海綿措施防洪排澇影響定量分析研究

李尤 潘興瑤 邸蘇闖 朱永華 劉佳倫 張書函 李永坤 程帥

摘 要：為了量化海綿措施對城市防洪排澇的影響，以典型城市區域萬泉河流域為例，基于InfoWorks ICM構建綜合洪澇模型，參考北京市地方標準，開展海綿措施規劃與流域現狀下墊面下不同重現期設計暴雨多情景對比分析。結果表明：海綿措施能提高雨水管網排水能力，使得高于10 a一遇標準的管長增加7.59%，管段數增加8.98%;同時增強河道行洪能力，在10 a一遇至50 a一遇暴雨重現期下，峰值流量削減19.72%～39.36%，徑流總量削減26.45%～37.88%，沿線入清河口最高水位平均下降0.35 m;還能緩解流域內澇積水，在5 a一遇至50 a一遇設計暴雨情景下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.13 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。

關鍵詞：防洪排澇;雨水管網;河道行洪;內澇積水;海綿措施; InfoWorks ICM

中圖分類號：TU992;TU998.4;TV877文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.011

引用格式：李尤，潘興瑤，邸蘇闖，等.海綿措施防洪排澇影響定量分析研究[J].人民黃河，2021，43（1）：53-60.

Quantitative Analysis of the Influence of Sponge Measures on Flood and Drainage Control

LI You1，2，3，4， PAN Xingyao1，5， DI Suchuang1，5， ZHU Yonghua 2， LIU Jialun6， ZHANG Shuhan1，5， LI Yongkun1，5， CHENG Shuai1，2

（1.Beijing Water Science and Technology Institute， Beijing 100048， China;

2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China;

3.Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China;

4.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 5.Beijing Engineering Technique Research

Centre for Non-Conventional Water Resources Exploration and Utilization and Water Use Efficient， Beijing 100048， China;

6.Beijing East to West Water Diversion Management Office， Beijing 100085， China）

Abstract：In order to quantify the impact of sponge measures on urban flood and drainage control， this paper took the Wanquan River basin in a typical urban area as an example， constructed an integrated flood model based on InfoWorks ICM and referred to Beijing local standards to carry out the sponge measures planning and the current situation by comparative analysis of different design rainfall return periods. The results show that the sponge measures can improve the drainage capacity of the rainwater pipe networks， which increases the pipe standard higher than 10-year return period and increases the pipe length by 7.05% and the pipe section by 8.98%. At the same time， it enhances the flood discharge capacity of the river. During the 10-year to 50-year return periods， the peak flow rates reduce by 19.72%-39.36%， the total runoff reduces by 26.45%-37.88% and the highest water table along the river into the Qing River reduces by 0.35 m. It can also alleviate the waterlogging in the basin. From 5-year to 50-year return periods， the maximum waterlogging depth is decreased by 0.29-0.04 m， the total waterlogging area decreased by 14.89-45.13 hm2 and the total waterlogging volume decreased by 30 399.97-110 114.24 m3.

Key words： urban flood and drainage control; rainwater pipe networks; river flooding; waterlogging; sponge measures; InfoWorks ICM

隨著社會經濟的不斷發展，我國城鎮化進程顯著加快，城鎮化率由1981年的20.16%增至2015年的56.10%[1]，隨之帶來的城市洪澇問題日益凸顯。我國諸多城市如北京、上海、深圳、武漢及長沙[2-4]等均受暴雨洪澇災害的威脅，造成了慘重的人員傷亡與經濟損失。在利用防洪排澇等大型工程設施的同時，近年來以“人水和諧”為理念的海綿城市逐漸興起[5]。

國內涌現出大批學者針對海綿城市建設緩解城市洪澇災害、降低洪澇風險進行研究，并取得了顯著成果。2016年，林辰松等[6]通過建立公園綠地海綿開發模型，得到其對城市雨洪調控效果較好的結論。2017年，武永新等[7]分析了現狀下墊面及海綿措施改造后區域內澇變化與差異，得到海綿措施可有效減小城市內澇面積的結論。2018年，辛亞娟等[8]闡述了海綿城市在防治內澇災害與緩解城市水資源短缺方面的特點，為海綿城市雨洪利用技術在區域的應用奠定了理論基礎;李俊等[9]基于PCSWMM軟件分析得到海綿設施對濱海城市地面積水、徑流量及徑流峰值有一定的削減作用;楊鋼等[10]基于SWMM模型評估了不同頻率設計暴雨下海綿措施對城市洪水的削減效果。

上述研究集中于對內澇積水緩解效果、流域徑流削減評估的微觀尺度上，缺乏從排水設施與河道水系共同組成的洪澇防控體系改善效果的防洪排澇宏觀尺度研究。本文以典型城市流域萬泉河流域為例，在構建綜合洪澇模型的基礎上，基于北京市地方標準《雨水控制與利用工程設計規范》（DB 11/685—2013）（下文簡稱《規范》）中關于雨水調蓄池、下凹式綠地與透水鋪裝海綿措施的要求，開展海綿措施布局與流域現狀下墊面條件下城市防洪排澇風險對比分析，以期為建設海綿城市、緩解城市洪澇風險提供參考。

1 流域概況與基礎資料

1.1 流域概況

萬泉河是北京市中心城區北部排水主干河道清河的支流，位于海淀區西北部、清河流域上游，全長約7 km，流域面積19 km2，河道行洪能力為20 a一遇設計流量，50 a一遇校核流量。該流域城市化水平逐年提高，現狀不透水面積達64%，是典型的城市流域。全流域共分為23個排水分區，下墊面高程為40～50 m。研究區屬大陸性季風氣候區，多年平均降水量585 mm，降水主要集中在6—8月，占年降水量的75%以上[11]。研究區為北京市的暴雨中心之一，局部高強度短歷時降雨發生較為頻繁，洪澇災害易發，在“20120721”“20160720”等典型場次暴雨中造成了危害。

1.2 基礎資料

構建綜合洪澇模型所需要的基礎資料包括地形數據、遙感影像、河道數據、排水設施等數據資料，詳見表1。基礎資料主要來源于北京市第一次水務普查成果，針對排水設施、地形等數據，通過專業勘測、實地調研等方式進行校核與完善，數據可靠且精度高。

2 模型方法

基于城市綜合排水軟件InfoWorks ICM進行洪澇模型構建。在排水基礎資料補測、流域下墊面解譯等預處理基礎上，分別構建產流、管網匯流、河道匯流和地表漫流子模型，并對各子模型進行耦合，形成綜合化的城市洪澇模型。在此基礎上從河道流量與積水深度兩個方面開展模型合理性分析，并結合不同頻率的設計暴雨開展現狀及基于《規范》的海綿措施多情景模擬分析，完成包含管網排水能力、河道行洪能力及區域內澇積水分析在內的城市洪澇影響定量評估。數值模型構建流程見圖1。

2.1 模型構建方法

根據收集的資料，利用InfoWorks ICM軟件構建萬泉河流域洪澇數值模型，包括產流模型、河道匯流模型、管網匯流模型、地表漫流模型以及多模型耦合。

（1）產流模型構建。根據下墊面類型將研究區分為透水區域（綠地）和不透水區域（道路、建筑、水體、停車場、未利用硬化面積）。對不透水區域采用固定徑流系數法進行產流計算;透水區域采用Horton經驗公式[12]進行產流計算：

fp=fc+（f0+fc）e-kt（1）

式中：fp為入滲率，mm/h;fc為穩定入滲率，mm/h;f0為初始入滲率，mm/h;t為時間，h;k為與土壤有關的衰減系數，1/h。

主要參數取值參考《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》（DB11/T 969—2016）。

（2）管網匯流模型構建。基于構建的產流模型，在進行管網與附屬設施信息整理、管網概化、拓撲關系構建、管網縱斷面檢查的基礎上，依據流域雨水管線、道路、建筑、河道、區域地形，結合遙感影像對檢查井匯水區進行人工勾繪，劃分為23個排水分區，再利用泰森多邊形法對2 281個檢查井開展匯水區劃分，共劃分子集水區2 195個，匯水面積范圍為0.001～400.34 hm2，平均匯水面積為0.87 hm2。最后，基于高精度遙感數據解譯的土地利用類型與子集水區分析，計算各子集水區不同用地類型所占面積。

（3）河道匯流模型構建。根據實地調研及收集整理的萬泉河河道中心線、斷面資料等，數字化河道中心線、斷面資料，基于InfoWorks ICM軟件，生成河岸線并創建河岸連接，逐一開展河網上下游的拓撲關系及河道橫斷面的檢查與校核，完成河道匯流子模型的構建，包括20個河道斷面、7.26 km的河道及河岸線。

（4）地表漫流模型構建。地面模型是構建二維地表漫流模型的基礎，同時也為缺失雨水管線及檢查井的區域提供高程推斷依據。利用1∶2 000基準地形圖及局部實測高程點構建地面模型，同時基于道路、建筑及局部微地形對地面模型進行修正。三角網格的剖分是地表漫流模型的核心，充分考慮房屋等對降水的阻隔，同時考慮流域范圍、河道邊界、刻畫精度等，將研究區剖分為2個2D區間。通過網格化，共生成21.75萬個三角網格，面積介于14～900 m2之間，同時為了避免生成的細碎三角網格降低模型運算速度，最小角度設置為5°。

（5）多模型耦合。多模型的耦合實現分別為管網模型、地表模型與河道模型三者之間的兩兩耦合。其中：管網模型和地表模型耦合通過檢查井進行，超過排水管網排水能力而漫溢出來的洪水會從檢查井和雨篦子溢流到地面，依據地形行進，在低凹區域匯集造成內澇;管網模型與河道模型耦合采用雨水排口進行連接，排水管網系統收集雨水，排放到河道中，引起河道水位上漲，同時，上漲的河水會阻礙排水管網中水量的排放，相互作用，相互影響;河道模型與地表漫流模型耦合通過河岸邊界側向連接來實現，當河道中的水量超過河道的輸送能力時，水就會從河岸較低處溢流到地面，隨地勢行進，再從較為低洼的地方流回河道系統中。經過上述流程，得到萬泉河流域綜合洪澇模型概化見圖2。

2.2 模型合理性分析

2.2.1 河道流量過程驗證

研究區缺乏實測降雨徑流資料，采用流域出口設計流量與校核流量進行模型合理性分析。萬泉河20 a一遇設計流量與50 a一遇校核流量過程采用瞬時單位線[13]推求，采用徑流系數法[14]扣除各時段入滲損失，根據《北京市水文手冊》（第二分冊 洪水篇）確定匯流參數。采用20 a一遇設計流量對模型參數進行率定，用50 a一遇校核流量對模型進行驗證，模擬流量和校核流量對比見圖3。流域出口模擬洪峰流量104.60 m3/s，校核洪峰流量99.00 m3/s，相對誤差-5.66%，Nash系數為0.92，峰現時間和流量過程基本一致，由此看出，模型合理可靠，可用于開展城市洪澇風險分析。

2.2.2 內澇積水深度驗證

萬泉河流域典型場次暴雨過程的內澇積水點實測資料較少，本文將“20120721”場次暴雨的上報積水情況中萬泉河橋的最大積水深度用于模型驗證。萬泉河橋上報的積水深度為0.50 m，通過模型模擬此處內澇積水最大深度為0.41 m，絕對誤差0.09 m，相對誤差18%，模擬結果可靠。

3 情景模擬與分析

3.1 情景設置

3.1.1 設計暴雨情景設置

分析城市內澇發生原因，一般認為短歷時強降雨是造成城市內澇的氣象因素，而地下管網排水能力強弱才是造成內澇與否的主要因素。加之目前暴雨預警和應急響應中主要根據最大1 h和最大6 h的降雨量閾值指標進行確定，考慮到短臨近期降雨預報成果比長期的降雨預報成果精度更高，根據防汛應急管理的需求，本文分析管網排水能力采用短歷時（1 h）設計暴雨。由于河道匯水范圍廣、時間長，因此分析河道行洪能力常采用長歷時（24 h）設計暴雨。為了充分反映海綿措施對城市內澇的削減作用，內澇積水同樣采用長歷時（24 h）設計暴雨指標。

短歷時（1 h）不同重現期（1、3、5、10 a）和長歷時（24 h）不同重現期（5、10、20、50 a）設計暴雨強度，根據北京地方標準《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》（DB11/T 969—2016）中的暴雨強度公式推求：

q=1 602（1+1.037lg P）（t+11.593）0.681（5 min

式中：q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）;t為設計暴雨歷時，min;P為設計重現期，a。

短歷時設計雨型依據《給水排水設計手冊》推薦使用的芝加哥雨型進行降雨過程的時程分配，結合北京地區降雨特征，雨峰系數取值為0.167;長歷時設計雨型為北京典型設計暴雨雨型。

設計暴雨過程見圖4，長歷時和短歷時暴雨情景設置見表2。

3.1.2 海綿措施布設情景設置

參考《規范》有關規定，雨水控制與利用規劃中應優先利用低洼地形、下凹式綠地、透水鋪裝等設施滯蓄雨水，減少外排雨水量，并滿足以下要求：①新建工程硬化面積達到2 000 m2及以上項目，應該配建雨水調蓄設施，具體配建標準為每1 000 m2硬化面積配建調蓄容積不小于30 m3;②凡涉及綠地率指標要求的建設工程，綠地中至少應該有50%為用于滯蓄雨水的下凹式綠地;③公共停車場、人行道、步行街、自行車道和休閑廣場、室外庭院的透水鋪裝率不小于70%（上述標準在下文簡稱“地標三項”）。按照上述海綿參數規模，本文海綿情景設置為雨水調蓄池、下凹式綠地及透水鋪裝組合方案，并與流域現狀下墊面展開對比分析。

3.1.3 海綿措施參數選取

參照《規范》，雨水調蓄池按照流域硬化面積配建調蓄容積，硬化面積計算見式（3），由此得到配建容積為268 135.8 m3;將流域50%的綠地鋪設為下凹式綠地，總面積為342.85 hm2;將流域70%的人行道路、停車場等鋪設為透水鋪裝，總面積為147.32 hm2。結合工程實地情況、InfoWorks ICM用戶手冊及相關參考文獻[15]，3種海綿措施參數選取如下：雨水調蓄池延時為24 h;下凹式綠地下凹深度為200 mm，植被容量比例為0.2;透水鋪裝表層厚度為2 mm，鋪裝層厚度為80 mm，土壤層厚度為100 mm;海綿措施土壤類型為砂質壤土，孔隙度為0.437，田間持水量為0.105，凋萎系數為0.047。

Si=Sb-Sg-Sp（3）

式中：Si為硬化面積，m2;Sb為建設用地面積，m2;Sg為綠地面積（包括實現綠化的屋頂），m2;Sp為透水鋪裝用地面積，m2。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 海綿措施對雨水管網排水能力的影響

將不同重現期設計暴雨過程作為輸入，模擬不同重現期條件下萬泉河流域管網運行負荷狀態，用負荷等級S對管網排水能力進行評估，其中Ⅰ級（S<1）表明管道處于非滿重力流狀態;Ⅱ級（S=1）表明管道處于壓力流狀態，并且水力坡度<管線坡度;Ⅲ級（S=2）表明管道處于壓力流狀態，并且水力坡度>管線坡度。管道排水能力評估的標準：S<1，認為管線達到輸入降雨重現期的排水標準;S≥1，認為管線不達標。流域現狀及“地標三項”海綿措施布設條件下管網負荷模擬結果見表3。

由模擬計算結果可知，流域現狀下墊面條件下與進行“地標三項”海綿措施改造之后，從1 a一遇至10 a一遇設計暴雨情景下，現狀達標管段數量增幅為0.59%～9.86%，管長增幅為0.48%～7.58%;不達標管網S=1管段數量的削減幅度為4.35%～49.06%，管長削減幅度為2.31%～47.37%;S=2管段數量的削減幅度為62.24%～75.00%，管長削減幅度為56.85%～83.33%。達標管段數量及長度與設計暴雨重現期成負相關關系。

綜合不同重現期模擬的負荷情況，得到區域現狀及海綿城市建設后雨水管網的排水能力（見表4）及空間分布（見圖5）。

由上述結果可知，流域進行海綿措施布設后，雨水管網排水標準普遍提高，其中排水能力在1～3 a一遇降雨時改善效果最為明顯，管長削減比例達87.59%，管段數削減比例達84.15%;排水能力達10 a一遇以上的管段數增幅達8.98%，管長增幅達7.59%。由此可知，海綿措施能通過“滲、滯、蓄、用、排”等源頭控制、末端處理等方式緩解雨水管網負荷，提高管網排水能力。考慮到流域現狀管網排水能力較高，加之布設的海綿措施均是點狀滲透設施或調蓄設施，相較于大型調節工程，如調節塘、調節池或大型防洪排澇工程等，緩解效果仍有待提升。

3.2.2 海綿措施對河道行洪能力的影響

將不同重現期設計暴雨過程作為輸入，模擬現狀下墊面及海綿措施布設后萬泉河流域出口流量過程。結果表明，在10 a一遇設計暴雨下，流域現狀下墊面峰值流量為69.87 m3/s，布設海綿措施后峰值流量減小至42.37 m3/s，河道徑流總量由1 657 975.15 m3減少至1 029 982.11 m3，徑流系數由0.48減小至0.29;在20 a一遇設計暴雨下，流域現狀下墊面峰值流量為85.88 m3/s，海綿城市規劃實施后峰值流量減小至59.91 m3/s，河道徑流總量由2 249 198.31 m3減少至1 520 962.44 m3，徑流系數由0.52減小至0.34;在50 a一遇設計暴雨下，流域現狀下墊面峰值流量為104.60 m3/s，布設海綿措施后峰值流量減小至83.97 m3/s，徑流總量由3 05 9429.84 m3減少至2 250 090.55 m3，徑流系數由0.56減小至0.40。在上述模擬中流域現狀下墊面及海綿措施布設后，最高水位均未出現漫堤現象，萬泉河河道防洪能力基本滿足50 a一遇設計標準。在10 a一遇設計暴雨情景下，在布設海綿措施后，萬泉河入清河口處最高水位由37.47 m降至37.21 m，沿線最高水位平均降低0.42 m;20 a一遇最高水位由37.62 m降至37.39 m，沿線最高水位平均降低0.36 m;50 a一遇最高水位由37.78 m降至37.61 m，沿線最高水位平均降低0.27 m。隨著重現期的延長最高水位降幅遞減，在10～50 a設計暴雨重現期下，加入海綿措施后，河道沿線最高水位下降幅度為0.35 m左右。

綜上，布設海綿措施可以削減河道峰值流量、徑流總量，降低河道沿線最高水位，增強河道抵御暴雨洪水的能力。

3.2.3 海綿措施對內澇積水的影響

模擬分析不同重現期條件下現狀下墊面及海綿措施布設后萬泉河流域內澇積水狀況，分析檢查井溢流情況和積水點的位置、深度、淹沒范圍等。

（1）設計暴雨峰值時刻檢查井溢流情況對比分析。分析不同重現期設計暴雨峰值時刻現狀及海綿措施布設后萬泉河流域檢查井溢流情況，見表5、表6。由表5、表6可知，無論是現狀下墊面還是布設海綿措施，溢流檢查井個數、峰值總溢流量均隨著重現期的延長而遞增。海綿措施布設后，設計暴雨重現期從5 a延長至50 a，檢查井溢流個數減少33～177個;峰值總溢流量減小3 797.5～6 861.2 m3。綜合分析，可以發現隨著重現期的延長，海綿措施緩解檢查井峰值溢流量效果依次遞增，檢查井溢流個數減少。

（2）內澇積水模擬結果分析。不同重現期流域內澇積水空間分布見圖6、圖7，模擬結果見表7、表8。無論是現狀下墊面還是海綿措施布設后，流域最大積水深度、積水總面積、積水總量均隨著重現期的延長而遞增。海綿措施布設后，從5 a一遇至50 a一遇設計暴雨條件下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.12 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。積水總面積與積水總量削減量隨著設計重現期的延長而增加，最大積水深度削減效果在5 a一遇及10 a一遇短、中重現期下優于20 a一遇及50 a一遇長重現期。最大積水點分布在六郎莊路以北，該處存在大片建設用地，不透水面積較大且僅分布有一支管徑300～400 mm的支管，管網排水能力嚴重不足，是造成內澇積水的主要原因。綜合分析，可以發現海綿措施對于最大積水深度的削減在短、中重現期下效果更加顯著，對于積水總量與積水總面積的削減在長重現期下效果更佳。

4 結論與展望

以北京市典型區域萬泉河流域為例，構建綜合洪澇模型，基于北京“地標三項”海綿措施布設方案，開展海綿措施布局規劃，與流域現狀下墊面條件的城市洪澇風險對比分析，主要結論如下。

（1）雨水管網排水能力。加入海綿措施后，雨水管網排水能力低于1 a一遇的管長減少13.89%，管段數減少12.50%;管網排水能力1～3 a一遇標準的管長減少87.59%，管段數減少84.15%;管網排水能力3～5 a一遇標準的管長減少8.15%，管段數減少51.92%;排水能力5～10 a一遇標準的管長減少65.85%，管段數減少65.60%;管網排水能力高于10 a一遇標準的管長增加7.59%，管段數增加8.98%。海綿措施能緩解管網負荷狀態，提高管網排水能力。

（2）河道行洪能力。加入海綿措施后，10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇設計暴雨情景下，河道峰值流量分別削減39.36%、30.24%、19.72%，徑流總量分別削減37.88%、32.38%和26.45%，徑流系數分別削減39.58%、34.62%、28.57%，沿線入清河口最高水位分別下降0.25、0.22、0.17 m。海綿措施能削減河道峰值流量、徑流總量，降低河道沿線最高水位，增強河道行洪能力。

（3）內澇積水分析。海綿城市規劃實施后，從5 a一遇至50 a一遇設計暴雨情景下，檢查井溢流個數減少33～177個，峰值總溢流量減少3 797.5～6 861.2 m3，海綿措施能有效緩解檢查井運行負荷;對于內澇積水，進行海綿措施布設后，從5 a一遇至50 a一遇設計暴雨條件下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.12 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。

基于上述結果，提出以下兩點展望：

（1）基于《規范》布設的雨水調蓄池、下凹式綠地及透水鋪裝，對于萬泉河流域這類已建成區實施改造較為困難，今后可針對流域實際情況，因地制宜布設海綿措施，必要時可進行空間布局優化，實現海綿措施效益最大化。

（2）學者左其亭等[16]曾指出海綿措施側重增強城市的“彈性”與“韌性”，而防洪排澇工程則側重直接與洪澇災害的抵抗，對于城市洪澇災害的防治與削弱能力更加明顯。因此，城市洪澇防治應當采用以防洪排澇工程為主、海綿城市建設為輔的有機結合方式，在利用防洪排澇工程最大程度降低洪澇風險的同時，充分利用海綿措施進行雨水蓄積利用，實現人水和諧發展。

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【責任編輯 許立新】