基于地表-管道-河道耦合模擬的城市內(nèi)澇風(fēng)險評估

摘要： 為評估城市排水不暢引發(fā)的內(nèi)澇風(fēng)險，提出地表-管道-河道耦合的城市內(nèi)澇風(fēng)險評估方法，建立常州市城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇試驗基地模型，選取不同設(shè)計降雨情景進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險模擬。結(jié)果表明：受管道埋深和排水能力的影響，檢查井溢流主要發(fā)生在管道下游段；隨著重現(xiàn)期的增大，滿管流管段比例平均由72.46% 上升至82.27%，溢流節(jié)點比例由1.95% 上升至4.11%；盡管大部分檢查井并未發(fā)生溢流冒水，研究區(qū)域內(nèi)仍然存在多處內(nèi)澇積水，研究區(qū)域內(nèi)澇面積比例由4.31%（重現(xiàn)期P=5 a）上升至6.19%（ P=50 a）。地表-管道-河道耦合的城市內(nèi)澇風(fēng)險評估方法能夠更全面地反映城市內(nèi)澇風(fēng)險過程，可為城市內(nèi)澇風(fēng)險評估提供新思路。

關(guān)鍵詞： 城市內(nèi)澇；耦合模擬；風(fēng)險評估；積水來源

中圖分類號： TU991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-6791（ 2024） 05-0738-14

隨著城市化進(jìn)程的加速，全球范圍內(nèi)暴露在洪澇災(zāi)害威脅下的人口數(shù)量顯著增多，且增長速度遠(yuǎn)高于之前的預(yù)測[1]。從1985 年開始，全球范圍內(nèi)人類居住地特別是東亞地區(qū)大幅向洪澇風(fēng)險區(qū)擴(kuò)張，為應(yīng)對城市內(nèi)澇提出了新的挑戰(zhàn)[2]。截至2023 年，中國城鎮(zhèn)化率為66.16%[3]，根據(jù)預(yù)測，這一比例將在2030 年達(dá)到72%，并在2050 年升至90%[4]。在全球氣候變化與快速城鎮(zhèn)化的背景下，極端暴雨內(nèi)澇發(fā)生的可能性與不確定性不斷增加，使得大量城市面臨嚴(yán)重的內(nèi)澇問題[5-6]。城鎮(zhèn)化地區(qū)不透水面積增加、下墊面空間格局復(fù)雜以及微地形多變使得城市內(nèi)澇受到地表、管道以及河道的綜合影響[7-9]。此外，城市內(nèi)澇成因與自然流域存在較大差異，排水設(shè)施的建設(shè)進(jìn)一步增加了城市內(nèi)澇風(fēng)險評估的復(fù)雜程度[10-11]。依托地表-管道-河道耦合模型對當(dāng)前城市內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行準(zhǔn)確評估對于識別城市排水設(shè)施的不足和瓶頸具有重要意義[12]。

城市內(nèi)澇風(fēng)險模擬評估方法主要有3 種[13]： 基于數(shù)字高程模型（ Digital Elevation Model， DEM） 的簡化方法、水動力方法以及水文-水動力耦合方法。在基于DEM 的簡化方法中，國內(nèi)外研究者主要致力于利用DEM和積水分布計算方法來評估城市內(nèi)澇風(fēng)險。Chen 等[14] 開發(fā)的GUFIM 模型直接將產(chǎn)流量作為內(nèi)澇積水來源來模擬其分布情況而未能模擬管道匯流過程；與MIKE Flood 相比，Thrys?e 等[15] 提出的FloodStroem 模型會低估研究區(qū)上游的風(fēng)險，高估下游的內(nèi)澇風(fēng)險；Hu 等[16] 通過考慮不同下墊面類型及其產(chǎn)流機(jī)制提出了TVGM_Urban 模型， 其徑流總量和峰值流量的模擬準(zhǔn)確性均優(yōu)于霍頓下滲模型和SCSCN 模型。總體而言， 基于DEM 的簡化方法對管道匯流模擬考慮較少，難以精確模擬城市內(nèi)澇的全過程。在水動力方法方面，主要包括基于二維淺水方程組的地表漫流模型，諸如LISFLOOD-FP、ANUGA、CityCAT、FullSWOF_2D 以及HiPMS等[17-22]。其中，CityCAT 模型充分考慮了地表建筑物、道路及綠地等對地表漫流過程的阻擋作用，能夠較為真實地模擬地表漫流路徑。張紅萍等[23] 應(yīng)用多尺度分層嵌套模擬技術(shù)，在保證城市暴雨內(nèi)澇模擬精度的同時提升了模型的計算效率。水動力方法的計算成本較高，這類模型往往通過采用等效降雨或下滲扣損來概化管道的排水能力，簡化了管道的排水過程，也很少與河道進(jìn)行耦合。

自20 世紀(jì)60 年代以來，國內(nèi)外學(xué)者便開始探索水文-水動力耦合的城市內(nèi)澇模擬方法[24]。常見的水文-水動力耦合模型主要包括美國環(huán)保部開發(fā)的城市雨水管理模型（ Stormwater Management Model，SWMM）及其二次開發(fā)模型[25]。傳統(tǒng)的SWMM 主要適用于城市管道排水能力的評估，由于其未能耦合地表積水和河道模塊而難以滿足城市內(nèi)澇風(fēng)險評估的需求。因此，諸多學(xué)者在SWMM 模型的基礎(chǔ)上耦合地表積水和河道模塊來評估城市內(nèi)澇風(fēng)險， 并開發(fā)了一系列模型。在國際上主要包括廣泛使用的PCSWMM、XPSWMM 以及MIKE Urban[26] 等；國內(nèi)自主開發(fā)的模型主要有DigitalWater、IFMS Urban 以及IHUM 等[27-29]。黃國如等[29] 提出通過水平和垂直方向的“聯(lián)系”構(gòu)建水文-水動力耦合模型；金溪等[30] 通過劃分超載節(jié)點和未超載節(jié)點降低了一維-二維耦合模型垂向流量交換的計算復(fù)雜度；Jamali 等[31] 通過集成SWMM 和ISIS FAST 構(gòu)建了計算效率遠(yuǎn)高于MIKE FLOOD 的RUFIDAM 模型；Zhang 等[32] 通過聯(lián)系耦合地表和管道解決了部分地區(qū)管道數(shù)據(jù)缺失的問題。然而，SWMM 及其二次開發(fā)模型僅將檢查井溢流作為內(nèi)澇積水的來源，這與當(dāng)前的內(nèi)澇過程并不相符[10，33]。王小杰等[34] 比較了3 種地表-管網(wǎng)水流交換模式對城市內(nèi)澇模擬的影響，發(fā)現(xiàn)雨箅子-檢查井法更符合實際內(nèi)澇過程。實際上，當(dāng)前城市排水過程中，下墊面產(chǎn)流后通過雨篦子-檢查井進(jìn)入管道，再通過管道匯入河道，在這個過程中任何環(huán)節(jié)排水不暢都會導(dǎo)致城市內(nèi)澇。隨著城市中管道、泵站及水閘等工程的建設(shè)，傳統(tǒng)模型中反映的由檢查井溢流引起內(nèi)澇的情況越來越少，而由雨篦子收水能力不足、管道排水能力不夠以及河道頂托漫溢等引起內(nèi)澇的情景逐漸增多。這些情景在傳統(tǒng)模型中均難以全面模擬，因而導(dǎo)致模擬的內(nèi)澇風(fēng)險低于實際情況[35]。因此，基于地表-管道-河道耦合模擬準(zhǔn)確評估城市內(nèi)澇風(fēng)險對于內(nèi)澇災(zāi)害的應(yīng)對有重要意義。

本文提出地表-管道-河道耦合的城市內(nèi)澇風(fēng)險模擬方法，建立試驗基地評估模型并應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行率定和驗證；設(shè)計不同重現(xiàn)期和峰現(xiàn)時間的降雨情景，從管道最大充滿度、節(jié)點溢流、最大淹沒水深和淹沒歷時的角度評估研究區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險，以期為城市內(nèi)澇風(fēng)險評估提供新思路。

1 研究區(qū)域

常州市城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇試驗基地位于江蘇省常州市新北區(qū)（31?48′04″N，119?57′06″E），該研究區(qū)域是太湖流域武澄錫虞區(qū)較為典型的城鎮(zhèn)化區(qū)域。研究區(qū)域地勢較為平坦，西北略高、東南略低，地面高程范圍為 ? 1.13～ 12.35 m（ 1985 國家高程標(biāo)準(zhǔn)） ， 研究區(qū)域概況如圖1 所示。試驗基地研究區(qū)域總面積為1.62 km2，其中雙橋浜河由北向南貫穿試驗基地，河道總長為1.91 km，西支為0.27 km，河道寬約20.0 m，水面面積約0.03 km2。雙橋浜河道末端出口匯入北塘河處建有泵站，泵站設(shè)計流量為4.0 m3/s。

常州市城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇試驗基地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地面高程數(shù)據(jù)、下墊面數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)等。試驗基地土地利用類型豐富，對其進(jìn)行詳細(xì)分類后概化為河道、道路、屋面、綠地、裸地5 類。如圖1 所示，現(xiàn)有2 個HOBO 雨量計用于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)以確保降雨數(shù)據(jù)完整；在管網(wǎng)入河口處設(shè)置了管道水位和流量監(jiān)測設(shè)備（圖1，管道監(jiān)測點1、2、3 依次為紅蓮橋、飛龍路和盛世名門），用于監(jiān)測2 處管道入河口和1 處管道檢查井內(nèi)的水位、流量數(shù)據(jù)；此外，還設(shè)有1 套ADCP 河道自動測流裝置，用于監(jiān)測雙橋浜泵站啟閉影響下的河道水位數(shù)據(jù)并為模型提供下邊界條件。研究區(qū)域地面高程分辨率為0.5 m，從地面高程模型、管網(wǎng)分布以及街道劃分情況可以看出，該研究區(qū)域相對獨立且?guī)缀醪皇芸退挠绊?，可以進(jìn)行城市內(nèi)澇風(fēng)險評估。

2 研究方法

2.1 地表-管道-河道耦合模擬

在二維水動力城市內(nèi)澇模型中，往往通過增大計算網(wǎng)格的尺寸來提高計算效率，然而增大計算網(wǎng)格尺寸將會加大模型概化地形與實際地形資料的差異，進(jìn)而導(dǎo)致模型模擬結(jié)果與真實情況不符。為了應(yīng)對這一問題，Casulli[36] 提出了子網(wǎng)格的方法，即在河道等地形變化較大的區(qū)域劃分子網(wǎng)格，并提前計算相應(yīng)區(qū)域的水力參數(shù)，在保證模型概化準(zhǔn)確性的前提下提高模型的計算效率。

與HEC-RAS 模型中子網(wǎng)格技術(shù)[37] 和DHM Urban 中分層嵌套的概念[23] 類似，本文提出了匯水單元的概念（圖2）。首先，將雨篦子作為匯水單元的出水口，結(jié)合地面高程模型將研究區(qū)域劃分為不同的匯水單元；其次，在每個匯水單元內(nèi)，通過網(wǎng)格劃分的形式預(yù)先計算匯水單元內(nèi)的產(chǎn)流參數(shù)、匯流路徑、積水水位—水量曲線等水力參數(shù)；最后，在匯水單元內(nèi)通過雨篦子—檢查井法[33] 與管道進(jìn)行耦合，以孔口的形式將管道末端與河道進(jìn)行耦合，實現(xiàn)地表-管道-河道的一體化耦合模擬。其中，雨篦子-檢查井法是指地表徑流通過多個雨篦子泄流至單個檢查井后流向排水管網(wǎng)，當(dāng)水量超過管網(wǎng)排水能力時，超額水量將直接通過檢查井溢流到地表[33]。本文提出的一體化耦合模擬方法也被植入了團(tuán)隊開發(fā)的太湖流域模型，用以構(gòu)建試驗基地的內(nèi)澇風(fēng)險評估模擬，詳細(xì)模型概化方法見文獻(xiàn)[33]。

2.2 模型構(gòu)建

利用研究區(qū)域的地面高程數(shù)據(jù)建立研究區(qū)的水文模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 本次模擬網(wǎng)格分辨率設(shè)為6 m，網(wǎng)格總數(shù)為44 323，如圖3（ a）所示。結(jié)合研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)（圖3（ b） ），構(gòu)建研究區(qū)的城市產(chǎn)流模塊，結(jié)合地面高程數(shù)據(jù)（圖3（ c） ）、雨篦子分布與城區(qū)糙率參數(shù)，構(gòu)建研究區(qū)的城市匯流模塊，并根據(jù)匯流路徑對研究區(qū)域進(jìn)行匯水區(qū)劃分，如圖3（ d）所示。該研究區(qū)總共概化了308 個雨篦子、294 段管道以及3 條一維河道。通過在管道與河道的首末斷面、河道分岔點以及底高相同的管道斷面處設(shè)置節(jié)點概化，在底高不同的管道斷面連接處以及管道斷面與河道斷面交匯處設(shè)置管口孔流進(jìn)行聯(lián)系，如圖3（ c）所示。圖3（ c）圈中表示該研究區(qū)域建立的8 條管道末端斷面與河道斷面之間的管口孔流聯(lián)系。研究區(qū)域中2 個雨量站權(quán)重比例設(shè)置為0.5。模型中將降雨作為輸入條件，區(qū)域內(nèi)雙橋浜河道末端由于泵站啟閉引起的的河道水位變化數(shù)據(jù)作為模型的下邊界條件。

2.3 設(shè)計降雨情景

結(jié)合常州市城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇試驗基地的具體情況，本文采用芝加哥雨型進(jìn)行了不同重現(xiàn)期下設(shè)計降雨情景的模擬。統(tǒng)計研究區(qū)域內(nèi)所有降雨事件的雨峰系數(shù)，然后根據(jù)每場降雨的持續(xù)時間進(jìn)行加權(quán)平均，得到研究區(qū)域的雨峰系數(shù)（ r）約為0.22[10]。為了全面評估研究區(qū)域的城市內(nèi)澇風(fēng)險，本次模擬分別設(shè)計了雨峰系數(shù)為0.22、0.50 以及0.78 的3 種雨型模擬不同的降雨情景。針對每種雨型，分別模擬了5、10、30、50 a4 個重現(xiàn)期，共計12 場設(shè)計降雨情景，每場降雨持續(xù)時間均為120 min，模擬時長為360 min（圖4），3 種雨型對應(yīng)的峰現(xiàn)時間分別為26.4、60.0 以及93.6 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型率定與驗證

選取紅蓮橋和盛世名門管道入河口處以及飛龍路檢查井（圖1，管道監(jiān)測點1、2、3）內(nèi)的水位和流量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定和驗證。本次模擬選用20200706、20200711、20200720、20200915、20211105、20220320、20220623 共7 場降雨進(jìn)行率定和驗證，包括大、中、小3 場不同降雨進(jìn)行率定，其余4 場降雨用于驗證。圖5展示了本次模擬中降雨事件20220320 與20220623 中飛龍路管道流量和水位的監(jiān)測和模擬過程， 降雨事件20220320 和20220623 分別為長歷時綿雨和短歷時暴雨。

研究中通過使用納什效率系數(shù)（ ENS）、徑流深相對誤差（ ERR）、洪峰相對誤差（ ERP）以及峰現(xiàn)時間誤差（EPT）4 個指標(biāo)評價模型的率定與驗證結(jié)果。從總體結(jié)果來看，地表-管道-河道耦合模擬方法在長歷時綿雨和短歷時暴雨情景下都與實測數(shù)據(jù)較為吻合，說明該方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬城市內(nèi)澇的全過程。

表1 展示了地表-管道-河道耦合模擬方法中各場次降雨事件的率定和驗證結(jié)果。結(jié)果顯示，除降雨事件20211105 外， 其余各場次的水位模擬ENS 值均在0.85 以上， 流量模擬的ENS 值也都超過0.62， ERR、ERP、EPT 均在誤差允許范圍之內(nèi)。其中，降雨事件20211105 的水位與流量ENS 較低，可能是由于在模擬過程中管道水位變化幅度較小、且管道流量大部分時間都低于0.5 m3/s，難以捕捉到流量的波動變化，從而導(dǎo)致ENS 偏低。綜合來看，構(gòu)建的城市產(chǎn)匯流與內(nèi)澇模型能夠準(zhǔn)確反映降雨過程中管道水位和流量的變化過程，說明地表-管道-河道耦合模擬方法具備評估城市內(nèi)澇風(fēng)險的能力。