结合地形因子的雨水管网结构概化方法及应用

2020-07-13马立山杨国丽张海平

河北建筑工程学院学报 2020年1期

张傲马立山杨国丽张海平

(河北建筑工程学院市政与环境工程系，河北张家口 075000)

0 引言

城市化显著改变城市下垫面与气象条件[1]，致使城市内涝频发.城市雨洪模型作为城市内涝研究的重要工具，可通过模拟降雨、汇流、收集、排放等过程对内涝进行分析、评价、预测、治理等研究，目前，现有城市雨洪建模技术以逐渐成熟，但仍存在不足指出，如管网概化与地形概化尚有优化之处.Rad[2]、Zhou[3]等人对多种管网方案进行比较后，发现管网结构设计对于缓解洪水灾害十分重要,Meierdiercks[4]用宽度函数定义了树枝型管网的结构后，发现雨水管网结构是影响汇流过程的关键因素，并指出部分情景下管网密度对洪峰洪峰流量的影响甚至大于不透水系数[5].但在实际建模过程中，受到模型的限制，部分雨水管网系统与部分建筑设施无法在模型中体现，地表模型与实际地貌存在误差，在缺少部分建筑设施干扰的情况下，可在模型中体现的管网结构不足以还原实际汇水过程，因此需对管网结构进行概化处理，使其符合模型输入要求且与实际管网作用更相近.传统的管网结构概化方法及其衍生方法：即根据管径大小控制保留主干管或结合道路[6-7]、规划资料[8]、汇水区[9]等因素确定主干管，只概化主干结构，雨水口均概化在市政道路上，居民小区等用地内部不进行管网及节点概化，概化后的管网结构在地表模型与实际地貌差别的影响下，无法体现原有作用.

吕恒[10]对单层排水系统与多层排水系统进行比较，指出道路等地表排水通道的概化对雨洪模型影响甚大，沈计[11]以宏观与微观相结合的方法划分汇水区，所划汇水区更接近实际汇水区.本研究借鉴宏观与微观相结合的思想划分汇水区，同时结合地表模型、土地利用、现状雨水工况等资料对现有管网结构概化方法进行优化，缩小城市雨洪模型排水过程与实际过程的差距.

1 研究区域与数据

研究区地处华北平原的南部、史河中游东岸，为三条接入史河的一级支流流域，地貌类型可分为丘陵、沉积台地、沙湾地三种，整个区域相对独立适合构建雨洪模型.该研究区域的下垫面组成较为复杂，本研究收集了该区的高分辨率下垫面空间数据源，并将该区域下垫面分为草地、水体、道路、建筑、裸地、林地等共六类.另从相关管理部门获取了市政排水主干管网、地形高程(5m*5m)、水文等数据资料，用来建立研究区雨洪模型.

2 构建城市雨洪模型

本研究选用Mike Flood模型.模拟过程：雨水降落至地表，经蓄水和入渗后，在单元格内形成地表产流，进而在单元格间形成地表汇流，产汇流通过雨水口流入管网进行管网汇流，最终通过管网出水口流向河道或处理厂，超过管网负荷的雨量通过地表漫流的方式排入河道或形成地表蓄水.整个模拟路径更符合城市汇水的实际情况.

2.1 地表概化

本研究依据实际地貌特点对研究区域划分独立排水区域，分区线为水流难以穿过的明渠河流、地势较高的高速路、地势较高的铁路.共将研究区共分为七个区，各区径流均通过雨水系统收集排入河流，排水情况相互独立.在城市雨洪模型中，地形高程模型(Digital Elevation Model,DEM)与实际地貌相差较大，需结合土地利用与排水分区情况对其进行修正，即概化地表.研究区域边界线、分区线、建筑等对汇流过程影响较大，需基于地理信息系统平台，对其所在栅格作提高处理，干扰径流的通过；道路为排洪的重要通道，需对其所在栅格进行降低处理，收集传输地表径流；复杂的尝试下垫面无法在DEM中体现，需对其进行透水性概化，即结合土地利用对下垫面进行参数化[12].修正后的DEM对水流的干扰及其透水性与实际地貌相近.

2.2 管网结构概化

本研究通过管网概化与地表模型耦合还原实际汇水过程，因此管网概化时需基于实际雨水管网保留其主干结构.市政雨水管网中，除雨水口及雨水口连接管外，其余主体管网部分在雨洪模型中均可体现，为减小模型与实际情况的误差，本研究保留全部可体现的市政雨水管网作为管网模型的主干结构.然后，结合集水流域信息与现状雨水工况对管网概化支管，即结合土地利用与实际雨水工况，参考地表模型与实际地貌的差别，将地块内的排水系统概化为市政管网的支管，通过概化后的管网与地表模型的耦合使模型的汇流与实际过程更接近.本研究通过田径场示意图阐述支管概化理念：

首先分析实际汇流过程，如图1a为田径场内现状雨水系统工况图，场内径流汇集到盲沟内，通过场内雨水管排入市政雨水管，场内雨水管网与盲沟构成场内雨水系统.再将从DEM提取的分水岭与现状雨水工况图进行重叠分析，如图1b所示，由于实际地貌与DEM有误差，田径场在模型内被分为A、B、C三部分，而盲沟和围墙无法在模型中体现，原有的场内管网结构在模型中，只能收集区域B内径流.然后概化支管，本研究将三个区域各概化一条管道为此区域服务，以枝状管网形式相接，按实际接入点接入市政雨水管，将人孔作为雨水口，并放于此支管所服务区域的中心的位置.如此，图1b所示管网结构可收集整个田径场内径流，符合实际汇流过程.对于没有被分水岭分割的地块，可直接概化一条支管，节点位置为地块中央的道路上.最后进行支管数据信息输入：概化后的支管信息选取其地块内实际排水系统的主干管信息为其赋值.

图1 支管概化示意图

2.3 汇水区划分

本研究的汇水区划分方法采用宏观与微观相结合的思想，首先利用D8算法对DEM提取水流向，划分集水流域，确定集水流域边界(分水岭).结合土地利用、集水流域、现状雨水工况等资料概化节点，依据节点通过泰森多边形法以排水分区边界为边界条件划分汇水区.节点概化过程如下：

管网概化中，将人孔概化为节点，且将节点作为地表与管网系统的水量交换通道(雨水口)，本研究依据节点采用泰森多边形进行汇水区划分，为减小汇水区对集水流域边界的破坏，本研究将支管上游节点布置在所对应汇水区域的中心位置的道路上，如此周围的径流在建筑的干扰下容易流入节点，且节点集水的范围与实际地块排水系统的集水范围更相近，支管下游节点概化在地块实际排水系统接入市政雨水管的位置，保证概化后，地块内径流雨水排入市政雨水管网的排入点与实际排入点相同，同时起到收集道路雨水的作用，使概化后管网更符合实际管网结构.市政雨水管上节点主要收集汇集到道路的径流，本研究在地表模型中以对市政道路所在栅格进行修正，因此市政雨水管上的节点概化在路口位置，即可起到收集道路径流的作用，同时防止此条道路的径流进入其他路段的节点，管网服务范围及结构与实际更接近.

2.4 概化后管网结构

图2 管网结构对比

本研究对有独立排水系统的地块，均按以上方法将其概化为支管与节点，对无排水系统的地块(如裸地)，遵循实际情况不进行概化.本研究概化后的管网特点以一独立的管网系统为例加以说明，如图2所示，a为本研究概化的管网结构，b为传统方法概化的管网结构.本研究在保留全部市政主干雨水管网的基础上，结合实际雨水工况、地形等因素，将各地块内的雨水系统概化为市政雨水管网的支管，相对传统方法概化后的管网较为密集，有排水系统的地块均有对应支管收集其径流，通过概化市政雨水支管保证市政雨水干管的服务范围，更符合实际雨水工况.

2.5 构建城市雨洪模型

本研究建立两个Mike Flood模型.(1)本研究模型：依据本研究概化后的管网数据建立管网模型(Mike Urban)与地表漫流模型(Mike 21)、河网模型(Mike 11)进行耦合连接，建立Mike Flood模型，以节点作为连接点.(2)主干模型：以传统方法概化管网，以泰森多边形划分汇水区，建立管网模型与地表漫流模型、河网模型进行耦合连接，建立Mike Flood模型，以节点作为连接点.

本研究降雨数据采用20年一遇24小时实测降雨数据，模型内降雨时间为2017/2/20 0:00-2017/2/21 0:00，除管网结构概化与汇水区划分部分，其余模型及参数均采用2018年靳帅国所建Mike Flood模型及参数[12].

3 结果对比

3.1 沿岗河断面流量对比

沿岗河为本研究区的主要泄洪通道，因此选用沿岗河(全长17 000 km)具有实测数据的四处主要断面(上游，6 023 km处、11 172.5 km处、12 684 km处、16 980 km处，下游)与模型模拟结果对比.本研究采用研究区上游沿岗河实测流量数据作为研究区内沿岗河的初始条件，如图3，由于6023断面前无支流接入，且距沿岗河距本研究区域的开端处很近，三方数据相差很小；11172.5、12684、16980三个断面，主干模型在洪峰时期模拟结果与实测数据误差较大，本研究模型更接近实测数据，其中，12684断面处，洪峰时期主干模型洪峰流量高于本研究模型模拟结果与实测数据，而12684下游16980断面处，主干模型洪峰流量低于本研究模型模拟结果与实测数据，洪峰流量与实际相差较大；由12684、16980断面可看出，主干模型与本研究模型的洪峰时间迟于实际洪峰时间，洪峰流量低于实际洪峰流量，且16980断面处表现更为显著.

通过洪峰对比可知：管网结构概化对雨水系统的洪峰与洪峰流量均有影响，只概化主干管(市政雨水管)的雨洪模型，会推迟洪峰削减洪峰流量，且排水系统越大越显著.在市政雨水管的基础上结合实际将各地块排水系统概化为市政雨水支管会对此问题有所突破，更符合实际排水过程.

图3 沿岗河断面T-Q曲线对比

3.2 管网系统出水口流量对比

本研就将图2所示两个管网系统的出水口流量与实测数据进行对比，分析评价管网结构对雨洪模型的影响，其实测数据为间隔60分钟的出水口实测流量所画折线图.如图4所示，主干模型与本研究模型、实测数据相差较大，本研究模型与实测数据较为接近，洪峰流量对比：主干模型洪峰流量比实测洪峰流量削减约50%，本研究模型洪峰流量与实测数据较为接近.洪峰时间对比：本研究模型、主干模型均与实测数据的洪峰来临时间相近.可见管网结构对管网系统的洪峰流量与排洪总量(洪量)影响较大，对洪峰时间影响较小.

图4 出水口-20T-Q曲线对比

经上述模拟结果对比后，本研究模型较为接近实际，接下来对主干、本研究两个雨洪模型进行对比，分析洪峰推迟及洪峰流量、洪量削减的原因.

3.3 水量平衡对比

Mike Urban水量平衡公式:径流量=管网传输量+管网系统蓄水量+其他；Mike Flood水量平衡公式：径流量=管网传输量+管网蓄水量+地表传输量(地表漫流量)+地表蓄水量(地表洼畜量)+其他.由于其他水量过小，且在本研究中为非研究重点，本研究对其忽略不计.通过对比水量平衡(排水过程)，分析管网结构对模型汇流的影响.

如表1，Z-URBAN代表主干结构的Mike Urban模拟结果,Z-FLOOD代表主干结构的Mike Flood模拟结果，B-URBAN代表本研究的Mike Urban模拟结果，B-FLOOD代表本研究的Mike Flood模拟结果.由Z-URBAN与Z-FLOOD可见，道路等地表排水通道在防洪排涝中具有重要的作用，单一的管网模拟，忽视了地表的作用，管网结构的概化对其排水总量的影响较小.由Z-FLOOD与B-FLOOD可见，管网结构概化对Mike Flood模拟中的排水过程影响较大，本研究管网的排水量相对主干管网的排水量增大，地表传输量与地表蓄水量减小.主要因为主干管网结构相对实际管网结构较为稀疏，受地形的干扰，部分地表径流无法流入管网系统，而沿道路或地表坡度等渠道以地表漫流的方式排入河道，导致地表传输量、地表蓄水量增大，管网传输量减小.

表1 水量平衡

3.4 指定流入量、非指定流入量模拟结果对比

汇水区划分时对栅格定义其指定的节点，径流通过指定节点进入管网，即为指定流入(Specified inflows)，受地表模型的干扰，部分径流通过非指定节点进入管网，为非指定流入(Non-specified inflows).主干模型的汇水区划分时，由于管网较为稀疏，难以结合地型，仅采用几何方法划分，因此其汇水区不能代表实际汇水区，而本研究模型汇水区依据实际汇流过程所划，与实际汇水区更接近.本研究通过对比汇水区与模型汇流过程的区别，验证模型汇流过程的正确性，并进一步分析管网结构对汇流过程影响的机理.

图5 指定流入量对比

如图5所示，主干模型指定流入量为38%，非指定个流入量为62%，本研究模型指定流入量为79%，有明显的提高.主要因为主干管网结构较为稀疏，汇水区面积较大，地形对水流方向影响较大，部分径流不能流入指定节点，即主干模型不能体现管网的实际服务范围；本研究模型在主干结构模型的基础上，结合地表模型对管网结构进行概化，减小地形对汇水过程的影响，使划分的汇水区与模型汇流过程相吻合，由于本研究汇水区划分与实际汇水区相近，因此可进一步证明本研究模型汇水过程的准确性.

如表1、图5所示，管网排水量相差较大，主要因为模型在没有围墙等设施的干扰下，主干管网不能收集指定区域的径流，所以管网排水量较小，而本研究根据实际情况结合地表模型，对小区等地块内排水系统概化为市政雨水管网的支管，即使在没有围墙等设施的干扰下，依然能通过概化管网结构与概化地表模型的配合将指定区域的径流收集到指定的市政干管，还原了管网的实际作用与服务范围.

4 分析讨论

4.1 对河网洪峰推迟及洪峰流量削减问题进行分析讨论

沿岗河结果分析、出水口结果分析、指定流入量结果分析均可证明本研究模型的准确性.由水量平衡分析对比可看出：管网结构概化对雨洪模型的排洪过程影响较大.主干模型中，部分需要通过管网汇流排入河道的雨水通过地表漫流的方式排入河道，由于管道粗糙系数小于地表粗糙系数，且地表模型对地表径流干扰较大，因此地表漫流的排水方式比管网汇流的排水方式要慢，而主干模型中地表漫流量大，管网汇流量小.因此降雨高峰期时，主干模型中，小部分雨水通过管网快速传输到河道，大部分雨水通过径流的方式较慢的排入河道，与实际对比，大部分雨不能快速集中排入河道，导致洪峰推迟，洪峰流量减小，且排水系统越大越明显.

4.2 对管网系统洪峰流量及洪量削减问题进行分析讨论

由水量平衡分析及指定流入量分析可知，主干雨水管网在地表模型与实际地貌误差的影响下，会缩小管网服务范围，不能完全体现原有的管网作用，雨水干管结构较为稀疏，在没有支管的作用下，无法收集其实际服务范围内的雨水，因此，主干模型出水口的洪峰流量及洪量均与实际相差较大.由于出水口结果分析中仅涉及管网汇水过程，不涉及地表漫流排水过程，因此洪峰来临时间影响不大.

4.3 本研究对断面流量异常问题进行分析讨论

由于主干模型未对地块内雨水系统进行概化，导致市政雨水主干管在无围墙等下垫面干扰下，无法收集原服务区域的雨水，模型运行时，沿河地块内，本该随雨水管网排入下游河道的部分雨水，就近通过地表漫流的方式流入出水口的上游河道，导致12684断面流量比实际流量大，其上游11752断面处在洪峰时期，流量较小，甚至停滞，在12684断面排水压力减小时，11752断面将积存的流量迅速排出，此时流量大雨实测流量.本研究通过将小区的地块内雨水系统概化为市政雨水支管的方式与地表模型配合，使概化后的管网在地表模型中仍能体现实际汇流，因此误差较小.