地表徑流速度對城市內(nèi)澇影響規(guī)律

王淺寧，鄒德昊，王清正，彭勇，吳劍

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510610)

近年來，隨著全球氣候的極端變化，我國極端暴雨多發(fā)頻發(fā)[1]，城市內(nèi)澇形勢嚴峻。城市暴雨內(nèi)澇模擬計算作為城市防洪排澇核心技術(shù)之一，其模型參數(shù)的選取對模擬結(jié)果的影響不可忽視。地表徑流速度作為坡面水文過程重要參數(shù)之一，對流域水文學(xué)計算、城市暴雨內(nèi)澇模擬計算等至關(guān)重要。地表徑流速度即地表坡面水流匯集運動過程時水流的流速[2]。在流域產(chǎn)匯流方面，地表徑流速度控制降雨向徑流和下滲的分配[3]，直接影響產(chǎn)流量，因此為計算符合實際的徑流系數(shù)，需要準(zhǔn)確估算地表徑流速度[4-5]。在水文水動力學(xué)原理方面，地表徑流速度常用于推導(dǎo)雷諾數(shù)、曼寧系數(shù)等水文參數(shù)[6-7]。在城市暴雨內(nèi)澇模擬計算方面，地表徑流速度的準(zhǔn)確估計對于計算集水區(qū)徑流過程至關(guān)重要[8]。Li等[9]在海綿城市洪澇及水質(zhì)模擬中明確指出地表徑流速度對城市洪水總徑流量、洪峰流量和水質(zhì)均有較大影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對地表徑流速度的研究大多圍繞山區(qū)流域或高原土壤展開[10-12]，側(cè)重于對產(chǎn)沙過程及土壤侵蝕影響進行分析[13-15]，鮮有涉及地表徑流速度對城市內(nèi)澇災(zāi)害模擬的影響。地表徑流速度作為MIKE-URBAN模型中集水區(qū)產(chǎn)匯流模塊的重要參數(shù)之一，可通過修改URBAN模型中對應(yīng)參數(shù)來設(shè)置地表徑流速度取值。因此，本文設(shè)置系列地表徑流速度方案，模擬研究區(qū)在不同頻率暴雨條件下的內(nèi)澇積水過程，并量化分析地表徑流速度對研究區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害的影響規(guī)律，為城市暴雨內(nèi)澇模擬分析以及洪澇災(zāi)害預(yù)防、治理提供支撐。

1 研究區(qū)概況與資料分析

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大連市沙河口區(qū)北部，見圖1，面積為0.91 km2。該區(qū)域城市化程度較高，排水體系相對獨立，下墊面屬性復(fù)雜，產(chǎn)匯流特征不明顯，地形起伏較大，是沙河口區(qū)內(nèi)澇積水多發(fā)區(qū)域。

圖1 研究區(qū)

1.2 基礎(chǔ)資料

1.2.1設(shè)計降雨

根據(jù)住建部《試點城市內(nèi)澇積水點分布圖繪制說明》，對1、2、5 a一遇的場景計算時推薦采用短歷時(2 h或3 h)設(shè)計降雨雨型，對50 a一遇及以上的場景計算時推薦采用24 h長歷時設(shè)計降雨雨型。本文設(shè)置1、2、3、5、10、20 a一遇短歷時2 h以及50、100、200、500 a一遇長歷時24 h共10種設(shè)計降雨作為模型輸入。Qin等[16]的研究指出，芝加哥雨型在中國城市排水設(shè)計中有較好的應(yīng)用效果。根據(jù)歷史暴雨統(tǒng)計資料，大連市中心城區(qū)暴雨歷時短且以單峰型為主。因此，本文選取芝加哥雨型作為短歷時2 h設(shè)計降雨雨型，雨峰系數(shù)(峰現(xiàn)時間與暴雨歷時的比值)r=0.5。根據(jù)《大連市中心城區(qū)暴雨強度公式及查算圖表》，采用式(1)計算研究區(qū)暴雨強度。

(1)

式中：q為降雨強度，mm/min；A=1 230.157；C=0.724；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min；b=5.783；n=0.661。圖2為大連市中心城區(qū)1、2、3、5、10、20 a一遇短歷時2 h降雨過程線，時段長為5 min。其中，不同重現(xiàn)期2 h總降雨量為36.5～70.8 mm。

圖2 短歷時2 h設(shè)計降雨過程線

選取2009年7月17日實測降雨過程作為長歷時24 h設(shè)計降雨雨型，該場降雨實測總降雨量為104.2 mm，具有降雨總量大、峰值大、降雨集中且降雨時程分布偏于不利的特點。將實測降雨過程同倍比放大后得研究區(qū)50、100、200、500 a一遇24 h設(shè)計降雨過程，見圖3，時段長為5 min，倍比系數(shù)由《遼寧省水文手冊》查算得到。各重現(xiàn)期長歷時24 h設(shè)計暴雨特征值見表1。

圖3 長歷時設(shè)計降雨過程線

表1 長歷時24 h設(shè)計降雨特征值

1.2.2地形、土地利用及管網(wǎng)現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)地形高程空間分布見圖4。基于Landsat TM遙感影像反演得到研究區(qū)域內(nèi)建筑、道路及人造表面等3種土地利用類型。研究區(qū)地下排水管網(wǎng)排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般為1至5 a一遇，總長9.76 km，管網(wǎng)空間布置見圖5。

圖4 研究區(qū)DEM高程

圖5 研究區(qū)土地利用及管網(wǎng)分布

2 研究區(qū)暴雨內(nèi)澇模擬方法

2.1 模型構(gòu)建

采用丹麥水利研究所(Danish hydraulic institute,DHI)開發(fā)的水文水動力數(shù)值模型，模型具有較高的模擬精度和計算速度，已被廣泛應(yīng)用于城市內(nèi)澇災(zāi)害模擬并得到了較好的驗證[17-20]。研究區(qū)主要包含地下排水管網(wǎng)和地表地形，構(gòu)建一維排水管網(wǎng)模型和二維地表模型的耦合數(shù)值模型，對研究區(qū)暴雨積水內(nèi)澇過程進行模擬。

2.1.1一維管網(wǎng)模型

研究區(qū)一維管網(wǎng)模型構(gòu)建主要包含產(chǎn)流模塊、匯流模塊以及排水管網(wǎng)水動力模塊。首先，產(chǎn)流模塊采用泰森多邊形法將研究區(qū)劃分成與人孔(Manhole)同等數(shù)量的子集水區(qū)(Catchment)，計算子集水區(qū)綜合不滲透系數(shù)，降雨經(jīng)產(chǎn)流模塊轉(zhuǎn)化成地表徑流量；接著，匯流模塊將子集水區(qū)產(chǎn)生的徑流匯入與之相連的人孔，水流匯集時間受地表徑流速度參數(shù)的影響，參數(shù)越大匯集時間越短，從而影響了人孔處水流的匯集過程。研究區(qū)各子集水區(qū)水流匯集時間計算公式為

Ti=Li/V

(2)

式中：Ti為第i個子集水區(qū)的水流匯集時間，s；Li為第i個子集水區(qū)邊界到相應(yīng)人孔的最大距離，m；V為地表徑流速度，m/s。

最后，排水管網(wǎng)水動力模塊運用隱式有限差分法求解圣維南方程組，并用自適應(yīng)步長法推進模擬時間，高效準(zhǔn)確的計算多連通的分支環(huán)管網(wǎng)絡(luò)的水動力過程。經(jīng)概化，研究區(qū)一維地下排水管網(wǎng)模型共包含181個人孔、4個排放口(Outlet)、193條排水管道(Link)以及181個子集水區(qū)，其中，子集水區(qū)最大面積為2.29萬m2，最小面積為116 m2。

2.1.2二維地表模型

研究區(qū)二維地表模型構(gòu)建主要包含模型邊界、剖分網(wǎng)格、特殊地物處理等內(nèi)容。二維地表模型邊界是人孔處的雨水溢流。模型采用有限體積法對原始方程進行空間離散，并將連續(xù)介質(zhì)細分為不重疊的單元，使空間域離散化。二維地形模型采用矩形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行剖分劃分為4 032個矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小15 m×15 m。同時，為真實反映研究區(qū)域?qū)嶋H地形，對房屋、道路等特殊地物進行處理，將建筑物處地形高程抬高0.7 m，道路處地形高程降低0.15 m。

2.2 參數(shù)確定

構(gòu)建的模型參數(shù)分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)。模型中管道長度、管徑、管底埋深以及管道曼寧系數(shù)等確定性參數(shù)根據(jù)管網(wǎng)實測資料確定。其中，曼寧系數(shù)是影響排水管道中水流水動力特征的重要因素，曼寧系數(shù)的改變勢必會引起管道內(nèi)水流狀態(tài)的變化。郭永鑫等[21]指出混凝土排水管曼寧系數(shù)為0.011～0.015，考慮到研究區(qū)管道磨損情況，模型排水管道曼寧系數(shù)取0.012。模型中不確定性參數(shù)則需根據(jù)歷史實測水文數(shù)據(jù)率定得到，包括地表糙率、不透水系數(shù)、折減系數(shù)等。根據(jù)文獻[22-26]確定模型的不確定性參數(shù)，具體見表2。

表2 模型參數(shù)取值

采用2017年8月3日暴雨事件的實測降雨及內(nèi)澇積水?dāng)?shù)據(jù)驗證模型參數(shù)，該場次暴雨總降雨量為163.3 mm，超過研究區(qū)20 a一遇標(biāo)準(zhǔn)。通過實地調(diào)研、社交媒體等方式收集到研究區(qū)該場次暴雨事件的積水點位置分布，見圖6。表3為積水點模擬、實測水位對比結(jié)果。由圖6和表3可知，研究區(qū)實測暴雨模擬結(jié)果中模擬積水點位置與實測積水點位置基本相符，積水點水深誤差均在15%以內(nèi)，表明模型建立符合實際，參數(shù)設(shè)置合理，可用于研究區(qū)地表徑流速度對內(nèi)澇影響規(guī)律研究。

圖6 研究區(qū)2017年8月3日暴雨事件積水點位置

表3 積水點驗證信息匯總

2.3 方案設(shè)置

模型中地面徑流速度取值直接影響區(qū)域內(nèi)澇模擬結(jié)果，其取值目前仍沒有統(tǒng)一的經(jīng)驗公式和方法。其中：吳淑芳等[27]指出在不同徑流調(diào)控措施下坡面徑流流速大致范圍為0.03～0.23 m/s；楊大明等[28]模擬在自然降雨條件下不同坡度對應(yīng)的坡面流運動情況，得出流速分布為0.08～0.40 m/s。因此，本文設(shè)置地表徑流速度為0.02、0.05、0.10和0.30 m/s共4種場景。按窮舉法設(shè)計不同重現(xiàn)期降雨、不同流速的多種組合工況，最終共確定40個模擬方案。

2.4 評估指標(biāo)

以管道充滿度評估管道承載狀態(tài)，該指標(biāo)表示管道內(nèi)水流的充滿程度，以管道水深高程與管徑之比表示[29]。在不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下，管道充滿度大于1時表示管道內(nèi)水位超過管道頂端高程，管道已經(jīng)變成有壓管道，不再是重力流排水，嚴重影響了周圍相鄰管道雨水的正常排放，很容易導(dǎo)致管道漫溢，不滿足當(dāng)前降雨的排水需求。管道充滿度小于1時表示管道可滿足當(dāng)前降雨的排水需求，故選取F<1作為管道是否達標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)。具體公式為

(3)

式中：F為管道充滿度；Wlevel為水位高程，m；Pinertlevel為管道底高程，m；Phight為管道高度，m。

采用人孔溢流量表征研究區(qū)域的內(nèi)澇積水情況。為進一步評估研究區(qū)地表徑流速度對研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險的影響，需對研究區(qū)內(nèi)澇淹沒進行風(fēng)險等級劃分。在借鑒趙燕霞[30]、戴晶晶等[31]以及侯精明等[32]對城區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮積水深度和積水歷時兩方面因素，并按如下標(biāo)準(zhǔn)劃分研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險等級：低風(fēng)險區(qū)為路面積水深度>0.03～≤0.25 m且積水歷時大于30 min；中風(fēng)險區(qū)為路面積水深度>0.25～≤0.50 m且積水歷時大于60 min；高風(fēng)險區(qū)為路面積水深度超過0.50 m且積水歷時大于60 min。

3 地表徑流速度對研究區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害影響分析

3.1 管網(wǎng)排水能力分析

基于6種短歷時2 h設(shè)計降雨條件模型模擬結(jié)果，統(tǒng)計在不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨和地表徑流速度條件下達標(biāo)管道長度及其與管道總長的比值，結(jié)果見表4。

表4 各重現(xiàn)期降雨條件下管道達標(biāo)統(tǒng)計

由表4可知，地表徑流速度越低，管道排水負荷越小，管道達標(biāo)率越高，同時隨著降雨重現(xiàn)期變短，地表徑流流速對管道排水負荷的削減效果變得明顯。比如：在20 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度0.02、0.05、0.10 m/s比地表徑流速度0.30 m/s的管道達標(biāo)百分率提高7.6%、6.4%、2.1%；在5 a一遇設(shè)計降雨條件下對應(yīng)提高13.0%、5.7%、2.1%；在1 a一遇設(shè)計降雨條件下對應(yīng)提高36.2%、6.3%、2.6%。降雨沿集水區(qū)坡面匯流至雨水井口后流入排水管道，當(dāng)?shù)乇韽搅魉俣茸冃r，集水區(qū)匯流時間相應(yīng)變長，進而導(dǎo)致管道排水過程延長，排水負荷變小。當(dāng)下滲能力相同時，設(shè)計降雨重現(xiàn)期越短，集水區(qū)產(chǎn)流量越小，進入排水管道的水量越少，故降低地表徑流速度可明顯緩解管道排水負荷，同時設(shè)計降雨重現(xiàn)期越短，地表徑流流速對管道排水負荷的削減效果越明顯。

3.2 內(nèi)澇積水分析

模型中人孔的溢流量決定了內(nèi)澇積水量，對模型中各人孔溢流量疊加得到研究區(qū)總溢流量，其隨時間變化過程見圖7。在不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下溢流量峰值及峰現(xiàn)遲滯時間見表5。由表5和圖7可知，地表徑流速度越低，檢查井溢流量峰值越小，峰現(xiàn)時間滯后越長，隨著降雨重現(xiàn)期增長，溢流量的削減效果減弱。比如：在20 a一遇設(shè)計降雨條件下，當(dāng)?shù)乇韽搅魉俣葹?.02、0.05、0.10 m/s時，比地表徑流速度0.30 m/s的溢流量峰值分別降低了2 750、893、312 m3，峰現(xiàn)時間分別滯后56、14、5 min；在5 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度為0.02、0.05、0.10 m/s時，比地表徑流速度0.30 m/s的溢流總量分別減少了1 776、538、207 m3，峰現(xiàn)時間分別提前53、11、4 min。地表徑流速度降低導(dǎo)致匯流時間增長，當(dāng)下滲能力相同時，下滲水量增多，進而對檢查井溢流量起削減和延緩的作用。因此，在應(yīng)對城市內(nèi)澇積水時，可通過改變下墊面條件等方式降低地表徑流速度，達到對洪量的削減、滯留，進而減少內(nèi)澇積水造成的損失。

表5 溢流量峰值及其遲滯時間匯總

圖7 不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨溢流量變化過程

3.3 內(nèi)澇風(fēng)險影響分析

采用上述內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分方法，得到研究區(qū)各等級風(fēng)險區(qū)淹沒面積隨地表徑流速度及設(shè)計降雨重現(xiàn)期變化，見圖8，可見地表徑流速度對研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險影響較大。表6為在不同地表徑流速度下各等級風(fēng)險區(qū)淹沒面積。

圖8 研究區(qū)各等級風(fēng)險區(qū)淹沒面積匯總

表6 研究區(qū)各等級風(fēng)險區(qū)評估指標(biāo)

由表6可知，研究區(qū)高風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)淹沒面積變化趨勢規(guī)律一致，在相同重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下，研究區(qū)低、高風(fēng)險區(qū)淹沒面積隨地表徑流速度降低明顯減小，在地表徑流速度為0.02 m/s時淹沒面積最小，且設(shè)計降雨重現(xiàn)期越長淹沒面積差距越明顯。在50 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度0.02 m/s比地表徑流速度0.30 m/s的高風(fēng)險區(qū)淹沒面積降低了0.9萬m2，低風(fēng)險區(qū)淹沒面積降低了7.04萬m2；在500 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度0.02 m/s比地表徑流速度0.30 m/s的高風(fēng)險區(qū)淹沒面積降低了1.64萬m2，低風(fēng)險區(qū)淹沒面積降低了8.37萬m2；研究區(qū)中風(fēng)險區(qū)淹沒面積隨地表徑流速度及設(shè)計降雨重現(xiàn)期變化反復(fù)。在50 a、100 a和500 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度0.02 m/s的中風(fēng)險區(qū)淹沒面積最小，分別為4.03和4.14萬m2；在200 a一遇設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度0.05 m/s的中風(fēng)險區(qū)淹沒面積最小，為4.37萬m2。為進一步分析中風(fēng)險區(qū)淹沒面積變化反復(fù)原因，給出研究區(qū)不同地表徑流速度場景下內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)分布，見圖9。

圖9 研究區(qū)不同場景內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)分布

由圖9可知，中、高風(fēng)險區(qū)淹沒面積主要位于研究區(qū)地勢低洼區(qū)域。在200 a一遇設(shè)計降雨條件下，隨著地表徑流速度由0.30 m/s降低至0.02 m/s，高風(fēng)險區(qū)淹沒面積有1.35萬m2降為中風(fēng)險區(qū)，中風(fēng)險區(qū)淹沒面積有0.97萬m2降為低風(fēng)險區(qū)，低風(fēng)險區(qū)淹沒面積有9.32萬m2降為無風(fēng)險區(qū)。結(jié)合內(nèi)澇積水結(jié)果可知，地表徑流速度變小或設(shè)計降雨重現(xiàn)期變短均會減少研究區(qū)的內(nèi)澇積水，從而使部分高等級風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)為低等級風(fēng)險區(qū)，且低風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)為無風(fēng)險區(qū)易于中風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)為低風(fēng)險區(qū)。因此，當(dāng)?shù)乇韽搅髁魉俳档汀⒃O(shè)計降雨重現(xiàn)期變短時，低、高風(fēng)險區(qū)淹沒面積大幅降低，中風(fēng)險區(qū)淹沒面積變化反復(fù)。

4 結(jié) 論

通過設(shè)置系列地表徑流速度模擬方案，分析研究區(qū)不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下的內(nèi)澇積水過程，探討了地表徑流速度對研究區(qū)管網(wǎng)排水能力、內(nèi)澇積水以及內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)淹沒面積等的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

在短歷時2 h設(shè)計降雨條件下，地表徑流速度越低、降雨重現(xiàn)期越短，降雨后管道的排水負荷越小，管道達標(biāo)率越高，地表徑流流速對管道排水負荷的削減效果越明顯。隨著地表徑流速度降低，達標(biāo)管道長度和管道達標(biāo)率最大可分別提高4.7 km和48.05%。

地表徑流流速對內(nèi)澇積水影響顯著，地表徑流速度越低，降雨產(chǎn)生的內(nèi)澇積水峰值越小，峰現(xiàn)時間滯后越長。隨著降雨重現(xiàn)期增長，內(nèi)澇積水的削減效果減弱;隨著地表徑流速度降低，溢流總量峰值最大可降低2 750 m3，峰現(xiàn)時間最長可滯后56 min。

在長歷時24 h設(shè)計降雨條件下，研究區(qū)低、高風(fēng)險區(qū)面積隨地表徑流速度降低明顯減小，且設(shè)計降雨重現(xiàn)期越長風(fēng)險區(qū)面積削減量越大。隨著地表徑流速度降低，低、高風(fēng)險區(qū)面積最高可分別降低1.64萬、8.37萬m2，但中風(fēng)險區(qū)面積變化反復(fù)。

本文設(shè)置的地表徑流速度場景雖然是針對本文研究區(qū)域的特殊地形和土地利用狀況的，但對其他影響內(nèi)澇模擬結(jié)果的因素的研究有較好的參考價值，可為城市規(guī)劃、建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐依據(jù)。此外，本文采用窮舉法的方式設(shè)計了不同重現(xiàn)期降雨、不同流速的多種組合工況，避免了降雨重現(xiàn)期與流速相關(guān)性的考量。同時，本文也未考慮坡度對地表水流匯集速度大小的影響，僅探究了在均勻流速下改變地表徑流速度大小對研究區(qū)內(nèi)澇模擬的影響，以上不足將是作者今后研究當(dāng)中的重要工作之一。