道路DEM構(gòu)建方法對(duì)城市內(nèi)澇模擬及防治對(duì)策的影響研究

賴(lài)善證

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

水力模型已經(jīng)成為城市內(nèi)澇防治工作不可或缺的重要支撐工具，隨著模型的廣泛應(yīng)用，模型構(gòu)建方式、模型輸入及參數(shù)取值等因素對(duì)模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性，正逐步得到業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[1-3]。

模型構(gòu)建包含管網(wǎng)及地面高程概化等內(nèi)容，其構(gòu)建方式在很大程度上決定了積水模擬的結(jié)果，進(jìn)而影響城市內(nèi)澇防治對(duì)策的制定。目前，已有一些學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于模型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及匯水分區(qū)等方面的概化方式對(duì)模擬結(jié)果的影響研究。呂恒[4]等研究了排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化對(duì)積水模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化會(huì)減少雨水徑流的峰值及水量；宋瑞寧[5]等研究了管網(wǎng)模型匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)選取對(duì)城市雨洪模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明以雨水口為節(jié)點(diǎn)的匯水區(qū)劃分方式得到的產(chǎn)流時(shí)間遲于以檢查井為節(jié)點(diǎn)的劃分方式；馬盼盼[6]等以MIKE URBAN為例，研究了管網(wǎng)簡(jiǎn)化程度及匯水分區(qū)劃分方式對(duì)模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明對(duì)管線進(jìn)行簡(jiǎn)化合并可提高模擬精度。

基于道路高程所構(gòu)建的道路數(shù)字高程模型(DEM)是地面高程概化的重要內(nèi)容，也是水力模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在很大程度上影響了積水位置、積水深度和積水范圍等方面的模擬結(jié)果。城市新建區(qū)域道路DEM構(gòu)建的高程資料通常源自豎向?qū)ｍ?xiàng)規(guī)劃或控制性詳細(xì)規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃成果提供的道路中心線控制點(diǎn)高程、縱坡及橫坡等相關(guān)參數(shù)。根據(jù)縱坡及橫坡等相關(guān)參數(shù)對(duì)規(guī)劃成果中道路中心線控制點(diǎn)高程進(jìn)行延伸計(jì)算，理論上可概化得到能代表整條道路的豎向分布，以此構(gòu)建得到的道路DEM是保障積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策科學(xué)、準(zhǔn)確的關(guān)鍵。但目前，針對(duì)道路豎向概化和道路DEM構(gòu)建方法的研究還較少，根據(jù)不同橫坡參數(shù)構(gòu)建得到道路DEM會(huì)對(duì)城市內(nèi)澇積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策產(chǎn)生什么樣的影響不得而知。

鑒此，本文基于實(shí)際案例，開(kāi)展了不同道路DEM構(gòu)建方法對(duì)城市內(nèi)澇積水模擬結(jié)果及相關(guān)對(duì)策制定的影響研究，得出道路DEM構(gòu)建方法與內(nèi)澇積水的量化關(guān)系，為城市排水防澇規(guī)劃方案的科學(xué)制定及內(nèi)澇防治工作提供參考。

1 道路數(shù)字高程模型(DEM)構(gòu)建方法

根據(jù)研究區(qū)域相關(guān)規(guī)劃的豎向成果，考慮到橫坡對(duì)道路豎向分布及積水模擬結(jié)果的影響，提出以下兩種道路DEM構(gòu)建方法：

方法1：在道路豎向概化中，不考慮橫坡影響，即橫坡i橫取0，整條道路的高程均取道路中心線的規(guī)劃高程，以此構(gòu)建道路DEM；

方法2：在道路豎向概化中，考慮橫坡影響，即橫坡i橫取值大于0，道路紅線位置的高程由道路中心線高程及橫坡推算得到，以此構(gòu)建道路DEM，本文橫坡i橫取值2%。

2 研究區(qū)域與模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

本文選取的研究區(qū)域，匯水區(qū)獨(dú)立，面積約為1.2km2，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅考s為1600mm，研究區(qū)域大部分規(guī)劃高程介于7～10m之間，相對(duì)平坦，沿道路布局的雨水管網(wǎng)最終排向區(qū)域南面河道。研究區(qū)域基本概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域基本概況

2.2 數(shù)據(jù)概況

2.2.1降雨數(shù)據(jù)

選取當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式及短歷時(shí)(2h)設(shè)計(jì)雨型作為本研究的暴雨強(qiáng)度公式及雨型。暴雨強(qiáng)度公式如式(1)所示：

(1)

式中，q—暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；p—重現(xiàn)期，a；t—暴雨歷時(shí)，min。

本文所采用設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期涵蓋3—50年一遇，各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨量見(jiàn)表1。

表1 各重現(xiàn)期短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨量

本文所采用的當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)雨型為芝加哥雨型，其中雨峰位置取0.402。

5年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程如圖2所示。

圖2 5年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程

2.2.2地形數(shù)據(jù)

根據(jù)當(dāng)?shù)乜匾?guī)中的豎向成果，采用上述方法構(gòu)建形成研究區(qū)域道路DEM，并與地塊DEM相疊加，得到研究區(qū)域DEM如圖3所示。

圖3 不同橫坡取值下所構(gòu)建的DEM(單位：m)

通過(guò)分析研究區(qū)域DEM可知，區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平坦，高程介于6～17.8m之間，其中，大部分介于7～10m之間，區(qū)域道路多呈起伏狀。

2.2.3管網(wǎng)數(shù)據(jù)

研究區(qū)域制定了系統(tǒng)的雨水管網(wǎng)規(guī)劃方案，管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇，總長(zhǎng)14543m，管網(wǎng)措施統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)域規(guī)劃雨水管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)

2.3 模型構(gòu)建

本文選擇具有“模擬產(chǎn)匯流水文過(guò)程”“模擬管道內(nèi)非恒定非均勻流的水力學(xué)過(guò)程”“模擬地面積水漲退過(guò)程”等功能的MIKE軟件作為研究區(qū)域的水力模型軟件。

根據(jù)雨水管網(wǎng)規(guī)劃方案，最終構(gòu)建的一維管網(wǎng)模型將研究區(qū)域管網(wǎng)概化為272個(gè)檢查井、280個(gè)管段、5個(gè)排水口、272個(gè)匯水分區(qū)；并基于區(qū)域DEM構(gòu)建形成二維地表漫流模型。在此基礎(chǔ)上，耦合一維管網(wǎng)模型和二維地表漫流模型形成研究區(qū)域內(nèi)澇耦合模型。

3 道路DEM構(gòu)建方法對(duì)內(nèi)澇模擬及防治對(duì)策的影響分析

根據(jù)建立的研究區(qū)域耦合模型，模擬得到不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域的積水情況，結(jié)果表明，積水主要發(fā)生于凹段道路，10年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨工況下的積水模擬結(jié)果如圖4所示。道路橫坡i橫取0時(shí)，從道路中心線處到道路兩側(cè)，由于高程取值一致，對(duì)于發(fā)生積水的同一道路橫斷面，其積水深度亦相同；道路橫坡i橫取2%時(shí)，道路兩側(cè)的高程低于道路中心線處的高程，對(duì)于發(fā)生積水的同一道路橫斷面，道路兩側(cè)的積水深度大于道路中心線處。

圖4 10年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨工況下研究區(qū)域積水模擬結(jié)果

根據(jù)不同道路橫坡取值下研究區(qū)域的積水模擬結(jié)果，從積水總量、積水深度、積水面積等相關(guān)要素量化分析不同DEM構(gòu)建方法對(duì)內(nèi)澇積水模擬結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不同方法對(duì)區(qū)域內(nèi)澇防治對(duì)策的影響。

3.1 對(duì)內(nèi)澇積水模擬結(jié)果的影響分析

3.1.1內(nèi)澇積水總量分析

將研究區(qū)域模擬得到的各積水區(qū)域的積水量進(jìn)行疊加得到區(qū)域積水總量V，不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨條件下積水總量峰值對(duì)比如圖5所示，見(jiàn)表3。

表3 積水總量峰值比較

圖5 積水總量峰值比較

在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時(shí)的DEM構(gòu)建方法得到積水總量峰值結(jié)果更大，如對(duì)于10年一遇設(shè)計(jì)暴雨，橫坡i橫=2%的積水總量峰值較橫坡i橫=0增大1076m3。

原因在于：兩種DEM構(gòu)建方法在道路中心線處高程取值相同，相應(yīng)位于道路中心線處的管線排水能力也一致；但橫坡i橫=2%時(shí)，道路兩側(cè)的高程取值小于橫坡i橫=0時(shí)的高程取值，相應(yīng)位于道路兩側(cè)的檢查井的路面高程更小，檢查井更易發(fā)生冒溢現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)管線的排水能力更小。因此，橫坡i橫=2%時(shí)的積水總量峰值更大。

3.1.2內(nèi)澇積水深度分析

根據(jù)模型積水模擬結(jié)果，兩種道路DEM構(gòu)建方法對(duì)最大積水深度(h)模擬結(jié)果的影響見(jiàn)表4。

表4 最大積水深度對(duì)比

最大積水深度模擬結(jié)果表明，在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時(shí)模擬得到的最大積水深度大于i橫=0時(shí)的最大積水深度，增大幅度約0.16～0.19m。

原因在于：不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時(shí)的DEM構(gòu)建方法得到積水總量峰值結(jié)果更大。且當(dāng)橫坡i橫=2%時(shí)，道路兩側(cè)的高程取值小于橫坡i橫=0時(shí)的高程取值，因此，當(dāng)橫坡i橫=2%時(shí)，道路兩側(cè)的最大積水深度大于橫坡i橫=0時(shí)道路兩側(cè)的最大積水深度。

3.1.3內(nèi)澇積水面積分析

根據(jù)模型模擬評(píng)估結(jié)果，兩種道路DEM構(gòu)建方法在各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的積水總面積(S)的對(duì)比如圖6所示，見(jiàn)表5。

表5 不同道路DEM構(gòu)建方法下的積水總面積對(duì)比

圖6 不同道路DEM構(gòu)建方法下的積水總面積

針對(duì)各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況，道路橫坡i橫=2%時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨積水總面積更小。如在30年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%、i橫=0時(shí)的積水總面積分別為12.26、15.30ha，前者比后者減小3.04ha。

為便于分析道路DEM構(gòu)建方法對(duì)不同積水深度下積水面積模擬結(jié)果的影響，將城市內(nèi)澇積水按照積水深度劃分為Ⅰ級(jí)(無(wú)內(nèi)澇)、Ⅱ級(jí)(輕度內(nèi)澇)、Ⅲ級(jí)(中度內(nèi)澇)和Ⅳ級(jí)(重度內(nèi)澇)。內(nèi)澇積水等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表6。

兩種DEM構(gòu)建方法下的內(nèi)澇積水模擬結(jié)果中，不同內(nèi)澇積水級(jí)別的積水面積統(tǒng)計(jì)及對(duì)比如圖7所示，見(jiàn)表7。

表7 不同道路DEM構(gòu)建方法下的內(nèi)澇積水面積統(tǒng)計(jì)

圖7 不同積水級(jí)別內(nèi)澇面積

由表7及圖7可見(jiàn)，不同重現(xiàn)期的內(nèi)澇面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有同樣的規(guī)律，即：橫坡i橫=2%時(shí)得到的內(nèi)澇積水模擬結(jié)果中，Ⅰ-Ⅲ級(jí)內(nèi)澇積水面積小于i橫=0時(shí)的模擬結(jié)果；Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積及Ⅲ+Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積總和大于i橫=0時(shí)的模擬結(jié)果。

3.1.4排口流量分析

研究區(qū)域徑流最終均是通過(guò)雨水排放口排放至南面河道，分析排口的水流情況對(duì)掌握研究區(qū)域水流運(yùn)移情況及雨水泵站設(shè)施規(guī)模的確定具有重要意義。表8為兩種道路DEM構(gòu)建方法下，研究區(qū)域排放口的峰值流量Q的對(duì)比情況。

表8 排放口峰值流量對(duì)比

由表8可知，各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下，不同道路DEM構(gòu)建方法下的排口流量峰值模擬結(jié)果具有以下規(guī)律：橫坡i橫=2%時(shí)的排口流量峰值小于i橫=0。原因如前文所述，即橫坡i橫=2%時(shí)，相應(yīng)管線的排水能力更大，因此，排口流量峰值更大。

3.2 對(duì)區(qū)域內(nèi)澇防治對(duì)策的影響

積水模擬結(jié)果是區(qū)域布局雨水排放設(shè)施、明確內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的重要依據(jù)，在很大程度上決定了雨水管網(wǎng)、雨水調(diào)蓄設(shè)施、雨水泵站等設(shè)施的規(guī)模，并影響了城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的開(kāi)展。

3.2.1對(duì)雨水排放設(shè)施布局的影響

(1)對(duì)雨水管網(wǎng)布局的影響

在3年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下，兩種道路DEM構(gòu)建方法下模擬得到的研究區(qū)域道路(旗山大道)東側(cè)管網(wǎng)均有部分管段不滿足排水能力(對(duì)應(yīng)檢查井發(fā)生冒溢)，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種DEM構(gòu)建方法下旗山大道管道排水能力評(píng)估結(jié)果圖

通過(guò)調(diào)整高新大道東側(cè)的管網(wǎng)管徑，使得兩種DEM構(gòu)建方法下的該道路管道的排水能力評(píng)估結(jié)果均達(dá)標(biāo)，調(diào)整結(jié)果如圖9所示。

圖9 旗山大道管道優(yōu)化布局圖

調(diào)整結(jié)果表明，橫坡取2%和0情況下，旗山大道西側(cè)管網(wǎng)下游管徑分別需調(diào)整為1400mm和1200mm，方能使管網(wǎng)排水能力達(dá)標(biāo)。進(jìn)一步表明考慮道路橫坡影響時(shí)，管網(wǎng)的排水能力更小，所確定的管網(wǎng)管徑更大，偏安全。

(2)對(duì)雨水調(diào)蓄設(shè)施布局的影響

在3年一遇降雨工況下，兩種DEM構(gòu)建方法下的積水模擬結(jié)果中，旗山大道均存在不同程度的積水，如圖10所示。經(jīng)研究表明，若要通過(guò)布局雨水調(diào)蓄池，以臨時(shí)調(diào)蓄雨水，使得旗山大道雨水管網(wǎng)滿足排水能力要求，在橫坡取2%和0情況下，所需的雨水調(diào)蓄池規(guī)模分別為689m3和415m3。

圖10 3年一遇工況下旗山大道積水模擬結(jié)果

因此，考慮道路橫坡影響的DEM構(gòu)建方法所確定的雨水調(diào)蓄池規(guī)模更大，偏安全。

(3)對(duì)雨水泵站建設(shè)規(guī)模的影響

根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，雨水泵站的設(shè)計(jì)流量，應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的設(shè)計(jì)流量計(jì)算確定，雨水管網(wǎng)末端管段通常作為泵站的進(jìn)水總管，其流量大小與排口流量一致。

研究區(qū)域河道排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，區(qū)域雨水排放口均在澇水位以下，管網(wǎng)排水受河道頂托影響嚴(yán)重。若通過(guò)采用布設(shè)雨水泵站方式使區(qū)域達(dá)到其內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇)，在橫坡取2%和0情況下，雨水泵站總體規(guī)模分別應(yīng)不小于27.43m3/s和27.98m3/s，兩者基本相當(dāng)。

因此，不同道路橫坡取值所得到的雨水泵站規(guī)模模擬結(jié)果基本一致。

3.2.2對(duì)城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作的影響

(1)對(duì)城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警工作的影響

Ⅲ級(jí)(中度內(nèi)澇)及以上的內(nèi)澇積水區(qū)域?qū)Τ鞘薪煌ㄟ\(yùn)轉(zhuǎn)及市民生活影響較嚴(yán)重，同時(shí)，道路積水預(yù)報(bào)情況已經(jīng)成為部分城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警的響應(yīng)依據(jù)之一，且積水越深對(duì)應(yīng)的預(yù)警級(jí)別越高。

根據(jù)對(duì)內(nèi)澇積水深度和積水面積的分析可知，采用橫坡為2%時(shí)的道路DEM構(gòu)建方法所得到積水模擬結(jié)果的最大積水深度、影響嚴(yán)重的Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積及Ⅲ級(jí)+Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水面積之和均較橫坡為0時(shí)更大。因此，采用考慮橫坡影響的道路DEM構(gòu)建方法支撐城市暴雨內(nèi)澇的預(yù)警能得到偏安全的結(jié)果。

(2)對(duì)城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作重心的影響

城市內(nèi)澇積水的預(yù)報(bào)是城市內(nèi)澇應(yīng)急管理工作開(kāi)展的重要依據(jù)之一，如對(duì)于可能因積水過(guò)深導(dǎo)致交通受阻的路段需預(yù)先制定明確的加強(qiáng)雨水滯蓄及排放的處置措施，或制定交通引導(dǎo)方案，以盡量減小城市暴雨內(nèi)澇對(duì)城市運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

本文將所有車(chē)道積水深度均超過(guò)15cm的路段界定為交通受阻路段，統(tǒng)計(jì)了兩種道路DEM構(gòu)建方法下，區(qū)域交通受阻的路段數(shù)量N見(jiàn)表9。

表9 道路受阻路段統(tǒng)計(jì)分析

由上表可見(jiàn)，橫坡為2%時(shí)分析得到的受阻路段數(shù)少于橫坡為0的結(jié)果。因此，忽略道路橫坡影響所制定的內(nèi)澇應(yīng)急管理工作方案偏安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的研究在一定程度上填補(bǔ)了道路DEM構(gòu)建方法研究方面的空白，推動(dòng)了城市水力模型的應(yīng)用研究，并為排水防澇方案制定和暴雨內(nèi)澇預(yù)警等工作提供了技術(shù)支撐。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建道路DEM模型開(kāi)展城市內(nèi)澇積水模擬分析工作，應(yīng)將相關(guān)規(guī)劃成果確定的道路橫坡參數(shù)真實(shí)反饋在到構(gòu)建的DEM模型中，不應(yīng)為減少模型構(gòu)建的工作量，簡(jiǎn)單將橫坡取值0，從而忽視橫坡對(duì)內(nèi)澇模擬結(jié)果的影響。

本文僅基于一個(gè)實(shí)際案例研究道路DEM構(gòu)建方法對(duì)積水模擬結(jié)果及內(nèi)澇防治對(duì)策的影響，缺乏考慮研究區(qū)域的規(guī)模、地形地勢(shì)特點(diǎn)、水文氣象條件等因素的影響，需要在今后的研究中采取更多案例進(jìn)一步論證分析。