荒地水深。研究中采用視頻監(jiān)控設(shè)備(型號：HIKVISION 4G)結(jié)合水位計(jì)的方法對內(nèi)澇積水深度和范圍進(jìn)行監(jiān)測。通過視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行內(nèi)澇積水范圍在線長期監(jiān)測，以避免現(xiàn)場監(jiān)測造成人力物力的浪費(fèi)。

圖3 實(shí)驗(yàn)基地基礎(chǔ)資料和監(jiān)測設(shè)備布設(shè)

在實(shí)驗(yàn)基地降雨-產(chǎn)匯流-內(nèi)澇全過程長期、連續(xù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)分析管道水位、流量以及河道水位數(shù)據(jù)來說明典型南方城市中受泵站控制的圩區(qū)內(nèi)管道和河道的整體水流特征。將監(jiān)測期間內(nèi)典型降雨事件作為案例，分析圩區(qū)的內(nèi)澇積水、管道匯流以及河道匯流過程的特點(diǎn)。通過比較降雨峰值強(qiáng)度與管道峰值流量來判斷圩區(qū)內(nèi)地表匯流和管道匯流的響應(yīng)時間；通過分析在泵站開啟和關(guān)閉期間的管道水位、流量以及河道水位變化，來總結(jié)降雨過程和泵站啟閉影響下城市管網(wǎng)和河道中的水流特征；通過水位計(jì)和視頻監(jiān)控設(shè)備分別監(jiān)測地表低洼處積水深度和積水范圍，來分析降雨過程中地表積水的分布特點(diǎn)和變化過程，并總結(jié)地表積水的影響因素和城市內(nèi)澇概化方法。

3 研究結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)基地中通過分析地表水位監(jiān)測點(diǎn)Ⅲ，檢查井水位、流量監(jiān)測點(diǎn)2以及河道水位監(jiān)測點(diǎn)3的數(shù)據(jù)來研究城市內(nèi)澇過程中涉及的地表產(chǎn)匯流、管道匯流以及河道匯流的全過程。其中，地表水位監(jiān)測點(diǎn)Ⅲ和檢查井水位、流量監(jiān)測點(diǎn)2均位于常州市新北區(qū)飛龍東路上，河道水位監(jiān)測點(diǎn)3位于研究區(qū)域內(nèi)河道末端雙橋浜泵站前方。由于雙橋浜泵站會定期開啟從雙橋浜河道內(nèi)抽水排至下游北塘河內(nèi)，因此雙橋浜河道的水位會出現(xiàn)周期性的波動。飛龍東路管道平時大都處于淹沒狀態(tài)，因此在未降雨期間管網(wǎng)的水位和流量會受到下游泵站啟閉的影響；而在降雨期間管網(wǎng)的水位和流量會受到降雨過程和泵站啟閉的雙重影響。

3.1 監(jiān)測期間整體結(jié)果分析研究中統(tǒng)計(jì)了實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)從2021年10月10日到2022年4月10日期間共計(jì)183 d的降雨數(shù)據(jù)，檢查井水深、流量數(shù)據(jù)以及河道水深數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)包括降雨天數(shù)14 d，未降雨天數(shù)169 d，數(shù)據(jù)監(jiān)測的時間間隔均為5 min，共收集整理了52 633條數(shù)據(jù)。圖4中分別顯示了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)檢查井和河道水深以及管道的流量和流速分析結(jié)果。從圖4(a)(b)可以看出，在監(jiān)測期間內(nèi)檢查井和河道水深整體上均呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征，其中檢查井水深的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為0.918±0.252 m，河道水深的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為1.877±0.373 m。飛龍東路管道監(jiān)測點(diǎn)處管徑為1.20 m，檢查井底高為0.741 m(1985國家高程標(biāo)準(zhǔn))，檢查井井深為3.57 m，檢查井處地面高程為4.311 m。監(jiān)測期間內(nèi)檢查井水深最小為0.259 m，最大為1.828 m，管道水深有一半時間位于0.755～1.084 m之間，說明監(jiān)測期間管道始終處于有水狀態(tài)，監(jiān)測期間檢查井水深超過1.20 m即管道處于有壓流狀態(tài)的百分比為8.745%，但檢查井并未發(fā)生溢流冒水。河道末端雙橋浜泵站處河道水位監(jiān)測點(diǎn)的河底高程為-0.5 m(1985國家高程標(biāo)準(zhǔn))，監(jiān)測期間內(nèi)河道最小水深為0.25 m，最大水深為2.829 m，河道水深有一半時間位于1.756～2.101 m之間。在監(jiān)測期間內(nèi)檢查井水深有75%的時間處于0.755 m以上，而河道水深有75%的時間處于1.756 m以上。

圖4 管道和河道監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4(c)(d)顯示了監(jiān)測期間管道內(nèi)流速和流量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出管道的流速和流量基本上都是呈現(xiàn)指數(shù)分布的特征。監(jiān)測期間內(nèi)管道流速和流量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0508±0.0464 m/s和42.384±44.609 L/s。監(jiān)測期間內(nèi)管道流速中位數(shù)為0.042 m/s，有過半時間的管道流速低于0.05 m/s(時間占54.06%)，只有當(dāng)下游泵站開啟或者降雨期間，管道的流速才會增大并超過0.05 m/s。監(jiān)測期間內(nèi)管道流速最大的時間為2021年11月28日08∶25(0.434 m/s)，由下游泵站開啟引起。監(jiān)測期間內(nèi)管道流量最大值為357.53 L/s，對應(yīng)的時間為2021年11月05日08∶15，由當(dāng)日降雨(降雨量為24.38 mm)引起。在監(jiān)測期間內(nèi)管道流速有75%的時間處于0.089 m/s以下，而管道流量有75%的時間低于79.685 L/s，滿管有壓流狀態(tài)下(檢查井水深>1.20 m)的管道最大流速為0.26 m/s?！妒彝馀潘O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)中規(guī)定雨水管道的設(shè)計(jì)流速在滿流時應(yīng)不小于0.75 m/s。然而，由于研究區(qū)域內(nèi)的管道長期處于淹沒狀態(tài)且管網(wǎng)與河道聯(lián)通成為一體，造成雨水管道的排水能力大打折扣。圩區(qū)內(nèi)管網(wǎng)和河道的流動能力較低，需要及時通過河道末端泵站降低區(qū)域內(nèi)河道水位以提高管網(wǎng)排水能力來應(yīng)對城市內(nèi)澇。

3.2 降雨事件監(jiān)測結(jié)果分析選取監(jiān)測期間的20220320典型降雨事件為研究對象，具體分析城市地表產(chǎn)匯流、管道匯流以及河道匯流的動態(tài)過程。降雨事件20220320的總降雨量為39.04 mm，降雨從2022年03月20日10∶30開始到2022年03月22日01∶25截止共歷時39.0 h，降雨峰值強(qiáng)度為6.648 mm/h，峰值時間為03月21日14∶50。盡管在降雨期間檢查井并未發(fā)生溢流冒水現(xiàn)象，但由于降雨量較大仍然造成了研究區(qū)域內(nèi)局部低洼處產(chǎn)生了較長時間的積水。圖5中統(tǒng)計(jì)了地表積水監(jiān)測點(diǎn)Ⅲ，管道水位、流量監(jiān)測點(diǎn)2以及河道水位監(jiān)測點(diǎn)3(圖1)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。地表積水監(jiān)測點(diǎn)位于管道水位、流量監(jiān)測點(diǎn)上游，兩者距離為40.90 m；河道水位監(jiān)測點(diǎn)位于雙橋浜河道末端泵站前方距離管道水位、流量監(jiān)測點(diǎn)327.34 m。降雨發(fā)生后地表隨即產(chǎn)流并通過雨篦子進(jìn)入管道中，隨后流向管道下游并最終匯入河道。

圖5(a)(b)分別顯示了降雨事件20220320中降雨過程、地表積水深度、管道和河道水位以及管道流量隨時間的變化過程。從圖5(a)可以看出，通過道牙石旁邊地表低洼處埋設(shè)水位計(jì)監(jiān)測的地表內(nèi)澇積水深度變化過程。地表低洼處積水深度在降雨開始后立即積累并迅速達(dá)到6.208 cm，而且在降雨期間內(nèi)積水深度均值和標(biāo)準(zhǔn)差為6.759±0.339 cm。地表低洼處積水深度在03月21日15∶55達(dá)到最大，深度為7.628 cm，隨后當(dāng)降雨停止后積水深度開始慢慢降低，直到03月22日22∶30左右才全部消失。圖5(a)也顯示了在積水深度最大時刻對應(yīng)的積水范圍，可以看出積水主要集中在雨篦子周圍地表低洼處，并且沿道牙石呈條帶狀分布。在降雨過程中管網(wǎng)檢查井并未發(fā)生溢流冒水現(xiàn)象，城市內(nèi)澇積水主要集中在地表低洼處，呈現(xiàn)局域性的特點(diǎn)。地表低洼處積水的水深和分布情況主要受到局部的地形、降雨過程以及雨篦子收水能力的影響。

圖5(b)顯示了降雨過程中管道水位、流量以及河道水位的變化過程，可以看出在降雨過程中管道水位始終比河道水位高約0.216±0.08 m，據(jù)此可知管道入河口與河道末端的水面坡降約為0.6‰。從圖5(b)中可以看出在自然狀態(tài)下即第1階段(03月20日10∶30—03月21日18∶20)內(nèi)管道水位、流量以及河道的水位隨著降雨的進(jìn)行呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其變化幅度也與降雨強(qiáng)度相對應(yīng)。管道內(nèi)水位于03月21日17∶20達(dá)到1.943 m并首次超過管頂高程1.941 m，此時管道水流為有壓流，并且降雨過程中有4次管道內(nèi)水位超過管頂高程形成管道有壓流的現(xiàn)象。圖5(c)—(g)反映了該降雨事件中降雨和道路積水范圍的變化過程，圖5(c)顯示的是降雨開始后道路局部低洼處即開始產(chǎn)生積水現(xiàn)象，但此時道路積水的淹沒范圍比較小。圖5(d)顯示了此次降雨事件中峰值降雨時刻對應(yīng)的道路積水淹沒范圍，受降雨強(qiáng)度影響，此時積水淹沒范圍最大。然而此次降雨中積水深度最大的時刻為03月21日15∶55，滯后降雨峰值約65 min，此時的道路積水范圍小于峰值降雨時刻對應(yīng)的道路積水范圍。圖5(e)—(g)反映了降雨期間開啟泵站對于內(nèi)澇積水范圍的影響，下游泵站在03月21日18∶20第一次開啟時的道路積水淹沒范圍如圖5(e)所示，泵站開啟30 min后道路積水淹沒范圍如圖5(f)所示，泵站開啟后90 min時道路積水淹沒范圍如圖5(g)所示?？梢钥闯觯?dāng)泵站開啟時能夠顯著的降低道路低洼處積水范圍。

圖5 降雨事件20220320監(jiān)測結(jié)果

受降雨影響，管道內(nèi)流量在第1階段03月21日15∶05達(dá)到峰值，峰值流量為293.048 L/s，相較于降雨峰值延后了15 min。在第2階段，由于雙橋浜泵站在03月21日18∶20開啟從河道抽水排至下游北塘河，此時河道水位和管道水位達(dá)到第一個峰值，分別為2.020 m和1.808 m，然后同時開始急速下降。河道水位于19∶55降到1.374 m，管道水位于20∶00降到1.571 m，然后河道水位和管道水位開始緩慢上升并于2022年03月22日01∶35分別達(dá)到1.908 m和2.116 m。隨著降雨的進(jìn)行，前兩階段管道水位和河道水位峰值均有所增大。在第3階段，雙橋浜泵站再次開啟，管道水位和河道水位于02∶45分別降至1.711 m和1.493 m后隨即逐漸上升，并于08∶10分別上升至2.035 m和1.822 m，此時管道和河道峰值水位與第一階段峰值水位基本一致。在第4階段，泵站開啟后管道水位和河道水位于09∶25分別降至1.551 m和1.331 m后隨即于03月22日20∶30分別上升至2.041 m和1.830 m，說明隨著降雨停止，管道和河道的峰值水位有所下降。通過圖5(b)可以看出，每次泵站開啟時管道水位會迅速降低，然而管道流量都會先上升然后再慢慢下降，這也說明泵站抽水極大提高了區(qū)域河道和管道的流速。總體而言，在自然降雨過程中，管道中水位上升的同時流量相應(yīng)變大，而當(dāng)泵站開啟，管道內(nèi)水位下降、流速升高，流量增大。表1對20220320降雨事件中管道水位、流量以及河道水位的動態(tài)變化過程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表1 管道和河道動態(tài)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

研究中證實(shí)了應(yīng)用水位計(jì)和視頻監(jiān)控設(shè)備長期、自動監(jiān)測城市內(nèi)澇積水深度和范圍的可行性，提出了城市降雨-產(chǎn)匯流-內(nèi)澇在線全過程監(jiān)測方法。統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)域內(nèi)的長期、連續(xù)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出了典型南方平原河網(wǎng)區(qū)城市由泵站控制的圩區(qū)內(nèi)管道和河道的水流特征以及內(nèi)澇積水特點(diǎn)。總體來說圩區(qū)內(nèi)管網(wǎng)長期處于淹沒狀態(tài)，流動性很差且排水能力較低，開啟河道末端泵站及時調(diào)控管網(wǎng)和河道水位可以增大管網(wǎng)排水能力并降低內(nèi)澇積水淹沒范圍。盡管降雨過程中管道檢查井未發(fā)生溢流冒水但研究區(qū)域內(nèi)仍然存在局部內(nèi)澇的現(xiàn)象，說明模擬城市內(nèi)澇時不應(yīng)只將檢查井冒水作為內(nèi)澇積水來源而忽視道路行洪的現(xiàn)象。降雨過程和泵站啟閉影響下管道水位、流量以及河道水位呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，降雨影響下管道流量隨著管道水位增加而增大，而泵站開啟時管道水位降低，管道流速升高、流量增大。研究表明內(nèi)澇積水受到降雨、地形以及雨篦子收水能力的影響，泵站調(diào)控能夠在一定程度上緩解城市內(nèi)澇積水情況；在模擬城市內(nèi)澇時也不應(yīng)忽略雨篦子收水能力和泵站啟閉對內(nèi)澇過程的影響。因此，應(yīng)當(dāng)從城市水文循環(huán)的角度綜合考慮降雨、地形以及雨篦子收水能力的影響，并結(jié)合雨水管網(wǎng)和河道模擬城市內(nèi)澇過程。研究提出的降雨-產(chǎn)匯流-內(nèi)澇全過程監(jiān)測方法可以為構(gòu)建城市內(nèi)澇在線監(jiān)測平臺提供參考，也能為城市內(nèi)澇模擬概化方法提供依據(jù)。綜合利用地面觀測與天氣雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行降雨定量預(yù)報(bào)，可以實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇在線預(yù)報(bào)預(yù)警；基于水文循環(huán)理念概化城市內(nèi)澇過程，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇的高效、準(zhǔn)確模擬，可以為城市內(nèi)澇調(diào)度預(yù)案提供參考。