耦合市政排水管网的城区河道洪水过程模拟

资 强,屈振宇, 杨仲韬，燕家琪

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司， 天津 300110; 2.天津建昌环保股份有限公司，天津 300110)

近年来，我国大中型城市内涝频发，“城市看海”现象屡见不鲜。住房和城乡建设部2010年对351个城市进行的专项调研结果显示，2008—2010年，全国有62%的城市发生过城市内涝，给民众造成了严重的生命财产损失。

引起城市内涝的原因有很多，其中一个重要的原因就是城市河道排水不畅，对雨水管网顶托，造成内涝。因此，城区河道建设是构建城市排水防涝体系的重要环节。传统的河道水文计算一般按照各地的水文计算手册中推荐的计算方法，如推理公式法、瞬时单位线法等。计算时，一般先根据地形的分水岭确定河道的汇水范围，然后对河道进行分段计算河道的设计流量。该方法一般适用于汇水区域较大的河道，对于城市内部河道，是不太适合的。主要原因如下：

(1)该方法的基础数据均基于天然地面产汇流过程，而城区内雨水经过市政管网收集后经管道排口或泵站以点状出流的形式排入河道。河道产汇流过程较建设前发生了很大的变化。

城区内的排涝河道的汇流特征与排水管网的布置情况息息相关。市政排水主管道的布置方式、排放口的位置、排放方式对城市河道的汇流过程影响巨大。传统的以河道断面控制的流域面积为基础的水文计算方法，无法反映市政排水设施的布置对城市河道水文过程的影响。

(2)该方法的计算参数一般是由水文测站的数据根据经验公式拟合得到的，而与水文测站对应的汇水区的流域面积大小、下垫面情况均与城市内部河道有很大的差别。

(3)由于建设有排水管道，使得河道的实际汇水范围与传统意义上由地形所决定的汇水范围往往不一致，也会影响河道洪水的计算。

(4)该方法割裂了河道与管网之间的联系，不能反映管网入流与河道水位之间的相互作用。

基于以上因素，传统的河道水文计算方法，无法满足城市河道精细化设计和管理的需求。为了更系统和科学地分析城市河道排水过程的变化规律，提高城市排水设施建设和管理水平，在河道设计过程中，构建耦合城市排水管网的河道水力模型进行模拟计算就显得尤为重要。

1 耦合市政排水管网的城区河道模拟方法

在建模过程中，将市政排水管网与河道关联主要有两种途径。一种是将各雨水排放的流量过程线作为排放口所在河道断面的集中入流来实现。该方法在河道与管网采用不同的软件模拟时经常使用。但该方法割裂了管网与河道之间的相互作用，模拟管网的时候未能考虑河道水位对管网的顶托，适用于雨水管道能自由出流的情况。

第二种方法就是市政排水管网与河道直接耦合，即构建一个包含市政管网和城区河道的模型，直接模拟降雨经管网收集后汇入河道的城市水文过程。该方法能够考虑管网与河道之间的相互作用，可动态模拟河道水位对雨水管网的顶托以及管道排水对河道水位的影响，适用条件更为广泛。

Infoworks ICM 软件能够很方便地将市政排水管网和城区河道进行耦合计算，还能够实现一维管网、河道和二维地形之间的耦合。不仅能够动态模拟降雨在地面漫流和在管网及河道中的转输过程，还能体现城市河道淹水范围、淹水深度的变化，分析河道水位对城市内涝的影响。同时Infoworks ICM具有友好的用户界面、强大的后处理功能。鉴于这些特点，本文采用Infoworks ICM进行耦合市政排水管网的城市河道模型构建。

2 模型构建与模拟条件

2.1 耦合市政排水管网的城市河道建模

以滕州高铁新区小洪河为例，构建耦合市政排水管网的城市河道水力模型。

滕州市高铁新区小洪河发源于磨坑东南虎山北麓，流经东沙河镇高铁新区，于万年庄村西300m汇入郭河，是郭河支流，全长6.2km。小洪河上游为山区，地形坡度较大，经过高铁新区城区段后，河道坡度逐渐变缓，河道干流平均坡度4.31‰。河道设计防洪标准为20年一遇，河道设计宽度20～25m。为满足景观蓄水要求，沿途需设置5处拦河坝。

(1)初步确定河道汇水范围

利用ArcGIS对地形图进行处理后，提取出小洪河流域分界限，从而得到地面漫流的河道汇水范围。

(2)河道汇水范围修正

由于城区段规划有雨水管网，受管道布置情况影响，河道的实际汇水范围在城区段将会发生变化，因此需要结合管网布置情况对划定的河道汇水范围进行修正。剔除原汇水分区中直接排入郭河和城区西部凤凰湖的雨水管道的汇水范围。修正后小洪河实际汇水范围如图1所示，汇水范围约14.2km2.

图1 修正后小洪河实际汇水范围

(3)构建管网、河道耦合模型

构建小洪河汇水范围内的雨水管网和河道的一维模型如图2所示。管网的管径、标高等信息均采用雨水规划数据。模型共包含180个雨水检查井、25个雨水排口、205个雨水管段，总长度37.57km。河道数据采用河道的设计断面和坡度。模型共包含139个河段、144个河道节点，总长6.95km。

图2 市政排水管网和河道耦合模型

(4)子集水区划分

根据规划地形和规划雨水管网布置情况对汇水区域进行划分。对于城区段，由于地形较为平坦，雨水管道较为密集，采用泰森多边形法进行划分。南部山区段，由于地形变化较大，且没有市政管道，水流沿地面漫流进入河道，改区域根据地形情况进行划分。总共划分了187个排子集水区，划分结果如图3所示。

图3 子集水区划分结果图

2.2 降雨条件设置

根据滕州水文站、山亭雨量站的暴雨资料，经排序整理和频率分析计算后求出不同频率下的24h设计暴雨量，并按照典型降雨过程对降雨进行时程分配得到不同频率下的降雨过程线如图4所示。

图4 不同频率下长历时降雨过程线

2.3 水文水动力模拟

结合汇水区域现状下垫面情况及城区规划用地性质，对各子集水区设置相应的水文模拟参数。对于透水地面的降雨产流采用Horton法，不透水地面的降雨产流采用SCS曲线法，地面汇流采用SWMM Runoff非线性水库法。根据规划用地中下垫面的透水和不透水百分比估计，模拟降雨和产汇流过程。

管网和河道的水动力模拟采用动力波法差分离散型圣·维南方程组进行迭代计算，考虑浅水非恒定流的所有项，动态模拟重力流、压力流、逆向流、回水对上游水流的影响。

2.4 模拟结果分析

采用非恒定流的计算方法，求解圣·维南方程组，计算得20年一遇降雨情况下，河道最大水位纵断面图如图5所示。从图中可以看出，在河道的上游，由于坡度较大，水深较小，流速较大。河道下游坡度逐渐变小，水深逐渐增大。在设置拦河坝的部位，水位发生了突变。拦河坝的上游水位变化较为平缓，这是由于受拦河坝回水范围的影响，上游水位被抬升。在河道下游河段，河道底坡较为平缓，河道水深变化较小。这是由于下游段汇入河道的汇水区域较小(如图3所示)，管道汇水量对河道总流量的贡献较小。河道在城区下游段，由于河道断面、底坡均保持不变，排入的雨水流量很小，水流近似呈现恒定均匀流的特性，水面线与河底线近似平行。

下面以桩号K1+450～K1+350河段流量过程线(如图6所示)为例，分析城区段河道流量过程。图中上部条状图是降雨过程线，下面部分两条线为流过该河段的流量过程线。其中绿色线(US)为从河段上游流入河段的流量过程线，棕色线(DS)为从河段下游流出河段的流量过程线。两者之差就是该河段沿途汇入的城区雨水量。从图中可以看出，在起始阶段，降雨很小时，河道内没有流量。随着降雨过程的持续和降雨量的增加，河道内流量逐渐增加。河道内流量的增长总是滞后于降雨量的增长。河道流量的峰值滞后于降雨峰值。这是因为从降雨到在河道内产生径流，需要经过雨水在地面产流，并沿地面进行坡面汇流，经雨水口进入管道，

图5 20年一遇河道最大水位纵断面图

并在管道内行进最终排入河道形成河道流量，这需要时间。

同时，我们也可以看出，流出河道的流量过程线的峰值要比流入河道的大。这是由于在河道沿线有雨水管道的汇入，二者流量叠加，使得流出河道的流量比流入的流量要大。

图6 河道城区段典型流量过程线

在计算时段内河道各断面的最高水位的连线就是设计重现期下的河道最高水位包络线，该包络线可作为确定堤顶高程的依据。

3 结语

本文以小洪河为例，简述了耦合市政管网的城市河道洪水分析建模过程，并构建了耦合城区管网的小洪河模型，根据市政管道的收水范围对河道的汇水区域进行了修正。模型考虑了城区河道水位与市政管网排水之间的相互作用，模拟了城市产流、管网汇流与城市河道的水力过程，计算结果更加符合实际。计算成果可作为河道设计、城市防洪管理的依据。

受条件限制，本文构建的模型是基于规划的河道断面和规划的雨水管网，地块的产流过程模拟是根据规划用地属性选择的经验参数，未进行参数率定，这与最后实施完成的情况会存在一定的偏差。另外，本次降雨资料是基于水文站的降雨资料，水文站距离目标城区有一定的距离。另外城市建成后，由于城市热岛效应，城区的降雨特征与水文站所在的山区存在较大差异。这些均会导致模型计算结果与实际情况产生偏差。

因此，在进行城区河道设计时，应当在模拟计算的基础上，分析模型与实际可能存在的区别，避免因资料问题导致计算结果与实际偏差较大，影响河道的安全性。