基于耦合模型的城市流域洪涝灾害治理研究——以广州某片区为例

朱必方，高焱哲，赖成光

(1.广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广东 广州 510405；2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)

在全球气候变化和中国城市化进程持续快速推进的背景下，城市洪涝灾害已成为影响城市正常运行和发展的最主要的自然灾害之一，严重威胁到城市居民的生命财产安全[1-3]。据统计，2007—2017年，全国有超过360座城市遭遇过内涝灾害[4]。近年来，发生在特大城市或省会城市而造成巨大损失的洪涝灾害也屡见不鲜，例如2021年郑州“7·20”暴雨因灾死亡失踪380人，经济损失达到409亿元[5]；2020年广州“5·22”暴雨导致全市443处地段出现水浸，地铁13号线停运，多地停工停课[6]；2019深圳“4·11”瞬时强降雨引发洪水，造成11名正在清理河道的工人溺亡[7]。由此可见，城市洪涝灾害已经严重威胁到居民的正常生活和城市的可持续发展。如何科学地认识城市洪涝灾害的演变规律并基于此制定有效的防御措施，已成为中国城市防洪排涝工作亟待解决的关键问题。

利用城市雨洪模型对城市洪涝开展数值模拟是一种有效的非工程防御措施，可为制定各种防灾减灾措施提供参考依据。众多学者对城市洪涝数值模拟技术开展了大量的研究，如曾照洋等[8]利用WCA2D和SWMM模型实现了某城市区域的暴雨内涝一、二维模拟；黄国如等[9]利用InfoWorks ICM构建了一维-二维耦合城市洪涝仿真模型；梁汝豪等[10]利用SWMM模型对猎德涌进行了模拟，揭示了城市地表径流规律。这些雨洪模型的使用有助于揭示城市洪涝的形成机理及其演进规律，然而这些研究大部分关注研究区内暴雨所导致的内涝情况，很少从区域整体流域出发综合考虑洪涝特征，存在一定的洪、涝孤立考虑的弊端[11]，对于河道影响及其反馈作用的考虑相对欠缺，这对制定科学合理的防灾减灾措施是极其不利的。

城市洪水一般指城市河道水位上涨导致漫堤造成的水淹，而城市内涝则是指降雨超过管网排水能力导致的水淹，二者成因上存在一定区别，但对于城市流域往往存在洪涝同源的情况，即洪水和内涝均是由于流域暴雨所导致的。城市河道是城市重要的行洪排涝通道，城市内涝水量的纳入可能会影响河道的流量和水位，而城市河道高水位顶托也可能造成城市管网排水不畅，从而进一步加剧城市内涝。可见，城市洪水与内涝的关系不能简单地割裂研究，在开展内涝数值模拟时忽略城市河道的影响及其反馈作用，往往会导致模拟结果不准确，而基于此结果所提出的治理方案显然难言科学合理。因此，从城市流域视角出发统筹市政排水及河道防洪，理论上有助于更科学地实施城市防洪排涝规划，对提出科学合理的城市洪涝灾害治理措施具有重要意义。

鉴于此，本文将以广州某片区为例，基于流域系统整体视角构建一种考虑河道、管网和地表的耦合水文水动力模型，利用该模型分析遭遇100年一遇暴雨情景下的淹没情况，并评估采取洪涝防治措施的效果。研究结果以期为城市洪涝灾害防御计划的科学制定提供思路，也为研究区的防灾减灾工作的开展提供技术参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广州市白云区，东临珠江西航道，南、西、北三面与佛山市南海区接壤，面积7.76 km2。流域地势西北高东南低，西北部为浔峰山；中部、南部主要以城中居民地为主；地面高程大多为8～20 m。片区主要河涌有：横沙涌、沙贝涌、象拔咀涌3条河涌。横沙涌长约1.55 km；沙贝涌全涌长约6.28 km；象拔咀涌全涌长约2.38 km。象拔咀涌与沙贝涌通过凤岗北水闸联通，3条涌出口均为珠江西航道。根据GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》，超大城市的内涝防治标准应达到100年一遇，因此研究区应满足100年内涝防治重现期。

1.2 数据处理

1.2.1河道断面处理

河道数据来源实测资料，根据河涌现状走向，从上游到下游依次绘制每条河涌的河道中心线形成河道矢量文件，并将河道矢量文件导入河道水动力模型当中，形成河网文件，从而完成研究区河网的构建。同时根据研究区现状实测河道资料，依次确定每条河道断面的河底和堤顶高程、宽度信息，根据这些信息形成模型断面文件，断面布置见图2。

图1 研究区区位示意

图2 研究区河道断面分布示意

1.2.2地形数据

高程数据来源实测资料。对高程数据中的异常点进行删除处理后，使用ArcGIS软件的3D分析生成TIN地形，再将TIN数据转换为5 m×5 m的DEM数据，形成研究区初始DEM数据。根据河道宽度、河底高程生成河道DEM，并与研究区初始DEM进行镶嵌，形成研究区最终DEM见图3。研究区除西北部山区外，整体上地势较为平缓。

1.2.3管网数据处理

研究区内的管线和井点数量繁多且杂乱，因此需要对数据进行概化处理以优化排水管网的结构，便于数据的处理，提高模型的运行效率。具体概化处理包括删减多余的、影响较小的细枝末节，保留主干，比如连接检查井和雨水篦的短管，对于排水管网的贡献和影响极小。根据概化后的管网确定雨水管道和管井信息，建立管网拓扑结构，对错误连接的管道进行修正。经概化处理后的排水管网见图3，其中排水管线2 248条，雨水井2 242个，出水口79个。

图3 研究区DEM及管网分布

1.2.4设计降雨

对于设计降雨，水利与市政设计成果存在一定的差异，导致存在一定的衔接不匹配问题。基于洪涝治理的流域系统整体视角须统一设计雨型，即设计雨型须同时兼顾水利长历时降雨的量和市政短历时降雨的峰。对于市政暴雨，一般采用《广州市中心城区暴雨强度及计算图表》发布的暴雨强度公式进行计算(以下简称“暴雨强度公式”)；对于水利降雨，一般采用《广东省暴雨参数等值线图》进行计算。为统一二者的降雨过程，本研究综合分析市政设计暴雨和水利设计暴雨，综合对比选取相应降雨历时的大值；对于最大3 h采用芝加哥雨型进行雨量分配，然后利用水利24 h逐时设计雨型分配剩余雨量。研究区100年一遇24 h降雨量为300.3 mm，暴雨峰值强度为7.93 mm/min,设计100年一遇暴雨过程见图4。

图4 研究区100年一遇设计降雨过程

2 模型构建

2.1 河道模型构建

河道水动力模型采用中国水利水电科学研究院研发的IFMS洪水分析软件，主要用于河网流量、水位、水质等河道水文参数的模拟，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能方便灵活地模拟闸门、水泵等各类水工建筑物，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况，因此该软件在全国重点地区洪水风险图项目中得到广泛应用[12-13]。

研究区河涌主要包括象拔咀涌、沙贝涌、沙贝支涌、沙贝旧涌东支涌、沙贝理涌西支涌、横沙涌等，将前述处理完的河道中心线及河道断面数据导入模型，完成研究区一维河道模型的构建。本次研究区河道模型共涉及5个泵站及6个水闸，根据水闸泵站资料，在模型中对其进行概化。研究区排涝方式以自排为主、泵排为辅。因此在设置闸泵调度规则时，根据内外江水位关系设置闸泵的开启或关闭。主要规则如下：①外江水位低于内江水位，开闸，河道洪水自排；②外江水位高于内江水位，开泵关闸，河道洪水泵排。

2.2 地表水动力模型构建

二维地表模型采用英国布里斯托尔大学开发的LISFLOOD-FP水动力模型，最早版本由Paul Bates和Ad De Roo于2001年开发完成，到2013年8月已经更新到5.9版本[14]。LISFLOOD模型能够对一维河道和二维洪泛区进行水动力模拟，已有学者已验证了其良好性能[15]。二维地表模型构建主要包括输入条件设置、参数设置、地形文件生成等。其中，二维的输入包括河道的漫顶流量以及管网的溢流量；地形文件通过ArcGIS软件插值高程点生成。

2.3 管网模型构建

一维管网模型采用美国环保署(EPA)开发的SWMM模型，已被广泛应用于城市雨水径流模拟、城市暴雨内涝预警预报、排水规划与设计、海绵城市建设、水质模拟等领域之中[16-18]。SWMM模型由于其开源属性，能够很方便地调用模型源代码或者动态链接库函数进行二次开发(比如耦合二维水动力模型)，以满足特定的研究目的，其各模块既能够独立完成特定功能，又能够互相调用，形成一个独立而统一的整体。

2.4 模型耦合

在模拟管网汇流上，SWMM模型已十分成熟，但是无法得到城市地表的淹没范围、水深以及淹没过程；LISFLOOD-FP模型的优势在于能够基于溢流节点的溢流过程(即流量-时间关系)和城市地形来模拟城市的淹没范围、水深及淹没过程。为发挥二者优势，本文将SWMM模型与LISFLOOD-FP模型进行单向耦合，即由SWMM 模型提供节点溢流量，LISFLOOD-FP模型进一步完成淹没范围、水深以及淹没过程的模拟。为了考虑河道水位对管网排水的影响，将IFMS河道模型计算的水位作为SWMM管网模型出水口的边界条件。河道模型与二维模型的耦合则是将河道模型的水位结果与两岸堤顶高程进行对比，若有水位高出两岸堤顶，则统计高出两岸堤顶的时间及水位以计算河道洪水漫溢出地表的体积。

3 结果分析

3.1 模型验证

利用上述所构建的模型对研究区的100年一遇暴雨情景进行模拟，模拟结果见图5a，并与研究区的《广州市一流域一手册洪涝风险图集》(图5b)静态洪水风险图进行对比。结果表明，本研究的模拟结果与静态风险图中的风险点分布总体上具有较高的重合度，例如环洲五路南段、城西花园、浔峰岗地铁站附近的模拟洪涝风险分布及等级均与洪涝风险图十分接近；但本研究结果发现横沙涌下游处有大片区域处于中高风险，与图5b不一致。通过对模型结果进行分析，发现横沙涌下游由于河口泵站规模过小导致河道水位较高，部分洪水漫出河道且排水管网长时间受到河道水位顶托，导致排水不畅。为此，本研究对该中高风险区开展了实际调查，发现近年来该区域遭受的暴雨内涝情况确实比较严重，表明本研究的模拟结果更加合理。综上可知，所构建的耦合模型是合理可靠的，可用于下一步分析。

a)现状模拟内涝风险

3.2 现状洪涝情况分析

利用河道水动力模型对研究区内河道开展数值模拟，横沙涌20年一遇设计洪水水位见图6。由图可知，象拔咀涌、沙贝涌、沙贝支涌、沙贝理涌西支涌、沙贝旧涌东支涌的河涌水位均低于相应位置的左右岸高程，河道均没有发生河道漫流现象，满足20年一遇防洪要求，而横沙涌离在河口300～600 m(图示横坐标900～1 200 m处)左断面位置的模拟水位高于左岸高程，表明横沙涌在现状排涝设施下无法满足20年一遇的防洪标准，因此需对横沙涌采取相应措施，使其能够满足20年一遇的要求。

a)象拔咀涌

将100年一遇设计暴雨输入所构建的耦合水动力数值模拟模型，得到研究区100年一遇暴雨情景下淹没范围及淹没水深，见图7。研究发现，研究区现状洪涝灾害较为严重的区域主要集中在横沙涌中下游区域以及环洲五路北侧，除这2个区域外片区整体内涝风险较低。分别对不同淹没深度下的淹没面积进行统计，结果见表1，积水深度大于0.15 m的内涝面积达到28.75 hm2，其中积水深度处于0.15～0.30 m、0.3～0.5 m、0.5～1.0 m以及大于1.0 m区间的内涝面积分别是13.04、6.18、5.17、4.36 hm2。根据洪涝风险等级划分标准可知，处于高风险区域的面积有4.36 hm2，中度风险区域面积5.17 hm2，低风险区域面积6.18 hm2。

从淹没位置空间分布上看，研究区在现状排涝设施作用下，环洲五路北侧由于局部低洼，存在较高的内涝风险。横沙涌中下游片区由于现状南围泵站规模较小，导致河道洪峰水位较高，造成排水不畅甚至倒灌进排水管网，存在较大面积的中高风险区域，片区内高风险地区需要通过实施改造措施降低内涝风险。

图7 研究区现状内涝积水空间分布

表1 研究区改造前后内涝淹没面积统计和风险等级

上述模拟结果表明研究区现状排水设施不能应对100年一遇内涝险情，横沙涌不足以应对20年一遇防洪要求，需要根据不同区域的洪涝成因，采取相应措施提高整个流域的防洪能力。

3.3 洪涝防治措施效果评估

为更好抵御研究区洪涝灾害并提高整体防洪排涝能力，相关部门综合兼顾考虑了交通、电力、通讯等设施建设及规划后提出了多种治理方案，经过综合对比后拟采用以下方案：①扩大部分市政雨水管道管径，将部分管径较小管道的管径增加至800～1 000 mm；②增设部分雨水管道，增加片区排涝能力；③将横沙涌涌口附近卡口处拓宽至8～10 m，横沙涌涌口泵站流量由2.2 m3/s增加至8.0 m3/s。详细改造工程建设方案见图8。

图8 研究区改造方案示意

根据建设方案改造后的情景并结合闸泵调度规则，将100年一遇设计暴雨数据输入模型进行洪涝数值模拟，二维淹没水深模拟结果见图9，改造前后淹没面积和风险区域比对见表1，改造设施使内涝加剧和减缓的情况见图10。表1可知，建设后的内涝面积大大减少，改造措施使得高风险地区内涝面积大幅降低，降低幅度达94.84%，高风险地区基本消除。中风险地区降低幅度约86.94%。图11所示，横沙涌改造后水位降低了约1 m，低于两岸地表高程，表明横沙涌达到20年一遇防洪标准。改造方案模拟结果显示，横沙涌下游段水位明显降低，使得附近管网排水通畅，涝水能及时排出，有效消除了横沙涌下游的高风险点，表明改造方案有效合理。改造之后研究区仅在环洲五路口处剩余一个内涝高风险点。通过对模型结果进行分析，发现该处地形较低导致周边的涝水容易向那里汇集，因此即使改造方案增设了管道并加大了管径，该地区排涝能力仍然较低；但由于该地区主要为草地，没有太多人口和财产分布，即使受淹影响不大。剩余2处中风险点分别位于彩滨北路保利西海岸东部以及沙贝大街北部城中村，均因地局部地势低洼导致涝水汇集且无法自排，可在不影响交通、电力、通讯设施情况下通过加建泵站或设立LID措施消减内涝。

图9 研究区改造后淹没范围分布

图10 研究区改造前后淹没变化对比

图11 横沙涌改造后模拟水位

综上可知，所提出的改造方案总体上能使研究区的内涝情况得到极大的改善，特别是横沙涌河口泵站的改造使得横沙涌河道水位明显降低，使得此处涝水能够顺利排走，有效减轻此处的洪涝灾害。以上研究表明，基于流域整体观提出的内涝改造方案能取得很好的内涝减缓效果。

4 结论

以广州某片区为例，基于流域系统整体视角构建了河道-管网-地表耦合水动力模型，并利用模型对研究区改造前后的洪涝风险进行评估，得到结论如下：①耦合模型考虑了河道水位对管网的顶托作用，能体现流域的整体性，所模拟的洪涝风险点与静态洪涝风险图的风险点基本一致，表明所构建的耦合模型是合理可靠的；②现状条件下，研究区遭遇100年一遇暴雨时存在较高的洪涝风险，环洲五路以及横沙涌下游淹没水深超过1 m，需采取相应措施减缓该地区的洪涝风险；③若采用河道治理、雨水管网改造、泵站扩建等改造方案，能大大降低研究区的洪涝风险，特别是能有效减缓横沙涌下游段的内涝情况，表明从流域整体观出发治理洪涝灾害将会显得更加科学合理。