基于二维水力建模的城市洪涝灾害时空反演

姜吉威，解智强*，徐 通，杨寿泉，高 忠

（1. 云南大学，云南 昆明 650504；2. 昆明市城市地下空间规划管理办公室，云南 昆明 650111）

城市洪涝是指强降雨或连续性降雨超过城市管线排水能力，导致城市地面产生积水灾害的现象[1]。据不完全统计，目前我国城市化水平已超过50%。根据世界银行预测，随着社会经济的持续发展，到2030年我国的城市化水平将超过70%[2]。城市化进程的推进，使得城市规模不断扩大、城市下垫面硬化面积加大、透水率下降；而原有的城市管线设施滞后，排水管线设计标准偏小，排水能力严重不足，从而导致洪涝灾害的发生。全球气候变化导致的极端降雨天气的增加以及快速城市化进程均为城市带来了一定的负面影响，如日益显著的城市热岛效应和雨岛效应导致的城市暴雨频发[3]。城市的高速发展和极端天气频发导致降水量大、降水难下渗、水动力不足和管线排水能力不足，极易在地势低洼地段形成洪涝灾害，给城市社会经济发展带来很大损失。

1950—2016年昆明市共发生洪涝灾害37次，平均每1.8 年发生一次洪涝灾害，是全国近年来内涝严重的60 个城市之一，城市防洪形势严峻。2013 年“7·19”和2017 年“7·20”的洪涝灾害暴露出昆明市城市防洪排涝方面存在的诸多问题。本文针对近年来每逢雨季昆明市均会发生严重城市洪涝灾害的现象，以昆明市北辰片区为例，借助InfoWorks ICM 软件构建了北辰片区的二维水力模型，对城市洪涝灾害进行了时空反演，对排水管线系统承载能力和洪涝风险进行了评估，并根据模型反演情况对洪涝灾害点进行成因分析，提出管线改造方案，为城市洪涝灾害防治和管线规范改造决策提供科学支撑，为智慧水务建设打下基础。

1 研究区概况

本文选取昆明市主城北辰片区2.86 km2的区域作为研究区。研究区内地势较平坦，城市降水系统较独立，较少受到外界地表汇流的干扰；雨水管线覆盖密度和覆盖程度较高，部分小区雨污混接，具有一定的汇流能力。据昆明市排水公司提供的数据显示，研究区内的排水管线在2019—2020年进行了物探和清淤工作，保障了管线数据的准确性和时效性，减少了积淤对管线排水能力的影响。近年来，研究区内每逢强降雨均会发生洪涝灾害，因此本文拟通过洪涝灾害时空反演，找出洪涝发生的成因，为防涝市政科学改造提供基础。

2 技术路线

本文的主要技术路线（图1）为：①基础数据和资料的收集、整理与分析；②基于InfoWorks 软件，利用多源数据构建研究区二维水力模型，并通过实地勘探和查阅相关专业资料对模型进行校核和率定，得到与实地相符的水力模型；③结合模型，基于GIS 等分析方法，通过灾害时空反演对研究区地下排水管线承载力和洪涝风险进行评估，并对地下排水系统的改造提出建设性意见。本文通过既有现状物数据，配合充分的现场调研和属地化参数实验，进一步提高了模型的精度和实用性，为研究区积水成因分析和后续专业改造提供支持。

图1 技术路线图

3 数据处理与模型构建

3.1 数据来源

本文采用的主要数据如表1 所示。本文旨在研究城市洪涝问题，边界条件主要为降雨事件。降雨数据主要为昆明市2020 年每5 min 间隔的历史降雨数据。此外，通过对积水点数据进行分析发现，研究区内的排水管线设计标准多为1～5 a。因此，本文选用短历时暴雨2年、3年、5年重现期暴雨雨型以及50年一遇暴雨雨型作为模拟研究的边界条件。

表1 本文采用的数据源

本文采用的昆明市暴雨强度公式（2015版）来源于昆气联发[2015]3号《昆明市气象局昆明市防汛抗旱指挥部办公室昆明市滇池管理局关于发布昆明市暴雨强度公式（2015 版）的通知》。公式编制采用的基础数据为昆明国家基准气候观测站1981—2014年逐分钟雨量数据，主要适用于昆明市中心城区，因此本文参照使用[4]。

昆明市暴雨强度公式（2015版）为：

式中，q为降雨强度，单位为l/s/hm2；t为降雨历时，单位为min；P为重现期，单位为a。

3.2 管线模型构建

本文将排水管线的原始物探数据批量导入管线模型中，并导入检查井的系统类型、地理坐标、地面高程和井底高程，管线的管径、材质、形状、上下游管底标高等关键信息。对原始物探数据进行合理归纳，简化雨水篦子的模拟，删除无关属性和非混接的污水管线，以提升模型计算速度和运行效率。将遥感影像作为底图参考数据，检查管线数据的拓扑完整性，避免数据缺失；检查管线系统线的连接性，避免出现孤立节点、重复节点或不连通的出水口等问题；检查管径的合理性，对大管接小管的情况进行标记和复核；检查纵断面的合理性，避免出现管顶或管底高程高于地面高程、管线逆坡等现象。

3.3 水文模型构建

在城市排水模型建设的过程中，二维水力建模方法充分考虑了地形等因素对城市排水的影响，获得的结果更加接近现实。子集水区划分，主要基于城市市政道路的排水管线，利用泰森多边形进行划分。根据研究区下垫面的实际分布特征，本文将下垫面分为道路、建筑、绿地、裸地、硬化地表、水体6 类，分别设置径流表面的产汇流系数。相较于传统的整片区域采用同一个固定径流系数，该方法能更真实地反映不同集水区的产汇流特征，保障产汇流模型模拟结果的真实可靠。针对不透水面的产汇流模型，根据《室外排水规范》[5]采用固定径流系数法，基于昆明市下垫面的特征，选取相应的综合径流系数。针对透水面的产汇流模型，采用现场实验测试透水面的下渗率，确定适合昆明市的本地化土壤降雨期间下渗特征曲线，并采用Horton 模型[6]进行拟合，还原透水面真实的产汇流特征。

根据卫星影像图进行下垫面解析，针对每个子集水区进行下垫面占比提取，得到每个子集水区的下垫面实际分配情况。水文模型构建流程如图2所示。

图2 水文模型构建流程图

本文采用双环仪对透水面入渗参数进行提取。其原理为保证内外环的密封性，单位时间内内环下降的水量即为内环的入渗量。本文采用霍顿公式进行模拟拟合，得到不同入渗速率随时间推移的拟合曲线。

式中，f为入渗速率；f0为初始入渗速率；fC为稳定入渗速率或极限入渗速率。

本文分别计算得到k为1、1.5、2、2.5、3时的模拟数值，绿地土壤和裸地土壤的模拟结果如图3、4所示。

图3 绿地土壤入渗曲线

根据实测值和霍顿模拟结果，通过纳什效率系数（NSE）验证模拟的合理性。通常NSE 大于0.7 表示模型的拟合度较高，NSE 越接近1，模拟效果越好。绿地土壤和裸地土壤入渗曲线的NSE如表2、3所示，可以看出，当k=2 时，绿地NSE 达到最大值0.853；当k=2.5 时，裸地NSE达到最大值0.771，表示模型此时

表2 绿地土壤入渗曲线的NSE

图4 裸地土壤入渗曲线

的模拟结果最接近真实数据。

表3 裸地土壤入渗曲线的NSE

3.4 地表汇流模型构建

通过地形高程数据生成地面TIN 模型，利用地面高程TIN网格化二维区间，从而建立地表模型。由于建筑区域会阻挡积水汇流，因此需对建筑区域进行空白化处理。由于道路区域较低，路肩高度一般设置在0.15 m 左右[7]，影响汇流，因此需将道路区域下沉约0.15 m，从而最终完成地面汇流模型的构建。

4 模型率定

利用收集的历史降雨数据对模型进行模拟，通过验证模型和模型参数是否与实际吻合，从而检验模型的还原效果。本文采用的历史降雨数据为：

1）2020 年8 月17 日8:05，昆明交警发布的积水点信息显示，在北辰片区范围内的积水点包括北京路北辰大道路口财富中心段和北辰大道车行天下段。

2）根据昆明交警消息，截至2020年9月10日12:10，排水公司正积极处置40个积水点，北辰片区范围内的积水点为北辰大道车行天下段。

根据上述实际发布的研究区内的洪涝积水情况，收集到距研究区最近的雨量站降雨数据，如图5、6所示。由模型模拟得到的结果如图7 所示，可以看出，洪涝积水点主要分布在北辰大道与北京路交汇处偏财富中心段以及北辰大道财富中心至车行天下段，积水区最大深度超过0.3 m，其中财富中心段和车行天下段积水较严重。图5 的实测降雨数据与图7 的模拟结果基本一致，积水点分布和深度与实际积水情况十分吻合，模拟结果接近现实情况。

图5 金星立交桥站点2020年8月16日-8月19日的实测降雨数据

图6 金星立交桥站点2020年9月11日-9月12日的实测降雨数据

图7 金星立交桥站点2020年8月16日—8月19日模拟的重点积水区

5 模型应用分析

5.1 管线排水能力评估

根据GB 50014-2006《室外排水设计规范》的规定，雨水和合流管按满管流设计。本文利用昆明市暴雨强度公式模拟得到现状管道系统在2年、3年、5年一遇暴雨情况下的管线水力负荷情况，完成了管线排水能力评估。模型通过水力坡度与管道坡度的比值来定义超负荷状态，超负荷状态包括小于1、等于1 和等于2三种类型（表4）。

表4 管道超负荷状态类型

本次建模的现状排水管线总长度为46 882.1 m，经过水力模型评估，排水能力不满足2 年一遇的管线长度为31 684.7 m，占比为67.58%；排水能力不满足3 年一遇的管线长度为3 179.1 m，占比为6.78%，排水能力不满足5 年一遇的管线长度为2 470.4 m，占比为5.27%，排水能力满足5 年一遇的管线长度为9 547.9 m，占比为20.37%，如图8所示。

图8 研究区现状管线排水能力评估图

5.2 积水成因分析

针对研究区重点积水点财富中心段和车行天下段积水进行积水成因分析发现，其根本原因来自排水能力问题，城市排水能力由排水管线设计控制。积水成因分析将从排水流程的源头、过程、排放进行分析[8]。

1）源头。局部管线布局不合理、部分管线服务范围过大，导致大面积子集水区的降水通过支管管线汇集到一条主干管线中，主干服务范围过大。当降雨强度较大时，主干管线收水面积过大，主干管线流量过载，导致检查井溢流形成积水。以研究区财富中心段主干道为例（图9），管线布局上游支管线过多、主干道服务范围过大，遇到一定规模的降雨，易形成检查井溢流积水。

图9 财富中心段主干道服务范围（红色区域）

2）过程——排水管线总体设计能力偏低。北辰区建模的现状雨水合流排水管线长度为39 377.4 m，主要参与雨水汇流的污水管线长度为7 504.7 m，共计46 882.1 m。其中，不满足2年一遇排水能力的管线在评估中的占比为67.58%，如按照2 年一遇的管线设计标准要求，现状管线设计有67.58%的管线未达到标准。

3）排放——河道顶托作用。顶托作用即当排放口的位置在河水水位之下时，排放口受到河水压力作用，排放口的流速变小[9]。顶托作用使排放口流速变慢，降雨得不到及时排放，易在上游形成积水。以研究区金色大道与盘龙江交接处的管线排放口为例，当达到一定规模的降雨时，盘龙江水位在短时间内迅速升高（8 月17 日凌晨开始主城区出现强降雨过程，平均降雨量约为90 mm，各河道水位迅速上涨，8 时盘龙江超警戒水位0.75 m），水位超管线排放口，导致该排放口流速变小，上游易导致积水，如图10所示。

图10 金色大道与盘龙江交接处的管线排放口示意图

5.3 管线改造

由于城市洪涝灾害是多种因素影响的结果，需抓住存在的主要问题进行分析，提出有针对性的改造方案，减少城市洪涝灾害的发生。本文针对研究区的积水成因，提出了不同的治理方案。结合模型进行模拟评估，并不断进行优化，尽可能形成工程量、经济等方面较优的方案。

1）增设泵站。针对河道顶托作用，本文提出增设泵站的治理方案。研究区金色大道与盘龙江交接处的管线排放口受顶托作用影响较大，建议在该排放口加装泵站。通过模型模拟无顶托作用时排放口的最大排水流速作为泵站的下限功率，以消除顶托作用带来的影响。

2）通过增加管径大小，提高排水能力。针对排水管线总体设计能力偏低和局部管线布置不合理等问题，本文提出通过增加管径大小，提高排水能力的治理方案。通过2 年一遇降雨数据的模拟管线纵断面图得到管线满管和检查井溢流情况，从而判断需进行管线改造的区域。管线改造区域主要包括重点积水区管线、下游管线以及相关管线的变坡区域。扩径管线分布如图11所示，管线扩径大小如表5所示。

图11 扩径管线分布

表5 管线扩径大小

3）建设削峰调蓄池。针对局部管线布置不合理、部分管线服务范围过大的问题，本文提出了建设削峰调蓄池的治理方案。削峰调蓄池的主要用途是当降雨超过管线的防涝标准时，通过大量收集超过管线空间的地面径流，达到削减排水管线峰值流量、防止地面积水的作用[10]。利用模型对重点积水区的管线进行检查井溢出水位情况分析，作为调蓄池入流口选点的依据。如图12 所示，1 号入流口位置为变坡点，导致下游管线压力过大，通过削峰调蓄池减轻下游管线压力；2、3号入流口为检查井溢流水位较高的检查井。

图12 模拟调蓄池分布情况

6 结 语

在城市化进程持续推进和极端天气频发的环境背景下，城市病已成为人们关注的焦点问题，城市洪涝灾害逐年增加。本文通过构建二维水力模型，对昆明市北辰片区城市洪涝灾害进行了评价，并提出了改造建议。水力模型不仅在城市洪涝灾害评估与治理等方面具有重要作用，而且在城市空间地下管线的设计评估、综合治理以及灾害预计等方面进行了不断创新发展。随着空间大数据和智慧城市的发展，加上硬件设施的不断突破，实现物联，能使城市排水管线系统的问题查找、规划、建设与维护更加智能化，决策更加科学合理。