基于多維耦合模型的城區內澇模擬及風險評估

潘文俊 ，柳樹票 ，徐 嫣 ，郭曉輝

（1.廣東華南水電高新技術開發有限公司,廣東 廣州 510611；2.廣東省水利信息化工程技術研究中心,廣東廣州 510611）

0 引言

近些年來,極端氣候頻發造成城市內澇,嚴重影響了城市經濟社會發展[1]。因此,如何精準模擬城區遭遇極端降雨后的淹沒和易澇點情況,進而對內澇風險進行預測已成為亟待解決的問題[2]。為補強城市綜合防災體系,落實海綿城市建設要求,做好防洪排澇評估,提高防洪排澇建設標準,解決城市防洪排澇等安全問題,文章以城市內澇災害為目標,建立一維河道模型、二維地表模型和地下管網排水模型,進行多模型耦合對研究區域內澇災害進行模擬分析和風險評估[3]。

1 區域概況

項目控規調整范圍屬于永和河流域,永和河發源于永和經濟區的了歌髻山西北山麓,由西北向東南縱貫永和開發區,經紅旗水庫、水和、官湖、久裕、泥紫至久裕閘流入東江北干流。永和河總集雨面積106 km2,其中黃埔區28.65 km2。永和河主干在黃埔區內長約8.52 km,紅旗水庫為其重要節點,均為非感潮河段。

現狀控規調整范圍區域內沿新莊四路布有現狀雨水管網DN400～500、新莊五路布有現狀雨水管網DN600、田園路布有現狀雨水管網DN800,同時在新安路布有規劃擴建雨水管道DN1600。地塊內無水庫,湖泊以及水閘、雨水泵站、供水加壓泵站、污水提升泵站及處理設施等其他水務設施。區域現狀見圖1。

圖1 項目地塊概況

東江北干流排澇片整體地勢呈西北高,東南低,屬于丘陵、平原地貌,山地高程為50 m～430 m,平原地面高程大多為 5 m～15 m。

本項目控規調整地塊位于AG0517 規劃管理單元,根據2019 年區域高精度DEM資料,整個控規管理單元范圍內地勢為西南部高東北部低,高程范圍32.94 m～55.62 m,排澇分區內的低洼地主要集中在新莊四路北側,其中控規調整地塊地勢平坦,高程約在42.20 m～45.57 m左右,區域地形見圖2。

圖2 區域地形分布

2 模型構建

城市洪澇模型由一維河道模型、二維地表模型、地下管網排水模型等多模型耦合組成。

2.1 河道一維模型構建

（1）模型原理

采用圣維南方程組作為單一河道非恒定流控制方程：

式中：x為里程；t為時間；Z為水位；B為過水斷面水面寬度；Q為流量；q為側向單寬流量,正值表示流入,負值表示流出；A為過水斷面面積；g為重力加速度；u為斷面平均流速；β為校正系數；R為水力半徑；c為謝才系數,n為曼寧糙率系數。

（2）河道概化及斷面布置

一維模型河網和斷面布置見圖3。

圖3 一維模型斷面分布示意圖

2.2 地表二維模型構建

（1）模型原理

采用守恒形式的二維淺水方程：

式中：U為守恒向量,Eadv、Gadv分別為x、y方向的對流通量向量；Ediff、Gdiff分別為x、y方向的擴散通量向量；S為源項向量。

式中：h為水深；u、v分別為垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b為底高程；r為降雨強度；i為入滲強度；vt為水平方向的紊動粘性系數；g為重力加速度；Sfx、Sfy分別為x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分別為x、y方向的底坡斜率。

（2）二維網格剖分及高程插值

根據本次項目更新改造范圍及地形圖劃定二維模擬范圍。項目位于廣州市黃埔區東部,附近河涌為永和河,因此將二維模擬范圍劃定為永和河流域片區,見圖4。

圖4 模擬范圍示意圖

（3）高程插值及糙率取值

根據已有資料生成網格并進行高程插值,得到模擬范圍內的高程數據。地表糙率根據土地利用類型進行取值,研究區域內土地利用類型多且分布零散,河道、灘地、林地、草地、居民地、耕地水域等不同區域的地形地貌不同,為保證模型計算精度,需要分別設置不同土地利用類型的糙率。此外,為模擬建筑物對洪水演進的影響,在網格尺度制約及收集到的地形難以準確代表建筑物高程的情況下,采用加大糙率的方法進行建筑物阻水效果概化。根據土地利用類型數據,按照下墊面情況選取糙率參數,根據下表進行相應初始糙率賦值,見表1。

表1 糙率取值參考表

2.3 管網模型構建

2.3.1 模型原理

項目利用自主研發的一維管網模型對管網排水進行數值模擬,主要應用包含產匯流計算和管網水力學計算。在該模型中,子匯水區是最精細的反映單元,地表徑流以子匯水區為空間單元進行模擬計算。

（1）產流計算

產流是指降雨量扣除損失形成凈雨的過程。降雨損失包括蒸發、植物截留、入滲與洼地蓄水。模型地面產流模塊是模擬降雨扣除損失后到產生地表匯流的過程的部分為凈雨量。降雨損失中下滲是最主要的,蒸發量對黃埔區這種城市化區域常可以忽略不計,洼地蓄水部分的計算會包含植物截留。

①透水地表產流量計算：

式中：R1為透水地表產流量,mm；i為降雨強度,mm/s；f為入滲強度,mm/s；t為時間間隔,s。

②無洼蓄不透水地表產流量計算：

式中：R2為無洼蓄不透水地表產流量,mm；P為降雨量,mm；E為蒸發量,mm。

③有洼蓄不透水地表產流量計算：

式中：R3為有洼蓄不透水地表產流量,mm；D為洼蓄量,mm。

匯流是指產流水量在某一范圍內的集中過程。本模型中有兩種匯流方式,即地表匯流和管網、街溝匯流。地表匯流的計算過程要將各個子匯水區的凈雨過程轉化為出流過程,對這部分的計算本模型采用非線性水庫法,將連續方程和曼寧公式聯立進行求解。

（2）管網匯流計算

管網中流量的演算是通過質量平衡方程和動量平衡來確定的,通常以運動波法和動力波演算法求解。在以動力波模型進行計算時,通過連續性方程、動量方程和節點控制方程進行聯立計算,為保證計算時的精度和穩定性,在應用此方法時,必須以設定的時間步長來運行。

①管道控制方程：

動量方程：

摩阻坡度：

式中：K=gn2

②節點控制方程：

式中：Ask為節點自由表面積,m3；Qt為進出節點的流量,m3/s。

2.3.2 模型構建

現狀控規調整范圍周邊主要排水管渠為地塊南側田園路的排水干管B×H=3.0×2.5 匯入桑田三路的排水干網B×H=2.4×1.6,排入永和河,本次對承接該片區雨水的排水主干管進行模擬。管網分布見圖5。

圖5 永和河片區雨水管網分布圖

2.4 模型耦合

一維河道模型、二維地表模型、地下管網排水模型通過以下過程進行耦合：

（1）一維河道-二維地表模型通過堤岸進行耦合,以模擬漫堤洪水演進過程；

（2）一維河道-排水管網通過排水口進行耦合,以反映河道水位對管網的頂托或倒灌作用；

（3）二維地表-排水管網通過雨水口/地表單元進行耦合,以反映管網排水作用及漫溢淹沒過程。

模型耦合示意圖見圖6。

圖6 模型耦合關系示意圖

2.5 洪澇安全計算

2.5.1 現狀工況洪澇風險等級評定

由洪澇淹沒分析計算得到淹沒水深及流速,綜合確定城市建設用地洪澇風險等級,洪澇風險等級劃分標準見表2。洪澇風險等級不同時,按兩者的高等級采用。

表2 城市建設用地洪澇風險等級劃分標準

2.5.2 洪澇風險等級確定

模擬范圍內地面高程、水利工程、排水管網按現狀情況考慮。現狀工況100 年一遇情景計算得到的內澇淹沒情況見圖7。從模擬結果可以看出,在100 年一遇降雨情景下,項目地塊附近無大片積水情況,內澇情況主要集中在新莊四路以北、新莊五路與田園路交叉路口,積水深度0.2 m～0.3 m。

圖7 100年一遇暴雨情景淹沒水深

根據項目現場調研成果,距離項目位置最近的易澇點為新莊五路與田園路交叉口,位于本次調整地塊的東南角。規劃管道過流能力滿足5 年一遇的排水標準,項目地塊為內澇低風險地區。管控單元100 年一遇暴雨情景淹沒水深見圖8。

圖8 管控單元100年一遇暴雨情景淹沒水深

3 結語

根據地塊所在排水分區的雨水管網、河涌水系現狀,基于已建的SWMM模型和明渠計算方式,計算地塊所在的排澇片區遭遇100年一遇降雨時地塊內澇風險情況。根據洪澇安全計算的模型計算結果,得出：

（1）廠區出入口過流能力大于該廠區產流。

（2）街道坡頂匯流小于新莊五路雙向過流能力,廠區及廠區外新莊五路不會產生積水。

（3）廠區出口地面高程高出新莊五路坡頂0.6 m～2.0 m以上,街道雨水不會倒灌廠區。

綜上,地塊在遭遇100 年一遇24 小時降雨時,區域將產生內澇,即地塊所在管控單元當前內澇治標準不滿足100 年一遇規劃要求,地塊本身滿足內澇治標準100 年一遇規劃要求。