基于陸面-管網(wǎng)耦合模型的城市排水系統(tǒng)評估

陳 小 龍，王 小 雨，王 永 桂

(1.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來極端天氣事件增多，中國城市內(nèi)澇頻發(fā)，嚴(yán)重影響城市交通和居民生活[1-2]。雖然中國很多城市已形成相對完善的城市排水設(shè)施，但是隨著排水任務(wù)的日益繁重，排水管網(wǎng)優(yōu)化成為應(yīng)對內(nèi)澇風(fēng)險的重要內(nèi)容。排水系統(tǒng)評估和優(yōu)化方法主要依靠實驗分析和模型模擬，其中排水管網(wǎng)數(shù)值模型已成為排水能力評估的有效手段，得到了大量的應(yīng)用[3]。排水管網(wǎng)數(shù)值模型從早期的經(jīng)驗?zāi)Ｊ桨l(fā)展為半經(jīng)驗半分布式模式再到分布式模式，得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。近年來數(shù)值模型已成為中國GB 50014-2014《室外排水設(shè)計規(guī)范》和《海綿城市建設(shè)指南》中要求使用的關(guān)鍵方法[4]。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，排水管網(wǎng)模型的應(yīng)用更加最廣泛，國內(nèi)外知名的有SWMM、InfoWorks和MOUSE等[5-7]。學(xué)者們應(yīng)用SWMM對東莞市舊城管網(wǎng)排水能力進(jìn)行了分析，利用InfoWorks對昆明市的排水薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了排水系統(tǒng)的優(yōu)化對策[8-9]?，F(xiàn)有研究更多的是利用這些模型進(jìn)行管網(wǎng)本身的分析，忽略了管道溢流與陸面積水之間的動態(tài)變化關(guān)系，且現(xiàn)有模型在研究管網(wǎng)-陸面積水之間仍有所不足。如SWMM發(fā)展相對成熟，但是只能進(jìn)行一維的水文水動力模擬，無法實現(xiàn)陸面的二維模擬評估；InfoWorks和MOUSE雖能同時開展管網(wǎng)和陸面水動力模擬，但該模型操作起來復(fù)雜且對數(shù)據(jù)精度要求較高[10]。針對以上問題，本文以SWMM作為模擬引擎，結(jié)合GIS技術(shù)建立了一維管網(wǎng)與二維地表動態(tài)耦合的排水管網(wǎng)模型。該模型考慮了一維管網(wǎng)溢流積水在地表的演進(jìn)過程，能進(jìn)行管道水、地表水的一維和二維水動力耦合模擬，分析排水系統(tǒng)超載水量在地表的流動和淹沒過程。

1 研究區(qū)概況

選擇鎮(zhèn)江市的防汛示范區(qū)為研究對象，該片區(qū)以古運(yùn)河南岸部分區(qū)域為主，面積約為6.91 km2，如圖1所示。該片區(qū)屬于老城區(qū)，區(qū)域建設(shè)比較完善，排水管網(wǎng)鋪設(shè)比較全面且具有一定的復(fù)雜性，排水管道總長104.3 km，包括合流管7.16 km、雨水管63.24 km、污水管33.93 km，所有污水最終通過截污干管匯入下游的南水橋泵站。該片區(qū)既包含城市主干道，即黃山南路和南徐大道，還涵蓋穿城而過的河道古運(yùn)河，具有典型的城市易澇區(qū)特征。

圖1 研究區(qū)位置和管網(wǎng)分布

2 研究方法

2.1 陸面-管網(wǎng)耦合模型

開展城市排水系統(tǒng)的分析，其最終目的是分析城市排水系統(tǒng)能否承載城市降雨積水。在這個過程中，需要分析城市地表產(chǎn)匯流及管網(wǎng)-河道中的水動力過程，從而評估城市排水系統(tǒng)是否存在管道溢流。而在管道溢流后，會存在溢流水匯集，造成路面積水從而阻礙管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)匯水。這是一個路面產(chǎn)匯流、管道一維和二維地表水流遷移演進(jìn)的陸水一二維耦合過程。本文基于SWMM模型基本原理和二維淺水方程組，構(gòu)建一二維耦合的陸面-管網(wǎng)耦合模型，開展排水系統(tǒng)模擬。研究方法基本框架如圖2所示。

圖2 陸面-管網(wǎng)耦合模型方法架構(gòu)

二維水動力模型中忽略水流的垂向運(yùn)動，只考慮水平運(yùn)動，通過改進(jìn)二維淺水方程對地表水動力過程進(jìn)行求解計算[11]。該方程對水深進(jìn)行平均簡化求解，能適應(yīng)在復(fù)雜地形中模擬管道溢流后水在地表的運(yùn)移過程。公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

模型耦合方式：運(yùn)用SWMM模型開展陸面的降雨產(chǎn)流和管網(wǎng)匯流計算，然后將管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流量作為二維模型的入流，即二維淺水方程中的ql項，使之成為二維模型的流量邊界，從而實現(xiàn)SWMM模型與二維水動力模型之間的耦合。在模型耦合過程中，考慮管網(wǎng)溢流和陸面積水排放兩個過程。當(dāng)管道首次充滿溢流后，設(shè)定一維管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流量為Q，其只在二維模型的一個網(wǎng)格(底面積為SW)上釋放，則得到ql=Q/SW。當(dāng)管網(wǎng)不溢流，即充滿度小于1時，陸面積水向管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)排放，ql<0，根據(jù)伯努利方程計算排放流量。

2.2 模型構(gòu)建與驗證率定

2.2.1模型構(gòu)建

一維模型選擇SWMM模型框架，通過收集測量控制點(diǎn)、水系、居民地及設(shè)施、交通、境界和政區(qū)、地貌、植被等數(shù)據(jù)，確定節(jié)點(diǎn)、管道、泵站、堰、河道的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，將鎮(zhèn)江市防汛示范區(qū)4 668個匯水區(qū)，匯入到4 669個雨水井或雨水篦子，總匯水面積為6.9 km2。二維模型根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，并結(jié)合道路、建筑物、植被等土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)的劃分，網(wǎng)格邊長為1～20 m。數(shù)據(jù)來源于鎮(zhèn)江市水利、環(huán)保和住建等部門。

2.2.2參數(shù)率定

在本文構(gòu)建的模型中，核心參數(shù)是匯水區(qū)參數(shù)和管道曼寧系數(shù)。率定步驟為：① 收集降雨和流量同步實測數(shù)據(jù)；② 處理和轉(zhuǎn)換降雨數(shù)據(jù)，輸入模型降雨數(shù)據(jù)參數(shù)對話框；③ 運(yùn)行模擬實測降雨情景，生成模擬結(jié)果文件；④ 對比分析實測降雨情景下的模擬流量與同步監(jiān)測流量值；⑤ 評估模擬值與實測值的吻合程度，若達(dá)到模型率定的要求，則模型可以用于相關(guān)的分析和評估，若不能達(dá)到模型率定的要求，則調(diào)整匯水區(qū)和管道參數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行模擬，直至模擬值與實測值比較吻合，率定完成[12-13]。率定情景選擇南水橋泵站(見圖1)監(jiān)測的2014年6月16日16：50～18：20，2014年7月1日07：30～11：50，2014年7月1日22：30至7月2日10：00三場降雨情景(見圖3)。

圖3 用于模型參數(shù)率定的降雨情景

在3場降雨情景下，南水橋泵站監(jiān)測點(diǎn)流量模擬值與實測流量的對比曲線如圖4所示。采用Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)(NSE)和確定性系數(shù)(R2)作為評估3個時間段內(nèi)所有模擬值與實測值的吻合程度。一般地，NSE>0.5，R2大于0.6的情況下，表示模型模擬結(jié)果可接受[14]。

圖4 率定期模擬流量與監(jiān)測流量對比

由圖3～4可知，在率定期，模擬結(jié)果與實測值的NSE為0.566，R2為0.678，大于模型可接受的判斷值，且模擬結(jié)果與實測值在變化趨勢上具有很好的一致性，說明所構(gòu)建的模型能很好地模擬出水系的流量過程。3場降雨情景中，圖4(a)情景模擬結(jié)果最好，圖4(b)和(c)情景中，模擬的極值要高于實測極值，但整體上不影響模型的可靠性。

2.2.3模型驗證

在模型率定之后，對模型進(jìn)行驗證，選用相同3場降雨情景下的黃山夜市高鐵橋下監(jiān)測點(diǎn)(見圖1)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，驗證方法與參數(shù)率定類似。模擬值與實測值對比曲線如圖5所示。

圖5 驗證期模擬流量與實測流量對比

從圖5可以看出，在3場降雨下，模型的模擬結(jié)果和實測流量具有相同的趨勢，驗證的NSE為0.525，R2為0.632，高于模型判斷標(biāo)準(zhǔn)。由此可判定鎮(zhèn)江防汛示范區(qū)排水系統(tǒng)模型的擬合效果較好，能滿足模型應(yīng)用的要求。模型在圖5(c)情景中，模擬的兩個峰值與實測值差別相對較大，這主要是由于側(cè)邊界條件的不確定性引起，是可控范圍內(nèi)的誤差，不影響模型的整體模擬效果。

2.3 排水系統(tǒng)模擬情景

利用鎮(zhèn)江市暴雨強(qiáng)度公式[15]和KC法雨型分配表[16]，生成4種降雨情景下的降雨雨型，如圖6所示。

圖6 4種降雨情景下24 h設(shè)計暴雨過程

利用暴雨強(qiáng)度公式生成的鎮(zhèn)江市24 h降雨量的降雨強(qiáng)度等級，分別為5 a一遇情景146.8 mm，10 a一遇情景175.24 mm，30 a一遇情景220.33 mm，50 a一遇情景241.29 mm。利用KC雨型分配表進(jìn)行計算，各個降雨情景下的雨峰值分別是5 a一遇情景166.47 mm/h，10 a一遇情景198.72 mm/h，30 a一遇情景249.85 mm/h，50 a一遇情景273.62 mm/h。

3 結(jié)果與討論

3.1 排水現(xiàn)狀分析

3.1.1管道充滿度和節(jié)點(diǎn)溢流分析

通過模型模擬5 a一遇降雨情景下，管道的充滿度和節(jié)點(diǎn)溢流情況，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出：5 a一遇降雨模擬情景下，絕大多數(shù)排水管網(wǎng)均處于高負(fù)荷狀態(tài)，占比超60%，溢流總量大于1 000 m3的節(jié)點(diǎn)有11個(高風(fēng)險溢流節(jié)點(diǎn))，分別位于運(yùn)河路、黃山西路、黃山東路、健康路及北府路附近。

圖7 5 a一遇降雨情景下排水現(xiàn)狀

3.1.2積水分析

防汛示范區(qū)積水分析是對片區(qū)內(nèi)不同降雨情景下內(nèi)澇風(fēng)險分析的前提，通過不同降雨強(qiáng)度下的積水深度、積水面積對比，判別防汛示范區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險。根據(jù)降雨情景設(shè)置，5，10，30，50 a一遇的防汛示范區(qū)淹沒分析結(jié)果，如圖8所示。

圖8 4種模擬情景下的積水范圍

從圖8可以看出，在5，10，30，50 a一遇降雨情景下，防汛示范區(qū)的淹沒面積明顯增加，其中積水嚴(yán)重區(qū)域集中在萬達(dá)廣場、黃山南路西和天橋支路及以東區(qū)域，積水面積及深度統(tǒng)計見表1。

表1 防汛示范區(qū)積水面積及深度統(tǒng)計

3.2 改造方案評估

3.2.1改造方案

模擬研究表明，防汛示范區(qū)萬達(dá)廣場、黃山南路、天橋支路等處有明顯的積水問題。對其排水管道進(jìn)行積水改造，改造地點(diǎn)位于黃山南路以西，黃山西路以北。通過綜合研判，確定改造內(nèi)容包括新建一條管徑為600 mm、長9.5 km的雨水管和一個雨水篦子。

3.2.2改造效果

(1) 充滿度分析。對黃山南路積水點(diǎn)進(jìn)行改造之后，能解決該點(diǎn)在5 a一遇短歷時降雨(09：45～13：45)情景下的積水問題，改造前后溢流點(diǎn)上下游管道充滿度情況如圖9所示。

圖9 溢流點(diǎn)上下游管道改造前后充滿度分析

改造前，溢流點(diǎn)上游管線在降雨60 min后，充滿度達(dá)到1，開始滿管運(yùn)行，滿管運(yùn)行時間持續(xù)45 min；溢流點(diǎn)下游管道在降雨45 min后，充滿度達(dá)到1，開始滿管運(yùn)行，滿管運(yùn)行時間持續(xù)60 min。改造后，溢流點(diǎn)上游管線在降雨75 min后，充滿度達(dá)到了1，滿管運(yùn)行時間持續(xù)了30 min；溢流點(diǎn)下游管線在降雨75 min后，充滿度達(dá)到了1，滿管運(yùn)行時間持續(xù)了30 min。

(2) 過載情況分析。對黃山南路積水點(diǎn)改造前后進(jìn)行管道過載情況分析，對比如圖10所示。改造前，溢流點(diǎn)上游管線的平均過載倍數(shù)在降雨75 min后達(dá)到最大，為3.96；溢流點(diǎn)下游管線的平均過載倍數(shù)也在降雨75 min后達(dá)到最大，為4.29。改造后，溢流點(diǎn)上游管線過載倍數(shù)明顯降低，在降雨75 min后，最大為3.45；溢流點(diǎn)下游管線平均過載倍數(shù)也在降雨75 min后達(dá)到最大，為3.80。

圖10 溢流點(diǎn)上下游管道改造前后過載情況分析

綜合以上分析可知，黃山南路積水改造之后，上下游管網(wǎng)的充滿度和過載情況都有明顯降低的趨勢，在一定程度上，黃山南路積水改造大大增加了現(xiàn)有管網(wǎng)的利用率，該方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均是可行的。但是從改造之后的模擬結(jié)果來看，管網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷仍然偏高，要從根本上解決黃山南路積水問題，還需要進(jìn)一步對管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

4 結(jié) 論

通過構(gòu)建典型城鎮(zhèn)片區(qū)排水系統(tǒng)模型，本文以鎮(zhèn)江防汛示范區(qū)為研究對象，對不同重現(xiàn)期降雨情景進(jìn)行仿真模擬，分析防汛示范區(qū)排水現(xiàn)狀和積水，并利用模型對防汛示范區(qū)內(nèi)的積水改造方案進(jìn)行可行性評估。研究發(fā)現(xiàn)：鎮(zhèn)江市防汛示范區(qū)排水管道在5 a一遇降雨模擬情景下絕大多數(shù)處于高負(fù)荷狀態(tài)，排水能力明顯不足；在50 a一遇情景，積水面積達(dá)到了686 000 m2，占防汛示范區(qū)整個面積的9.94%。積水深度最大達(dá)到2.77 m，積水較嚴(yán)重區(qū)域集中在黃山南路、萬達(dá)廣場、天橋支路等處。根據(jù)防汛示范區(qū)排水系統(tǒng)分析結(jié)果，設(shè)定了新建9.5 km管道的優(yōu)化方案，通過改造前后對比模擬分析表明，優(yōu)化方案能緩解原來黃山南路部分點(diǎn)的溢流情況，改造之后部分管段的充滿度和過載倍數(shù)明顯降低。該方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均是可行的。利用數(shù)值模型進(jìn)行城市防澇排水系統(tǒng)評估和優(yōu)化設(shè)計，能有效改善城市排水能力，為城市內(nèi)澇防治提供支撐。