基于地塊概化和路網(wǎng)精細(xì)模擬理念的城市雨洪過(guò)程分區(qū)自適應(yīng)模型

李東來(lái)，侯精明，申若竹，高徐軍，3，黃綿松，馬 越

(1. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2. 寧夏首創(chuàng)海綿城市建設(shè)發(fā)展有限公司，寧夏 固原 756000；3. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；4. 陜西省西咸新區(qū)灃西新城開發(fā)建設(shè)(集團(tuán))有限公司海綿城市技術(shù)中心，陜西 西安 712000)

全球氣候變化引起的極端降雨頻發(fā)，加之中國(guó)快速城市化進(jìn)程中流域下墊面的顯著變化，多種因素疊加導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害日益嚴(yán)重[1]。近數(shù)十年來(lái)，中國(guó)各大城市均遭受過(guò)不同程度的洪澇災(zāi)害，鄭州、北京、深圳等多地甚至出現(xiàn)較為嚴(yán)重的人員傷亡[1-2]。城市流域地下管網(wǎng)密布，道路縱橫，下墊面條件較為復(fù)雜，且部分區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不易獲取，諸多問(wèn)題為城市洪澇模擬帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[3-4]。因此，建立適用于不同下墊面條件的城市雨洪模型對(duì)探明洪澇致災(zāi)機(jī)理、評(píng)估災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要意義[4]。

隨著洪澇模擬技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算能力的提升，城市雨洪模擬方法已從單純的水文學(xué)方法或水動(dòng)力學(xué)方法發(fā)展到水文水動(dòng)力耦合方法[5-7]，耦合二維地表模塊和一維管網(wǎng)模塊的水文水動(dòng)力耦合模型逐漸成為研究的熱點(diǎn)[8-10]。目前有2種水文水動(dòng)力耦合模式應(yīng)用最為廣泛，張紅萍等[8]根據(jù)技術(shù)策略和降水產(chǎn)匯流計(jì)算方式的區(qū)別將耦合模式分為半分布耦合模式和全分布耦合模式。半分布耦合模式為水文驅(qū)動(dòng)水動(dòng)力模型，將整個(gè)流域劃分為概化子匯水區(qū)，雨水通過(guò)子匯水區(qū)進(jìn)入管網(wǎng)，只有管道發(fā)生溢流時(shí)，才驅(qū)動(dòng)二維地表模型進(jìn)行淹沒(méi)計(jì)算[8-9]；全分布耦合模式為全水動(dòng)力模型，將研究區(qū)域劃分為二維精細(xì)計(jì)算單元，降水蒸發(fā)等水文過(guò)程都在網(wǎng)格單元上實(shí)現(xiàn)，地表經(jīng)過(guò)匯流演進(jìn)后匯入地下管網(wǎng)[8]。半分布耦合模式物理機(jī)制不足，徑流路徑不符合實(shí)際物理過(guò)程，對(duì)于城市道路匯流及低洼區(qū)域的淹沒(méi)計(jì)算難以表達(dá)；在地塊區(qū)域地形及管網(wǎng)資料不足情況下，全分布耦合模式忽略了地塊中管網(wǎng)排水的作用，進(jìn)而造成地塊低洼區(qū)域出現(xiàn)大量積水的不正常現(xiàn)象，且計(jì)算量巨大，計(jì)算效率極低[11]。目前較為成熟的商業(yè)化軟件，如MIKE Flood和InfoWorks ICM等均采用半分布耦合模式進(jìn)行城市雨洪過(guò)程模擬[12]。黃國(guó)如等[9]耦合了自主研發(fā)的二維模型和Storm Water Management Model(SWMM)模型，采用半分布模式模擬了廣州東濠涌流域的雨洪過(guò)程；Li等[11]將自主研發(fā)的二維水動(dòng)力模型與SWMM模型進(jìn)行了耦合，采用全分布耦合模式對(duì)寧夏固原某區(qū)域雨洪過(guò)程進(jìn)行了模擬，但未考慮地塊中精細(xì)管網(wǎng)的排水作用。

為更好體現(xiàn)城市流域?qū)嶋H的徑流過(guò)程，王船海等[13]提出了基于雨篦子耦合地表與管網(wǎng)的全過(guò)程耦合模型，細(xì)化了子流域內(nèi)產(chǎn)匯流計(jì)算方法；Zhang等[14]提出了概念連接和物理連接2種模式的分布式水動(dòng)力模型，采用概念連接將地塊網(wǎng)格與檢查井建立聯(lián)系。對(duì)于城市流域，道路低洼點(diǎn)的積水大部分是由道路區(qū)域本身徑流貢獻(xiàn)產(chǎn)生[15]，準(zhǔn)確反映道路產(chǎn)匯流特性對(duì)城市內(nèi)澇模擬至關(guān)重要[16]。此外，地塊內(nèi)部也分布有較多的雨水口和排水管網(wǎng)，以緩解地塊區(qū)域的內(nèi)澇積水，其排水作用不可忽略[17-18]。整體區(qū)域劃分子匯水區(qū)時(shí)忽略了真實(shí)的地形情況，而整體區(qū)域劃分精細(xì)網(wǎng)格則會(huì)增加計(jì)算量，降低計(jì)算效率。

為克服現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件和計(jì)算能力的限制，本文基于SWMM模型和GPU加速的二維水動(dòng)力模型(GAST)，提出了基于地塊概化模擬和路網(wǎng)精細(xì)模擬理念的城市雨洪過(guò)程分區(qū)自適應(yīng)模型(以下簡(jiǎn)稱分區(qū)模型)。以西咸新區(qū)灃西新城核心示范區(qū)為研究對(duì)象，分別建立區(qū)域全分布耦合模型、半分布耦合模型和分區(qū)模型，通過(guò)對(duì)比分析3種耦合模型在不同設(shè)計(jì)降雨下的內(nèi)澇積水和管網(wǎng)排水情況，對(duì)分區(qū)模型在城市雨洪模擬中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。

1 研究方法

1.1 匯水區(qū)產(chǎn)匯流模型

通過(guò)將區(qū)域劃分成若干概化子匯水區(qū)，根據(jù)子匯水區(qū)的特點(diǎn)單獨(dú)計(jì)算降雨及其產(chǎn)匯流過(guò)程，并認(rèn)為子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流全部匯入特定雨水口或其他子匯水區(qū)中。SWMM作為目前最為常用的降水-徑流模型，將單一子流域劃分為透水部分和不透水部分，其中不透水部分根據(jù)有無(wú)洼蓄能力進(jìn)行再次劃分。產(chǎn)流計(jì)算時(shí)綜合考慮填洼、下滲及蒸發(fā)等過(guò)程，匯流過(guò)程采用線性水庫(kù)法計(jì)算。該模型在城市雨洪模擬方面的良好性能已被諸多案例所證實(shí)[18]，本文采用SWMM模型計(jì)算匯水區(qū)產(chǎn)匯流過(guò)程。

1.2 一維管網(wǎng)模型

求解一維圣維南方程對(duì)管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算已成為趨勢(shì)，其中動(dòng)力波方法物理意義明確，方程求解過(guò)程完整，理論上計(jì)算結(jié)果最為精確，且可以模擬管道逆流、明滿流交替運(yùn)動(dòng)、水位頂托、進(jìn)口和出口損失等各種復(fù)雜流態(tài)和復(fù)雜工況，目前已成為管網(wǎng)水流模擬的主流方法。SWMM模型中提供了動(dòng)力波方法計(jì)算管網(wǎng)匯流過(guò)程[11]，本文采用SWMM模型計(jì)算管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

1.3 二維地表水動(dòng)力學(xué)模型

采用GAST模型[19-21]對(duì)地表水動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，GAST模型是西安理工大學(xué)開發(fā)的地表水及其伴隨輸移過(guò)程數(shù)值模型。該模型基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用Godunov格式的有限體積法對(duì)二維淺水方程進(jìn)行數(shù)值離散，該類方法能夠穩(wěn)健地解決不連續(xù)問(wèn)題，并可嚴(yán)格保持物質(zhì)守恒。模型應(yīng)用了一套能適用于任何復(fù)雜網(wǎng)格的二階算法，提高了模擬的精度和計(jì)算效率；底坡源項(xiàng)采用底坡通量法處理，將單元內(nèi)底坡源項(xiàng)轉(zhuǎn)化為單元邊界上的通量，該方法可以嚴(yán)格保持全穩(wěn)條件[21]；摩阻源項(xiàng)采用新的半隱式格式處理，可準(zhǔn)確地計(jì)算復(fù)雜薄層水流運(yùn)動(dòng)情況，消除了常規(guī)隱式方法冗余迭代，同時(shí)兼顧了計(jì)算精度和效率[22]。解決了在地表水流動(dòng)模擬中的一些數(shù)值難題，如復(fù)雜地形、復(fù)雜邊界、復(fù)雜流態(tài)包括干濕交替等。目前該模型已成功應(yīng)用于城市洪澇[23-24]、潰壩山洪及江河洪水[20]等過(guò)程的模擬中，模型精度與模擬效率俱佳。

本文主要對(duì)城市流域雨洪過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)于一維管網(wǎng)和二維地表的水流交換問(wèn)題，采用垂向連接的方式進(jìn)行耦合計(jì)算[11]。通過(guò)Visual Studio平臺(tái)調(diào)用SWMM動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)的方式進(jìn)行耦合交互計(jì)算，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程可見文獻(xiàn)[11]。

1.4 分區(qū)耦合模式

半分布耦合模式主要將管網(wǎng)作為排水通道排放徑流，高估了管網(wǎng)排水的效果，忽略了城市地表漫流過(guò)程的影響[8]。此類耦合模式對(duì)區(qū)域數(shù)據(jù)精度要求較低，且具有計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。全分布耦合模式徑流路徑符合實(shí)際物理過(guò)程，基于精細(xì)地表網(wǎng)格，將降水產(chǎn)匯流過(guò)程和徑流演進(jìn)過(guò)程統(tǒng)一計(jì)算，物理機(jī)制明確[8]?，F(xiàn)有城市流域尺度研究大多僅能體現(xiàn)道路上的雨水管網(wǎng)分布情況，忽略了建筑小區(qū)或地塊中的雨水管網(wǎng)分布，體現(xiàn)地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)分布情況的數(shù)據(jù)難以獲取，即使可以獲取，如此精細(xì)管網(wǎng)建模的工作量也將非常大。若在城市流域尺度進(jìn)行如此精細(xì)模擬勢(shì)必帶來(lái)巨大的計(jì)算量，嚴(yán)重影響計(jì)算效率[9]。

結(jié)合以上2種耦合方式的特點(diǎn)，提出了基于地塊概化模擬和路網(wǎng)精細(xì)模擬理念的城市雨洪過(guò)程分區(qū)自適應(yīng)耦合模式，在資料充足的道路區(qū)域采用劃分精細(xì)網(wǎng)格的水動(dòng)力方法，對(duì)于資料不足的地塊區(qū)域采用劃分子匯水區(qū)的水文概化方法。分區(qū)模型主要由概化子匯水區(qū)模塊、二維地表模塊和管網(wǎng)匯流模塊3部分組成(圖1)。建模時(shí)根據(jù)地形及下墊面屬性將研究區(qū)域劃分為2類區(qū)域，一類如城市道路等自身產(chǎn)匯流過(guò)程對(duì)內(nèi)澇形成影響顯著的區(qū)域；一類為建筑小區(qū)等地塊區(qū)域，區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)數(shù)據(jù)難以獲取。在道路區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分建立地表模型，在地塊區(qū)域劃分子匯水區(qū)建立概化模型；同時(shí)，構(gòu)建包括雨水口的管網(wǎng)模型，建立雨水節(jié)點(diǎn)與地表網(wǎng)格和子匯水區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該耦合模式的徑流路徑為：① 同時(shí)在二維地表模型和概化子匯水區(qū)上進(jìn)行降水和產(chǎn)匯流計(jì)算；② 將二維地表模型和概化子匯水中產(chǎn)生的水量輸入各自連接的雨水口中；③ 管網(wǎng)模型進(jìn)行匯流演進(jìn)計(jì)算。分區(qū)模型的耦合模式和徑流過(guò)程如圖1所示。此耦合模式結(jié)合了半分布耦合模式和全分布耦合模式的優(yōu)點(diǎn)，既克服了地塊中管網(wǎng)數(shù)據(jù)難以獲取的困難，又減少地表模型的計(jì)算量，且整體徑流路徑與實(shí)際物理過(guò)程一致。

分區(qū)自適應(yīng)耦合方法不僅適用于概化地塊和精細(xì)路網(wǎng)，也可根據(jù)城市流域不同的數(shù)據(jù)條件、關(guān)注程度和洪澇范圍自適應(yīng)確定概化模擬區(qū)域和精細(xì)模擬區(qū)域。隨著計(jì)算能力的提升和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)整個(gè)城市流域都具有精細(xì)地形和管網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，可將整個(gè)區(qū)域都離散為二維精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。城市一些區(qū)域資料不足，或?yàn)榱颂嵘?jì)算效率，則可考慮對(duì)某些區(qū)域進(jìn)行概化模擬。分區(qū)自適應(yīng)耦合模式有效解決了數(shù)據(jù)條件和計(jì)算能力的矛盾，可為城市洪澇模擬提供一種新的耦合思路。

分區(qū)耦合模式未考慮概化地塊與精細(xì)路網(wǎng)通過(guò)地表通道的交互過(guò)程，如何確定地塊與鄰近道路的交互量是問(wèn)題的關(guān)鍵，后續(xù)擬結(jié)合物理試驗(yàn)進(jìn)行深入研究；該耦合模式僅考慮由降水引起的內(nèi)澇積水過(guò)程，對(duì)于外江或山洪引起的城市大范圍淹沒(méi)過(guò)程適用性不足，此情形需將整體區(qū)域均劃分為精細(xì)網(wǎng)格；對(duì)于地塊占比較大、道路占比較少的城市老城區(qū)，單純基于地塊和路網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)可能不再適用，需根據(jù)實(shí)際徑流過(guò)程和既有數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分區(qū)。

2 研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

陜西省西咸新區(qū)灃西新城位于西安市以西、咸陽(yáng)市建成區(qū)以南、渭河以東、灃河以西。根據(jù)秦都區(qū)國(guó)家基本氣象站近30 a(1981—2010年)的逐月降水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，新城多年平均降水量約520 mm，其中，5—10月降水量較多，7—9月份降水量最大，且夏季降水多以暴雨形式出現(xiàn)，為半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害[18]。本次選取研究區(qū)域?yàn)闉栁餍鲁呛诵氖痉秴^(qū)，隸屬3號(hào)排水分區(qū)內(nèi)，區(qū)域范圍及位置如圖2所示，該區(qū)域占地面積為3 km2，是集中各種優(yōu)勢(shì)資源重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)道路低洼地段較多，遭遇強(qiáng)降雨時(shí)極易產(chǎn)生大面積道路積水。

圖2 研究區(qū)域位置示意Fig.2 Location of study area

2.2 基礎(chǔ)資料

城市雨洪模型建模所需的基本數(shù)據(jù)主要包括地形、排水管網(wǎng)分布、土地利用、降雨與下滲等。

(1) 地形與影像數(shù)據(jù)。采用激光雷達(dá)與高清相機(jī)采集了研究區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)和影像數(shù)據(jù)，并將DEM處理成分辨率為2 m×2 m結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)如圖3所示。

(2) 土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)域正射影像圖將下墊面劃分為綠廊區(qū)域、道路、硬化地面、建筑物、草地、林地和裸地7種土地利用類型，具體劃分情況如圖3(c)所示。每種土地利用的曼寧糙率參照城市排澇相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)確定[25]，假定草地、林地、裸地為完全透水，道路、硬化地面、建筑物為完全不透水，并據(jù)此確定子匯水區(qū)中的不透水情況，具體參數(shù)如表1所示。

(3) 排水管網(wǎng)。管網(wǎng)模型建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括雨水口位置、井底高程，以及管道走向、管徑與形狀等。本文主干管道數(shù)據(jù)由灃西新城管委會(huì)提供，雨水口具體位置經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取，研究區(qū)域管網(wǎng)具體分布如圖3(b)所示，區(qū)域內(nèi)共有雨水節(jié)點(diǎn)576個(gè)，雨水管道577條。

圖3 研究區(qū)域基礎(chǔ)信息Fig.3 Basic information of study area

設(shè)計(jì)降雨：根據(jù)咸陽(yáng)氣象站30 a以上實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)推求灃西新城設(shè)計(jì)暴雨，暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式[18]如下所示：

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。計(jì)算得到重現(xiàn)期為2、5、30、50和100 a的歷時(shí)120 min的設(shè)計(jì)降雨，各重現(xiàn)期暴雨過(guò)程如圖4所示。

圖4 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨Fig.4 Hyetography of the design storms with different return periods

表1 下墊面屬性及參數(shù)取值

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)域地形、土地利用、道路和排水管網(wǎng)分布，構(gòu)建半分布模型、全分布模型和分區(qū)模型。因該研究區(qū)域道路存在低洼點(diǎn)，地塊內(nèi)無(wú)內(nèi)澇積水情況發(fā)生，故分區(qū)模型僅對(duì)道路區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其他區(qū)域采用概化子匯水區(qū)形式進(jìn)行計(jì)算。在3種耦合模型中均將綠廊區(qū)域概化為調(diào)蓄措施，并將排入綠廊的排口接入到蓄水設(shè)施中。因該研究區(qū)域尚在建設(shè)中，區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)了諸多低影響開發(fā)措施，本文將區(qū)域視為常規(guī)區(qū)域，暫不考慮低影響開發(fā)的布設(shè)情況。

3種耦合模型中管網(wǎng)概化情況一致，均為576個(gè)雨水口、1個(gè)排水口、1個(gè)蓄水設(shè)施和577段管道，概化子匯水區(qū)和地表網(wǎng)格劃分情況有所區(qū)別。因研究區(qū)域雨水口分布較多，故采用泰森多邊形法對(duì)匯水區(qū)進(jìn)行劃分[26]。半分布模型中將整個(gè)區(qū)域劃分為1 031個(gè)概化子匯水區(qū)，地表網(wǎng)格數(shù)為532 415個(gè)；全分布模型中無(wú)概化子匯水區(qū)，地表網(wǎng)格劃分情況與半分布模型一致；分區(qū)模型將地塊劃分為455個(gè)子匯水區(qū)，206 705個(gè)地表網(wǎng)格。3種耦合模型的建模情況如圖5所示。

圖5 模型概化Fig.5 Sketch of model generalization

3.2 模擬驗(yàn)證

選用2016年8月25日?qǐng)龃谓邓畠?nèi)澇過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，氣象站位于西咸新區(qū)西部云谷小區(qū)10號(hào)樓，距離研究區(qū)域上邊界約1 km。該場(chǎng)次降水歷時(shí)為7 h，累計(jì)降水量達(dá)66 mm，為雙峰雨型，降水強(qiáng)度峰值出現(xiàn)于3.1 h(圖6)，經(jīng)降水重現(xiàn)期關(guān)系曲線推算該場(chǎng)次降水重現(xiàn)期為50年一遇。

圖6 實(shí)測(cè)降水過(guò)程Fig.6 Measured rainfall process

由于當(dāng)時(shí)研究區(qū)域處于開發(fā)狀態(tài)，地塊和區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)尚未全部完成，故采用全分布模型對(duì)該場(chǎng)次雨洪過(guò)程進(jìn)行模擬驗(yàn)證。圖7中標(biāo)記出內(nèi)澇影響較為嚴(yán)重且有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的4處積水點(diǎn)(t=5 h)，通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并在圖紙上繪制積水范圍后確定實(shí)測(cè)積水面積。由圖7及表2可以看出模擬積水的位置與內(nèi)澇發(fā)生位置吻合，各點(diǎn)積水程度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相近，其中內(nèi)澇積水面積平均相對(duì)誤差均小于3%。對(duì)比結(jié)果表明模擬的城市內(nèi)澇積水程度與實(shí)際監(jiān)測(cè)積水范圍相符，模擬效果較好。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，本次內(nèi)澇積水主要原因?yàn)橄掠喂芫W(wǎng)施工尚未打通，降水發(fā)生時(shí)道路及周邊雨水匯集到低洼處難以通過(guò)管網(wǎng)排出，模型驗(yàn)證過(guò)程綜合考慮了該實(shí)際情況。后續(xù)在不同設(shè)計(jì)降雨中計(jì)算時(shí)，將管網(wǎng)模型設(shè)置為自由出流情況，并以全分布模型結(jié)果為準(zhǔn)對(duì)不同耦合方式模擬效果進(jìn)行對(duì)比。

圖7 模擬積水情況與實(shí)測(cè)積水對(duì)比Fig.7 Comparison of the simulated and measured inundation

表2 模擬積水面積與實(shí)測(cè)情況對(duì)比

3.3 內(nèi)澇積水過(guò)程

3種耦合模型在不同設(shè)計(jì)暴雨下的內(nèi)澇積水面積過(guò)程如圖8所示。在小于5年一遇降水時(shí)，管網(wǎng)足以應(yīng)對(duì)區(qū)域的暴雨，半分布模型地表積水基本為0；因道路存在低洼區(qū)域和雨水口覆蓋不到的區(qū)域，降水時(shí)會(huì)存在洼地積水，全分布模型和分區(qū)模型均可刻畫這一現(xiàn)象，并且兩者模擬結(jié)果基本一致。當(dāng)降水超過(guò)30年一遇時(shí)，因排水能力不足和地形低洼引起的內(nèi)澇積水情況增多，可以看出，分區(qū)模型模擬結(jié)果內(nèi)澇積水最多，其次是全分布模型，半分布模型模擬出的內(nèi)澇積水最少。此外，相較于全分布模型，半分布模型峰值存在明顯延遲。

圖9展示了P=30 a和P=100 a設(shè)計(jì)暴雨下研究區(qū)域內(nèi)澇淹沒(méi)和流速分布情況?？梢钥闯觯謪^(qū)模型模擬結(jié)果中既存在因地勢(shì)低洼引起的內(nèi)澇積水，也存在因管網(wǎng)排水能力不足導(dǎo)致溢流引起的內(nèi)澇積水，故分區(qū)模型內(nèi)澇積水峰值最大。半分布模型中的積水均由于管道溢流產(chǎn)生，雨水降落到子匯水區(qū)再經(jīng)過(guò)管道匯流后通過(guò)雨水節(jié)點(diǎn)溢流到地表，故存在徑流延遲現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比不同模型內(nèi)澇積水可以看出，采用全分布模型和半分布模型模擬出的內(nèi)澇積水點(diǎn)并不一致。全分布模型模擬出了道路低洼區(qū)域的積水情況，未產(chǎn)生倒灌，主要原因在于地形采集時(shí)，區(qū)域內(nèi)處于建設(shè)中，在地塊內(nèi)存在諸多基坑，在地塊內(nèi)的降水大多匯入的基坑中，造成地塊內(nèi)產(chǎn)生了大量積水的不正?，F(xiàn)象，未產(chǎn)生道路徑流。而半分布模型將管道作為主要的徑流通道，認(rèn)為匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流全部匯入管網(wǎng)，加重了下游管網(wǎng)的排水負(fù)擔(dān)，致使在管網(wǎng)低點(diǎn)處產(chǎn)生溢流。分區(qū)模型既考慮了地塊向管網(wǎng)匯流的作用，也考慮了地形低洼的作用，將以上2種因素產(chǎn)生的內(nèi)澇積水情況都表現(xiàn)了出來(lái)。分區(qū)模型既可以模擬出道路降水徑流填洼的實(shí)際物理過(guò)程，又可以表現(xiàn)管道排水能力不足產(chǎn)生溢流淹沒(méi)的過(guò)程，符合實(shí)際物理徑流規(guī)律，從理論上更為合理。

圖8 不同重現(xiàn)期暴雨下3種耦合模型道路積水面積過(guò)程Fig.8 Inundation area process of road in three coupled models under the stormwater with different return periods

圖9 研究區(qū)域水深淹沒(méi)和流速分布圖(t=1.5 h)Fig.9 Water depth inundation and velocity distribution in the study area (t=1.5 h)

3.4 管網(wǎng)排水過(guò)程

3種模型在不同設(shè)計(jì)降雨下的管網(wǎng)排水過(guò)程如圖10所示，結(jié)果表明，在不同降雨下，半分布模型排口流量峰值最大，且峰現(xiàn)時(shí)間最靠前；全分布模型排口流量峰值最小，且峰現(xiàn)時(shí)間最靠后；分區(qū)模型排口流量峰值和峰現(xiàn)時(shí)間均在半分布模型和全分布模型之間?？梢钥闯觯謪^(qū)耦合模式考慮了地塊內(nèi)部排水的作用，徑流峰值要高于全分布模型；半分布模型認(rèn)為無(wú)論地塊和道路上的徑流全部匯入管網(wǎng)中，產(chǎn)生的峰值最大，并且模擬結(jié)果受參數(shù)取值影響較大。

3.5 模擬效率

文中不同設(shè)計(jì)降雨計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為6 h，均在單機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算機(jī)配置為Intel(R) Core(TM) i7-8700 CPU @ 3.20GHz型號(hào)的CPU和NVIDIA GeForce RTX 2080型號(hào)的GPU。不同設(shè)計(jì)降雨下計(jì)算耗時(shí)如圖11所示，3種耦合模型模擬耗時(shí)均隨降雨重現(xiàn)期的增加而增加；相較于全分布模型，半分布模型在不同設(shè)計(jì)降雨下可減少76.4%～88.6%的計(jì)算時(shí)間，分區(qū)模型可減少28.2%～73.5%的計(jì)算時(shí)間，且均隨著降雨重現(xiàn)期的增加而減小。且在P>30 a設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，分區(qū)模型產(chǎn)生的地表積水較多，進(jìn)一步增加了計(jì)算耗時(shí)，故在大重現(xiàn)期下計(jì)算效率增速有所降低?？梢?，分區(qū)模型在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高了計(jì)算效率，可為城市雨洪過(guò)程模擬提供新的耦合計(jì)算方法。

圖11 不同設(shè)計(jì)降雨的計(jì)算耗時(shí)Fig.11 Calculation time of flood simulations at different return periods

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了耦合GAST模型和SWMM模型的水文水動(dòng)力數(shù)值模型，提出了基于地塊概化和路網(wǎng)精細(xì)模擬理念的分區(qū)自適應(yīng)模型。以西咸新區(qū)灃西新城核心示范區(qū)為研究對(duì)象，構(gòu)建了研究區(qū)域全分布模型、半分布模型和分區(qū)模型，模擬了區(qū)域不同設(shè)計(jì)暴雨下的降水徑流過(guò)程。主要結(jié)論如下：

(1) 提出了基于地塊概化和路網(wǎng)精細(xì)模擬理念的城市雨洪過(guò)程分區(qū)自適應(yīng)模型，根據(jù)城市不同區(qū)域的數(shù)據(jù)條件和產(chǎn)匯流特性自適應(yīng)選擇相應(yīng)計(jì)算方法，在缺乏精細(xì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的地塊采用概化計(jì)算方法，在道路區(qū)域采用全水動(dòng)力計(jì)算方法。

(2) 在灃西新城核心示范區(qū)實(shí)際案例中，降雨重現(xiàn)期小于5 a時(shí)，分區(qū)模型和全分布模型的道路積水過(guò)程基本一致，半分布模型并未產(chǎn)生明顯的道路積水；在降雨重現(xiàn)期超過(guò)30 a時(shí)，在地表產(chǎn)匯流和管網(wǎng)溢流共同作用下，分區(qū)模型計(jì)算出的道路積水面積大于另外2種耦合模型；在不同設(shè)計(jì)降雨下，分區(qū)模型管網(wǎng)排水過(guò)程的徑流峰值大于全分布模型，小于半分布模型，峰現(xiàn)時(shí)間則相反。

(3) 相較于全分布模型，在不同設(shè)計(jì)降雨下分區(qū)模型可減少28.2%～73.5%的計(jì)算時(shí)間，在保證計(jì)算精度的同時(shí)顯著提高了計(jì)算效率。