城区防洪排涝模型在镇江市的应用

高焕芝，洪 涛，陈 凯，秦建平

（1.镇江市工程勘测设计研究院，江苏镇江212003；2.南京慧水软件科技有限公司，江苏南京210000）

0 引 言

在城区管道排水数字化模拟方面，国内外目前已有许多较为成熟软件，如SWMM、STORM、MOUSE、HydroWorks 等，大量地应用于实际的城市排水系统模拟中。有学者利用RisUrSim模型模拟了德国Kaiserslautern的城市排水，利用MOUSE模型模拟了曼谷Sukhumvit 小流域的城市排水［1］，Drew Mihoeko 等［2］建立了费城城区的排水管理系统。但在模拟城市大范围排水管网或地表积水等情况的实际应用时，这些软件都因无法实现区域淹没可视化而显得不够完美。解以扬等［3］创建了城市暴雨内涝数学模型，并通过天津、南京、南昌3个城市的暴雨过程进行验证。仇劲卫等［4］将城市洪涝模拟与气象预报监测结合，对天津市暴雨内涝情景进行了模拟验证。耿艳芬［5］将地表径流模型和排水管网模型相联系，形成一、二维相耦合的城市雨洪模型，但对排水地下管网与城市防洪大河网水系之间关联关系重视不够。本文着重对此加以改进，将镇江市城市水文水动力模型与城市雨洪模型进行耦合，建立城区防洪排涝模型，并应用于镇江城市典型片区江滨片区。

1 城区防洪排涝模型介绍

1.1 城区汇水零维区域及积水模拟

城市水文单元，作为一个独立的城市汇水区域，其间地形起伏不平，在地势低洼的地方易形成积水。这种水文特点和众多内部河道的存在，使城市水文单元自身具有对降雨产流进行再次调蓄的能力。因此，可以将城区产流在进入雨水井之前的阶段概化为经过零维区域调蓄的过程。

当城区河网水位高于内部地表，管道出口淹没于河道水位之下，城区强排能力不足，会产生河网水位对于管网系统水位的顶托作用。此时管道发生满溢，认为溢出的流量汇入区域零维要素中，根据零维要素的水量变化推断城区的对应水位。

零维区域模拟积水技术过程见图1，零维调蓄填洼示意见图2。

图1 零维区域模拟积水技术过程

图2 零维调蓄填洼示意

1.2 雨水井概化和连通

（1）对于雨水井的通过流量，采用雨水井流量计算公式：

（2）对于通过雨水井进入管道的流量，可以采用如下通用公式计算：线性化后得到雨水井汇入流量为

式中：针对河网公式与雨水井地表水位ZN1及出水口河道水位ZN2建立关系：

φ′=，为雨水井过堰流量系数，其中分为淹没与自由出流而不同。正常情况下落差大，为自由出流系数居多，满溢时可能为淹没出流。

φ″=为与河道衔接出水口流量系数，其中φn分为孔流与管嘴出流而不同。

1.3 管网与河网耦合

采用如下简化四点线性隐格式方法对圣维南方程进行差分离散。

1.3.1 明渠和有压管流

两组圣维南方程组形式上的区别在于摩阻项，最终二者形式上可统一写作：

式中：C为谢才系数；A为当量面积；R为水力半径；Q为通过断面的流量。

1.3.2 管渠的明满过渡流方程

考虑了当量压缩模数，并统一了摩阻项和水面宽度（当量宽度）的表达式后，明渠、满管流、明满过渡流三者统一方程组为

2 应用实例

2.1 自然地理条件

镇江城市北靠长江，南倚宁镇山脉，地理位置优越，是重要的交通、港口和新型产业聚集中心，长江经济带上联动南北的区域中心城市。2019年，镇江市区户籍人口为102.97万人，地区生产总值达到1 856.02 亿元。镇江市区水系发达，共有87 条重要河道、27 座在册水库及31 处重要城市水域，城市生态良好，2015年入选国家首批海绵城市建设试点城市。主城区位于市区北部沿江，现状建成区面积约140 km2。镇江北部长江流域洪水绕城而下，南部山洪短时间内穿城入江，城市腹背皆受洪水威胁，城市防洪任务复杂艰巨。

典型研究区域位于镇江城市建成区的京口区的江滨片区，北临金山湖，南至东吴路，西从滨水路，东至虹桥港，总面积约2.1 km2。片区内分布有居民小区、商业店铺、文化广场等设施。

2.2 模型概化

2.2.1 雨水井及汇水区的概化与连通

城区产生的地面径流在汇入零维要素之后，再通过雨水井进入管道中。雨水井的水力学要素可以通过雨水篦子数据获得。国家标准的雨水口篦子，尺寸为750 mm×450 mm，外框尺寸是872 mm×572 mm，净空402 mm×702 mm，适用于380 mm×680 mm或400 mm×700 mm的雨水口使用。

本次研究收集了镇江江滨片区研究区域内的雨篦子信息，并加以分析整理成模型规范格式，导入系统中，如图4 所示，共计858 个雨水口，总净空面积83.25 m2，平均面积为0.097 m2。

模型汇水区的划分充分考虑雨水管网实际汇流方式，采用片区实测DEM 高程、道路及雨水口位置等信息概化而成，模型生成各雨水井的汇水区域如图3、图4所示。

图3 城区雨水井概化图

图4 城区雨水井汇水区域概化图

2.2.2 管道概化

本次研究收集江滨片区管道共计366 段，根据所收集的每段管道信息，经过整合连接概化管道共计21条。

2.2.3 管网与河网耦合

江滨片区内地形南高北低，内部无河道，片区雨水由地下雨水管网搜集，排入金山湖。江滨片区的管网入金山湖共设置了5个出水口。

2.3 模型率定

本次模型概化了镇江江滨片区范围内的管网和河网，并将其进行耦合，由于管网对象的特殊性，管道内部水位流量情况无法获知，因此针对管网模型的率定只能从设计暴雨下江滨片区地面的现状积水情况方面进行考虑。模型采用2015年6月2日14：00 至16：30 实测降雨水位进行江滨片区管网的率定工作。基于镇江市城市防洪规划已经建立的模型相关参数，结合本次率定结果，共率定城区糙率、洼地最大拦蓄量等13项参数。

模型多次调试后，模拟成果显示该场降雨下，江滨片区地面有明显的积水，其中江滨路、梦溪路、东吴路以及古城路包围区域积水相对严重，积水深度集中分布在5~25 cm 范围内，小范围地区积水深度超过50 cm。与现场调研了解到2015 年6 月2 日降雨江滨片区地面积水情况基本一致。

2.4 模拟成果

2.4.1 设计方案

本次研究重点考虑管网1 年、2 年、3 年、5 年一遇设计暴雨情况下的管道排水及地面积水情况，选取1 年、2 年、3 年和5 年一遇作为本次计算方案，河网边界条件采用金山湖常水位5.8 m和持续高水位7.5 m两种情况，共组合为8种设计方案。

2.4.2 计算成果

经计算分析，江滨片区管道满足1 年一遇设计标准的约占64.55%，积水面积0.175 km2，约占总面积的8.37%；满足2 年一遇设计标准的约占59.09% ，积 水 面 积0.234 km2，约 占 总 面 积 的11.20%；满足3 年一遇设计标准的约占52.73%，积水面积0.259 km2，约占总面积的12.39%；满足5 年一遇设计标准约占41.18%，积水面积0.324 km2，约占总面积的15.50%。

当金山湖水位达到7.5 m 时，边界水位发生倒灌，江滨片区管道满足1 年一遇设计标准的约占39.09%，积水面积0.317 km2，约占总面积的15.17%；满足2 年一遇设计标准的约占38.18%，积水面积0.353 km2，约占总面积的16.89%；满足3 年一遇设计标准的约占36.36%，积水面积0.379 km2，约占总面积的18.13%；满足5 年一遇设计标准约占34.55%，积水面积0.424 km2，约占总面积的20.29%。

不同设计工况城区管网排水模拟成果统计见表1。

表1 不同设计工况城区管网排水模拟成果统计

2.4.3 成果分析

根据前述江滨片区城区排水雨洪模型模拟计算分析成果，为改善江滨片区排水条件，保护江滨片区内重要基础设施安全，建议采取以下措施。

（1）尽快落实地下排水管道提标改造计划，结合模型模拟成果可明确针对性改造片区和位置。建设与城市发展进程相匹配的城市排水体系，提高片区管道排水能力。江滨片区人口集中，商业发达，防洪排涝保障需求高，而目前该片区管网排水能力达到1年一遇设计标准的仅为64.55%，尚有超过1/3 的排水管网过流能力不足1 年一遇。建议城市实施管网建设时，优先考虑江滨片区，优先改造增大或扩充不满足设计标准区域的管道。

（2）建议江滨片区位于镇江市海绵城市建设试点区范围内，并在该片区内积极推广采用LID技术，因地制宜建设或改造绿色屋顶、下凹式绿地、透水铺面等海绵城市相关措施，保持和增强雨水的渗透，合理利用城市空间对暴雨径流进行源头控制，降低片区内雨水管网的排水压力。

（3）加强片区内排水管理，结合模型模拟成果可预测不同强度降雨可能造成的积水情况。及时关注本地暴雨、金山湖水位情况，及早预知暴雨到来，根据模型结果参照预测暴雨可能造成的积水范围和程度，提前通知积水影响区域居民做好防护措施，必要时组织居民提前撤出，实行交通管制。

（4）加强城市排水与城市防洪管理部门之间的沟通，在保障城市外围防洪安全的前提下，尽可能降低城区内部特别是金山湖水位，为城市涝水外排提供顺畅条件。

（5）城市其他排水管网区域可参照江滨片区，构建城区排水雨洪模型，模拟分析计算现状管网的实际排水能力，诊断排水能力较低的管网具体位置，明确暴雨时排水管理和防御重点区域与城区管网优先改造计划。

3 结 语

运用模型可以探明片区管网总体排水能力，识别片区内管网各条排水管道具体过流能力；运用模型可以探明片区城市排水风险区域，识别雨后风险区域的具体位置、范围和可能积水深度；运用模型可以探明外排条件对片区管网总体排水状况的影响，当外排条件较为恶劣，金山湖水位达到城市防洪最高控制水位7.5 m，该片区遭遇不同设计雨型的降雨可能造成的积水情况。根据江滨片区城区排水雨洪模型模拟计算分析成果，可为镇江城市防洪排涝管理提供技术支撑。