基于多模型耦合的城市内涝多视角分析

李 尤，邸苏闯，朱永华，李永坤，张宇航，徐袈檬

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048; 2.河海大学水文水资源学院，南京 210098; 3.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048)

0 引 言

受全球气候变化与城市化快速扩张影响[1]，人类社会和生态环境相互作用愈加频繁[2, 3]，城市洪涝灾害频繁发生。据徐宗学等[4]统计，2007-2013年, 全国超过360个城市遭遇内涝, 其中单次降水内涝淹水时间超过12 h的城市占1/6, 淹水深度超过0.5 m。2013年10月6日，余姚市遭遇百年一遇强降雨，灾害导致全市21个乡镇、街道受灾，近10万人紧急转移安置，主城区70%以上地区受淹，交通瘫痪[5]。2014年5月11日，深圳遭遇2008年以来最强暴雨，道路渍水150处，车辆淹没2000余辆，直接经济损失达8 000 万元[6]。2016年6月30日至7月2日，武汉发生强降雨，降雨量达315.8 mm，超过全市全年雨量的1/3，造成数百段道路积水，引发武汉关水位迅速上涨甚至超警戒水位[7]。

北京作为首都，随着城市化的迅猛发展，也未能避免暴雨洪涝威胁，危害较大的洪涝灾害主要发生在1956年、1963年、1972年、1976年、1994年、2004年、2011年和2012年[8, 9]。其中，2012年7月21日暴雨洪涝灾害为61年来最严重的[10, 11]，市区平均降雨量170 mm，受灾面积16 000 km2，成灾面积14 000 km2，城区积水道路63处，其中积水30 cm以上道路30处，造成79人死亡。城市洪涝灾害已经严重威胁人民生命财产安全，亟待解决。

近年来，不少学者致力于城市洪涝灾害风险分析，发现城市内涝积水原因主要包括暴雨量级、暴雨空间分布、下垫面条件、大风冰雹等特殊气象条件等，为诊断城市内涝原因提供了理论和方法支撑，成果显著[12-15]。但是上述研究多集中于单一视角，所得的结论仅适用于特定的积水点或流域，大部分城市内涝积水点是由于多因素综合造成的，目前以系统角度，定量分析下垫面、管网、河网、微地形等因素对内涝影响的研究较少。因此，本文以清河内典型流域老龙口为例，分别构建降雨-产流、管网汇流、河道汇流与地表漫流模型，并耦合形成综合洪涝模型。在此基础上模拟不同暴雨情景下的管网排水状态、河道行洪与地表漫流过程，分析城市洪涝原因，以期为精准防控洪涝灾害、提升汛情预警能力与决策指挥能力提供技术支撑。

1 研究区概况与资料

1.1 清河流域与老龙口流域

北京中心城区确定了“西蓄，东排，南北分洪”的防洪格局，清河是北京中心城区北部的一条主要排洪河道，属北运河水系，上游承接北旱河，干流自京密引水渠安河闸，流经海淀区、朝阳区、昌平区，横跨中关村科技园区，紧邻中央党校、北京体育大学和奥林匹克森林公园，在顺义区境内入温榆河，全长28.69 km，流域面积175 km2，其中山区面积10.4 km2，全流域共分为16个子流域，流域建设面积占总面积比为50%，流域下垫面高程介于24.4～500.3 m之间。研究区属大陆性季风气候，多年平均降雨量585 mm，降水主要集中在6-8月，占年降水量的75%以上。研究区为北京市的暴雨中心之一，局部高强度短历时降雨发生较为频繁，从《北京市水文手册-暴雨图集》可知20年、50年一遇最大24 h暴雨量分别为270、350 mm。

老龙口排洪沟位于北京市海淀区中部，是清河支流之一，属于北运河水系。其发源于海淀区中部黑山头一带，沟道除承泄该地区山洪外，还担负着京密引水渠西侧国防大学和三零九医院的排水任务。老龙口排洪沟起自京密引水渠老龙口涵洞出口，向东向南流经龙背村西，于清河老河道桥汇入清河，全长1.15 km，流域面积4.2 km2，沟道沿线有11个雨水排口。随着地铁四号线的开通，该地区人口急剧增加，居民将过量的生活垃圾和建筑垃圾倒入沟道，沟道淤积严重，行洪断面缩窄；局部建筑物淤堵沟道，沟道排水不畅。在2012年7月21日特大暴雨洪涝灾害中，发生了局部漫溢，威胁着周边居民的生命财产安全和四号线的安全运行，区域洪涝风险隐患较高。清河流域与老龙口流域相对位置如图1所示。

1.2 基础资料

综合洪涝模型的构建所需要的基础资料包括：地形数据、遥感影像、河道数据、排水设施数据资料，详见表1。基础资料主要来源于北京市第一次水务普查成果，针对排水设施、地形数据等通过专业勘测、实地调研等方式进行校核与完善，数据可靠且精度高。

图1 研究区概况Fig.1 Study areas

表1 老龙口流域基础资料Tab.1 Basic data of Laolongkou River Basin

1.3 模型构建依托软件

降落在城市地表的降雨需经过截留、地面填洼、渗透、直接产生地表径流，得到进入雨水口的地表径流。径流进入雨水管道同基流汇合，流过地下管网系统、辅助设施、溢流口等，最终进入受纳水体。本文针对城市河道汇流、管网汇流、地表漫流等多个过程开展联合模拟，采用英国Wallingford公司开发的城市流域综合排水模型InfoWorks ICM，完成模型构建和情景分析。InfoWorks ICM整合了城市排水管网系统模型和河道模型，采用一维和二维水动力学计算模型，通过模拟城市地上地下所有的雨水系统精确再现了排水系统中的所有水力路径。通过InfoWorks ICM软件平台，完成对管网、河网行洪能力的评估与积水风险分析。

2 模型构建

本文综合利用地形、河道、管网等资料开展洪涝模型构建，在排水基础资料补测、流域下垫面解译等预处理基础上，分别构建产流、管网汇流、河道汇流和地表漫流子模型，并对各个子模型进行耦合，形成综合化的城市洪涝模型。在此基础上利用设计水位和设计流量验证模型的合理性，并结合不同频率的设计暴雨开展多情景模拟分析，完成对管网中不同管段的排水负荷、河道行洪及区域内涝积水风险评估。数值模型构建流程如图2所示。

图2 基于InfoWorks ICM的老龙口流域综合洪涝模型Fig.2 The integrated flood model of the Laolongkou basin based on InfoWorks ICM

2.1 模型构建方法

根据上述所收集的资料(表1)利用Infoworks ICM软件构建老龙口流域洪涝数值模型，主要包括产流模型、河道汇流模型、管网汇流模型、地表漫流模型以及多模型集成耦合。

(1)产流模型构建。根据下垫面类型将研究区分为透水区域(绿地)和不透水区域(道路、建筑)。对于不透水区域采用固定径流系数法；透水区域采用Horton经验公式进行产流计算，主要参数取值参考《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(DB11/T969-2017)，如表2所示。

(2)管网汇流模型构建。基于构建的产流模型，在进行管网与附属设施信息整理、管网概化、拓扑关系构建、管网纵断面检查的基础上，利用泰森多边形法对研究区检查井开展汇水划分，共划分子集水区354个，面积介于30～467 270 m2。

(3)河道汇流模型构建。河道汇流模型构建主要包括数字化河道断面、河岸线、生成河岸连接。在此基础上逐一检验河网拓扑关系的一致性和协调性，最终完成河道汇流模型的构建。

表2 产流模型参数取值Tab.2 Main parameters of the runoff model

(4)地表漫流模型构建。基于构建的一维洪水模型，利用1∶2 000基准地形图及局部实测高程点构建地面模型。通过网格化，形成二维地表漫流模型，共生成4 931个三角网格，面积介于100～900 m2，平均面积563.68 m2。

(5)多过程模型耦合。多模型的耦合实现分别为管网模型、地表模型与河道模型三者的耦合。其中管网模型和地表模型耦合通过检查井进行，排水管网超过负荷漫溢出来的洪水会从检查井和雨水口溢流到地面依据地形行进，在低凹区域汇集造成内涝；管网模型与河道模型耦合采用雨水排口进行连接，排水管网系统收集雨水，排放到河道中，引起河道水位的上涨，同时，上涨的河水会阻碍排水管网中水量的排放，相互作用，相互影响；河道模型与地表漫流模型耦合方式通过河岸边界侧向连接来实现，当河道中的水量超过河道的输送能力时，水就会从河岸较低处，沿着河岸溢流到地面，随后沿着地势行进，从较为低洼的地方又流回到河道系统中来。经过上述流程构建的老龙口流域综合洪涝模型概化如图3所示。

图3 老龙口流域综合洪涝模型概化图Fig.3 Generalized flood map model of Laolongkou watershed

2.2 模型合理性分析

由于研究区缺乏实测降雨径流资料，因此采用河道沿线控制断面模拟水位和设计水位对比进行模型合理性分析，设计流量采用瞬时单位线推求，采用径流系数法扣除各时段入渗损失，根据《北京市水文手册》查询汇流参数n取值1.5，k取值0.67。采用20年一遇设计水位和设计流量对模型参数进行率定，用10年一遇设计水位和设计流量对模型进行验证，模拟水位和设计水位如图4(a)及表3所示，模拟流量与设计流量如图4(b)所示。流域出口模拟洪峰流量26.9 m3/s，设计流量28 m3/s，相对误差-3.93%，Nash系数0.83，峰现时间和流量过程基本一致；河道沿程23个断面模拟水位相对误差范围-0.53%～0.05%，平均相对误差-0.33% ，Nash系数0.81。由此看出，模型合理可靠，可用于开展城市内涝模拟。

图4 10年一遇设计值和模拟值对比Fig 4 Comparison of design values and analog values in 10-year rainfall

起点距断面水位/m设计水位/m相对误差/%1346.94646.95-0.015146.88146.91-0.069146.80546.86-0.1215346.70746.82-0.2420346.61146.76-0.3226446.48446.69-0.4433346.31246.63-0.6839846.07946.55-1.0145146.19746.49-0.6350146.16946.43-0.5655345.96446.27-0.6665445.8546.08-0.5070345.87646.02-0.3175345.83545.98-0.3280345.7945.96-0.3785445.74745.9-0.3393245.67945.78-0.2299745.69945.72-0.051 08045.6645.6601 09745.66745.67-0.011 12645.65145.67-0.04

3 情景模拟与分析

3.1 暴雨情景设置

分析城市内涝发生原因，一般认为短历时强降雨是造成城市内涝的气象因素，而地下管网排水能力强弱才是造成内涝的主要因素。加之目前暴雨预警和应急响应中主要根据最大1 h和最大6 h的降雨阈值指标进行确定，考虑到短临近期降雨预报成果相比于长期的降雨预报成果精度更高，因此根据防汛应急管理的需求，本文分析管网排水能力和内涝积水采用短历时设计暴雨。由于河道汇水范围广、时间长，分析河道行洪能力常采用长历时设计暴雨。

短历时(T=1 h)不同重现期(1年、3年、5年、10年)和长历时(T=24 h)不同重现期(5、10、20、50 a)设计暴雨量根据北京地方标准《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》中暴雨强度公式推求，见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：q是设计暴雨强度，L/(s·hm2)；t是设计降雨历时，min；P是设计重现期，a。

设计雨型依据我国《给水排水设计手册》推荐使用的芝加哥雨型进行降雨过程的时程分配，结合北京地区降雨特征雨峰系数取值为0.167。

长历时和短历时暴雨情景设置如表4所示，设计暴雨过程分别如图5(a)、图5(b)所示，。

表4 暴雨情景设置Tab.4 Design rainfall settings

3.2 情景模拟与分析

3.2.1 雨水管网排水能力分析

雨水管网排水能力分析情景设置采用短历时(T=1 h)设计暴雨过程。将不同重现期设计暴雨过程作为输入模拟分析不同重现期条件下老龙口流域管网运行能力，逐段分析不同情景下管网的负载状态，用负荷等级S对管网排水能力进行评估，其中Ⅰ级(S<1)表明管道处于非满重力流状态；Ⅱ级(S=1)表明管道处于压力流状态，并且水力坡度<管线坡度；Ⅲ级(S=2)表明管道处于压力流状态，并且水力坡度>管线坡度。管道排水能力评估的标准：S<1，认为管线达到输入降雨重现期的排水标准；否则，S≥1，认为管线不达标。结果如图6所示。

图5 不同重现期设计暴雨过程Fig.5 Designing rainfall processes in different return periods

通过图5和模拟计算结果可得：从1年一遇到10年一遇暴雨情景下，老龙口流域达标管段数量从159段减小到42段，达标比例从46%减小到12%；不达标管段数量从189段增加到306段，不达标比例由54%增加到88%。其中1年一遇暴雨情景下，不达标管段多集中于京密引水渠上游旁道路主干管及大学等建筑密集区；当设计暴雨从3年一遇增加到10年一遇时，整个京密引水渠主干管几乎不达标，比例由22%增加到45%，增加了 23%。同时，建筑区的不达标管段也扩张至下游流域。

图6 老龙口流域不同重现期设计暴雨管网负荷能力Fig.6 Design of storm pipe network load capacity in different return periods of Laolongkou Watershed

综合不同重现期模拟的负荷情况，可以得到区域雨水管网的排水能力(图7)。评估管段总长度为13.24 km，其中低于1年一遇的管网长度6.97 km，约占53%；排水标准达到1～3年一遇的管网长3.44 km，约占26%；排水标准达到3～5年一遇的管网长度0.42 km，约占3%；排水标准达到5～10年一遇的管网长度0.51 km，约占4%；排水能力高于10年一遇标准的管网长度1.90 km，占14%。进一步根据《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(DB11/T 969-2016)要求城镇一般地区雨水管网设计标准不低于3年一遇，老龙口流域雨水管网不达标率高达79%，雨水管网建设标准偏低。

图7 老龙口流域管网排水能力Fig.7 Pipe network drainage capacity of Laolongkou watershed

3.2.2 河道行洪能力分析

河道行洪能力计算分析采用长历时(T=24 h)设计暴雨过程。将不同重现期设计暴雨过程作为输入模拟分析不同重现期条件下老龙口流域出口流量过程、河道各控制断面水位以及雨水排口顶、底高程与河岸左右岸堤防高程的关系，逐段分析河道的过流能力，结果如图8和表5所示。

由图8可知，以老龙口流域5、10、20、50 a一遇24 h设计降雨过程为模型输入条件提取不同模拟结果下的老龙口流域排洪沟关键控制断面最大水位与左右岸高程信息，分析三者关系：最高水位从46.77 m增至47.19 m，不同重现期下的河道水位均未超过左右岸高程。由图8和表4可以看出，沿河11个排水口底高程44.42～45.39 m，顶高程46.41～48.14 m，排水口底高程在5 a一遇设计降雨情景下均低于河道水位，对排水口造成一定的顶托，其中4个排水口淹没深度超过50%，占36.4%，顶托现象严重。底高程从5 a一遇至50 a一遇设计降雨河道水位超过管底高程由0.90 m增至1.14 m，50 a一遇时最大淹没深度达到1.93 m；顶高程距离河道水位平均距离由1.53 m减小至1.28 m，50 a一遇时最小距离仅为0.46 m。综上，老龙口排洪沟抵御暴雨洪水能力较强，河道现状行洪能力远高于50 a一遇洪水行洪要求，不会发生堤岸漫溢，但河道沿线排水口底高程设计普遍偏低，造成一定的顶托影响。

3.2.3 内涝积水分析

内涝积水分析情景设置采用短历时(T=1 h)设计暴雨过程。将不同重现期设计暴雨过程作为输入模拟分析不同重现期条件下老龙口流域内涝积水状况，分析积水点的位置、积水深度、积水范围。结果如图9所示。

通过图9和模拟计算结果可得：从1年一遇到10年一遇暴雨情景下，老龙口流域最大积水深度由0.75 m增加到1.47 m，最大积水面积由7.15 m2增加到899.15 m2，最大积水量由482.85 m3增加到944.28 m3，最大积水历时可达2.86 h。其中最大积水点集中在道路下凹桥、建筑区低洼处以及河道近90°拐弯处。

图8 不同重现期设计暴雨下水位沿程变化Fig.8 Changes in water level along the design of different return periods

表5 排水口高程信息 m

图9 老龙口流域不同重现期设计暴雨内涝积水深度Fig.9 Designing the depth of water in the rainstorm during the different return period of the Laolongkou watershed

3.3 内涝原因综合诊断

造成城市内涝的原因往往是包含水文气象、管网、局部微地形、河道行洪能力等在内的多因素共同作用的结果[18]。老龙口流域地处北京市城区北部，受高城镇化水平影响，“雨岛效应”显著，易引发极端暴雨事件，加之该流域不透水率高达64.57%，致使下垫面对雨水的调蓄能力降低，多余的雨水只能依靠管网排出。然而流域管网建设标准较低，不满足设计标准，同时随着新建区的建成发展，超出了原来规划管网排水标准，实际排水量大于规划排水量，导致规划标准不能满足现状实际排水需求。另外，流域部分单位污水排放侵占管道，造成雨期管网超负荷运行。对于老龙口排洪沟河道来说，其行洪能力远高于50 a一遇洪水行洪要求，不会发生堤岸漫溢，但河道沿线排水口底高程设计普遍偏低，雨期河道水位上涨较高超过上游排水口形成顶托从而妨碍管网洪水的排放，加重内涝。同时，经前期走访调查发现，附近居民将过量的生活垃圾和建筑垃圾倒入河道，加重河道淤积，使得行洪断面缩窄，排水能力降低。另外区域内的下凹桥、建筑低洼处等局部地势较低微地形通常致使降雨和检查井漫溢出的雨水无法顺利汇流至下游受纳水体，是内涝积水易发点。

4 结论与展望

本文以北京市清河内典型流域老龙口为例，分别构建降雨-产流、管网汇流、河道汇流与地表漫流模型，并耦合形成精细化综合洪涝模型。在此基础上模拟不同暴雨情景下的管网排水状态、河道行洪与地表漫流过程。综合管网排水、河道行洪和内涝积水的模拟结果结论如下：

(1)管网排水能力评估：流域雨水管线低于1年一遇长6.97 km，占总长度的53%，管网排水能力较低，管网不达标率高达79%。

(2)河道行洪能力评估：老龙口排洪沟抵御暴雨洪水能力较强，河道现状行洪能力高于50 a一遇洪水行洪要求，不会发生堤岸漫溢，但河道沿线排水口底高程设计普遍偏低，造成一定的顶托现象。

(3)内涝积水评估：设计暴雨重现期从1 a一遇增加至10 a一遇，老龙口流域最大积水深度由0.75 m增加到1.47 m，最大积水面积由7.15 m2增加到899.15 m2，最大积水量由482.85 m3增加到944.28 m3，最大积水历时可达2.86 h。最大积水点主要集中在道路下凹桥、建筑区低洼处以及河道近90°拐弯处。

(4)内涝原因诊断：流域内涝积水的因素是下垫面不透水比例高、管网排水能力弱、局部低洼微地形、河道水位顶托排水口及局地强降雨等共同作用的结果。

(5)建议与展望：通过多视角原因分析为城市洪涝问题改善提出建议：基于调查建立内涝积水台账，划分积水区危险等级，暴雨期对高危险区进行实时监控预警，及时抽排积水；智能调控行洪河道水位，以免造成河道排水口顶托现象发生；进行雨水管网改造，提高干管的设计标准；针对典型积水区域进行海绵城市改造，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”全方位改善城市内涝。本文基于实地调研和InfoWorks ICM模拟结果，初步分析了老龙口流域内涝积水原因，未来可通过单因子变动模拟和多因子联动模拟分析，以及空间统计方法等定量分析各个因素和内涝积水的关系，明确洪涝积水影响因素的主次关系，为区域内涝改善提供参考。