城市河网密集区内涝风险综合评价研究

聂俊坤

(1. 北京市城市规划设计研究院，北京 100045；2.北京市城规技术服务中心，北京 100045)

城市河网密集区河湖水系交错密布，人口集聚且土地开发利用强度较高，该类区域通常由城镇雨水排水管网系统与排水河网共同承担排水除涝任务。针对城市排水河道与雨水管网的规划设计，通常可分别基于水量平衡原理以及恒定均匀流公式进行计算评估[1- 2]。然而，受限于河网密集区地势低洼易涝等河道排水边界条件制约，传统恒定均匀流公式无法有效综合评价该类区域雨水管网系统排水效率并辨识内涝风险。同时，综合考虑城市下垫面特征、市政排水管网以及排水河道等因素构建数值耦合模型逐步应用于实践，但受限于复杂的模型基础数据需求，造成该类耦合模型常无法直接指导排水除涝规划设计工作。近年来，相关学者针对城市内涝与排水系统评估开展了一系列有益研究[3- 5]，然而针对河网密集区雨水排除系统与内涝风险实施综合评价仍需深入研究。因此，为了综合评价河网密集区多排水工况下雨水管网系统排水能力与城市内涝风险，有必要构建雨水管网与排水河网耦合模型，评价区域雨水管网系统能力并辨识内涝风险，以期对河网密集区排水防涝规划设计提供决策依据。

1 雨水管网与河网耦合模型构建

研究分别基于Mike21、Mike Urban以及Mike11模型构建城镇下垫面、市政排水管网以及排水河网系统数值模型，同时基于Mike Flood耦合上述模型，构建河网密集区雨水管网与河网系统耦合模型。所构建耦合模型综合考虑地表产汇流、管道动态汇流、管网漫溢以及河道排水边界条件变化等因素，可定量描述河网密集区城市雨水管网系统与排水河道对区域内涝产生的影响作用。

1.1 研究区概况

选取我国某城市河网密集区为研究对象，研究区处于城市排水尾端且河网水系密布，区域易因超标雨洪或排水不畅诱发城市内涝问题。研究范围内共有市政排水河道与各类排水渠系33条，水面率约为3.41%，区域内雨水地表径流基本以重力流方式通过雨水管网汇入河道，所选区域具有城市河网密集区典型代表特征。研究区因地势整体相对低洼，部分雨水管道通过淹没出流方式排入河道，下凹桥以及低洼建设区内的积水通过排涝泵站强排入河，区域排水防涝条件不佳。区域内共有排涝泵站9座，河道内排涝水位通过闸门与泵站联合控制。因此，有必要通过分析区域雨水管网系统能力，综合辨识研究区内涝风险。

1.2 模型构建

1.2.1地面漫流模型构建

采用研究区地形DEM高程基础数据，结合区域建设区、市政道路、农田绿地以及水域等模拟计算要素，基于Mike21模型对区域下垫面进行高程点插补与地形网格划分，划分网格采用5m×5m精度。同时，通过校核实测高程与规划标高，对异常竖向高程实施匹配修整，从而构建低洼区二维地面漫流模型。

1.2.2雨水管网系统模型构建

采用城市雨水管网GIS数据以及区域雨水管网普查数据，结合雨水管网竖向标高、检查井以及管道尺寸等空间高程数据，依据流域下垫面特征及雨水管网拓扑结构划分雨水汇流子流域，在考虑区域入河排水口、雨水检查井以及管网系统结构基础上构建雨水管网Mike Urban数值模型[6]。研究区排水管网模型共概化为178个入河排水口以及2920个雨水检查井。

1.2.3河网系统模型构建

结合实地调研查勘、区域河湖水系规划设计资料以及水系普查结果，考虑河道水系长度、河网结构、水工构筑物以及断面形式等因素，构建排水河网系统Mike11模拟模型，综合考察等排水河道行洪流量、洪水位等数据指标，评估河网系统排水条件[7]。研究区河网模型共概化为172个洪水位模拟高程点、125个洪峰流量模拟点以及11座河道泵站闸门。

1.2.4模型参数选取

基于Mike Urban针对城市排水管网进行模拟主要涵盖管道以及地表径流计算，其中地表径流模拟可作为管道水力计算的边界水力条件。管道水力模拟中管网糙率取值为0.012～0.015，河网水力模拟河道糙率取值为0.025。地表汇流模拟水力衰减系数设置为0.8，地表径流平均速率设置为0.2m/s，水头损失系数设置为0.001m。依据GB50014—2006《室外排水设计规范》相关规定[8]，设置相应下垫面不透水率范围为20%～75%。曼宁系数依据管网不同材质分别设定为75～85，计算时间步长取值范围为5～20s，水力黏滞系数取1.0，地表干湿水深取值范围为0.01～0.03m。

1.2.5模型精度率定

针对构建的雨水管网与河网耦合模型，结合历史调查内涝积水情况进行精度校准与参数率定。同时，综合对比经验推理公式与模型在内涝风险、雨水管网系统能力评价中的差异性，从而验证构建耦合模型准确性与适用性[9]。研究选取2018年7月某场强降雨历程，该次降雨历时约为22h，日累计降雨量约为75mm，该场降雨造成研究区局部道路与建设用地内涝积水。内涝积水点模拟结果与实地调研记录情况基本吻合，构建耦合模型可满足模拟需求。

2 模型应用与分析

2.1 雨水管网系统排水能力综合评价

2.1.1评价原理与方法

基于构建模型与传统恒定均匀流公式综合评价研究区雨水管网系统排水能力。其中，采用模型评价应首先辨别排水管网为淹没出流或自由出流边界，同时采用雨水检查井溢流以及管道满管情形作为判别依据，即需要模拟分析四种管网排水工况条件：①雨水检查井溢流且管网下游淹没出流；②管道满管且管网下游淹没出流；③雨水检查井溢流且管网下游自由出流；④管道满管且管网下游自由出流，即该种工况与传统恒定均匀流公式计算条件相似[10]。此外，基于传统恒定均匀流公式评估管网排水工况时，以排水管道为满管恒定均匀流及管道纵坡与水力坡降相同作为计算条件，以管道设计过流能力不小于实际过流能力作为排水能力复核标准，基于该公式推求管网排水能力无法有效考虑下游河道水位顶托影响[11]。

2.1.2边界约束条件

(1)降雨条件

通过分析研究区所处暴雨分区以及汇水面积，设计降雨基于暴雨强度公式进行推求：

Q=1602(1+1.037lgP)/(t+11.593)0.681

(1)

式中，Q—研究区设计暴雨强度，L/(s·hm2)；t—场降雨历时，min；P—设计重现期，年。设计雨型依据研究区典型实测降雨资料采用同频率放大计算得出，管道系统设计重现期选取为1、2、3、5年一遇，降雨历时选取为180min。

(2)河道边界

结合研究区河道规划设计标准，综合对比区域河网规划设计水位以及雨水管网入河排水口高程，研究区多数河道20年一遇设计洪水位淹没雨水管道出口内顶，造成区域雨水管网系统普遍处于淹没出流工况。因此，基于构建模型评价区域雨水管网系统排水能力，采用河道20年一遇规划设计洪水位高程作为管网排水下游控制水位。

2.1.3评价结果与影响因素

综合对比采用模型与传统恒定均匀流公式计算结果，研究区现状雨水管网系统排水能力评价结果见表1。

表1 研究区雨水管网系统排水能力综合对比评价

由表1可知，在雨水检查井溢流且管网下游淹没出流、管道满管且管网下游淹没出流、雨水检查井溢流且管网下游自由出流、管道满管且管网下游自由出流四种不同工况下，满足研究区2年一遇规划设计标准的雨水管网系统排水能力达标率分别为18.78%、8.45%、27.14%、16.54%。当雨水管网系统入河下游出流边界条件一致时，雨水检查井溢流工况较管道满管出流工况可显著提升雨水管网系统排水能力约10%左右，上述排水能力差异主要是由于规划设计满管无压流与实际管网压力出流管道流态不同所造成。因此，研究区雨水管网系统可在一定压力出流边界条件下，满足管网排水能力并保障区域地表不漫溢积水。此外，当雨水检查井溢流或管道漫流条件一致时，雨水管道自由出流相较于淹没出流，有助于提升管网系统排水能力约8%左右。综合对比模型模拟工况四与传统恒定均匀流公式计算结果可知，两者在不同设计频率下的雨水管网系统排水能力差异性低于7%，表明所构建模型在评价雨水管网系统排水能力时具有较高模拟精度与适用性。由上述各工况管网排水能力评价结果可知，研究区在满足2年一遇规划设计标准下的管网系统排水能力达标率均低于30%，区域雨水管网排水能力严重不足。

2.2 内涝风险综合评价

2.2.1评价原理与方法

基于构建的雨水管网与河网耦合模型，模拟研究区在规划设计防涝标准下河道行洪水位、区域地表积水面积，辨识设计降雨下区域河网与雨水管网内涝积水风险时空分布特征。同时，针对河网密集区推求排涝流量，应依据不同下垫面用地类型以及降雨过程逐时计算产汇流量。若计算时段区域产流量小于雨水管网排除能力，则区域内降雨产流将会及时排除；若计算时段区域产流量大于雨水管网排除能力，则将会造成区域地表积水；若区域汇流量等于雨水管网排除能力，则产汇流量之间的差值将会于下个计算时段由管网排除。同时，基于水量平衡原理推求研究区地表积水量以及河网系统调蓄量，通过对比构建耦合模型模拟结果辨识区域内涝成因。

2.2.2降雨边界条件

研究区防涝标准采用50年一遇设计，采用DB11/T969—2016《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》[12]最大24h暴雨雨型，50年一遇设计24h降雨时程分配如图1所示。

图1 研究区50年一遇24降雨量设计雨型

2.2.3评价结果与致涝成因辨识

基于构建数值模型与水量平衡原理，针对研究区不同雨水管网系统排水工况综合评价区域内涝风险见表2。

表2 研究区不同雨水管网系统排水工况下内涝风险综合评价

由表2可知，综合对比排水管网规划设计重现期P=1时模型与水量平衡原理评价结果，上述方法计算河道行洪水位深差值小于0.1m，区域地表内涝积水平均深度计算差值小于0.03m，表明构建雨水管网-河网耦合模型与水量平衡原理内涝评价较一致，即水量平衡原理适用于河网密集区内涝风险评价。当排水管网系统规划设计重现期为1年一遇时，基于水量平衡原理计算所得流域河道行洪水位深可控制在2.40m左右，该重现期下雨水管网系统对流域汇流至河道内洪峰流量削减显著，但造成地表产生较深溢流积水，即该重现期时研究区内涝致灾风险源于区域雨水管网系统排水能力低下。当排水管网系统规划设计重现期由1年一遇逐步提升至5年一遇时，流域排水河道洪峰水位深逐步上升且地表溢流积水深度逐步降低，区域地表积水深下降与河道行洪水位深上升均呈减缓趋势。此时，研究区河道行洪水位普遍超过20年一遇规划设计洪水位高程，即区域内涝致灾风险源于排水河道系统蓄泄功能不足，造成研究区河网水位过高且排水管网系统出流条件不佳。因此，研究区应提升区域雨水管网系统治理标准与河道蓄泄功能，从而有效削减区域内涝发生风险。

3 结语

城市河网密集区排水防涝规划治理特征显著，构建雨水管网与河网耦合模型适用于城市河网密集区排水管网系统能力综合评价，结合耦合模型与水量平衡原理可揭示区域多工况下内涝风险，有助于该类区域内涝灾害预警与防涝措施评估。雨水管网系统排水能力与河网蓄泄能力不足是导致城市河网密集区发生内涝灾害的重要致灾原因。此外，城市河网密集区内涝防治应选取适宜该类区域洪涝特征的标准与思路，应综合考虑城市竖向合理规划布置排水河道与雨水管网系统，同时针对局部低洼易涝点可采取设置防倒灌闸门、泵站强排等措施强化防涝除涝效果。