常州市主城区暴雨内涝风险分析

陈阿萍，柳杨，刘国庆，洪昕，范子武，杨阳，杨帆

(1.常州市防汛防旱调度指挥中心，江苏 常州 213022；2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.常州市河道湖泊管理处，江苏 常州 213022)

近年来，随着城市化进程的快速发展，下垫面剧烈变化、流域产汇流规律改变、城市排水设施布设密度不足以及部分设施因服役时间长出现堵塞、断裂、错口等一系列问题，洪涝风险的暴露度提高，城市的洪水灾害风险上升[1-4]。

暴雨内涝问题受到国内外学者的广泛关注，而数学模型是计算分析城市暴雨内涝的主要手段。国外利用数学模型进行暴雨内涝风险分析技术已十分成熟[5-8]，其中，暴雨洪水管理模型(stom water management model,SWMM)、InfoWorks ICM等模型能够精确模拟产汇流过程和洪水演进过程，在国内应用广泛[9-14]：乌景秀等[15]采用水力学方法构建景德镇城区水力学模型，模拟计算了景德镇市城区超标准洪水导致防洪墙溃决或城市暴雨可能发生的受淹和积水情况；陈靖等[16]以福州市城区地表和明渠河道为主要模拟对象，建立了福州城市暴雨内涝数学模型，该模型对长时间、雨强比较平均的降雨整体模拟效果较好；邓金运等[17]采用Mike Flood耦合模型分析了武汉市光谷中心城区在不同降雨、不同土地利用类型情景下的受灾面积，得出随设计暴雨重现期增大，城市淹没水深、分布范围及相应的受灾损失不断增加，受灾面积增长率以交通用地、绿化用地最大，受灾损失增长率以交通用地、绿化用地、工业用地最为明显；余富强等[18]通过耦合水文模型与二维水动力模型的方法，使得在模拟城市下垫面洪水淹没情况的同时，又能使模拟达到较快的运算速度。国内外已有研究成果表明，利用数学模型模拟分析暴雨内涝的相关研究比较常见，但构建的模型可靠度差异较大，如何提高模型的模拟精度值得进一步研究，且水文-水动力一、二维河网-管网耦合的精细化模型构建也是今后的研究重点。常州市作为长三角地区重要平原城市，河网水系发达、城镇化率高，暴雨引发内涝问题突出，对当地居民的生产生活造成一定影响，为此，以常州市主城区为研究对象，构建水文-水动力一、二维河网-管网耦合的精细化模型，开展常州市主城区暴雨内涝分析，为预估常州市暴雨内涝风险、指导常州市防洪排涝决策提供依据，也为常州市城市发展与建设提供参考。

1 研究区域概况

常州市属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，无霜期长，全年平均气温17.5 ℃，年平均降水量1 149.7 mm。历史上地区灾害性降雨主要有梅雨型降雨与台风。常州市地形以平原为主，地势西南高、东北低，包括金坛、武进、新北、天宁、钟楼5个区及溧阳1个县级市，常州市主城区东临丁塘港，南到京杭运河，西靠德胜河，北至新龙河和沪宁高速公路，区域内水系发达，主要河道有京杭大运河、老运河、南运河、丁塘港、德胜河、古运河、关河、横塘河、老澡港河、北塘河等。

在上游湖西区来水和下游无锡、苏州外排顶托的双重影响下，京杭大运河常州段水位屡超历史水位，常州城区管网排涝能力不足的区域极易形成内涝积水。中华人民共和国成立后，常州市从1951年到2014年的64 a中，经历特大水年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年常州再次经受历史罕见洪涝灾害，造成大量经济损失。为减轻防洪压力，常州市主城区内建立了大包围控制(即运北大包围，以下简称大包围)，节点枢纽工程包括澡港河南枢纽、老澡港河枢纽、永汇河枢纽、北塘河枢纽等，运北片大包围区域一级排涝泵站13座，装机流量353.60 m3/s，二级排涝泵站19座，装机流量95.64 m3/s，三级排涝泵站37座，装机流量95.32 m3/s。城区防洪标准总体达到100 a一遇，城市中心达到200 a一遇，排涝标准为20 a一遇最大24 h降雨不漫溢。主城区水系及工程分布见图1。

图1 常州市主城区水系及工程分布

2 精细化数学模型构建

2.1 构建思路及范围

为能够准确模拟常州市主城区暴雨内涝风险情况，本文按照离散化建模规则，基于具有模拟城市地下管网、城市河网、降雨产汇流、堤防溃决等功能一体化数值模拟系统软件InfoWorks ICM，根据常州市主城区地形、河道水系、地下管道、水利工程、工程调度规则，构建常州市主城区水文-水动力一、二维河网-管网耦合模型，本文构建的模型范围覆盖常州市主城区179.2 km2。

模型模拟过程主要由3个部分构成，即降雨过程模拟、地面径流过程模拟和管网汇流过程模拟。降雨过程模拟降雨事件发生时的降雨过程线，地面径流过程模拟降雨事件发生后汇水区发生的洼地蓄水、入渗和蒸发等径流损失的地面产汇流过程，管网汇流过程模拟雨水汇流进入排水管渠输运到受纳水体(河道、湖库等)的过程。

2.2 城市河网-管网一体化模型

2.2.1模型原理

水文模型。用于城市/流域汇水区的地表降雨径流计算，InfoWorks ICM提供固定径流系数，Horton、Green-Ampt、SCS等径流模型，以及Wallingford、Large Catch、SWMM、Unit等汇流模型。另外，ICM中还可考虑将降雨直接作用在地面上，根据地面模型考虑土地性质、下渗、蒸发等因素的影响，形成径流，并排入到排水管网系统中。

管流模型。采用完全求解的St.Vennant方程模拟管道和明渠流，对于超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法，能够仿真各种复杂的水力状况。利用贮存容量合理补偿反映管网储量，避免对管道超负荷、洪灾错误预计。各水力设施真实反映水泵、孔口、堰流、闸门、调蓄池等排水构筑物的水力状况。

水动力模型。一维河道(河网)的洪水运动用St.Vennant方程组描述，其上、下游边界的控制条件一般采用水位过程控制、流量过程控制、流量-水位关系控制等形式。由St.Vennant方程、边界条件和初始条件同组成一维洪水运动的定解问题。一维河道(河网)非恒定流的基本方程是一组拟线性偏微分方程组。本次采用水动力学有限差分法直接求解St.Vennant方程组的数值解。二维模型是一个更快、更准、更详细的地面洪水演算模型。根据地面高程模型，并考虑道路、建筑物等对水流的引导和阻挡作用；考虑地面上不同类型地块的糙率对流速的影响，如道路、草地等；考虑地面的下渗作用(Horton模型)；考虑根据关注程度设定不同精度的网格；考虑湖泊、河道等水位边界，模拟出洪水在地面上行进的过程。本次采用守恒型式的浅水波方程作为二维洪水运动的控制方程，采用水力学方法二维有限体积法求解浅水流方程。一、二维耦合模型中一维河网模型与二维地面模型是通过河道堤防设置的“溢流单元”上的连接条件来实现模型耦合的，选定侧堰流公式来实现水流信息的交互。一维模型为二维模型提供流量值Q作为二维模型的边界条件，将Q值分布到二维计算单元的各节点上，在连接处二维计算网格的水位值并不相等，因此取各个计算网格的平均水位值Z返回给一维模型，以进行下一时段的计算。管道模型和地面模型的衔接通过管道在地面上的检查井进行水流交换。地面降雨通过集水区汇流进入地面上的检查井，再流入管网，管网排口与河道连接，进入管网的水流又通过排口进入河道。

2.2.2河网-管网精细化模型构建

常州市主城区河网-管网精细化模型构建主要分为:一维模型构建，包括创建断面、创建河道连接、添加水工构筑物、管网模型构建、创建河岸；二维模型构建，包括线状地物处理、地面模型构建、区域降雨处理、糙率设置、网格划分、调度规则及边界条件添加[19]。

一维模型构建。为保证模型的精细化水平和模型模拟精度，本文构建的模型包括区域内所有113条河道，河道断面均为实测断面。测量时：河宽30 m以上河道，断面测量间距为500 m；河宽10～30 m河道，测量间距为200 m；河宽10 m以下河道，测量间距为100 m。另外，每条河道的首尾、束窄处、拐弯处均进行测量，按上述原则，共测得主城区河道断面1 154个。河道断面创建后，对照主城区范围内的遥感影像，建立河道中心线，并根据区域水系特点和水流方向进行河网的连接，然后在对应位置添加水工建筑物，并输入建筑物对应的几何尺寸信息、设置运行规则。

在管网模型构建时，将城建部门收集的常州市主城区雨水、雨污合流管网的数据信息导入数学模型。数据信息包括排水管道的类型(含雨水管道和合流管道)、断面形式、管径、管材、管长、管底标高及相应检查井类型、编号、路面高程等。对数据信息检查、修正并对缺失的数据进行合理化推断。本文构建的管网模型覆盖了整个常州市主城区的编制范围，包含检查井14 551个、出水口491个、管段数14 628个，总长度达458.5 km，满足了精细化建模的要求。管网模型构建后，即可创建河岸，再利用实测的河道堤防高程数据整合到河段中，从而保证河道的完整，本次构建的模型共创建河段399个，总长281.24 km。河网管网模型构建完成后，进行拓扑关系检查，包括管道连接(管径、连接方向、高程、位置)以及管网与河网连接(管道出水口与河网交汇)的拓扑关系检查，提高模型的计算准确性和精度。

二维模型构建。常州市主城区二维模型构建过程，关键步骤包括：线状构筑物的处理、地形处理、区域降雨处理、网格剖分等。常州市主城区内线状地物处理主要为道路的处理，鉴于原始道路图层缺少高程值，本次模型构建对研究区内的道路高程进行了加密测量，点间距根据高程变化情况控制在100～300 m。另外，由于原始道路节点间距不规则，划分网格时容易产生小网格，对模型计算不利，为此，采用抽稀处理方法[20]对道路的节点进行均匀化，并利用测量的道路高程值对其进行赋值，本区域共构建道路1 571段。

地形数据是二维模型网格剖分的基础，对暴雨内涝分析结果影响较大。本文基于收集的常州市主城区1∶500 高精度DEM数据构建地面模型，并导入河网-管网耦合模型。降雨模型构建时，根据常州(三堡街)、钟楼闸雨量站分布，采用泰森多边形进行雨量的空间分配和集水区划分。当发生不同强度的暴雨时，根据不同雨量站的实测数据，输入降雨边界过程。降雨首先降到集水区，采用水文模型计算汇流过程，并由地面上的检查井进入地下管网，再由地下管网进入河道，河道水位等计算结果也会反作用于管网和地面模型，管网、河网与淹没区域按照上述过程产生水量交换，相互嵌套、实时互馈，以此实现河网和管网一、二维耦合的模拟计算。

根据常州市主城区下垫面信息，将下垫面数据导入模型，确定不同区域的糙率值，创建糙率分区，并设置不同的糙率。本模型与GIS无缝对接，根据GIS分析成果对下垫面进行精确划分，共分居民地、耕地、道路、城市绿地、水系、其他6类。常州市主城区模型构建完成后，根据水利工程实际的调度规则进行逻辑控制，包括闸门的调度、水泵的启闭等。在常州市主城区二维模型网格划分时，以计算域外边界、区域内堤防、阻水建筑物、较大河渠、主要公路、铁路作为依据，采用无结构不规则网格，参照文献[22]对于城市洪水风险图分析模型网格划分要求，网格面积控制为0.000 5～0.005 0 km2，共生成计算网格82 995个、计算单元71 289个。常州市主城区河网-管网精细化模型见图2。

图2 常州市主城区河网-管网精细化模型

需要说明的是，常州市主城区作为常州的老城区，管网系统错综复杂，管道资料收集较为困难。本文在构建管网模型时，向城建部门收集到的是主干道路上的管网，而内部支管的信息在水文模型参数中体现，以集水区为单元通过水文模型进行道路周边汇流计算，地面水流汇入主干道路的检查井，再进入管网，流入河道。本方法符合暴雨发生后的实际水流过程，能够真实反映区域的暴雨内涝状况。

2.3 模型参数率定

2.3.1水文学模型参数选取与率定

下垫面分析。不同下垫面情况的产汇流机制存在一定的差异，根据常州市用地类型解译资料和实地调研，常州市的主要用地类型有59种。参照文献[21]有关不同地面种类的径流系数的规定，借助GIS统计并核实常州市的不同地面种类的组成和比例，以加权平均法计算常州市各用地类型的径流系数，即道路取0.85、居民地取0.70、耕地为0.20、城市绿地取0.20、水系为1.00、其他用地取0.80。

综合径流系数确定。根据《常州市城市排水与防涝综合规划》，结合常州市地形特点和水系分布，利用GIS将研究区域分成14个集水区，见图3。其中：城西南童子河运河片、龙江路西自排片为高地自排区，直接就近排入外河；澡港河东支老澡港片、澡港河西片涝水直排入一级内河；其余10个分片为抽排区。

图3 常州市主城区排涝分片及其综合径流系数

按照集水区的划分方式，通过GIS对常州市主城区计算范围内14个集水片内的下垫面进行分析，根据各用地类型径流系数及其面积所占比例加权平均计算出常州市不同集水区的综合径流系数，即常州市城西南童子河运河片和串新河南运河片综合径流系数较低，分别为0.59和0.61，其他片区综合径流系数均在0.64～0.68，见图3。

产汇流模型参数率定。常州市主城区范围内的雨量站仅为常州(三)，为保证计算结果的准确性，采用常州市主城区内及周边常州(三)、魏村闸、澡港闸、九里铺、横林5个雨量站(图3)的数据进行产汇流模型参数率定，通过上述5个雨量站划分的泰森多边形区域在不同集水区中的占比，计算各集水区中不同雨量站的权重，率定产汇流模型的参数，详见表1。

表1 模型参数取值

2.3.2水动力学模型参数选取与率定方法

参数选取。参考《常州市城市防洪规划修编报告》，选取各排水分区的常水位作为整体模型中各河道的初始水位，进而确定不同排水分区的初始水位，模型根据断面资料采用不等间距的节点布置，实测河道断面间距约为100～500 m，模型计算步长为100 m左右，为使模拟计算过程保持较好的稳定状态和满足模型计算精度，模型时间步长采用60 s。河道糙率值主要根据《水力学手册》《常州市城市防洪规划》《常州市城市排水与防涝综合规划》有关人工渠道以及天然河道的经验值初步拟定为0.020～0.040。

模型率定方法。模型的率定主要用于调整模型中的相关参数以提高模拟结果的精确度。一维模型中的主要影响因子为空间步长、时间步长以及河道糙率。参照文献[22]，验证结果与实际洪水的最大水位误差(实测水位与计算水位之差绝对值的最大值)不大于20 cm。率定验证中采用Nash-Sutcliffe系数NSE和决定系数R2对模型有效性进行评定，NSE用于表示计算值系列与实测系列数量级近似程度，R2用来表示计算值系列与实测系列形状吻合程度。

2.3.3模型率定

根据2017年5月9日、5月13日两次现场原型观测试验结果，采用常州(三)、樊家桥、盘龙苑站点实测水位过程进行模型率定。由表2可知，两次率定中选取的3个验证点位计算水位序列和实测水位序列最大绝对水位误差均小于5 cm，计算水位曲线形状与实测水位序列匹配较好。经过率定，最终确定京杭大运河、德胜河、澡港河糙率为0.020，古运河、关河糙率为0.025，其他河道糙率为0.030～0.035。

表2 率定结果分析

2.4 模型验证

2.4.1一维模型验证

利用2017年5月14日和2017年5月15日两场现场原型观测试验数据，选择常州(三)、樊家桥、盘龙苑3个站点实测水位进行常州市主城区一维模型验证。由表3可知，两次验证中选取的3个验证点位计算水位序列和实测水位序列最大绝对水位误差为6.2 cm，计算水位曲线形状与实测水位序列匹配较好。因此，可以认为一维模型模拟精度符合规范要求。

表3 验证结果分析

2.4.2二维水动力学模型验证

采用2015年6月25日—6月29日实况暴雨对常州市主城区二维水动力学模型进行验证。2015年6月25日—6月29日降雨过后，常州市主城区实际积水点主要集中在中吴大道、龙江路高架、龙城大道及大明路围成的区域，且积水点深度均在30 cm以上，其他区域亦有部分不同程度的积水点。利用构建的常州市主城区精细化的数学模型计算该场次实况暴雨的积水点分布情况，从对比结果(表4)可以看出，城区70%的暴雨积水点与实际相符，而由于在计算中采用的管网资料部分缺失，与实际工情有出入，因此，计算结果中出现部分实际积水区未积水的情况，但总体结果符合实际，满足文献[22]中“城区70%的暴雨积水点的最高水位的误差应控制在20 cm以下”的验证要求，由此说明本文构建的二维水动力模型也是合理准确的。

表4 计算积水分布与实际积水分布对比

3 常州市主城区暴雨内涝风险预测

3.1 计算工况与边界设置

采用率定后的数学模型进行常州市主城区暴雨内涝计算与分析，计算方案共设置3组，分别为主城区遭遇50 a、100 a、200 a一遇设计暴雨时的淹没方案。方案计算时，分别采用区域50 a、100 a、200 a一遇设计洪水与城区50 a、100 a、200 a一遇24 h设计暴雨组合，城区不同重现期最大24 h设计暴雨对应面雨量分别为198.1、216.9、235.6 mm，通过历年资料分析，选用1991年7月1日6时至2日6时的实况降雨过程为典型过程，采用20 a一遇最大1、6、24 h 同频率控制获得暴雨过程。京杭大运河段上游采用大运河西枢纽对应频率设计水位过程(最高5.56 m)，下游采用洛社对应频率设计水位过程(最高5.11 m)，大包围北侧采用澡港河南枢纽外部设计水位(最高5.01 m)控制，内部河道初始水位按照《常州市水利工程调度方案(试行)》(2010年)执行，大包围按照现状防汛调度，计算时段3 d。

3.2 计算结果与分析

常州市主城区遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨洪水要素统计见表5，可以看出，遭遇不同重现期设计暴雨时，主城区淹没区域集中在薛家镇、新桥镇、三井街道、新闸街道、西林街道、雕庄街道、丁堰街道、青龙街道、红梅街道等地，50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨内涝风险面积分别为29.04、31.48、34.70 km2，大部分区域积水水深均在0.05～0.30 m，占比分别为72.66%、71.06%和69.14%。3种不同频率设计暴雨的淹没范围情况对比发现，区域日最高降雨量在积水过程中起主导作用，表现为暴雨内涝积水范围大、淹没水深较小的特点。

表5 暴雨内涝风险要素统计

为分析积水成因，选取大包围内典型河道断面常州(三堡街)及典型积水点常州市青龙街道北部积水点水位变化过程，见图4。由图4可知，水位达到大包围启用水位4.30 m，大包围沿线澡港河南枢纽、老澡港河枢纽、永汇河枢纽、北塘河枢纽、横塘河北枢纽、大运河东枢纽、采菱港枢纽、串新河枢纽、南运河枢纽、大运河西枢纽等开启：降雨初期，由于降雨量较小，大包围外排能力强，常州(三堡街)水位略微有所下降；随着降雨量的增大，大包围外排能力有限，水位迅速上升，200 a一遇最大24 h的计算工况下最高水位达到5.28 m；降雨停止后，大包围水位逐渐下降。由此可见，城区大包围外排能力与是否产生内涝积水有直接的关系。

图4 积水点水位变化过程

水利标准50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨条件计算的管道超负荷状态见表6。由表6可知，在遭遇3种频率设计暴雨条件时，常州市主城区的管道绝大部分均处于超负荷状态，其中，由于下游管道顶托而超负荷的管道占比分别为65.99%、65.65%和65.39%，由于管道本身过流能力限制而超负荷的管道占比为33.09%、33.46%和33.74%。总的来说，常州市主城区在遭遇50 a、100 a、200 a一遇洪水最大24 h设计暴雨条件时，管网超负荷状态均十分严重，且随着洪水量级的增加，管道超负荷状态增加，短历时强降雨是导致管网超负荷的主要原因。

表6 遭遇不同频率设计暴雨管道超负荷状态统计

4 结 论

本文构建了常州市主城区河网-管网一、二维水动力精细化模型，采用2015年、2017年多场次实况洪水对该数学模型进行了率定和验证，并计算了主城区在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计洪水情况时的洪水淹没情况，分析了内涝积水成因和管道运行负荷状况，结果如下。

(1)构建的常州市主城区河网-管网一体化数学模型模拟的河道水位变化过程和实测水位序列匹配较好，计算水位和实测水位最大绝对误差均小于7 cm，且内涝积水模拟结果中70%的积水点与实际相符，模型计算精度符合规范要求，能较好地模拟洪水演进及淹没情况。

(2)常州市主城区在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨工况时，内涝风险面积分别为29.04、31.48、34.70 km2，积水水深主要分布在0.05～0.30 m，占总内涝风险面积的70%左右，区域日最高降雨量在积水过程中起主导作用，表现为暴雨内涝积水范围大、淹没水深较小的特点。

(3)常州市主城区在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h设计暴雨条件时，主城区管道绝大部分处于超负荷状态，其中，由于下游管道顶托而超负荷的管道占比分别为65.99%、65.65%、65.39%，由于管道本身过流能力限制而超负荷的管道占比为33.09%、33.46%、33.74%，短历时强降雨是导致管网超负荷的主要原因。

平原河网地区地势平坦、河湖众多，水网密布，城市下垫面变化快，水利工程众多，水动力模拟受外围水文形势影响大，但城区水系往往不封闭，模型计算边界条件难以设置，增加了模拟难度，建议今后加强流域模型的构建，以流域为单元构建河网大模型，城区内构建河网与管网耦合模型，形成流域-区域嵌套的模型，流域模型可为城区模型提供计算边界，提高模拟精度。