基于陆面-管网耦合模型的城市排水系统评估

陈 小 龙，王 小 雨，王 永 桂

(1.北京清控人居环境研究院有限公司，北京 100083； 2.中国地质大学(武汉) 地理与信息工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

近年来极端天气事件增多，中国城市内涝频发，严重影响城市交通和居民生活[1-2]。虽然中国很多城市已形成相对完善的城市排水设施，但是随着排水任务的日益繁重，排水管网优化成为应对内涝风险的重要内容。排水系统评估和优化方法主要依靠实验分析和模型模拟，其中排水管网数值模型已成为排水能力评估的有效手段，得到了大量的应用[3]。排水管网数值模型从早期的经验模式发展为半经验半分布式模式再到分布式模式，得到了快速发展和应用。近年来数值模型已成为中国GB 50014-2014《室外排水设计规范》和《海绵城市建设指南》中要求使用的关键方法[4]。随着地理信息技术的发展，排水管网模型的应用更加最广泛，国内外知名的有SWMM、InfoWorks和MOUSE等[5-7]。学者们应用SWMM对东莞市旧城管网排水能力进行了分析，利用InfoWorks对昆明市的排水薄弱环节进行了分析，并据此提出了排水系统的优化对策[8-9]。现有研究更多的是利用这些模型进行管网本身的分析，忽略了管道溢流与陆面积水之间的动态变化关系，且现有模型在研究管网-陆面积水之间仍有所不足。如SWMM发展相对成熟，但是只能进行一维的水文水动力模拟，无法实现陆面的二维模拟评估；InfoWorks和MOUSE虽能同时开展管网和陆面水动力模拟，但该模型操作起来复杂且对数据精度要求较高[10]。针对以上问题，本文以SWMM作为模拟引擎，结合GIS技术建立了一维管网与二维地表动态耦合的排水管网模型。该模型考虑了一维管网溢流积水在地表的演进过程，能进行管道水、地表水的一维和二维水动力耦合模拟，分析排水系统超载水量在地表的流动和淹没过程。

1 研究区概况

选择镇江市的防汛示范区为研究对象，该片区以古运河南岸部分区域为主，面积约为6.91 km2，如图1所示。该片区属于老城区，区域建设比较完善，排水管网铺设比较全面且具有一定的复杂性，排水管道总长104.3 km，包括合流管7.16 km、雨水管63.24 km、污水管33.93 km，所有污水最终通过截污干管汇入下游的南水桥泵站。该片区既包含城市主干道，即黄山南路和南徐大道，还涵盖穿城而过的河道古运河，具有典型的城市易涝区特征。

图1 研究区位置和管网分布

2 研究方法

2.1 陆面-管网耦合模型

开展城市排水系统的分析，其最终目的是分析城市排水系统能否承载城市降雨积水。在这个过程中，需要分析城市地表产汇流及管网-河道中的水动力过程，从而评估城市排水系统是否存在管道溢流。而在管道溢流后，会存在溢流水汇集，造成路面积水从而阻碍管网节点汇水。这是一个路面产汇流、管道一维和二维地表水流迁移演进的陆水一二维耦合过程。本文基于SWMM模型基本原理和二维浅水方程组，构建一二维耦合的陆面-管网耦合模型，开展排水系统模拟。研究方法基本框架如图2所示。

图2 陆面-管网耦合模型方法架构

二维水动力模型中忽略水流的垂向运动，只考虑水平运动，通过改进二维浅水方程对地表水动力过程进行求解计算[11]。该方程对水深进行平均简化求解，能适应在复杂地形中模拟管道溢流后水在地表的运移过程。公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

模型耦合方式：运用SWMM模型开展陆面的降雨产流和管网汇流计算，然后将管网节点溢流量作为二维模型的入流，即二维浅水方程中的ql项，使之成为二维模型的流量边界，从而实现SWMM模型与二维水动力模型之间的耦合。在模型耦合过程中，考虑管网溢流和陆面积水排放两个过程。当管道首次充满溢流后，设定一维管网节点溢流量为Q，其只在二维模型的一个网格(底面积为SW)上释放，则得到ql=Q/SW。当管网不溢流，即充满度小于1时，陆面积水向管网节点排放，ql<0，根据伯努利方程计算排放流量。

2.2 模型构建与验证率定

2.2.1模型构建

一维模型选择SWMM模型框架，通过收集测量控制点、水系、居民地及设施、交通、境界和政区、地貌、植被等数据，确定节点、管道、泵站、堰、河道的空间数据和属性数据，将镇江市防汛示范区4 668个汇水区，汇入到4 669个雨水井或雨水篦子，总汇水面积为6.9 km2。二维模型根据DEM数据，并结合道路、建筑物、植被等土地利用数据进行格网的划分，网格边长为1～20 m。数据来源于镇江市水利、环保和住建等部门。

2.2.2参数率定

在本文构建的模型中，核心参数是汇水区参数和管道曼宁系数。率定步骤为：① 收集降雨和流量同步实测数据；② 处理和转换降雨数据，输入模型降雨数据参数对话框；③ 运行模拟实测降雨情景，生成模拟结果文件；④ 对比分析实测降雨情景下的模拟流量与同步监测流量值；⑤ 评估模拟值与实测值的吻合程度，若达到模型率定的要求，则模型可以用于相关的分析和评估，若不能达到模型率定的要求，则调整汇水区和管道参数，继续进行模拟，直至模拟值与实测值比较吻合，率定完成[12-13]。率定情景选择南水桥泵站(见图1)监测的2014年6月16日16：50～18：20，2014年7月1日07：30～11：50，2014年7月1日22：30至7月2日10：00三场降雨情景(见图3)。

图3 用于模型参数率定的降雨情景

在3场降雨情景下，南水桥泵站监测点流量模拟值与实测流量的对比曲线如图4所示。采用Nash-Sutcliffe 效率系数(NSE)和确定性系数(R2)作为评估3个时间段内所有模拟值与实测值的吻合程度。一般地，NSE>0.5，R2大于0.6的情况下，表示模型模拟结果可接受[14]。

图4 率定期模拟流量与监测流量对比

由图3～4可知，在率定期，模拟结果与实测值的NSE为0.566，R2为0.678，大于模型可接受的判断值，且模拟结果与实测值在变化趋势上具有很好的一致性，说明所构建的模型能很好地模拟出水系的流量过程。3场降雨情景中，图4(a)情景模拟结果最好，图4(b)和(c)情景中，模拟的极值要高于实测极值，但整体上不影响模型的可靠性。

2.2.3模型验证

在模型率定之后，对模型进行验证，选用相同3场降雨情景下的黄山夜市高铁桥下监测点(见图1)的流量数据进行验证，验证方法与参数率定类似。模拟值与实测值对比曲线如图5所示。

图5 验证期模拟流量与实测流量对比

从图5可以看出，在3场降雨下，模型的模拟结果和实测流量具有相同的趋势，验证的NSE为0.525，R2为0.632，高于模型判断标准。由此可判定镇江防汛示范区排水系统模型的拟合效果较好，能满足模型应用的要求。模型在图5(c)情景中，模拟的两个峰值与实测值差别相对较大，这主要是由于侧边界条件的不确定性引起，是可控范围内的误差，不影响模型的整体模拟效果。

2.3 排水系统模拟情景

利用镇江市暴雨强度公式[15]和KC法雨型分配表[16]，生成4种降雨情景下的降雨雨型，如图6所示。

图6 4种降雨情景下24 h设计暴雨过程

利用暴雨强度公式生成的镇江市24 h降雨量的降雨强度等级，分别为5 a一遇情景146.8 mm，10 a一遇情景175.24 mm，30 a一遇情景220.33 mm，50 a一遇情景241.29 mm。利用KC雨型分配表进行计算，各个降雨情景下的雨峰值分别是5 a一遇情景166.47 mm/h，10 a一遇情景198.72 mm/h，30 a一遇情景249.85 mm/h，50 a一遇情景273.62 mm/h。

3 结果与讨论

3.1 排水现状分析

3.1.1管道充满度和节点溢流分析

通过模型模拟5 a一遇降雨情景下，管道的充满度和节点溢流情况，结果如图7所示。从图7中可以看出：5 a一遇降雨模拟情景下，绝大多数排水管网均处于高负荷状态，占比超60%，溢流总量大于1 000 m3的节点有11个(高风险溢流节点)，分别位于运河路、黄山西路、黄山东路、健康路及北府路附近。

图7 5 a一遇降雨情景下排水现状

3.1.2积水分析

防汛示范区积水分析是对片区内不同降雨情景下内涝风险分析的前提，通过不同降雨强度下的积水深度、积水面积对比，判别防汛示范区的内涝风险。根据降雨情景设置，5，10，30，50 a一遇的防汛示范区淹没分析结果，如图8所示。

图8 4种模拟情景下的积水范围

从图8可以看出，在5，10，30，50 a一遇降雨情景下，防汛示范区的淹没面积明显增加，其中积水严重区域集中在万达广场、黄山南路西和天桥支路及以东区域，积水面积及深度统计见表1。

表1 防汛示范区积水面积及深度统计

3.2 改造方案评估

3.2.1改造方案

模拟研究表明，防汛示范区万达广场、黄山南路、天桥支路等处有明显的积水问题。对其排水管道进行积水改造，改造地点位于黄山南路以西，黄山西路以北。通过综合研判，确定改造内容包括新建一条管径为600 mm、长9.5 km的雨水管和一个雨水篦子。

3.2.2改造效果

(1) 充满度分析。对黄山南路积水点进行改造之后，能解决该点在5 a一遇短历时降雨(09：45～13：45)情景下的积水问题，改造前后溢流点上下游管道充满度情况如图9所示。

图9 溢流点上下游管道改造前后充满度分析

改造前，溢流点上游管线在降雨60 min后，充满度达到1，开始满管运行，满管运行时间持续45 min；溢流点下游管道在降雨45 min后，充满度达到1，开始满管运行，满管运行时间持续60 min。改造后，溢流点上游管线在降雨75 min后，充满度达到了1，满管运行时间持续了30 min；溢流点下游管线在降雨75 min后，充满度达到了1，满管运行时间持续了30 min。

(2) 过载情况分析。对黄山南路积水点改造前后进行管道过载情况分析，对比如图10所示。改造前，溢流点上游管线的平均过载倍数在降雨75 min后达到最大，为3.96；溢流点下游管线的平均过载倍数也在降雨75 min后达到最大，为4.29。改造后，溢流点上游管线过载倍数明显降低，在降雨75 min后，最大为3.45；溢流点下游管线平均过载倍数也在降雨75 min后达到最大，为3.80。

图10 溢流点上下游管道改造前后过载情况分析

综合以上分析可知，黄山南路积水改造之后，上下游管网的充满度和过载情况都有明显降低的趋势，在一定程度上，黄山南路积水改造大大增加了现有管网的利用率，该方案在技术和经济上均是可行的。但是从改造之后的模拟结果来看，管网的运行负荷仍然偏高，要从根本上解决黄山南路积水问题，还需要进一步对管网进行优化改造。

4 结 论

通过构建典型城镇片区排水系统模型，本文以镇江防汛示范区为研究对象，对不同重现期降雨情景进行仿真模拟，分析防汛示范区排水现状和积水，并利用模型对防汛示范区内的积水改造方案进行可行性评估。研究发现：镇江市防汛示范区排水管道在5 a一遇降雨模拟情景下绝大多数处于高负荷状态，排水能力明显不足；在50 a一遇情景，积水面积达到了686 000 m2，占防汛示范区整个面积的9.94%。积水深度最大达到2.77 m，积水较严重区域集中在黄山南路、万达广场、天桥支路等处。根据防汛示范区排水系统分析结果，设定了新建9.5 km管道的优化方案，通过改造前后对比模拟分析表明，优化方案能缓解原来黄山南路部分点的溢流情况，改造之后部分管段的充满度和过载倍数明显降低。该方案在技术和经济上均是可行的。利用数值模型进行城市防涝排水系统评估和优化设计，能有效改善城市排水能力，为城市内涝防治提供支撑。