0 引 言
近年来，我国大中城市频繁遭遇暴雨袭击，引发严重城市内涝。上海、重庆、北京、南京、武汉、西安、杭州等城市暴雨积涝成灾的报道屡见不鲜[1]。城市内涝不仅给城市的正常生活秩序带来了影响，也造成了严重的生命财产损失。引起城市暴雨内涝灾害的原因是多方面的，如城市局部气候变化、城市硬化地表面积的急剧增加、排水系统设计标准偏低、城市内部河道与城市排水管网运行管理不衔接等，这些因素综合作用造成了局部区域的内涝。在我国大多城市，城市内部河道承担了雨天排水与旱天景观的双重作用，大量城市雨水管网直接与内部河道相互连接，共同形成城市防洪排涝体系[2]。
现阶段在城市排水管网建模分析时，绝大多数仅考虑城市排水管网的作用，忽略了城市内部河道与管网、源头雨水控制设施耦合之后相互作用的影响[3]，在防治城市内涝的措施中，往往仅考虑排水管网改善与完善措施。此种单一的内涝防治措施，不能从系统上解决城市内涝问题，也往往治标而不治本[4]。本研究将耦合排水管网模型与河网模型，形成排水管网与河网联动体系模型，最终建立源头控制、过程控制及末端控制的内涝全过程防控体系，为城市内涝防控思路和手段的进步提供创新性的理论支撑。
1 研究方法
1.1 全过程内涝防治体系构建措施
城市内涝防治工作是一个综合性工程，仅从单一方面控制不能从根本上解决内涝问题，因此需要从全过程进行内涝防治。全过程包含源头径流控制、过程管网控制和末端排涝控制3个方面，包含城市内涝可能产生的源头、中间及末端3个过程，因此耦合这3个过程建立综合流域耦合模型，将低影响开发措施、管网系统、泵闸调控系统耦合在一个系统性的模型中进行运行模拟至关重要[5]。
1.2 模型选取与建模方法概述
本文选择Infoworks ICM软件建立研究区域综合模型。Infoworks ICM软件可进行一维和二维模拟，由一维城市排水系统水力模型、一维河道系统水力模型、二维洪涝淹没模型组成，系统完整模拟了城市雨水循环过程，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实地模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用，其主要模块包括排水管网水力模型、河道水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型、实时控制模块、水质模块、可持续构筑物模块。
本文将研究区域排水管网系统与河道系统、海绵城市系统进行耦合模拟，以体现出防涝全过程的各种措施所产生的作用。将研究区域管网系统在满足真实反映城市管网水力状况的前提下进行一定的简化，形成排水管网系统水力模型，将研究区域河道依据实际断面及河道中心线概化河道模型，低影响系统依据规划中雨水控制设施占比进行设施的设置，形成海绵城市系统模型，并耦合以上模型建立由源头、过程至末端的全过程内涝防治系统模型。全过程内涝防治系统耦合模型架构见图1。
图1 全过程内涝防治系统耦合模型示意
Figure 1 Schematic diagram of coupling model of the whole process waterlogging control system
2 案例分析
2.1 研究区域简介
研究区域位于苏北平原中部的国内某市Y的核心区排水系统，面积为567 hm2。Y市属于北亚热带向暖温带气候过渡地带，历年平均降水量1048.3 mm。研究区域下垫面情况复杂，其解析结果见图2。区域由外河包围、区域内河道纵横，属于典型的平原水网圩区城市，即地表径流经管道排至内河，之后通过内河闸站排至外河。
图2 研究区域下垫面解析结果
Figure 2 Interpretation information of underlying surface in the study area
2.2 模型建立
2.2.1 模型概化
由于城市中排水管网一般较为复杂，若进行全面概化不仅会增加模拟的工作量，而且会导致计算结果产生较大误差。因此，在满足真实反映城市管网水力状况的前提下，建模前需对城市管网进行一定的简化，即只概化主要管段，略去次要管段。概化后的雨水管网系统中共有701个节点，总长18 km。而研究区域河网密布，河道纵横，因此在概化河道模型时只选取骨干河道进行概化，将横断面较小且无实测资料的小沟渠以水面率的形式补充在数据中。根据以上规则概化后的模型共涉及8条河段，总长10.4 km。研究区域模型概化结果见图3。
图3 模型概化图
Figure 3 Model generalization of the study area
2.2.2 参数选取
1)水文水力参数。
地表水文属性中，采用分布式模型模拟降雨-径流，基于子集水区的详细空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算，主要计算单元包括初期损失、产流计算、汇流计算。模型中，产流模块分为固定比例径流模型、WallingFord固定径流模型、新英国径流模型、美国SCS模型、Green-Ampt渗透模型、Horton渗透模型、固定渗透模型，汇流模型分为双线性水库模型、大型贡献面积径流模型、SPRINT径流模型、Desbordes径流模型、SWMM径流模型[6]。
根据图2中研究区域下垫面解析结果进行下垫面参数设置，其中可渗透表面选择Horton渗透模型进行产流计算，不渗透表面采用固定径流模型进行产流计算，各类型表面均统一采用SWMM径流模型进行汇流计算。根据模型手册以及文献[7,8]得到一定的参数取值范围，同时根据研究区域综合径流系数，进行参数率定得到最终参数取值，率定后的水文水力参数取值见表1、表2。
表1 曼宁粗糙系数与固定径流系数取值设置
Table 1 Setting of Manning’s roughness coefficients and fixed runoff coefficients
参数名称分类取值范围率定后取值曼宁粗糙系数不透水区0.015～0.0250.021透水区0.012～0.0150.013管道0.0130.013表面类型道路固定径流系数0.8～1.00.900屋顶固定径流系数0.8～1.00.900绿地Horton下渗系数见表2
表2 Horton下渗系数设置
Table 2 Horton infiltration coefficient setting
参数名称分类取值范围率定后取值Horton下渗系数最大入渗率70.0～78.0 mm/h70最小入渗率3.10～4.00 mm/h3.6衰减系数2～4/h4
2)雨水控制设施参数。
源头径流控制措施主要为增设雨水控制设施。本文选用3种设施，分别为绿色屋顶、下凹式绿地、透水铺装。根据各类文献及模型手册并结合当地实际情况确定3种低影响开发设施的参数，详见表3。
表3 三种雨水控制设施的参数设置
Table 3 Parameter setting of the three rainwater control facilities
绿色屋顶下凹式绿地透水铺装参数数值参数数值参数数值表面洼蓄深度/mm4护坡高度/mm50表面层坡度1%植被覆盖率0.8植被覆盖率0.7植被覆盖率0.25表面糙率0.15表面糙率0.03表面糙率0.2种植土壤厚度/mm110种植土壤厚度/mm600铺装厚度/mm120土壤孔隙率0.3土壤孔隙率0.3铺装层孔隙比0.13种植土壤田间持水率0.2种植土壤田间持水率0.2铺装层透水率/(mm/h)1800排水垫层厚度/mm70蓄水层厚度/mm10蓄水层厚度/mm300垫层孔隙比0.5蓄水层孔隙比0.3蓄水层孔隙比0.4暗渠偏移高度/mm0暗渠偏移高度/mm100
3)河道参数。
研究区域共涉及8条河段，依据天然河道糙率情况确定研究区域河道糙率n值为0.025，8条河段横断面设施情况见图4。
2.2.3 设计降雨
对于平原地区的河网，河道汇流时间与调蓄库容、河道的长度、泵站排水能力、水闸和泵站的调度方式、排水区域产流总量和其产流过程都有比较紧密的关系。对于城市，降雨历时通常不会大于24 h，因此，设计长历时暴雨选取24 h，暴雨重现期选择30年一遇[9]。依据研究区域暴雨水文图，设计重现期为30年一遇的24 h降雨，设计降雨分布情况见图5。
2.3 情景设定
图4 研究区域不同河段横断面
Figure 4 Cross sections of the selected river reaches in study area
图5 设计降雨(30年一遇24 h)过程
Figure 5 The designed rainfall (24 h) with a 30-year return period
全过程内涝防治体系分别从内涝产生的源头、过程与末端3个阶段进行耦合效果论证。本研究从这3个阶段建立如下4种耦合模拟情景：
1)情景1：现状模拟，在现状地表水文特性与现状管网并耦合河道的条件下，进行现状内涝分析，以给出各内涝防治措施的对比基准值。
2)情景2：仅扩增管径，即在现状的基础上，通过排水能力评估将管道排水能力不足处的管网进行扩增与完善，此情景以评估传统管网改造完善措施对内涝防治的效果。
3)情景3：在扩增管径的基础上增加雨水控制措施，通过增设下凹式绿地、透水铺装与绿色屋顶3种设施，对源头低影响开发进行完善。
4)情景4：在情景3的基础上，于河道末端增设2座排涝泵站，以增强河网的排涝能力，模拟末端增设排涝泵站后的内涝防治效果。
3 结果分析
3.1 排水管网模拟结果
在重现期为30年一遇降雨条件下，利用Infoworks ICM分别对以上4种方案进行模拟，模拟时长均为24 h。在研究区域上游、中游、下游均选择1个检查井与1个管段，进行检查井水深与管道流速的对比。不同方案下节点洪水深度对比情况见图6。可知：4种耦合方案下的内涝防治措施，检查井洪水深度都是前期平稳，后期明显增大，增幅出现明显差异，仅通过增设雨水控制设施(情景3)与扩增管径(情景2)，在较高重现期的长历时降雨条件下，对检查井的溢水情况与排水能力改善效果较小；而采用全过程内涝防治耦合措施(情景4)，即源头低影响开发耦合排水系统整治、排涝泵站运行等系统化措施后，排水系统排水能力有明显改善，发生检查井溢水的概率明显减少，管道过水能力大幅增大。
3.2 城市内涝改善效果
城市内涝风险严重程度取决于多方面因素，包括气候、下垫面情况、排水系统能力、地面标高和河道水位控制标高等。可通过单一指标或多个指标叠加，综合评估城市内涝灾害的危险性。本文根据研究区域特征，结合城市地表积水时间和积水深度，采用双因子评估方法进行内涝风险评估。将内涝风险总体划分为3类：内涝低风险区、内涝中风险区和内涝高风险区，划分标准见表4。
降雨量； ——情景1； — —情景2； ……情景3； —·情景4。
图6 不同方案下节点洪水深度对比
Figure 6 Comparison of flood depth on different nodes under different schemes
表4 内涝风险划分标准
Table 4 Classification criteria of waterlogging risk
积水深度积水时间0～30 min30～60 min60～120 min0.15～0.25 m低风险中风险中风险0.25～0.5 m中风险高风险高风险>0.5 m高风险高风险高风险
通过4种情景进行城市内涝风险结果对比，进行全过程内涝防治系统效果论证。将模型运行后的2D结果点数据输出为shp文件格式并导入ArcGIS软件，通过高精度DEM数据、建筑物图层和道路图层，根据内涝风险划分标准筛选成图，从而形成内涝风险等级图，分别以浅灰色、灰色、黑色表示内涝低、中、高风险区，4种情景下内涝风险分布情况见图7。
图7 不同情景下内涝风险分布
Figure 7 Risk distribution of waterlogging under different schemes
依据内涝风险划分原则对4种情景下涝水淹没深度和淹没时间同时进行统计分析，得出内涝风险区面积，不同方案下内涝风险区面积统计结果见表5。在现状条件下(情景1)，总内涝风险区面积为57.8 hm2；仅进行管网扩增与完善措施后(情景2)，总风险区面积降低了13.5%，说明在研究区域内涝防治措施中，仅通过管网改造与完善可以在一定程度上降低城市内涝，但改善效果有限；当同时进行管网改造与源头径流控制措施后(情景3)，内涝风险区面积较大幅度降低，对比现状条件下降低了39.4%；当内涝防治系统中同时存在源头、过程、末端全过程内涝防治措施(情景4)之后，研究区域内涝风险面积明显下降，对比现状条件下降了86.9%。
表5 不同情景下内涝风险区面积统计
Table 5 Statistics of waterlogging risky area under different schemes
风险区情景1情景2情景3情景4面积/hm2低风险27.924.320.114.8中风险26.722.715.27.6高风险3.23.02.82.3总计57.850.038.124.7风险区面积降低率/%0.0%13.5%39.4%86.9%
由以上结果可以得知，全过程内涝防治体系的构建对城市内涝防治至关重要。扩增管径、完善管网系统，有利于改善因管道排水能力不足而造成的城市内涝风险；源头雨水控制设施有利于改善短历时低雨强降雨条件下的城市内涝风险；增设末端排涝设施有利于改善因末端河道水位升高对管网系统造成较大顶托作用，影响排水系统排水效能而产生的内涝风险。因此3种排涝措施适用于不同的情况，且单一内涝防治措施不能从根本上解决城市内涝问题，应根据研究区域的实际情况构建合适的措施耦合方式，以达到对城市内涝防治的有利控制效果。
4 结束语
城市内涝防治作为系统化、一体化的工程措施，需要从内涝产生的源头、过程、末端对其进行全过程控制，传统的单一排水管网模型不能全方位、全系统地模拟内涝产生的全过程。本研究通过Infoworks ICM软件，将源头控制海绵城市模型、过程控制排水管网模型与末端控制排涝泵闸与河道模型3种模块进行耦合，建立全过程排水防涝模型。此模型有效模拟了内涝产生的源头系统、雨水径流转输的管网系统以及内涝产生的末端系统，并通过评估管网性能与内涝风险区面积对耦合模型进行了效果论证。研究方法有助于辅助制订城市暴雨内涝灾害防治的系统化措施，并为如何建立三位一体耦合模型进行了探索性的论证，提供了一种可靠并全面的内涝防治措施效果论证方法。
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