济南市历下区立交桥区域暴雨内涝积水模拟

任梅芳 徐宗学 初祁 汪中华 杜成玉

摘要：城市下凹式立交桥因其桥下路面常低于周边区域地形，极易形成城市区域的“人为滞水点”，在遭遇降雨时频繁发生内涝积水灾害，对城市交通、行人和车辆的安全构成了严重的危害。因此，有效模拟城市立交桥区域的暴雨洪水淹没程度，对城市防洪减灾和交通应急管理具有重要的现实意义，同时可以为解决城市内涝问题提供重要的科技支撑。以济南市历下区立交桥为例，采用Mike Urban模型和Mike21 FM模型，依据研究区域数字高程数据，2007年7月18日黄台桥雨量站实测3 h降雨数据以及不同重现期的设计降雨过程，对立交桥区域的暴雨积水程度进行模拟计算与分析。研究结果表明，2007年“7·18”暴雨发生时，济南市历下区立交桥桥下最低洼区域积水深度可达近195 m左右，其积水深度高于济南市100年一遇暴雨的积水深度。

关键词：暴雨积水；立交桥；MIKE模型

中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05000907

Simulation of rainstorm waterlogging processes at the Lixia overpass bridge in Ji′nan city

REN Meifang1，2，XU Zongxue1，2，CHU Qi1，2，WANG Zhonghua3，DU Chengyu4

（

1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，Beijing 100875，China；3.Ji′nan Hydrology Bureau，Ji′nan 250014，China；4.Binzhou Hydrology Bureau，Binzhou 256609，China）

Abstract：

The urban concave overpass bridges can easily become "artificial waterlogging zone" since the area beneath the bridge is usually lower than the surrounding areas，which leads to frequent waterlogging disasters，endangering the safety of urban traffic，pedestrians，and vehicles.Therefore，effective simulation of rainstorm waterlogging processes in urban overpass bridge area will have important practical significance for urban flood control，disaster reduction，and traffic emergency management.It can provide important technical support for solving the urban waterlogging problems.In this study，both Mike Urban and Mike21 FM models were used to simulate the waterlogging processes of the 3 h rainstorm observed in July 18，2007 at Huangtai Bridge rain gauge station and the design precipitation with different return periods at the Lixia overpass bridge area in Ji′nan city.The results of this study showed that the depth of waterlogging in the lowest area under the Lixia overpass bridge could reach about 195 m during the 2007.07.18 rainstorm event，which was higher than that in a 100year rainstorm in Ji′nan city.

Key words：

rainstorm waterlogging；overpass bridge；MIKE model

近年来，城市内涝问题已成为了继人口拥挤、交通堵塞、环境污染等城市问题之后的又一大城市病。自2012年7月21日北京市遭遇强降雨造成巨大的损失之后，各级政府及学术界对城市雨水管理方面的研究给予了高度重视[1]。根据《国家新型城镇化规划（2014-2020）》我国城镇化率已由1986年的2452%上升到2015年的5610%，增长了129倍，预计到2020年、2030年我国城镇化率将分别达到60%和67%左右[2]。随着城市化进程的不断推进，城市区域中不透水地面的面积不断扩张，城市区域的产汇流特点较天然流域产汇流特点相比发生了较大的变化。目前，我国已有很多城市发生了严重的城市洪涝灾害，例如2007年7月18日济南市3 h平均降雨量167 mm暴雨形成了水位暴涨缓落的洪水过程，市区河道满溢、马路行洪现象严重，仅3小时，全市變成了水城，因灾死亡34人，造成经济损失125亿元[3]，北京市“7·21”暴雨导致城区交通严重受阻，部分路段和立交桥下积水成灾，导致77人死亡以及60 000人被迫撤离，直接经济损失可达100亿人民币左右[4]。

然而，城市下凹式立交桥因其桥下地面高程常比周边区域地形低2～3 m，形成了城市区域的人为滞水点，在遭遇瞬时雨量较大的暴雨时，极易造成内涝积水灾害，对城市交通、行人和车辆的安全构成了严重的危害[56]。因此，有效模拟城市立交桥区域的暴雨洪水淹没程度，对城市防洪减灾和交通应急具有重要的现实意义。目前，在城市立交桥区域进行暴雨积水模拟的研究并不多见，王昊等[7]基于改进的SWMM（Storm Water Management Model）模型对城市下凹式立交桥的内涝灾害进行模拟；施南征等[8]基于SWMM模型，结合GIS和SCADA（数据采集和监控系统）对杭州市某铁路涵洞的暴雨积水情况进行模拟研究；赵欢欢[9]以西安市某下穿式立交桥为例，采用SWMM模型对该立交桥不同重现期的排水情况进行分析。本文以济南市历下区立交桥为例，采用Mike Urban模型和Mike21 FM模型，依据研究区域数字高程数据，2007年7月18日黄台桥雨量站实测3 h降雨数据（以下简称“7·18”暴雨）以及不同重现期的设计降雨过程，对济南市历下区立交桥区域的暴雨积水程度进行综合模拟计算与分析。文中根据济南市“7·18”实测3 h降雨数据，从研究区产流、管道汇流及整个研究区坡面汇流三个方面对“7·18”暴雨造成的积水进行了模拟计算，同时，为了分析不同重现期降雨造成的内涝积水程度，对历下区立交桥区域1年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇和100年一遇暴雨情景下的内涝积水情况进行了模拟分析。

1 模型介绍

1.1 Mike Urban模型

Mike Urban模型是丹麦水力学研究所（DHI）在地理信息系统（ArcGIS）基础上所研发的用于模拟城市排水管网系统的模型。Mike Urban模型包括了降雨径流计算和管网水力学计算两个计算模块，其中，降雨径流计算模块分为降雨径流模拟和集水区汇流过程模拟两部分，管网水力学计算模块可以对雨水进入管网之后的水流流态及水质等进行模拟。在计算過程当中，管网水力学计算模型将降雨径流模型的计算结果作为计算的边界条件[1011]。

Mike Urban模型中的管流计算模块将管流视为一维模型，模型采用六点隐式差分法求解一维圣维南方程组，具体方程如下所示[1214]：

质量守恒方程：

1.2 Mike[STBZ]21 FM模型

Mike21 Flow Model FM（Mike21 FM）水动力模型是一个基于非结构网格的模拟系统，模型采用二维浅水方程，具体方程详见参考文献[15]。

2 实例计算与分析

2.1 研究区概况

济南市历下区立交桥位于济南市历下区历山路与胶济铁路的交汇处，位于济南市大明湖东北部，由于立交桥桥下路面低于周边区域，形成了低洼滞水点，每逢暴雨极易形成内涝积水。本文基于ArcGIS地理信息系统，采用Mike Urban模型，依据数字高程（DEM）数据和降雨数据，在历下区立交桥区域对“7·18”黄台桥雨量站实测3 h降雨造成的内涝积水进行模拟计算与分析，并对不同重现期降雨情景下的积水深度进行模拟研究。

根据历下区立交桥区域周边的地形和地下排水管网布置情况，本次模拟研究将研究区域的范围定为：北至历山北路，南至明湖东路和花园路，东西两侧范围到现状河道；分析该区域的排水管网可知，本研究区域可视为相对于周边区域的一个较为独立的汇水区域（无较大外来客水）。研究区域面积约为388 km2，模拟范围内胶济铁路贯穿东西，长约28 km，历山路长约11 km，路宽约为30 m，模拟区域地理位置见图1。

2.2 输入数据

[BT4] 2.2.1 降水数据

（1）实测降水数据。

本次模拟研究所需的历下区立交桥 “7·18”降雨数据采用济南市黄台桥雨量站2007年7月18日实测3 h降雨值，“7·18”3 h降雨量为167 mm，最大1 h降水量约达93 mm。

（2）不同频率设计暴雨。

本研究中所需不同频率的降水数据采用济南市暴雨强度公式进行计算[16]，具体公式如下所示，不同重现期设计暴雨强度见表1，图2为“7·18”实测降雨及不同重现期24 h设计降雨过程。

2.2.3 研究区管网数据

本研究区域内管网分布见图4，检查井个数共计489个，排水口共计24个，排水管道共计2086 km。

2.2.4 模型参数设置

Mike Urabn模型的产汇流计算中不透水面积率根据不同的地块类型进[HJ2.2mm]行设置。结合已有文献综合考虑，本次将研究区内建筑物区域及道路区域的不透水系数设置为09，城市绿地部分的不透水系数设置为015[11]；Mike21 FM模型进行计算时，需要对不同地块类型设置相应的地表糙率值，根据《水力计算手册》[17]，本次将建筑物区域地面糙率取为002，道路部分糙率取为002，城市绿地部分地面糙率取为003；研究区域内不同的地块属性见图5。[HJ]

[BT3-*8] 2.3 模型计算结果

本次模拟计算以济南市历下区立交桥区域为研究对象，以“7·18”暴雨为例，采用Mike Urban模型，对该区域管道排水能力和检查井溢流情况进行模拟分析，并且采用Mike21 FM模型对研究区域内最大内涝风险进行模拟计算分析。

2.3.1 “7·18”暴雨模拟结果

（1）产流模型计算结果。

（2）管流模型计算结果。

经计算，“7·18”暴雨发生时，历下区立交桥桥下区域排水井会发生溢流而产生地表漫流，图7为研究区域历山路路面下排水管道及地表排水井溢流水面线纵剖面图，从图中可以看出，由于立交桥桥下为本研究区域内历山路地面高程最低洼的区域，是积水最深的区域，桥下管道管底高程约为2155～2177 m，水位在235～238 m之间，立交桥下最大积水深度可达195 m。由于论文篇幅有限，本次只列出立交桥桥下最低洼处排水管道水位与时间、流速与时间的变化过程曲线，由图8可以看出桥下积水最深处排水管道最大积水大约发生在7月18日晚19：30左右，最高水位为235 m左右。由图9可以看出桥下积水最深处排水管道最大流速大约发生在7月18日晚19：44左右，最大流速可达11 m/s左右。

（3）最大内涝积水风险计算结果。

通过Mike21 FM模型对研究区域最大内涝积水风险进行模拟计算，在“7·18”暴雨的情况下，研究区域内大部分区域的内涝积水深度在0～060 m之间，立交桥桥下区域积水深度在060～150 m之间，桥下最低洼区域积水深度高达150～195 m，

局部区域甚至大于195 m，桥下最低洼区域最高流速可达104 m/s左右。

年“7·18”暴雨洪水分析”一栏，2007年7月18日受高空槽、切变线、低涡等天气系统共同影响，济南市出现了特大暴雨天气，小清河黄台桥水文站以上

流域平均降雨量达1432 mm，最大点降雨量高达1827 mm，小清河黄台桥水文站出现了实测历史最高水位。由于暴雨强度大、水流汇集迅速，致使济南

市市区出现大面积积水，部分河道漫溢，低洼处房屋进水，市区内普遍存在道路行洪的现象，其中胶济铁路以南附近低洼区积水高达13 m左右，历山路与历山北路交口西侧积水深度约为30 cm[18]； 根据以上资料对本次模拟结果进行验证，如表2积水点误差分析所示，本次模拟结果与实测值的误差在007～017 m之间，从模拟结果来看，本次模拟结果与实测资料偏差不大，模型基本能够反映洪水的淹没过程，计算所采用的参数及模拟结果比较合理，这说明了采用Mike模型进行计算是可行的。“7·18”暴雨模拟具体结果见图9和图10。

根据计算结果，发生1年一遇降雨时，研究区域

内最大积水深度约为0035 m左右；发生5年一遇降雨时研究区域内最大积水深度可达0076 m左右；发生10年一遇降雨时研究区域内最大积水深度可达0094 m；发生20年一遇暴雨时，研究区内大

部分区域的内涝积水深度在0～048 m之间，立交桥桥下区域积水深度在048～084 m之间，橋身下最低洼区域积水深度高达084～102 m，局部区域大于102 m；发生50年一遇暴雨时，研究区内大部分区域的内涝积水深度在0～030 m之间，立交桥桥下区域积水深度在030～120 m之间，桥身下最低洼区域积水深度高达120～165 m，局部区域高于165 m；发生100年一遇暴雨时，研究区内大部分区域的内涝积水深度在0～045 m之间，立交桥桥下区域积水深度在045～135 m之间，桥身下最低洼区域积水深度高达135～180 m，局部区域高于180 m。

3 结果与讨论

城市雨洪模型一方面可以分析降雨产生的径流量及地表淹没情况，另一方面，可以计算排水管网系统的排水能力，是城市洪涝过程模拟研究的主要手段[19]。本文选用Mike Urban模型对济南市历下区立交桥区域的暴雨淹没情况进行模拟分析，并采用Mike21 FM模型对研究区域内涝积水风险进行模拟计算，计算结果如下。

（1）“718”暴雨时，整个历下区立交桥区域总径流量为5094万m3；研究区域内大部分区域的内涝积水深度在0～060 m之间，立交桥桥下区域积水深度在060～150 m之间，桥下最低洼区域积水深度高达150～195 m，局部区域甚至大于195 m，桥下最低洼区域最高流速可达104 m/s左右。本次模拟结果与实测值的误差在007～017 m之间，从模拟结果来看，本次模拟结果与实测资料偏差不大，模型基本能够反映洪水的淹没过程，计算所采用的参数及模拟结果比较合理，这说明了采用Mike模型进行计算是可行的。

（2）历下区立交桥区域发生1年一遇降雨时，研究区域内最大积水深度约为0035 m左右；发生5年一遇降雨时研究区域内最大积水深度可达0076 m左右；发生10年一遇降雨时研究区域内最大积水深度可达0094 m；发生20年一遇暴雨时，研究区内大部分区域的内涝积水深度在0～048 m之间，立交桥桥下区域积水深度在048～084 m之间，桥身下最低洼区域积水深度高达084～102 m，局部区域大于102 m；发生50年一遇暴雨时，研究区内大部分区域的[HJ1.8mm]内涝积水深度在0～030 m之间，立交桥桥下区域积水深度在030～120 m之间，桥身下最低洼区域积水深度高达120～165 m，局部区域高于165 m；发生100年一遇暴雨时，研究区内大部分区域的内涝积水深度在0～045 m之间，立交桥桥下区域积水深度在045～135 m之间，桥身下最低洼区域积水深度高达135～180 m，局部区域高于180 m。

（3）经本次模拟研究表明，“7·18”暴雨的积水深度高于济南市100年一遇暴雨时的积水深度；刘志雨[20]指出2007年7月中旬济南市发生了特大暴雨，济南市1 h降雨量达到151 mm，3 h降雨量达到180 mm，相当于200年一遇的标准；这与本次模拟结果基本一致。

为了研究历下区立交桥区域的暴雨积水情况，本文将研究区域四周范围定为北至历山北路，南至明湖东路和花园路，东西两侧范围到现状河道，初步模拟了研究范围内的积水情况，考虑到济南市南高北低的地形条件，研究区南部山区的水有汇入该研究区域的可能性，因此，本次模拟结果可能存在一定的偏差，未来拟进一步开展在开边界条件下的暴雨积水模拟分析计算，使得模拟结果更加合理。[HJ1.54mm]

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