基于多层级目标耦合的城市内涝防治研究

周雁潭 刘立军 李鹏辉 孟祥永

摘要：针对目前市政排水与水利排涝两个行业、两个体系导致标准不衔接的问题，提出城市内涝防治的多层级目标，统一设置“低标不积水、涝标不成灾、超标可应对”3个层次的防涝标准和相应的积水范围、积水深度、积水时间、城市基本功能正常发挥程度等防涝目标。以浙江省义乌市中心城区为研究区域，利用MIKE FLOOD模型耦合MIKE Urban一维管网模型、MIKE 11一维河流模型、MIKE 21 二维地表漫流模型，建立了“水-地-管-河”耦合的义乌市城市防涝水文水动力模型，通过2场实测暴雨洪水资料对模型进行了参数校准和验证。结果表明：建立的模型较好地模拟了降雨后地下管网的产汇流状态、洪水在河道的演进过程以及河流、管网漫水后在二维地形的淹没情况；多层级目标耦合后，低标情景下的义乌市中心城区排水管道满管率由65.3%上升至76.0%，说明“水-地-管-河”的耦合作用对城市防涝有一定影响。多层级目标耦合的城市防涝模型可较好反映城市防涝工程与非工程体系的实际运行状态和防涝效果，可为城市内涝治理提供参考。

关 键 词：城市内涝；城市防涝标准；管网模型；河流模型；地表漫流模型；义乌市

中图法分类号：TU991

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.003

0 引 言

近年来，在全球气候变化和城市化快速发展的共同影响下^［1-2］，城市内涝灾害日益严重，例如2021年郑州市“7·20”特大洪涝灾害，造成了重大经济损失和社会影响^［3］。为应对频频发生的城市内涝灾害，人们试图通过提高市政排水标准以及重新制定暴雨强度公式等措施来解决。实际上，一个更为突出的矛盾是市政排水与水利排涝两个行业、两个体系标准不衔接问题^［4］。市政排水承担小区域排水，设计标准相对较低，降雨历时较短，更加注重降水的强度；水利排涝负责城区大范围涝水外排，设计标准相对较高，降雨历时较长^［5］。而城市内涝防治是一项系统工程，涵盖从雨水径流的产生到排放的全过程控制，包括产流、汇流、调蓄、利用、排放、预警、应急措施等^［6］。因此，有必要针对城市内涝防治综合性系统，提出多层级目标耦合的城市防涝标准。

国外大、小排水系统本质上没有很大区别，只是在设计标准大小、具体排水形式和针对目标上有所不同，因此对市政排水与水利排涝的标准衔接关系研究较少^［7］。国内学者主要从暴雨选样、设计暴雨重现期及设计排涝流量3个方面研究市政排水与水利排涝间的标准衔接关系^［8-14］，未从两个体系之间的相互作用以及水文衔接入手，真正建立匹配的城市防涝标准。必须注意到，国内的排水标准和排涝标准设计暴雨历时有显著差别，还要考虑河道涝水对管渠排水的影响。本文借鉴抗震设计“小震不坏、中震可修、大震不倒”^［15］的原则以及可持续性雨洪管理、海绵城市、韧性城市^［16-19］等理念，提出多层级目标耦合的城市防涝标准和相应的防涝目标效果，统一设置降雨条件、排水边界条件、降雨产流规则等与城市防涝多层级目标对应的水文条件，以全域全要素全过程的城市水文水动力模型模拟为支撑，整体谋划城市防涝体系的布局、方案、措施、规模，为系统、有效地解决城市内涝奠定基础。

1 多层级目标耦合的城市防涝标准

1.1 概念和内涵

多层级目标耦合的城市防涝标准，是指以源头减排设施、排水管渠设施、排涝除险设施等工程措施和非工程措施为组成要素的城市内涝防治体系，为城市防涝区域提供内涝防治能力。该内涝防治能力具有多层级目标特征，表现为针对不同的设计降雨重现期，能够分别实现预期的内涝防御目标。

对于城市内涝防治的多层级目标，统一设置低标、涝标和超标3个层次防涝标准以及相应的防涝区积水范围、积水深度、退水时间、城市基本功能正常发挥程度等防涝目标，可概括为“低标不积水、涝标不成灾、超标可应对”。在这个标准下，城市防涝体系是一个有机整体，不再单独设置市政排水工程的排水标准和水利排涝工程的排涝标准。

（1）低标不积水。低标的降雨重现期与现行的雨水管渠设计重现期相当。在该降雨条件下，城市防涝体系应能确保防涝区域除了低洼绿地、低地公园等用于蓄滞雨水的空间以外的所有地面不积水。

（2）涝标不成灾。涝标的降雨重现期与现行的内涝防治设计重现期相当。在该降雨条件下，城市防涝体系应能确保防涝区域的居民住宅和工商业建筑物的底层不进水、城市道路至少有一条车道可以行车，允许地面出现一定积水，并明确最大允许退水时间。

（3）超标可应对。超标的降雨重现期应达到现行的内涝防治设计重现期的两倍以上。在该降雨条件下，通过城市防涝体系的协同作用，应能保障人的生命安全，城市生命线和基础设施运转基本正常，城市公共服务基本正常发挥。

1.2 对应的水文条件

1.2.1 降雨條件

降雨条件包括降雨历时、降雨量和降雨雨型3个要素。

（1）降雨历时。与城市防涝体系特征相协调，多层级目标3个层次防涝标准中的降雨采用3～24 h的长历时降雨。洪涝同治的区域，应采用24 h或更长历时的降雨。

（2）降雨量。采用年最大值频率统计分析法计算不同重现期设计降雨历时的降雨量^［20］。

（3）降雨雨型。采用长短历时嵌套雨型。先以1 h为时段确定长历时雨型和雨峰雨量，雨峰所在的最大1 h为短历时设计雨量；再以5～10 min为时段将雨峰雨量嵌套入短历时雨型。长历时雨型应采用符合当地气候特点的设计雨型，或选取当地有代表性的实际降雨确定；短历时雨型可以采用基于芝加哥雨型按照高斯-牛顿法推导的模式雨型。

1.2.2 边界条件

以源头减排设施、排水管渠设施、排涝除险设施等工程性措施和非工程性措施为组成要素的城市内涝防治体系，其防涝排水边界不再是管渠排水出口的城市内河水位，而是城市防涝区域外围水系，视城市洪涝关系可以分为两类：

（1）洪涝分治，即城市外围建有防洪包围圈，区域外部洪水不会进入城市防涝区域。对于这类情况，应采用成因法分析内涝降雨与外河洪水的遭遇规律，确定城市防涝排水期间的外河水位。

（2）洪涝同治，即城市内河承泄山洪或与外河完全连通。对于这类情况，也要根据内涝降雨与外河洪水的相关性确定城市防涝排水期间的山洪或外河水位边界。例如浙江省杭州市江北主城区，城市内河与外围平原河道完全连通，且城市西南有山洪入境^［21］，因此城市外河水位可取同频率的最高日平均水位，入城山洪则由相应降雨推求，并将城市防涝与平原排涝纳入同一场景开展耦合分析。

1.2.3 产流规则

科学划分排水分区，按照集水区不同地类的蒸发、植被截留、洼蓄和土壤下渗的客观规律，采用数学模型法确定雨水流量。

2 多层级目标耦合的城市防涝模型

針对由城市防涝的源头减排设施、排水管渠设施、排涝除险设施等工程与非工程体系组成的城市防涝体系，建立“水-地-管-河”耦合的水文水动力模型，实现城市防涝的全域全要素全过程模拟。“水”是指城市防涝的水文情景，包括低标、涝标和超标3个层次。“地”既包括各种城市地类及其产汇流规则，也包含水库等径流调蓄水利工程和雨水花园等海绵城市源头减排设施，还包括超标准涝水的行泄通道。“管”是指市政排水管渠、闸泵及其配套建筑物。“河”是指城市内河、分洪撇洪通道、排涝闸泵等城市内部洪涝水行泄通道和设施。

MIKE FLOOD由DHI Water ＆ Environment ＆ Health 开发，它将一维模型MIKE Urban、MIKE 11和二维模型MIKE 21 整合^［22］，是一个动态耦合的模型系统，可以同时模拟排水管网、河道、各种水工建筑物以及二维坡面流，可用于城市地区暴雨洪水模拟研究^［23］。

本文在确定城市防涝水文情景的基础上，利用MIKE Urban模拟城市区域各子汇水区的降雨径流过程并构建一维管网模型，利用新安江模型模拟城区上游农村和山区的洪水过程并利用MIKE 11构建一维河流模型，再利用MIKE 21模拟一维河流和一维管网漫出水后的二维地形溢流过程，最后利用MIKE FLOOD将一、二维模型进行耦合，对描述水文和水动力过程的模型方程联立求解，实现“水-地-管-河”水文水动力紧密耦合，以反映实际城市洪涝中多过程、多模块间的相互作用。模型构建流程详见图1。

（1）MIKE 11一维河流模型。采用的是水动力模块（HD），数值计算采用传统的“追赶法”，即“双扫”算法。其差分格式采用了六点中心隐式差分（Abbott）格式，河道上的每个网格节点按照水位点和流量点的顺序交替布置，然后在每个时间步内采用隐式的有限差分法交替计算水位点和流量点^［24］。其基本控制方程是圣维南（Saint-Venant）方程组。

连续方程：

运动方程：

式中：x为距离坐标，m；t为时间坐标，s；A为河道过水断面面积，m²；Q为断面流量，m³/s；q、Q_C分别为均匀旁侧入流与集中旁侧入流，m³/s；α为修正系数；h为水位，m；C为谢才系数，m^0.5/s；R为水力半径，m;g为重力加速度，m/s²。

（2）MIKE Urban一维管网模型。分为降雨径流模拟和管网水动力模拟两部分，其中降雨径流模拟的结果是管网模拟的边界条件，模型计算原理主要是一维水流连续方程和水流动力方程，模型采用六点隐式差分法求解计算^［25］。

（3）MIKE 21二维地表漫流模型。模型利用ADI二阶精度的有限差分法对动态流的连续方程和动量守恒方程求解，可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟^［26］。

式中：h为水深，m；ζ为地表高程，m；x、y为空间坐标，m；p、q为x、y方向上的流通通量，即单宽流量，（m³·s^-1）/m；t为时间，s；τ_xx、τ_xy、τ_yy为有效剪切应力分量，kg/m²；ρ为水的密度，kg/m³；V、V_x、V_y为风速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω为科氏力系数，s^-1；f为风阻力系数；p_a为大气压强，kg/（m·s²）。

MIKE FLOOD模型为耦合平台，将指定耦合步长中各个模型的当前步长计算结果进行交换，作为下一步运算的输入，提供了标准连接、城市连接、零流动连接、侧向连接、建筑物连接、河道城市连接、侧向建筑物连接7种连接方式。

3 实例分析

3.1 研究区概况

义乌市位于金衢盆地东部，地处浙江省地理中心，属亚热带季风气候区，雨量充沛，四季分明。受地形特点影响，山洪会加剧义乌市城市内涝受灾情况，下游又有义乌江水位的顶托，导致城区低洼区域管网排水不畅或河水漫溢，较易发生积水内涝。

本次研究收集整理了义乌市中心城区管网、土地利用、河道断面、地形以及水文数据。其中，管网资料为义乌市2015年管网普查成果以及2015年之后新建的道路地下管线设计资料，土地利用数据为义乌市第三次全国土地调查成果，河道断面数据为2019年义乌市水域调查成果及2021年补充测量的水下地形資料，地形数据为2020年航测法1∶2 000更新测图及水域调查收集的DEM数据（2 m×2 m），水文数据为经浙江省水文管理中心整编的国家基本测站雨量、水位资料以及地方水文遥测站资料，内涝积水点、积水范围资料由义乌市市政设施处提供。义乌江水位采用《义乌市城市防洪规划修编》规划方案设计水位成果。

3.2 水文条件组合

根据遭遇分析，义乌市城市内涝降雨与义乌江洪水有一定关联但相关性较低，符合义乌市城市防涝特征的水文条件组合见表1。

3.3 模型构建

义乌市城市防涝规划设计降雨历时统一为24 h，采用年最大值频率统计分析方法计算的50 a一遇 24 h雨量为213 mm，24 h内的雨型按照《浙江省短历时暴雨》规定的模式确定；最大1 h雨量采用义乌市城市暴雨公式计算成果，50 a一遇1 h雨量为87.9 mm，并采用芝加哥雨型进行分配。

以义乌江干流为边界，义乌市城区分为左右岸两个大片，分别构建“水-地-管-河”耦合的城市防涝全域全要素全过程的水文水动力模拟模型，江北片面积为212.1 km²，汇水分区有11 550个；江南片面积为53.5 km²，汇水分区有5 120个。

MIKE Urban一维管网模型江北片共概化检查井节点11 088个，排水管道11 186条，管道总长度557.8 km，排水口447处；江南片共概化检查井节点5 130个，排水管道5 124条，管道总长度133.3 km，排水口114处。MIKE 11一维河流模型江北片共概化河道34条，长约144.7 km，702个断面，设置211处桥涵，堰坝66座；江南片共概化河道8条，长约 24.7 km，采用119个断面，设置20处桥涵，堰坝3座。二维地表漫流模拟由MIKE 21模块实现，网格精度为24 m×24 m。

在MIKE FLOOD平台上耦合一维河流模型（MIKE 11）、一维管网模型（MIKE Urban）和二维地表漫流模型（MIKE 21）进行模拟。江北片34条河道以侧向连接的形式与二维地形耦合，11 088个检查井节点与二维地形耦合，447处排水口与河道耦合，外排义乌江的排水口均设置为水位边界；江南片8条河道以侧向连接的形式与二维地形耦合，5 130个检查井节点与二维地形耦合，114处排水口与河道耦合。耦合后的模型不透水率、河道糙率、地表糙率等参数，根据义乌市城区的实际情况取值，模型本地化参数取值见表2，模型概化见图2。

3.4 模型验证

采用2021年5月和7月的两场义乌市城区暴雨洪水进行模型验证。其中5月12日暴雨24 h点雨量重现期约0.5～15 a，面雨量重现期约1 a；最大1 h点雨量重现期约1～50 a，面雨量重现期约3 a。7月30日最大1 h点雨量重现期约0.1～10 a，面雨量重现期约0.5 a。验证结果表明，2场暴雨的河道水位过程、内涝积水点、积水范围等要素与实际的吻合程度都比较好。水位验证结果见表3及图3～4，内涝积水点、积水范围验证结果见图5。

3.5 模拟分析

义乌市中心城区市政排水工程按照现行国家技术标准规划设计，并假设管渠内与城市内河的出水口处于自由出流状态，按重力流进行逐段管渠的水力设计。根据分析，义乌市中心城区在2 a一遇重现期的设计降雨下，排水管道出现满管的长度约占管道总长度的65.3%（满管率），其中主城分区满管率约71.3%（表4）。

采用耦合模型模拟低标情景（2 a一遇降雨与义乌江2 a一遇洪水）。城市排水管道满管率约76.0%，其中主城分区的满管率约78.9%，说明城市防涝体系耦合作用下，市政排水管渠的实际排水能力小于设计预期（表5、图6）。

采用耦合模型模拟涝标情景。涝标情景是模拟的一般区域30 a一遇设计降雨雨型，重要区域50 a一遇降雨雨型，义乌江采用5 a一遇防洪水位顶托的工况。城市内河最高水位已经接近地面高程，部分内河洪水漫堤造成城区淹没，中心城区内涝高风险区域为1 039 hm²（积水深度超过0.50 m）、中风险区域为514 hm²（积水深度0.30～0.50 m）、低风险区域为661 hm²（积水深度小于0.30 m），说明义乌市中心城区现状防涝能力较低，应坚持系统治理理念，构建集排水、防涝、应急于一体的多层次城市防涝应对体系（表6）。

采用耦合模型模拟超标情景。超标情景是模拟的郑州市2021年“7·20”极端降雨雨型，义乌江采用50 a一遇防洪水位顶托的工况。义乌市中心城区内涝高风险区面积为1 398 hm²、中风险区面积为425 hm²、低风险区面积为286 hm²（表6），极端大暴雨不仅造成河流水位上涨，顶托了内涝的外排，而且大多数河流、水库发生了漫溢，形成了外洪叠加内涝的严峻局面，更进一步加重了城市内涝。义乌市中心城区将有26处重要公建设施和32处市政设施内涝受灾，众多城市道路因积水阻断，影响城市安全运转（图7）。建议以超标准下的情景模拟为基础，从极端天气应对策略、涝水行泄通道规划、应急通道规划、应急避难场所规划、生命线工程保障等5个方面制定具体的措施方案。

4 结 论

本文从系统性入手，提出多层级目标耦合的城市防涝标准和相应的防涝目标效果。利用MIKE FLOOD模型耦合MIKE Urban一维管网模型、MIKE 11一维河流模型、MIKE 21 二维地表漫流模型，建立了“水-地-管-河”耦合的义乌市城市防涝水文水动力模型，通过2场实测暴雨洪水资料对模型进行了参数校准和验证，较好地模拟了降雨后地下管网的产汇流状态、洪水在河道的演进过程以及河流、管网漫水后在二维地形的淹没情况。主要结论如下：

（1）在不考虑城市内河水位顶托的情况下，遭遇2 a一遇降雨时，义乌市中心城区排水管道满管率为65.3%，說明现有管道应对2 a一遇以上重现期降雨的能力较弱；多层级目标耦合后的满管率上升至76.0%，说明“水-地-管-河”的耦合作用对城市防涝有一定影响。

（2）义乌市中心城区在涝标、超标情景下的内涝风险区面积分别达到1 689 hm²和2 689 hm²，存在防涝能力偏低、超标准内涝应对能力不足等问题，应坚持系统治理理念，构建集排水、防涝、应急于一体的多层次城市防涝应对体系。

水文水动力耦合模型可以较好地反映实际城市洪涝中多过程、多模块间的相互作用，但目前常用的洪涝模型大部分为国外研发，其水文循环机制在中国的适用性仍待进一步的验证。研究下垫面对降雨的响应机理，识别城市水循环的控制过程，因地制宜地开发适合中国城市特点的洪涝模型十分必要。

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（编辑：谢玲娴）

Study on urban waterlogging prevention and control based on multi-level targets coupling

ZHOU Yantan^1，2，LIU Lijun^1，2，LI Penghui^1，2，MENG Xiangyong^1，2

（1.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary （Zhejiang Institute of Marine Planning and Design），Hangzhou 310020，China；2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Hydraulic Disaster Prevention and Mitigation，Hangzhou 310020，China）

Abstract：Aiming at the current issue of standards disconnection between municipal and water conservancy drainage systems，we proposed multi-level targets for urban waterlogging prevention and control，and set three levels of urban waterlogging prevention and control standards，which were "no water accumulation on the ground within low-standard rainfall；no waterlogging disasters within modest rainfall；cable of handling under extra-large rainfall".Furthermore，corresponding urban waterlogging prevention and control targets were clarified，such as waterlogging scope，waterlogging depth，waterlogging duration，and normal degree of urban basic functions.Taking the urban area of Yiwu City，Zhejiang Province as the research area，the MIKE FLOOD model was used to couple the MIKE Urban one-dimensional pipe network model，the MIKE 11 one-dimensional river model，and the MIKE 21 two-dimensional surface overflow model to establish a coupled hydrological and hydrodynamic model of "water-land-pipe-river".The model was calibrated and verified by two measured rainstorm flood data.The results show that the established model can well simulate the runoff generation and confluence state of underground pipe network after rainfall，the routing of flood in river channels and the submergence in two-dimensional terrain after river and pipe network overflows，which can achieve whole-domain，whole-factor and whole-process simulation.Under the low-standard scenario in urban area of Yiwu City，the overflow rate of drainage pipes increases from 65.3% to 76.0% after multi-level targets coupling，which indicates that the coupling effect of water-land-pipe-river has a significant impact on urban waterlogging preventing and control.The urban waterlogging control model based on multi-level target coupling can accurately reflect the actual operation state and waterlogging prevention effect of urban waterlogging prevention engineering and non-engineering system，and can provide reference for urban waterlogging control.

Key words：urban waterlogging；waterlogging prevention and control standard；pipe network model；river model；surface overflow model；Yiwu City