城镇化进程中山地城市排水防涝设计研究

常建军 陈威 糜宁 秦诗友

摘要：采用SWMM与MIKE FLOOD模型分别对湖北西北部典型山地城市郧县老城区的排水管网运行状况进行模拟，分析溢流点及内涝区分布，评估内涝风险状况，结果显示城区内涝情况严重。根据模拟结果，厘清内涝原因，在绿色雨水基础设施的基础上，采用灰色雨水基础设施，提升该区域的排水防涝能力，确保郧县老城区在城镇化进程中排水防涝的安全性。通过MIKE FLOOD模型对工程方案进行校核，证实了工程方案具有可行性。

关键词：山地城市；城镇化；SWMM；MIKE FLOOD；内涝风险评估

中图分类号：TV121 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0147-06

Abstract：Simulation of the drainage network operation in Yunxian as a typical mountainous city in northwestern Hubei was conducted using MIKE FLOOD and SWMM model，the distribution of flood points and waterlogging areas was analyzed，and the risk of waterlogging was assessed.And the result showed serious city waterlogging.The reasons for waterlogging were clarified based on the simulation results.Then based on the green storm water infrastructure，gray rainwater infrastructure was used to enhance the drainage and flood control capacity in the region，ensuring the security of Yunxian old town drainage and flood control in the process of urbanization.In conclusion，MIKE FLOOD model was used for verification of the engineering program，proving the feasibility of the engineering project.

Key words：mountainous city；urbanization；SWMM；MIKE FLOOD；risk assessment of waterlogging

2014年我国城镇化率为54.77%，不仅远低于发达国家80%的平均水平，也低于人均收入与我国相近的发展中国家60%的平均水平。因此，我国2014年《国家新型城镇化规划（2014-2020）》提出城镇化率发展目标为60%。城镇化的典型特点是不透水面积的增加。研究表明雨水径流量和洪峰值与不透水面积呈线性增长关系[1]。而在山地城市在城镇化建设中，除不透水面积增加外，还由于其易引发山洪的地势特征，使得城区内涝情况加剧（溢流点数目增加和内涝区面积扩大），给城区排水防涝工作带来极大压力，严重影响居民的人身和财产安全。本文以湖北郧县老城区为例，采用SWMM与MIKE FLOOD模型，分别对研究区域排水管网运行状况进行模拟，分析城区内涝原因，然后结合踏勘情况和模拟结果对研究区域进行设计改造，并对工程方案进行校核，保证方案的合理性和可行性。

1 研究区域概况

研究区域地貌以秦岭山脉和大巴山脉东段延伸部分为主，南北西边高山，东南低丘盆地，为典型的山地城市。城区面积为800 hm²，高程介于140～300 m，北靠黑石山，三面环水，向汉江河谷倾斜。城区路网呈现“四横三纵”的形式，其中横向主干路为城北西路、城北东路、郧阳路、双庆路、献珍路，纵向主干路为沿江大道、解放路、滨江西路。研究区域多年平均降雨量为803.76 mm，降雨主要集中在5月-9月，占年降雨量的67%。其中，夏季的降雨量占全年的43.3%；冬季最少，仅占全年的的6.37%；春秋季节占全年降雨的比例分别为24.02%、26.31%。暴雨主要集中在7月-9月份，约占暴雨总量的70.1%。其中，汉江郧县段作为南水北调中线工程核心水源区，需确保饮用水水源地水质的安全性。研究区域范围见图1。

2 模型建立

SWMM是一维动态的降水—径流模拟模型，广泛应用于城市地区的合流式下水道、排污管道、暴雨洪水以及其它排水系统的规划、分析和设计。MIKE FLOOD是一维管网系统模块（Mike Urban CS）和二维地表漫流模块（Mike 21）耦合的模型，能模拟城市内涝地表的积水情况，可以评价内涝对城市地表产生的影响。国内已将这两种模型用于城市排水系统的研究[2-7]。

2.1 模型拓扑结构

2014年地下管线普查数据显示，区域现状已建排水（雨水）管渠总长为58.431 km，其中雨水和合流管渠长度各占比例为34%和66%。管材主要为钢筋混凝土圆管，沟渠多为矩形断面砖石砌。建模针对城区雨水和合流管网的排涝状况，将普查数据作为模型拓扑结构的输入数据，见表1。

将管渠拓扑结构导入模型，同时输入模型的空间属性数据，包括管渠断面的几何尺寸、管渠埋深、管渠进出口偏移量、管渠曼宁系数；检查井底标高，检查井的最大深度等。

2.2 模型率定

模型参数可以通过管网节点的流量、流速、水位等数据进行率定。根据模拟值与实测值的拟合度，率定模型的参数，直至两者的拟合度满足要求。本设计中用Nash-Sutcliffe效率系数评价模拟曲线和监测结果的拟合度，见公式（1）。

NS值越接近于1，模拟曲线与监测结果的拟合度越高[8]。采用典型的长历时降雨事件对模型进行率定和验证。选取2013年7月17日-18日流量监测数据率定SWMM与MIKE FLOOD模型参数（见图2（a）），NS效率系数分别为0.93和0.90；选取2014年8月10日-11日流量监测数据验证模型，NS效率系数分别为0.81和0.82（见图2（b）），率定与验证模型的NS效率系数均大于0.7，表明两个模型均达到城市排水系统水力模型参数率定和验证的要求，可用于城市内涝风险评估。

3 模型运用

3.1 内涝风险评估

内涝风险识别成果是主城区建设、用地规划、水务工程和应急管理的重要决策依据之一[9-11]。为识别研究区域在极端暴雨天气下的积水风险，本研究根据《室外排水设计规范（GB 50014-2006）》（2014局部修订版），对20年一遇24 h的降雨情景进行模拟，并结合内涝积水的历史资料，确定研究区域的溢流点和内涝区。

3.1.1 SWMM模拟

SWMM在设计降雨情景下模拟管网的溢流状况见图3。区域溢流节点为22个，21个节点位于地块之中。郧阳路以北的溢流节点数为13个，其中解放路以东的节点数为9个，密集分布于党校、法庭和政府家属楼等处，且位于同一排水干管的上下游；其余9个节点分布于郧阳路与献珍路之间的中心城区，位置相对分散。

3.1.2 MIKE FLOOD模拟

据《室外排水设计规范（GB 50014-2006）》（2014局部修订版），道路中的一条车道的积水深度不超过15 cm，进而对模拟结果进行等级划分，见表2。城区出现高、中风险区域的比例为4.38%，低风险区域比例为95.62%。

MIKE FLOOD模拟降雨情景的内涝区域见图4。内涝高风险区有17处，内涝中风险区有9处，其余均为低风险区。城北区域有三处（区党校、法庭和政府家属楼）大面积高风险区和4处（交通规划设计院、城关三小、实验中学和龙景苑二期工程小区）中风险区，主要分布于城区的人口密集位置；高、中内涝区多数分布于城区边缘，且地势低洼，涝区内部无排水管渠和外围无接纳管渠。多处高风险区内涝积水面积较大，暴雨突发时，灾害影响范围较大。从分布情况来看，由于受到地势高低起伏变化的影响，城区积水大部分发生于地块中。

表3对MIKE FLOOD模拟研究区域内涝情况进行统计（只针对高、中风险区），包括内涝点位置、内涝面积和内涝等级。

3.1.3 模拟结果分析

通过对比图3和图4，分别对研究区域进行整体和局部分析。就整体而言，区域管网溢流节点数目为22个，内涝高、中风险区为26个，中心城区和人口密集处均出现溢流节点和高风险内涝区，内涝情况严重。从局部来看，郧阳路以北的风险区数目为13个且高风险区积水面积为10.97 hm²；溢流点与内涝区位置基本一致且大部分位于地块中，同时法庭、政府家属楼和宝南路施工地内涝区分别出现3个、2个和2个溢流节点；朝阳南路内涝区不存在溢流节点。分析原因如下。

（1）现状管网设计重现期明显偏小，与城市的内涝防治重现期（20年一遇）不匹配，难以满足设计降雨情景的内涝防治要求。管渠的过流能力不足，检查井承压能力差，难以抑制洪水溢流。

（2）山洪涌入城区，造成郧阳路以北区域大面积内涝。研究区域地势呈北高南低，黑石山南坡底部未设置雨水收集管网，导致山洪涌入城区。山洪无法及时排除，进而使得黑石山附近雨水管网出现严重内涝。

（3）地表汇流受到地势影响，导致山地城市主要排水管渠位于地势低凹处，同时也影响溢流点和内涝区的分布。在正常排水状况下，管渠内雨水呈重力流。当下游管渠排水能力不足，雨水无法正常排除，进而形成压力流，造成上游管渠回水，故内涝区出现多个溢流点。

（4）结合区域地形分析，朝阳南路积水区域地势较低，且地块内无雨水管渠，故而形成内涝。

4 工程方案

在传统的灰色雨水基础设施中，雨水不能渗入地下，增加雨水径流量和加剧水环境污染。而绿色雨水基础设施可以减少城市排水管道系统的雨水径流量，对雨水资源合理的滞蓄、渗透和利用，保障城市良性水循环[12-15]。推进绿色雨水基础设施建设以及科学整合传统的灰色雨水基础设施，才有利于城市排水防涝。根据模拟结果和踏勘情况，采用绿色雨水基础设施和灰色雨水基础设施对研究区域进行设计。

4.1 绿色雨水基础设施

对城市土地利用和下垫面进行解析，结合城市用地空间布置绿色雨水基础设施，达到径流污染控制和削减径流总量的目的。研究区域绿色雨水基础设施设计见图5。城市汇水面分为屋面、绿地、广场和道路四种。绿地设计为下沉式绿地，屋面雨水经由雨落管排入到下沉式绿地中。广场采用透水铺装入渗，溢流雨水经下沉式绿地吸收后排入至市政管道。城区道路产生的雨水，排入路旁的生物滞留设施（包括生物滞留带、树池、雨水花园、雨水花坛），再溢流至市政管道。

按照设计要求进行绿色雨水基础设施布置后，采用MIKE FLOOD模型对效果进行模拟，结果见图6。由图4和图6中的效果比较可知，加入绿色雨水基础设施后，区域内的高风险区的数量和面积减小，部分内涝中风险区得到有效控制，但仍存在内涝高风险区。

4.2 灰色雨水基础设施

依据图6中的模拟结果，为达到排水防涝的要求，有针对性地采取灰色雨水基础设施，具体措施如下。

（1）管渠改造设计。防止山洪的袭击，在黑石山底部（城北东路北侧）沿线设置截洪沟，减轻城区排水系统的负担。在管渠排涝能力不足且改造条件合适的位置增大管渠尺寸或增设分流管；在无排水系统区域按照设计要求增设管渠（管渠设计重现期设为3年一遇）。

（2）箱涵设计。针对党校、法庭和政府家属楼三处易涝区，结合现有建筑和现状管渠排涝能力分析，在政府家属楼涝水区域设置箱涵，将上游雨水进行截流。见图7。

（3）调蓄设计。在排水系统末端设置多功能雨水调蓄池，结合泵站抽排。既能对洪峰进行调蓄，实现雨水循环利用，又能避免初期雨水对承受水体的污染，还能对排水区域间的排水调度起到积极作用。对部分地势低洼区域（献珍路南、北易涝区），近期采用提升泵站排至附近管渠，远期则采用调整地块的场平标高方式，排除区域的积水。

在进行综合设计和改造后，再次采用MIKE FLOOD模型进行模拟，结果见图8。研究区域内高、中风险区域内涝状况明显得到改善，转变为低风险区域。部分区域虽出现积水，但积水深度基本小于0.15 m，达到《室外排水设计规范（GB 50014-2006）》（2014局部修订版）的设计要求。结果表明工程方案具有可行性。

5 结论

（1）本文利用SWMM和MIKE FLOOD模型对山地城市排涝状况进行动态模拟，分析城区的溢流节点和内涝区分布，厘清城市内涝原因。模拟结果具有一定地针对性，可减少工程造价。同时，模型结果符合实际情况，模型之间互相得到验证，进一步证实模拟的可靠性。

（2）改变传统的设计思维方式，优先采用绿色雨水基础设施，实现对雨水径流的控制，然后有针对性地采取灰色雨水基础设施，进一步提升城区排涝能力。绿色雨水基础设施有效地减少不透水面积增加带来的影响，为山地城市城镇化进程中的排水防涝工作提供良好的技术手段。

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