基于一二維耦合內澇模型的城市道路積水來源量化分析

吳俊毅 秦華鵬

北京大學深圳研究生院環境與能源學院, 城市人居環境科學與技術重點實驗室, 深圳518055;? 通信作者, E-mail: qinhp@pkusz.edu.cn

在城市化進程中, 我國許多城市出現較嚴重的內澇問題, 其中道路積水問題尤為嚴重, 給城市交通和居民生活造成極大的影響。城市道路積水來源主要有本地道路匯水和排水管網的檢查井溢流。本地匯水主要與局部微地形、雨水口排水能力和路面滲透性等因素有關, 檢查井溢流主要與管網排水能力和上游的匯水區產流有關。準確掌握道路積水來源, 可以為分析積水成因和治理城市內澇提供科學依據。

城市雨洪模型是分析內澇規律的主要方法, 常用的模型有 SWMM, MIKE-Urban, Info Work CS和 MOUSE[1]等。國內外學者利用這些模型對城市尺度的內澇時空分布和風險開展了大量的研究[2-5],其中, 城市道路積水的特征和成因是當前內澇研究的重點。潘安君等[6]應用分布式立體化城市洪水模型, 研究北京萬泉河橋下的積水成因。張成才等[7]等基于高精度 DEM 數據, 對鄭州某積水路段的積水深度進行模擬計算。Starita 等[8]通過動態混合整數編程模型, 模擬洪水對英格蘭赫特福德郡道路網絡的影響。但是, 現有的研究一般不區分排水系統溢流與本地道路地表徑流對道路積水的影響, 也缺乏針對道路積水來源的量化分析。

為模擬道路地表徑流和排水系統溢流對道路積水的影響, 本研究對道路匯水區采用地表二維模型,對其他匯水區和地下管網采用一維模型, 并構建基于 PCSWMM 的一二維耦合內澇模型?；谀Ｐ陀嬎憬Y果, 提出以本地道路匯水和檢查井溢流對積水貢獻比例為指標的道路積水成因量化分析方法, 并以深圳市南山區某排水片區為例, 研究局部道路積水的成因。

1 研究方法

1.1 研究區域

深圳是亞熱帶海洋性氣候的臨海城市, 多年平均降雨量為 1944 mm, 4—9 月的降雨量占全年 84%以上, 雨季暴雨頻發。本文選取的研究區域(圖 1)為南山區的 3 個排水片區, 邊界根據排水系統的最上游管網節點確定。研究區地勢北高南低, 占地面積為 269 hm2, 其中建設用地占 72%, 主要土地利用類型為居民用地、商業用地和工業用地, 是深圳市科研和教育中心。隨著城市內澇治理力度逐漸加大, 該區內澇情況整體上有所緩解, 但局部地區仍存在內澇風險, 且主要分布在城市道路中。解決局部內澇的問題需要精準地掌握道路積水的分布和明晰積水成因。

圖1 研究區域Fig. 1 Study area

1.2 城市道路積水模型

1.2.1 PCSWMM模型

PCSWMM 是由加拿大水力計算研究所(Computational Hydraulics International, CHI)開發的以SWMM 為核心的城市雨洪模型, 采用一維(1D)地下排水系統與二維(2D)地表排水系統耦合的雙排水系統。其中, 地下排水系統是傳統的城市排水管網系統, 地表排水系統通過地表網格單元之間的地表明渠來模擬水在地表的流動過程。地下排水系統的一維節點和地表排水系統的二維節點通過底部孔口或直接連接的方式連接[9]。該模型已廣泛用于城市內澇的模擬[10-11]。

1.2.2 一維排水系統概化

排水系統的概化包括對管網系統和河道的概化。SWMM 的水力要素包括管段和節點兩種, 節點主要指雨水檢查井和雨水篦子等, 管網主要包括雨水渠和雨水管。由于本模型的排水系統只有一個排口進入河道, 所以不對河道進行概化。由于模擬城市地區道路上的積水, 所以對部分地區的雨篦子也進行概化。地下排水系統概化節點為 486 個(檢查井), 管道管渠共概化 476 個。

1.2.3 二維排水系統概化

由于本文主要針對道路積水, 所以邊界層由ArcGIS 提取的研究區內道路邊界構成。邊界層的網格包括六邊形、定向、自適應和矩形 4 種類型,河流和道路一般采用定向網格, 為了更好地反映道路的積水情況, 模型采用六邊形網格。二維檢查井根據 DEM 生成, 提取精度由網格精度確定, 每個網格的中心分別有一個二維檢查井, 井底高程為地表高程, 超載深度設置成檢查井的井深。共設置二維檢查井 4960 個。

相鄰檢查井之間用深度為 30 m 的明渠相連, 用地表明渠來模擬相鄰地表網格單元之間水的流動,明渠的寬度由相鄰地表單元的面積確定。由于研究區域為非河道區域, 所以采用底部孔口連接方式來實現一維與二維排水系統耦合。共設置二維地表明渠 112918 個。

1.2.4 匯水區概化及一二維模型耦合

為模擬道路地表徑流和排水系統溢流對道路積水的影響, 對模型的應用做以下改進。將匯水區分為小區匯水區(1D)和道路匯水區(2D)兩類。小區匯水區的水直接排入一維排水系統, 道路匯水區的水直接進入二維排水系統, 在模型中道路積水先進入地表二維排水系統, 然后再進入地下一維排水系統。這樣的匯水區設置可以更好地對局部內澇進行模擬和診斷。

小區匯水區根據管網、道路街區、地形和建筑物等因素進行調整和劃分。根據管網節點, 采用泰森多邊形的方法劃分大匯水區 153 個(圖 2)。小區匯水區的坡度為平均坡度, 其排口根據深圳水務集團的排水資料確定。共劃分道路匯水區 1817 個。道路匯水區(2D)采用六邊形網格進行劃分, 與PCSWMM 的地表排水系統的 2D 網格大小相同, 并指定每個道路匯水區的排口為二維節點, 即雨水首先進入地表二維網格, 根據地形進行攤水, 然后通過孔口進入一維排水系統。本文只在道路網格中考慮積水的二維流動, 小區匯水區的雨水直接進入一維排水系統。

圖2 匯水區劃分Fig. 2 Division of subcatchment

通過 ArcGIS 柵格表面計算工具, 計算匯水區的坡度。將子匯水區的面積與匯流長度相除, 得到子匯水區的匯流寬度。通過 ArcGIS 統計各個子匯水區中滲透路面(城市綠化和公園)和不滲透路面(主要是建筑及小區路面)的占比, 從而計算匯水區的不滲透率。

1.3 積水指標與來源定量分析方法

本文根據積水的面積、深度和持續時間 3 個指標來分析道路積水特征。積水面積指標為水深大于某閾值的積水面積占積水點本地匯水區面積的比例, 積水深度為積水點的最大深度, 積水時間為水深大于某閾值時持續的時間。

積水的主要原因有管網排水能力不足、地形和匯水區不滲透率較高等。為了更好地分析城市內澇的成因, 本文提出內澇點積水來源的定量分析方法。根據來源不同, 可將內澇點積水分成兩類: 一類為因本地道路匯水不能及時排出產生的積水, 受積水點局部地形、路面滲透性和雨水口排水能力等因素影響; 另一類為因上游來水過多而從本地管網檢查井溢流產生的積水, 受上游匯水區的排水量以及管網排水能力等因素影響。若無溢流產生, 說明積水全部來源于本地積水; 若有溢流產生, 可以根據本地道路匯水和檢查井溢流對積水的貢獻比例來分析積水主要成因。

根據內澇模型模擬的結果, 進一步統計不同來源積水的占比: 1) 通過地表二維網格的積水面積乘以相應的深度得到地表積水總量; 2) 一維管網和地表二維節點通過孔口連接, 對孔口的流量過程線進行積分, 可得到進出孔口的凈水量, 且凈水量＞0 時,溢流量=凈水量, 凈水量＜0 時, 則溢流量=0; 3) 將積水總量減去溢流水量, 得到本地道路匯水貢獻的水量。

1.4 模型驗證

本文從檢查井液位曲線和監測點積水深度兩方面進行模型的率定和驗證。

檢查井液位監測點位于桃園路與前海路交叉路口(圖 1)。根據 2018 年 6 月 5 日(降雨量為 27.5 mm,歷時 3.5 小時)和 6 月 8 日(降雨量為 57.6 mm, 歷時8.5 小時)兩場降雨的實測檢查井液位數據, 分別對模型進行參數率定和驗證, 對應的 NS 系數分別為0.95 和 0.91 (圖3(a)和(b))。

圖3 實測和模擬檢查井液位的比較Fig. 3 Comparison between measured and calculated water level in manhole model calibration and model validation

積水監測點位于南山區南新路南山歡樂頌購物中心西門門口前的道路上(圖 1)。我們共監測 4 場雨, 利用 6 月 8 日和 8 月 7 日的監測數據做率定, 8月 20 日和 9 月 16 日的監測數據做驗證。結果表明,模擬與監測結果基本上吻合(表1)。

表1 實測道路積水深度Table 1 Measured depth of urban road waterlogging

1.5 設計暴雨

設計暴雨的計算參考《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015 版), 采用在國際上廣泛應用的芝加哥雨型進行降雨過程分配, 降雨歷時為 3 小時,時間間隔為 1 分鐘, 雨峰位置r= 0.4, 得到設計重現期為 5, 20, 50 和 100 年的降雨過程。

2 結果與討論

2.1 主要道路積水點及其積水來源的分析

圖 4 顯示 5, 20, 50 和 100 年一遇的積水分布,積水較嚴重的主要在 A, B, C 和 D 這 4 處, 重現期為5～100 年暴雨下各點的最大積水水深分別為 0.22～0.4, 0.32～0.6, 0.3～0.76 和 0.55～0.76 m。從最大積水水深看, 積水最嚴重的為 D 點; 從積水面積看, 積水最嚴重的為 C 點, 50 年暴雨的積水面積達到21426 m2。

圖4 不同重現期暴雨下道路積水分布Fig. 4 Road Waterlogging under different return period of storm events

表 2 列出研究區主要積澇點積水的來源統計。在重現期 5 年的暴雨下, 溢流對 A, B, C 和 D 點積水的貢獻分別為 24%, 0%, 0%和 61%。因此, A 點積水主要源于本地道路匯水, 但也受到溢流的影響; B和 C 點積水源于本地道路匯水; D 點積水主要源于溢流。

表2 積水水量統計Table 2 Stagnant water volume statistics

在重現期 50 年的暴雨下, 溢流對 A, B, C 和 D點積水的貢獻分別為 49%, 0%, 62%和 73%。因此,A 點積水源于本地道路匯水和溢流的共同影響, 兩者的貢獻相當; B 點積水仍源于本地道路匯水; C 和D 點積水主要源于溢流。隨暴雨強度增大, 檢查井溢流對積水貢獻增加。

2.2 道路積水的動態變化及其原因

本文以 50 年重現期暴雨下 A, B, C 和 D 這 4 個點為例, 分析道路積水深度和積水面積的動態變化特征。

2.2.1 積水深度的動態變化

從積水深度大于 0.15 m 的持續時間看, A, B, C和 D 點積水時間分別為 192, 140, 65 和 221 分鐘, 其中 A 和 D 點的積水時間較長(圖 5(a))。

從水深峰值來看, C 和 D 點的積水深度(約為0.7 m)大于 A 和 B 點的積水深度(約為 0.4 m), 可能與 C 和 D 點產生較多檢查井溢流有關。

從水深變化來看, 在峰值到達前, C 和 D 兩點呈現水深先緩增加再暴漲的現象, 水深暴漲與 C 和D 點開始溢流有關; 在峰值到達后, B 點出現水深先緩降再暴跌的現象, 可能與 B 點下游排水不暢造成的壅堵有關: C 點位于 B 點下游, 在 C 點積水幾乎排凈之后, B 點水深下降速度變快。A 點的積水深度最后穩定在 0.15 m 左右, 經過分析發現 A 點附近存在局部地勢低洼的情況, 導致積水不能排出。

2.2.2 積水面積的動態變化

根據《城鎮內澇防治技術規范 GB51222—2017》[12], 本文以 0.15 m 為閾值, 統計內澇面積,并分析內澇點的積水面積占道路匯水區面積比例的動態變化過程(圖 5(b))?？梢钥闯? 4 個點均出現積水鋪滿相應道路匯水區的現象(積水面積占比達100%), 其中 A, B 和 C 點的積水面積隨時間變化的趨勢相似, 達到峰值后迅速下降, 而 C 點的積水面積下降最快。這是由于 C 點所在的南山大道路面較寬, 且水流較通暢, 隨著降雨強度的減弱, 管網排水能力能夠快速恢復。D 點的積水面積達到峰值后下降緩慢, 可能與 D 點有較多溢流、路面相對較窄和排水能力較差等因素有關。

圖5 50 年重現期暴雨下道路積水動態變化Fig. 5 Variation of urban road waterlogging under storm with 50-year return period

2.3 道路積水成因與控制措施

A 點和 D 點的積水中, 溢流占比大, 本地匯水占比小, 這與 A 和 D 兩點上游匯水區不透水下墊面占比較高, 來水較多有關。因此, 為解決 A 和 D 兩點的積水問題, 首先應提高排水能力, 或者對上游匯水區進行海綿設施建設, 提高入滲量, 減少向下游的排放量。另一方面, A 點的積水時間較長, 表明其積水不能排出(積水深度最后保持不變), 即 A點存在局部地勢低洼的情況。因此, 針對 A 點還應考慮對局部地形進行改造或增加排澇泵站設施等。

B 點在重現期 5 年和 50 年暴雨下未產生溢流。C 點位于 B 點的下游, C 點在 5 年暴雨下沒有溢流,但在 50 年暴雨下產生溢流, 且溢流量對積水貢獻較大(占總積水的 62%)。結合積水深度的動態變化,C 點積水排凈后, B 點積水也隨之迅速排出, 說明 C點排水能力較差, 且對 B 點產生壅堵。因此, 為了解決 B 和 C 兩點的積水問題, 一方面, 應在 B 點通過海綿設施建設, 提高入滲量, 減少向下游的排放量; 另一方面, 應提高 C 點的管網排水能力, 減少對上游的壅堵。

3 結論

本文構建基于 PCSWMM 的一維二維耦合內澇模型, 模擬道路地表徑流和排水系統溢流對道路積水的影響, 并提出以本地道路匯水和檢查井溢流對積水貢獻比例為指標的解析積水來源的方法, 用來判斷積水成因。本文以深圳南山區某排水片區為研究區開展案例研究, 得到如下結果。

1) 研究區存在 4 個主要道路積水點(A, B, C 和D), 在重現期 5～50 年暴雨下, 其最大積水深度分別為 0.22～0.4, 0.32～0.6, 0.3～0.76 和 0.55～0.76 m; 在重現期 5 年的暴雨下, 有兩個積水點(A 和 D)發生溢流, 溢流在積水的占比分別為 24%和 61%; 在重現期 50 年暴雨下, 有 3 個積水點(A, C 和 D)發生溢流,溢流在積水中的占比分別為 49%, 62%和 73%。隨著暴雨強度增大, 檢查井溢流對積水的貢獻增加。

2) 道路積水的動態變化受到積水來源、下游壅堵和局部地形等諸多因素的綜合影響。在 50 年暴雨重現期下, 對于溢流在道路積水中占比最多的點(D), 積水較深, 持續時間較長, 且在積水達到最大值前呈現水深先緩增再暴漲的趨勢, 在積水達到最大值后呈現水深先緩降再暴跌的趨勢; 對于本地道路匯水在積水中占最多的點(B), 積水較淺, 且由于受到下游壅堵, 在積水達到最大值后也呈現水深先緩降再暴跌的趨勢。

3) 對于溢流在積水中占比較大的內澇點, 建議著重提高管網排水能力, 并對上游匯水進行海綿化改造。對于本地匯水在積水中占比較大的內澇點,建議對本地進行海綿化改造, 適當地改造局部地形,或增加排澇泵站設施等。