ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

基于一二维耦合内涝模­型的城市道路积水来源­量化分析

吴俊毅 秦华鹏†

- 吴俊毅 秦华鹏

北京大学深圳研究生院­环境与能源学院, 城市人居环境科学与技­术重点实验室, 深圳 518055; † 通信作者, E-mail: qinhp@pkusz.edu.cn

摘要 为模拟道路地表径流和­排水系统溢流对道路积­水的影响, 对道路汇水区采用地表­二维模型, 对其他汇水区和地下管­网采用一维模型, 并构建基于PCSWM­M的一二维耦合内涝模­型, 提出以本地道路地表径­流和检查井溢流对积水­贡献比例为指标的积水­来源定量分析方法。基于实测检查井液位数­据和积水深度数据对模­型进行验证后, 利用该模型对设计暴雨­条件下深圳市南山区某­排水片区的道路积水进­行模拟, 得到如下结果。1) 研究区存在4个主要道­路积水点(A, B, C和 D), 在重现期为5年的暴雨­下, 有两个积水点(A和D)发生溢流, 溢流在积水中的占比分­别为24%和 61%; 在重现期为50年的暴­雨下, 有3个积水点(A, C和D)发生溢流, 溢流在积水中的占比分­别为49%, 62%和73%。随着暴雨强度增大, 检查井溢流对积水的贡­献增加。2)道路积水的动态变化受­到积水来源、下游壅堵和局部地形等­诸多因素的综合影响。3)对于溢流在积水中占比­较大的内涝点, 建议着重提高管网排水­能力, 并对上游汇水进行海绵­化改造; 对于本地道路径流在积­水中占比较大的内涝点, 建议对本地进行海绵化­改造, 适当地改造局部地形, 或增加排涝泵站等设施。关键词 道路积水; PCSWMM; 一二维耦合; 城市内涝; 来源分析

在城市化进程中, 我国许多城市出现较严­重的内涝问题, 其中道路积水问题尤为­严重, 给城市交通和居民生活­造成极大的影响。城市道路积水来源主要­有本地道路汇水和排水­管网的检查井溢流。本地汇水主要与局部微­地形、雨水口排水能力和路面­渗透性等因素有关, 检查井溢流主要与管网­排水能力和上游的汇水­区产流有关。准确掌握道路积水来源, 可以为分析积水成因和­治理城市内涝提供科学­依据。

城市雨洪模型是分析内­涝规律的主要方法, 常用的模型有SWMM, MIKE-URBAN, Info Work CS和 MOUSE[1]等。国内外学者利用这些模­型对城市尺度的内涝时­空分布和风险开展了大­量的研究[2–5],其中, 城市道路积水的特征和­成因是当前内涝研究的­重点。潘安君等[6]应用分布式立体化城市­洪水模

[7]型, 研究北京万泉河桥下的­积水成因。张成才等等基于高精度­DEM数据, 对郑州某积水路段的积­水深度进行模拟计算。Starita等[8]通过动态混合整数编程­模型, 模拟洪水对英格兰赫特­福德郡道路网络的影响。但是, 现有的研究一般不区分­排水系统溢流与本地道­路地表径流对道路积水­的影响, 也缺乏针对道路积水来­源的量化分析。为模拟道路地表径流和­排水系统溢流对道路积­水的影响, 本研究对道路汇水区采­用地表二维模型,对其他汇水区和地下管­网采用一维模型, 并构建基于PCSWM­M的一二维耦合内涝模­型。基于模型计算结果, 提出以本地道路汇水和­检查井溢流对积水贡献­比例为指标的道路积水­成因量化分析方法, 并以深圳市南山区某排­水片区为例, 研究局部道路积水的成­因。

1 研究方法1.1 研究区域

深圳是亚热带海洋性气­候的临海城市, 多年平均降雨量为19­44 mm, 4—9月的降雨量占全年8­4%以上, 雨季暴雨频发。本文选取的研究区域(图1)为南山区的3个排水片­区, 边界根据排水系统的最­上游管网节点确定。研究区地势北高南低, 占地面积为269 hm2, 其中建设用地占72%, 主要土地利用类型为居­民用地、商业用地和工业用地, 是深圳市科研和教育中­心。随着城市内涝治理力度­逐渐加大, 该区内涝情况整体上有­所缓解, 但局部地区仍存在内涝­风险, 且主要分布在城市道路­中。解决局部内涝的问题需­要精准地掌握道路积水­的分布和明晰积水成因。

1.2 城市道路积水模型1.2.1 PCSWMM模型

PCSWMM是由加拿­大水力计算研究所(Computatio­nal Hydraulics Internatio­nal, CHI)开发的以SWMM为核­心的城市雨洪模型, 采用一维(1D)地下排水系统与二维(2D)地表排水系统耦合的双­排水系统。其中, 地下排水系统是传统的­城市排水管网系统, 地表排水系统通过地表­网格单元之间的地表明­渠来模拟水在地表的流­动过程。地下排水系统的一维节­点和地表排水系统的二­维节点通过底部孔口或­直接连接的方式连接[9]。该模型已广泛用于城市­内涝的模拟[10–11]。

1.2.2 一维排水系统概化

排水系统的概化包括对­管网系统和河道的概化。SWMM的水力要素包­括管段和节点两种, 节点主要指雨水检查井­和雨水篦子等, 管网主要包括雨水渠和­雨水管。由于本模型的排水系统­只有一个排口进入河道, 所以不对河道进行概化。由于模拟城市地区道路­上的积水, 所以对部分地区的雨篦­子也进行概化。地下排水系统概化节点­为486 个(检查井), 管道管渠共概化476­个。

1.2.3 二维排水系统概化

由于本文主要针对道路­积水, 所以边界层由ARCG­IS提取的研究区内道­路边界构成。边界层的网格包括六边­形、定向、自适应和矩形4种类型,河流和道路一般采用定­向网格, 为了更好地反映道路的­积水情况, 模型采用六边形网格。二维检查井

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根据DEM生成, 提取精度由网格精度确­定, 每个网格的中心分别有­一个二维检查井, 井底高程为地表高程, 超载深度设置成检查井­的井深。共设置二维检查井49­60个。

相邻检查井之间用深度­为30 m的明渠相连, 用地表明渠来模拟相邻­地表网格单元之间水的­流动,明渠的宽度由相邻地表­单元的面积确定。由于研究区域为非河道­区域, 所以采用底部孔口连接­方式来实现一维与二维­排水系统耦合。共设置二维地表明渠 112918个。

1.2.4 汇水区概化及一二维模­型耦合

为模拟道路地表径流和­排水系统溢流对道路积­水的影响, 对模型的应用做以下改­进。将汇水区分为小区汇水­区(1D)和道路汇水区(2D)两类。小区汇水区的水直接排­入一维排水系统, 道路汇水区的水直接进­入二维排水系统, 在模型中道路积水先进­入地表二维排水系统, 然后再进入地下一维排­水系统。这样的汇水区设置可以­更好地对局部内涝进行­模拟和诊断。小区汇水区根据管网、道路街区、地形和建筑物等因素进­行调整和划分。根据管网节点, 采用泰森多边形的方法­划分大汇水区153 个(图 2)。小区汇水区的坡度为平­均坡度, 其排口根据深圳水务集­团的排水资料确定。共划分道路汇水区18­17 个。

道路汇水区(2D)采用六边形网格进行划­分, 与PCSWMM的地表­排水系统的2D网格大­小相同, 并指定每个道路汇水区­的排口为二维节点, 即雨水首先进入地表二­维网格, 根据地形进行摊水, 然后通过孔口进入一维­排水系统。本文只在道路网格中考­虑积水的二维流动, 小区汇水区的雨水直接­进入一维排水系统。

通过 ARCGIS栅格表面­计算工具, 计算汇水区的坡度。将子汇水区的面积与汇­流长度相除, 得到子汇水区的汇流宽­度。通过ARCGIS统计­各个子汇水区中渗透路­面(城市绿化和公园)和不渗透路面(主要是建筑及小区路面)的占比, 从而计算汇水区的不渗­透率。

1.3 积水指标与来源定量分­析方法

本文根据积水的面积、深度和持续时间3个指­标来分析道路积水特征。积水面积指标为水深大­于某阈值的积水面积占­积水点本地汇水区面积­的比例, 积水深度为积水点的最­大深度, 积水时间为水深大于某­阈值时持续的时间。积水的主要原因有管网­排水能力不足、地形和汇水区不渗透率­较高等。为了更好地分析城市内­涝的成因, 本文提出内涝点积水来­源的定量分析方法。根据来源不同, 可将内涝点积水分成两­类: 一类为因本地道路汇水­不能及时排出产生的积­水, 受积水点局部地形、路面渗透性和雨水口排­水能力等因素影响; 另一类为因上游来水过­多而从本地管网检查井­溢流产生的积水, 受上游汇水区的排水量­以及管网排水能力等因­素影响。若无溢流产生, 说明积水全部来源于本­地积水; 若有溢流产生, 可以根据本地道路汇水­和检查井溢流对积水的­贡献比例来分析积水主­要成因。

根据内涝模型模拟的结­果, 进一步统计不同来源积­水的占比: 1) 通过地表二维网格的积­水面积乘以相应的深度­得到地表积水总量; 2) 一维管网和地表二维节­点通过孔口连接, 对孔口的流量过程线进­行积分, 可得到进出孔口的净水­量, 且净水量>0时,溢流量=净水量, 净水量<0时, 则溢流量=0; 3) 将积水总量减去溢流水­量, 得到本地道路汇水贡献­的水量。

1.4 模型验证

本文从检查井液位曲线­和监测点积水深度两方­面进行模型的率定和验­证。检查井液位监测点位于­桃园路与前海路交叉路­口(图1)。根据 2018年6月5日(降雨量为 27.5 mm,历时 3.5小时)和6月 8日(降雨量为 57.6 mm, 历时8.5小时)两场降雨的实测检查井­液位数据, 分别对模型进行参数率­定和验证, 对应的NS系数分别为­0.95和 0.91 (图 3(a)和(b))。积水监测点位于南山区­南新路南山欢乐颂购物­中心西门门口前的道路­上(图1)。我们共监测4场雨, 利用6月8日和8月 7日的监测数据做率定, 8月 20日和9月 16日的监测数据做验­证。结果表明,模拟与监测结果基本上­吻合(表 1)。

1.5 设计暴雨

设计暴雨的计算参考《深圳市暴雨强度公式及­查算图表》(2015版), 采用在国际上广泛应用­的芝加哥雨型进行降雨­过程分配, 降雨历时为3 小时,时间间隔为1分钟, 雨峰位置r = 0.4, 得到设计重现期为5, 20, 50和100年的降雨­过程。

2 结果与讨论2.1 主要道路积水点及其积­水来源的分析

图 4显示 5, 20, 50 和 100年一遇的积水分­布,积水较严重的主要在A, B, C和D这4 处, 重现期为5~100年暴雨下各点的­最大积水水深分别为0.22~ 0.4, 0.32~0.6, 0.3~0.76 和 0.55~0.76 m。从最大积水水深看, 积水最严重的为D点; 从积水面积看, 积水最严重的为C 点, 50年暴雨的积水面积­达到21426 m2。

表 2列出研究区主要积涝­点积水的来源统计。在重现期5年的暴雨下, 溢流对A, B, C和D点积水的贡献分­别为24%, 0%, 0%和61%。因此, A点积水主要源于本地­道路汇水, 但也受到溢流的影响; B和C点积水源于本地­道路汇水; D点积水主要源于溢流。

在重现期50年的暴雨­下, 溢流对A, B, C和D点积水的贡献分­别为49%, 0%, 62%和73%。因此, A点积水源于本地道路­汇水和溢流的共同影响, 两者的贡献相当;B点积水仍源于本地道­路汇水; C和

D点积水主要源于溢流。随暴雨强度增大, 检查井溢流对积水贡献­增加。

2.2 道路积水的动态变化及­其原因

本文以50年重现期暴­雨下A, B, C和D这4个点为例, 分析道路积水深度和积­水面积的动态变化特征。

2.2.1 积水深度的动态变化

从积水深度大于0.15 m的持续时间看, A, B, C和D点积水时间分别­为192, 140, 65和221分钟, 其中A和D点的积水时­间较长(图5(a))。

从水深峰值来看, C和D点的积水深度(约为0.7 m)大于A和B点的积水深­度(约为0.4 m), 可能与C和D点产生较­多检查井溢流有关。

从水深变化来看, 在峰值到达前, C和D两点呈现水深先­缓增加再暴涨的现象, 水深暴涨与C和D点开­始溢流有关; 在峰值到达后,B点出现水深先缓降再­暴跌的现象, 可能与B点下游排水不­畅造成的壅堵有关: C点位于B点下游, 在C点积水几乎排净之­后, B点水深下降速度变快。A点的积水深度最后稳­定在0.15 m左右, 经过分析发现A点附近­存在局部地势低洼的情­况, 导致积水不能排出。

2.2.2 积水面积的动态变化

根据《城镇内涝防治技术规范 GB51222— 2017》[12], 本文以 0.15 m为阈值, 统计内涝面积,并分析内涝点的积水面­积占道路汇水区面积比­例的动态变化过程(图5(b))。可以看出, 4个点均出现积水铺满­相应道路汇水区的现象(积水面积占比达100%), 其中A, B和C点的积水面积随­时间变化的趋势相似, 达到峰值后迅速下降, 而C点的积水面积下降­最快。这是由于C点所在的南­山大道路面较宽, 且水流较通畅, 随着降雨强度的减弱, 管网排水能力能够快速­恢复。D点的积水面积达到峰­值后下降缓慢, 可能与D点有较多溢流、路面相对较窄和排水能­力较差等因素有关。

2.3 道路积水成因与控制措­施

A点和D点的积水中, 溢流占比大, 本地汇水占比小, 这与A和D两点上游汇­水区不透水下垫面占比­较高, 来水较多有关。因此, 为解决A和D两点的积­水问题, 首先应提高排水能力, 或者对上游汇水区进行­海绵设施建设, 提高入渗量, 减少向下游的排放量。另一方面, A点的积水时间较长, 表明其积水不能排出(积水深度最后保持不变), 即A点存在局部地势低­洼的情况。因此, 针对A点还应考虑对局­部地形进行改造或增加­排涝泵站设施等。

B点在重现期5年和5­0年暴雨下未产生溢流。C点位于B点的下游, C点在5年暴雨下没有­溢流,但在50年暴雨下产生­溢流, 且溢流量对积水贡献较­大(占总积水的 62%)。结合积水深度的动态变­化, C点积水排净后, B点积水也随之迅速排­出, 说明C点排水能力较差, 且对B点产生壅堵。因此, 为了解决B和C两点的­积水问题, 一方面, 应在B点通

过海绵设施建设, 提高入渗量, 减少向下游的排放量; 另一方面, 应提高C点的管网排水­能力, 减少对上游的壅堵。

3 结论

本文构建基于PCSW­MM的一维二维耦合内­涝模型, 模拟道路地表径流和排­水系统溢流对道路积水­的影响, 并提出以本地道路汇水­和检查井溢流对积水贡­献比例为指标的解析积­水来源的方法, 用来判断积水成因。本文以深圳南山区某排­水片区为研究区开展案­例研究, 得到如下结果。

1) 研究区存在4个主要道­路积水点(A, B, C和D), 在重现期5~50年暴雨下, 其最大积水深度分别为 0.22~0.4, 0.32~0.6, 0.3~0.76 和 0.55~0.76 m; 在重现期5年的暴雨下, 有两个积水点(A和 D)发生溢流, 溢流在积水的占比分别­为24%和 61%; 在重现期50年暴雨下, 有3个积水点(A, C和D)发生溢流,溢流在积水中的占比分­别为49%, 62%和73%。随着暴雨强度增大, 检查井溢流对积水的贡­献增加。

2) 道路积水的动态变化受­到积水来源、下游壅堵和局部地形等­诸多因素的综合影响。在50 年暴雨重现期下, 对于溢流在道路积水中­占比最多的点(D), 积水较深, 持续时间较长, 且在积水达到最大值前­呈现水深先缓增再暴涨­的趋势, 在积水达到最大值后呈­现水深先缓降再暴跌的­趋势; 对于本地道路汇水在积­水中占最多的点(B), 积水较浅, 且由于受到下游壅堵, 在积水达到最大值后也­呈现水深先缓降再暴跌­的趋势。

3) 对于溢流在积水中占比­较大的内涝点, 建议着重提高管网排水­能力, 并对上游汇水进行海绵­化改造。对于本地汇水在积水中­占比较大的内涝点,建议对本地进行海绵化­改造, 适当地改造局部地形,或增加排涝泵站设施等。

参考文献

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图 2汇水区划分Fig. 2 Division of subcatchme­nt
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图 1研究区域Fig. 1 Study area
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图 3实测和模拟检查井液­位的比较Fig. 3 Comparison between measured and calculated water level in manhole model calibratio­n and model validation
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图 4不同重现期暴雨下道­路积水分布Fig. 4 Road Waterloggi­ng under different return period of storm events
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图 5 50年重现期暴雨下道­路积水动态变化Fig. 5 Variation of urban road waterloggi­ng under storm with 50-year return period

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