基于多维耦合模型的城区内涝模拟及风险评估

潘文俊 ，柳树票 ，徐 嫣 ，郭晓辉

（1.广东华南水电高新技术开发有限公司,广东 广州 510611；2.广东省水利信息化工程技术研究中心,广东广州 510611）

0 引言

近些年来,极端气候频发造成城市内涝,严重影响了城市经济社会发展[1]。因此,如何精准模拟城区遭遇极端降雨后的淹没和易涝点情况,进而对内涝风险进行预测已成为亟待解决的问题[2]。为补强城市综合防灾体系,落实海绵城市建设要求,做好防洪排涝评估,提高防洪排涝建设标准,解决城市防洪排涝等安全问题,文章以城市内涝灾害为目标,建立一维河道模型、二维地表模型和地下管网排水模型,进行多模型耦合对研究区域内涝灾害进行模拟分析和风险评估[3]。

1 区域概况

项目控规调整范围属于永和河流域,永和河发源于永和经济区的了歌髻山西北山麓,由西北向东南纵贯永和开发区,经红旗水库、水和、官湖、久裕、泥紫至久裕闸流入东江北干流。永和河总集雨面积106 km2,其中黄埔区28.65 km2。永和河主干在黄埔区内长约8.52 km,红旗水库为其重要节点,均为非感潮河段。

现状控规调整范围区域内沿新庄四路布有现状雨水管网DN400～500、新庄五路布有现状雨水管网DN600、田园路布有现状雨水管网DN800,同时在新安路布有规划扩建雨水管道DN1600。地块内无水库,湖泊以及水闸、雨水泵站、供水加压泵站、污水提升泵站及处理设施等其他水务设施。区域现状见图1。

图1 项目地块概况

东江北干流排涝片整体地势呈西北高,东南低,属于丘陵、平原地貌,山地高程为50 m～430 m,平原地面高程大多为 5 m～15 m。

本项目控规调整地块位于AG0517 规划管理单元,根据2019 年区域高精度DEM资料,整个控规管理单元范围内地势为西南部高东北部低,高程范围32.94 m～55.62 m,排涝分区内的低洼地主要集中在新庄四路北侧,其中控规调整地块地势平坦,高程约在42.20 m～45.57 m左右,区域地形见图2。

图2 区域地形分布

2 模型构建

城市洪涝模型由一维河道模型、二维地表模型、地下管网排水模型等多模型耦合组成。

2.1 河道一维模型构建

（1）模型原理

采用圣维南方程组作为单一河道非恒定流控制方程：

式中：x为里程；t为时间；Z为水位；B为过水断面水面宽度；Q为流量；q为侧向单宽流量,正值表示流入,负值表示流出；A为过水断面面积；g为重力加速度；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数,n为曼宁糙率系数。

（2）河道概化及断面布置

一维模型河网和断面布置见图3。

图3 一维模型断面分布示意图

2.2 地表二维模型构建

（1）模型原理

采用守恒形式的二维浅水方程：

式中：U为守恒向量,Eadv、Gadv分别为x、y方向的对流通量向量；Ediff、Gdiff分别为x、y方向的扩散通量向量；S为源项向量。

式中：h为水深；u、v分别为垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b为底高程；r为降雨强度；i为入渗强度；vt为水平方向的紊动粘性系数；g为重力加速度；Sfx、Sfy分别为x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分别为x、y方向的底坡斜率。

（2）二维网格剖分及高程插值

根据本次项目更新改造范围及地形图划定二维模拟范围。项目位于广州市黄埔区东部,附近河涌为永和河,因此将二维模拟范围划定为永和河流域片区,见图4。

图4 模拟范围示意图

（3）高程插值及糙率取值

根据已有资料生成网格并进行高程插值,得到模拟范围内的高程数据。地表糙率根据土地利用类型进行取值,研究区域内土地利用类型多且分布零散,河道、滩地、林地、草地、居民地、耕地水域等不同区域的地形地貌不同,为保证模型计算精度,需要分别设置不同土地利用类型的糙率。此外,为模拟建筑物对洪水演进的影响,在网格尺度制约及收集到的地形难以准确代表建筑物高程的情况下,采用加大糙率的方法进行建筑物阻水效果概化。根据土地利用类型数据,按照下垫面情况选取糙率参数,根据下表进行相应初始糙率赋值,见表1。

表1 糙率取值参考表

2.3 管网模型构建

2.3.1 模型原理

项目利用自主研发的一维管网模型对管网排水进行数值模拟,主要应用包含产汇流计算和管网水力学计算。在该模型中,子汇水区是最精细的反映单元,地表径流以子汇水区为空间单元进行模拟计算。

（1）产流计算

产流是指降雨量扣除损失形成净雨的过程。降雨损失包括蒸发、植物截留、入渗与洼地蓄水。模型地面产流模块是模拟降雨扣除损失后到产生地表汇流的过程的部分为净雨量。降雨损失中下渗是最主要的,蒸发量对黄埔区这种城市化区域常可以忽略不计,洼地蓄水部分的计算会包含植物截留。

①透水地表产流量计算：

式中：R1为透水地表产流量,mm；i为降雨强度,mm/s；f为入渗强度,mm/s；t为时间间隔,s。

②无洼蓄不透水地表产流量计算：

式中：R2为无洼蓄不透水地表产流量,mm；P为降雨量,mm；E为蒸发量,mm。

③有洼蓄不透水地表产流量计算：

式中：R3为有洼蓄不透水地表产流量,mm；D为洼蓄量,mm。

汇流是指产流水量在某一范围内的集中过程。本模型中有两种汇流方式,即地表汇流和管网、街沟汇流。地表汇流的计算过程要将各个子汇水区的净雨过程转化为出流过程,对这部分的计算本模型采用非线性水库法,将连续方程和曼宁公式联立进行求解。

（2）管网汇流计算

管网中流量的演算是通过质量平衡方程和动量平衡来确定的,通常以运动波法和动力波演算法求解。在以动力波模型进行计算时,通过连续性方程、动量方程和节点控制方程进行联立计算,为保证计算时的精度和稳定性,在应用此方法时,必须以设定的时间步长来运行。

①管道控制方程：

动量方程：

摩阻坡度：

式中：K=gn2

②节点控制方程：

式中：Ask为节点自由表面积,m3；Qt为进出节点的流量,m3/s。

2.3.2 模型构建

现状控规调整范围周边主要排水管渠为地块南侧田园路的排水干管B×H=3.0×2.5 汇入桑田三路的排水干网B×H=2.4×1.6,排入永和河,本次对承接该片区雨水的排水主干管进行模拟。管网分布见图5。

图5 永和河片区雨水管网分布图

2.4 模型耦合

一维河道模型、二维地表模型、地下管网排水模型通过以下过程进行耦合：

（1）一维河道-二维地表模型通过堤岸进行耦合,以模拟漫堤洪水演进过程；

（2）一维河道-排水管网通过排水口进行耦合,以反映河道水位对管网的顶托或倒灌作用；

（3）二维地表-排水管网通过雨水口/地表单元进行耦合,以反映管网排水作用及漫溢淹没过程。

模型耦合示意图见图6。

图6 模型耦合关系示意图

2.5 洪涝安全计算

2.5.1 现状工况洪涝风险等级评定

由洪涝淹没分析计算得到淹没水深及流速,综合确定城市建设用地洪涝风险等级,洪涝风险等级划分标准见表2。洪涝风险等级不同时,按两者的高等级采用。

表2 城市建设用地洪涝风险等级划分标准

2.5.2 洪涝风险等级确定

模拟范围内地面高程、水利工程、排水管网按现状情况考虑。现状工况100 年一遇情景计算得到的内涝淹没情况见图7。从模拟结果可以看出,在100 年一遇降雨情景下,项目地块附近无大片积水情况,内涝情况主要集中在新庄四路以北、新庄五路与田园路交叉路口,积水深度0.2 m～0.3 m。

图7 100年一遇暴雨情景淹没水深

根据项目现场调研成果,距离项目位置最近的易涝点为新庄五路与田园路交叉口,位于本次调整地块的东南角。规划管道过流能力满足5 年一遇的排水标准,项目地块为内涝低风险地区。管控单元100 年一遇暴雨情景淹没水深见图8。

图8 管控单元100年一遇暴雨情景淹没水深

3 结语

根据地块所在排水分区的雨水管网、河涌水系现状,基于已建的SWMM模型和明渠计算方式,计算地块所在的排涝片区遭遇100年一遇降雨时地块内涝风险情况。根据洪涝安全计算的模型计算结果,得出：

（1）厂区出入口过流能力大于该厂区产流。

（2）街道坡顶汇流小于新庄五路双向过流能力,厂区及厂区外新庄五路不会产生积水。

（3）厂区出口地面高程高出新庄五路坡顶0.6 m～2.0 m以上,街道雨水不会倒灌厂区。

综上,地块在遭遇100 年一遇24 小时降雨时,区域将产生内涝,即地块所在管控单元当前内涝治标准不满足100 年一遇规划要求,地块本身满足内涝治标准100 年一遇规划要求。