常州市主城區暴雨內澇風險分析

陳阿萍，柳楊，劉國慶，洪昕，范子武，楊陽，楊帆

(1.常州市防汛防旱調度指揮中心，江蘇 常州 213022；2.南京水利科學研究院，南京 210029；3.常州市河道湖泊管理處，江蘇 常州 213022)

近年來，隨著城市化進程的快速發展，下墊面劇烈變化、流域產匯流規律改變、城市排水設施布設密度不足以及部分設施因服役時間長出現堵塞、斷裂、錯口等一系列問題，洪澇風險的暴露度提高，城市的洪水災害風險上升[1-4]。

暴雨內澇問題受到國內外學者的廣泛關注，而數學模型是計算分析城市暴雨內澇的主要手段。國外利用數學模型進行暴雨內澇風險分析技術已十分成熟[5-8]，其中，暴雨洪水管理模型(stom water management model,SWMM)、InfoWorks ICM等模型能夠精確模擬產匯流過程和洪水演進過程，在國內應用廣泛[9-14]：烏景秀等[15]采用水力學方法構建景德鎮城區水力學模型，模擬計算了景德鎮市城區超標準洪水導致防洪墻潰決或城市暴雨可能發生的受淹和積水情況；陳靖等[16]以福州市城區地表和明渠河道為主要模擬對象，建立了福州城市暴雨內澇數學模型，該模型對長時間、雨強比較平均的降雨整體模擬效果較好；鄧金運等[17]采用Mike Flood耦合模型分析了武漢市光谷中心城區在不同降雨、不同土地利用類型情景下的受災面積，得出隨設計暴雨重現期增大，城市淹沒水深、分布范圍及相應的受災損失不斷增加，受災面積增長率以交通用地、綠化用地最大，受災損失增長率以交通用地、綠化用地、工業用地最為明顯；余富強等[18]通過耦合水文模型與二維水動力模型的方法，使得在模擬城市下墊面洪水淹沒情況的同時，又能使模擬達到較快的運算速度。國內外已有研究成果表明，利用數學模型模擬分析暴雨內澇的相關研究比較常見，但構建的模型可靠度差異較大，如何提高模型的模擬精度值得進一步研究，且水文-水動力一、二維河網-管網耦合的精細化模型構建也是今后的研究重點。常州市作為長三角地區重要平原城市，河網水系發達、城鎮化率高，暴雨引發內澇問題突出，對當地居民的生產生活造成一定影響，為此，以常州市主城區為研究對象，構建水文-水動力一、二維河網-管網耦合的精細化模型，開展常州市主城區暴雨內澇分析，為預估常州市暴雨內澇風險、指導常州市防洪排澇決策提供依據，也為常州市城市發展與建設提供參考。

1 研究區域概況

常州市屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，無霜期長，全年平均氣溫17.5 ℃，年平均降水量1 149.7 mm。歷史上地區災害性降雨主要有梅雨型降雨與臺風。常州市地形以平原為主，地勢西南高、東北低，包括金壇、武進、新北、天寧、鐘樓5個區及溧陽1個縣級市，常州市主城區東臨丁塘港，南到京杭運河，西靠德勝河，北至新龍河和滬寧高速公路，區域內水系發達，主要河道有京杭大運河、老運河、南運河、丁塘港、德勝河、古運河、關河、橫塘河、老澡港河、北塘河等。

在上游湖西區來水和下游無錫、蘇州外排頂托的雙重影響下，京杭大運河常州段水位屢超歷史水位，常州城區管網排澇能力不足的區域極易形成內澇積水。中華人民共和國成立后，常州市從1951年到2014年的64 a中，經歷特大水年2 a(1954年、1991年)、大水年6 a(1969年、1974年、1983年、1987年、1999年、2003年)，2015年、2016年常州再次經受歷史罕見洪澇災害，造成大量經濟損失。為減輕防洪壓力，常州市主城區內建立了大包圍控制(即運北大包圍，以下簡稱大包圍)，節點樞紐工程包括澡港河南樞紐、老澡港河樞紐、永匯河樞紐、北塘河樞紐等，運北片大包圍區域一級排澇泵站13座，裝機流量353.60 m3/s，二級排澇泵站19座，裝機流量95.64 m3/s，三級排澇泵站37座，裝機流量95.32 m3/s。城區防洪標準總體達到100 a一遇，城市中心達到200 a一遇，排澇標準為20 a一遇最大24 h降雨不漫溢。主城區水系及工程分布見圖1。

圖1 常州市主城區水系及工程分布

2 精細化數學模型構建

2.1 構建思路及范圍

為能夠準確模擬常州市主城區暴雨內澇風險情況，本文按照離散化建模規則，基于具有模擬城市地下管網、城市河網、降雨產匯流、堤防潰決等功能一體化數值模擬系統軟件InfoWorks ICM，根據常州市主城區地形、河道水系、地下管道、水利工程、工程調度規則，構建常州市主城區水文-水動力一、二維河網-管網耦合模型，本文構建的模型范圍覆蓋常州市主城區179.2 km2。

模型模擬過程主要由3個部分構成，即降雨過程模擬、地面徑流過程模擬和管網匯流過程模擬。降雨過程模擬降雨事件發生時的降雨過程線，地面徑流過程模擬降雨事件發生后匯水區發生的洼地蓄水、入滲和蒸發等徑流損失的地面產匯流過程，管網匯流過程模擬雨水匯流進入排水管渠輸運到受納水體(河道、湖庫等)的過程。

2.2 城市河網-管網一體化模型

2.2.1模型原理

水文模型。用于城市/流域匯水區的地表降雨徑流計算，InfoWorks ICM提供固定徑流系數，Horton、Green-Ampt、SCS等徑流模型，以及Wallingford、Large Catch、SWMM、Unit等匯流模型。另外，ICM中還可考慮將降雨直接作用在地面上，根據地面模型考慮土地性質、下滲、蒸發等因素的影響，形成徑流，并排入到排水管網系統中。

管流模型。采用完全求解的St.Vennant方程模擬管道和明渠流，對于超負荷的模擬采用Preissmann Slot方法，能夠仿真各種復雜的水力狀況。利用貯存容量合理補償反映管網儲量，避免對管道超負荷、洪災錯誤預計。各水力設施真實反映水泵、孔口、堰流、閘門、調蓄池等排水構筑物的水力狀況。

水動力模型。一維河道(河網)的洪水運動用St.Vennant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量-水位關系控制等形式。由St.Vennant方程、邊界條件和初始條件同組成一維洪水運動的定解問題。一維河道(河網)非恒定流的基本方程是一組擬線性偏微分方程組。本次采用水動力學有限差分法直接求解St.Vennant方程組的數值解。二維模型是一個更快、更準、更詳細的地面洪水演算模型。根據地面高程模型，并考慮道路、建筑物等對水流的引導和阻擋作用；考慮地面上不同類型地塊的糙率對流速的影響，如道路、草地等；考慮地面的下滲作用(Horton模型)；考慮根據關注程度設定不同精度的網格；考慮湖泊、河道等水位邊界，模擬出洪水在地面上行進的過程。本次采用守恒型式的淺水波方程作為二維洪水運動的控制方程，采用水力學方法二維有限體積法求解淺水流方程。一、二維耦合模型中一維河網模型與二維地面模型是通過河道堤防設置的“溢流單元”上的連接條件來實現模型耦合的，選定側堰流公式來實現水流信息的交互。一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計算單元的各節點上，在連接處二維計算網格的水位值并不相等，因此取各個計算網格的平均水位值Z返回給一維模型，以進行下一時段的計算。管道模型和地面模型的銜接通過管道在地面上的檢查井進行水流交換。地面降雨通過集水區匯流進入地面上的檢查井，再流入管網，管網排口與河道連接，進入管網的水流又通過排口進入河道。

2.2.2河網-管網精細化模型構建

常州市主城區河網-管網精細化模型構建主要分為:一維模型構建，包括創建斷面、創建河道連接、添加水工構筑物、管網模型構建、創建河岸；二維模型構建，包括線狀地物處理、地面模型構建、區域降雨處理、糙率設置、網格劃分、調度規則及邊界條件添加[19]。

一維模型構建。為保證模型的精細化水平和模型模擬精度，本文構建的模型包括區域內所有113條河道，河道斷面均為實測斷面。測量時：河寬30 m以上河道，斷面測量間距為500 m；河寬10～30 m河道，測量間距為200 m；河寬10 m以下河道，測量間距為100 m。另外，每條河道的首尾、束窄處、拐彎處均進行測量，按上述原則，共測得主城區河道斷面1 154個。河道斷面創建后，對照主城區范圍內的遙感影像，建立河道中心線，并根據區域水系特點和水流方向進行河網的連接，然后在對應位置添加水工建筑物，并輸入建筑物對應的幾何尺寸信息、設置運行規則。

在管網模型構建時，將城建部門收集的常州市主城區雨水、雨污合流管網的數據信息導入數學模型。數據信息包括排水管道的類型(含雨水管道和合流管道)、斷面形式、管徑、管材、管長、管底標高及相應檢查井類型、編號、路面高程等。對數據信息檢查、修正并對缺失的數據進行合理化推斷。本文構建的管網模型覆蓋了整個常州市主城區的編制范圍，包含檢查井14 551個、出水口491個、管段數14 628個，總長度達458.5 km，滿足了精細化建模的要求。管網模型構建后，即可創建河岸，再利用實測的河道堤防高程數據整合到河段中，從而保證河道的完整，本次構建的模型共創建河段399個，總長281.24 km。河網管網模型構建完成后，進行拓撲關系檢查，包括管道連接(管徑、連接方向、高程、位置)以及管網與河網連接(管道出水口與河網交匯)的拓撲關系檢查，提高模型的計算準確性和精度。

二維模型構建。常州市主城區二維模型構建過程，關鍵步驟包括：線狀構筑物的處理、地形處理、區域降雨處理、網格剖分等。常州市主城區內線狀地物處理主要為道路的處理，鑒于原始道路圖層缺少高程值，本次模型構建對研究區內的道路高程進行了加密測量，點間距根據高程變化情況控制在100～300 m。另外，由于原始道路節點間距不規則，劃分網格時容易產生小網格，對模型計算不利，為此，采用抽稀處理方法[20]對道路的節點進行均勻化，并利用測量的道路高程值對其進行賦值，本區域共構建道路1 571段。

地形數據是二維模型網格剖分的基礎，對暴雨內澇分析結果影響較大。本文基于收集的常州市主城區1∶500 高精度DEM數據構建地面模型，并導入河網-管網耦合模型。降雨模型構建時，根據常州(三堡街)、鐘樓閘雨量站分布，采用泰森多邊形進行雨量的空間分配和集水區劃分。當發生不同強度的暴雨時，根據不同雨量站的實測數據，輸入降雨邊界過程。降雨首先降到集水區，采用水文模型計算匯流過程，并由地面上的檢查井進入地下管網，再由地下管網進入河道，河道水位等計算結果也會反作用于管網和地面模型，管網、河網與淹沒區域按照上述過程產生水量交換，相互嵌套、實時互饋，以此實現河網和管網一、二維耦合的模擬計算。

根據常州市主城區下墊面信息，將下墊面數據導入模型，確定不同區域的糙率值，創建糙率分區，并設置不同的糙率。本模型與GIS無縫對接，根據GIS分析成果對下墊面進行精確劃分，共分居民地、耕地、道路、城市綠地、水系、其他6類。常州市主城區模型構建完成后，根據水利工程實際的調度規則進行邏輯控制，包括閘門的調度、水泵的啟閉等。在常州市主城區二維模型網格劃分時，以計算域外邊界、區域內堤防、阻水建筑物、較大河渠、主要公路、鐵路作為依據，采用無結構不規則網格，參照文獻[22]對于城市洪水風險圖分析模型網格劃分要求，網格面積控制為0.000 5～0.005 0 km2，共生成計算網格82 995個、計算單元71 289個。常州市主城區河網-管網精細化模型見圖2。

圖2 常州市主城區河網-管網精細化模型

需要說明的是，常州市主城區作為常州的老城區，管網系統錯綜復雜，管道資料收集較為困難。本文在構建管網模型時，向城建部門收集到的是主干道路上的管網，而內部支管的信息在水文模型參數中體現，以集水區為單元通過水文模型進行道路周邊匯流計算，地面水流匯入主干道路的檢查井，再進入管網，流入河道。本方法符合暴雨發生后的實際水流過程，能夠真實反映區域的暴雨內澇狀況。

2.3 模型參數率定

2.3.1水文學模型參數選取與率定

下墊面分析。不同下墊面情況的產匯流機制存在一定的差異，根據常州市用地類型解譯資料和實地調研，常州市的主要用地類型有59種。參照文獻[21]有關不同地面種類的徑流系數的規定，借助GIS統計并核實常州市的不同地面種類的組成和比例，以加權平均法計算常州市各用地類型的徑流系數，即道路取0.85、居民地取0.70、耕地為0.20、城市綠地取0.20、水系為1.00、其他用地取0.80。

綜合徑流系數確定。根據《常州市城市排水與防澇綜合規劃》，結合常州市地形特點和水系分布，利用GIS將研究區域分成14個集水區，見圖3。其中：城西南童子河運河片、龍江路西自排片為高地自排區，直接就近排入外河；澡港河東支老澡港片、澡港河西片澇水直排入一級內河；其余10個分片為抽排區。

圖3 常州市主城區排澇分片及其綜合徑流系數

按照集水區的劃分方式，通過GIS對常州市主城區計算范圍內14個集水片內的下墊面進行分析，根據各用地類型徑流系數及其面積所占比例加權平均計算出常州市不同集水區的綜合徑流系數，即常州市城西南童子河運河片和串新河南運河片綜合徑流系數較低，分別為0.59和0.61，其他片區綜合徑流系數均在0.64～0.68，見圖3。

產匯流模型參數率定。常州市主城區范圍內的雨量站僅為常州(三)，為保證計算結果的準確性，采用常州市主城區內及周邊常州(三)、魏村閘、澡港閘、九里鋪、橫林5個雨量站(圖3)的數據進行產匯流模型參數率定，通過上述5個雨量站劃分的泰森多邊形區域在不同集水區中的占比，計算各集水區中不同雨量站的權重，率定產匯流模型的參數，詳見表1。

表1 模型參數取值

2.3.2水動力學模型參數選取與率定方法

參數選取。參考《常州市城市防洪規劃修編報告》，選取各排水分區的常水位作為整體模型中各河道的初始水位，進而確定不同排水分區的初始水位，模型根據斷面資料采用不等間距的節點布置，實測河道斷面間距約為100～500 m，模型計算步長為100 m左右，為使模擬計算過程保持較好的穩定狀態和滿足模型計算精度，模型時間步長采用60 s。河道糙率值主要根據《水力學手冊》《常州市城市防洪規劃》《常州市城市排水與防澇綜合規劃》有關人工渠道以及天然河道的經驗值初步擬定為0.020～0.040。

模型率定方法。模型的率定主要用于調整模型中的相關參數以提高模擬結果的精確度。一維模型中的主要影響因子為空間步長、時間步長以及河道糙率。參照文獻[22]，驗證結果與實際洪水的最大水位誤差(實測水位與計算水位之差絕對值的最大值)不大于20 cm。率定驗證中采用Nash-Sutcliffe系數NSE和決定系數R2對模型有效性進行評定，NSE用于表示計算值系列與實測系列數量級近似程度，R2用來表示計算值系列與實測系列形狀吻合程度。

2.3.3模型率定

根據2017年5月9日、5月13日兩次現場原型觀測試驗結果，采用常州(三)、樊家橋、盤龍苑站點實測水位過程進行模型率定。由表2可知，兩次率定中選取的3個驗證點位計算水位序列和實測水位序列最大絕對水位誤差均小于5 cm，計算水位曲線形狀與實測水位序列匹配較好。經過率定，最終確定京杭大運河、德勝河、澡港河糙率為0.020，古運河、關河糙率為0.025，其他河道糙率為0.030～0.035。

表2 率定結果分析

2.4 模型驗證

2.4.1一維模型驗證

利用2017年5月14日和2017年5月15日兩場現場原型觀測試驗數據，選擇常州(三)、樊家橋、盤龍苑3個站點實測水位進行常州市主城區一維模型驗證。由表3可知，兩次驗證中選取的3個驗證點位計算水位序列和實測水位序列最大絕對水位誤差為6.2 cm，計算水位曲線形狀與實測水位序列匹配較好。因此，可以認為一維模型模擬精度符合規范要求。

表3 驗證結果分析

2.4.2二維水動力學模型驗證

采用2015年6月25日—6月29日實況暴雨對常州市主城區二維水動力學模型進行驗證。2015年6月25日—6月29日降雨過后，常州市主城區實際積水點主要集中在中吳大道、龍江路高架、龍城大道及大明路圍成的區域，且積水點深度均在30 cm以上，其他區域亦有部分不同程度的積水點。利用構建的常州市主城區精細化的數學模型計算該場次實況暴雨的積水點分布情況，從對比結果(表4)可以看出，城區70%的暴雨積水點與實際相符，而由于在計算中采用的管網資料部分缺失，與實際工情有出入，因此，計算結果中出現部分實際積水區未積水的情況，但總體結果符合實際，滿足文獻[22]中“城區70%的暴雨積水點的最高水位的誤差應控制在20 cm以下”的驗證要求，由此說明本文構建的二維水動力模型也是合理準確的。

表4 計算積水分布與實際積水分布對比

3 常州市主城區暴雨內澇風險預測

3.1 計算工況與邊界設置

采用率定后的數學模型進行常州市主城區暴雨內澇計算與分析，計算方案共設置3組，分別為主城區遭遇50 a、100 a、200 a一遇設計暴雨時的淹沒方案。方案計算時，分別采用區域50 a、100 a、200 a一遇設計洪水與城區50 a、100 a、200 a一遇24 h設計暴雨組合，城區不同重現期最大24 h設計暴雨對應面雨量分別為198.1、216.9、235.6 mm，通過歷年資料分析，選用1991年7月1日6時至2日6時的實況降雨過程為典型過程，采用20 a一遇最大1、6、24 h 同頻率控制獲得暴雨過程。京杭大運河段上游采用大運河西樞紐對應頻率設計水位過程(最高5.56 m)，下游采用洛社對應頻率設計水位過程(最高5.11 m)，大包圍北側采用澡港河南樞紐外部設計水位(最高5.01 m)控制，內部河道初始水位按照《常州市水利工程調度方案(試行)》(2010年)執行，大包圍按照現狀防汛調度，計算時段3 d。

3.2 計算結果與分析

常州市主城區遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計暴雨洪水要素統計見表5，可以看出，遭遇不同重現期設計暴雨時，主城區淹沒區域集中在薛家鎮、新橋鎮、三井街道、新閘街道、西林街道、雕莊街道、丁堰街道、青龍街道、紅梅街道等地，50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計暴雨內澇風險面積分別為29.04、31.48、34.70 km2，大部分區域積水水深均在0.05～0.30 m，占比分別為72.66%、71.06%和69.14%。3種不同頻率設計暴雨的淹沒范圍情況對比發現，區域日最高降雨量在積水過程中起主導作用，表現為暴雨內澇積水范圍大、淹沒水深較小的特點。

表5 暴雨內澇風險要素統計

為分析積水成因，選取大包圍內典型河道斷面常州(三堡街)及典型積水點常州市青龍街道北部積水點水位變化過程，見圖4。由圖4可知，水位達到大包圍啟用水位4.30 m，大包圍沿線澡港河南樞紐、老澡港河樞紐、永匯河樞紐、北塘河樞紐、橫塘河北樞紐、大運河東樞紐、采菱港樞紐、串新河樞紐、南運河樞紐、大運河西樞紐等開啟：降雨初期，由于降雨量較小，大包圍外排能力強，常州(三堡街)水位略微有所下降；隨著降雨量的增大，大包圍外排能力有限，水位迅速上升，200 a一遇最大24 h的計算工況下最高水位達到5.28 m；降雨停止后，大包圍水位逐漸下降。由此可見，城區大包圍外排能力與是否產生內澇積水有直接的關系。

圖4 積水點水位變化過程

水利標準50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計暴雨條件計算的管道超負荷狀態見表6。由表6可知，在遭遇3種頻率設計暴雨條件時，常州市主城區的管道絕大部分均處于超負荷狀態，其中，由于下游管道頂托而超負荷的管道占比分別為65.99%、65.65%和65.39%，由于管道本身過流能力限制而超負荷的管道占比為33.09%、33.46%和33.74%。總的來說，常州市主城區在遭遇50 a、100 a、200 a一遇洪水最大24 h設計暴雨條件時，管網超負荷狀態均十分嚴重，且隨著洪水量級的增加，管道超負荷狀態增加，短歷時強降雨是導致管網超負荷的主要原因。

表6 遭遇不同頻率設計暴雨管道超負荷狀態統計

4 結 論

本文構建了常州市主城區河網-管網一、二維水動力精細化模型，采用2015年、2017年多場次實況洪水對該數學模型進行了率定和驗證，并計算了主城區在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計洪水情況時的洪水淹沒情況，分析了內澇積水成因和管道運行負荷狀況，結果如下。

(1)構建的常州市主城區河網-管網一體化數學模型模擬的河道水位變化過程和實測水位序列匹配較好，計算水位和實測水位最大絕對誤差均小于7 cm，且內澇積水模擬結果中70%的積水點與實際相符，模型計算精度符合規范要求，能較好地模擬洪水演進及淹沒情況。

(2)常州市主城區在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計暴雨工況時，內澇風險面積分別為29.04、31.48、34.70 km2，積水水深主要分布在0.05～0.30 m，占總內澇風險面積的70%左右，區域日最高降雨量在積水過程中起主導作用，表現為暴雨內澇積水范圍大、淹沒水深較小的特點。

(3)常州市主城區在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設計暴雨條件時，主城區管道絕大部分處于超負荷狀態，其中，由于下游管道頂托而超負荷的管道占比分別為65.99%、65.65%、65.39%，由于管道本身過流能力限制而超負荷的管道占比為33.09%、33.46%、33.74%，短歷時強降雨是導致管網超負荷的主要原因。

平原河網地區地勢平坦、河湖眾多，水網密布，城市下墊面變化快，水利工程眾多，水動力模擬受外圍水文形勢影響大，但城區水系往往不封閉，模型計算邊界條件難以設置，增加了模擬難度，建議今后加強流域模型的構建，以流域為單元構建河網大模型，城區內構建河網與管網耦合模型，形成流域-區域嵌套的模型，流域模型可為城區模型提供計算邊界，提高模擬精度。