基于地-管-河耦合模型的南宁市城区洪涝灾害模拟及淹没影响研究

关键词：城市内涝；淹没影响；耦合模型；南宁市

中图分类号：TV122 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0024-10

近年来，随着全球气候环境的变化，极端降雨事件的频率显著增加，导致各地内涝灾害频发。在中国，快速的城镇化发展打破了自然水文循环规律，城市防洪排涝工程发展滞后，排涝能力低下，以及预警手段和应对措施不完善，使得洪涝灾害及其伴生灾害频繁发生，损失不断增加［1］。2021年，郑州“7·20”特大暴雨事件，累计平均降水量达449mm，最大小时降雨量达201. 9 mm，打破中国大陆小时降雨量历史纪录，导致严重的城市内涝，交通堵塞、城市断电、河流洪水和山洪滑坡等多灾并发［2-3］。

城市内涝历时短、频率高、对社会经济影响重大。随着城市暴雨致灾程度的提升，加强对洪水等自然灾害的预警能力、加快预警速度已成为提升国家综合防灾减灾的重要任务之一，开展城市内涝模拟及治理工作已成为城市雨洪研究的重点内容。城市雨洪模型已成为研究城市洪涝灾害特性的有效方法与城市水文学研究的热点。Mark等［4］基于水动力学方法建立了城区与地下管网耦合的雨洪模型，采用隐格式的有限差分法，并应用于达卡市的暴雨洪涝灾害模拟。陈洋波等［5］开发了东莞市城市暴雨雨洪模型，采用非结构网格剖分研究区域，利用二维非恒定流水力方程计算地表水流运动与内涝积水。麻蓉等［6］则以北京市某小区为例，分别建立MIKE 21和GIS淹没模型，模拟小区内的淹水情况。曾照洋等［7］将SWMM 模型与LISFLOOD-FP二维水动力模型耦合，通过模拟东莞市典型区域的淹没范围和积水深度，为该区域内涝预警预测研究提供了参考。Bisht 等［8］采用SWMM 和MIKEURBAN模型设计孟加拉邦小型城市的排水系统，结合SWMM和MIKE URBAN获取了平面洪水淹没范围。陈翠珍等［9］运用Info-Works模型模拟武汉市中心城区管网排水过程，评估现有排水能力，为管网改造提供了支撑。黄国如等［10］基于Info Works ICM模型构建了海口市城市暴雨洪涝情景，并基于积水点进行了一定精度的验证。Oertel［11］将城市地下空间分为4个部分：地下空间、楼梯、出入口和水流，并分割计算网络分析。张会等［12］以辽河中下游地区为研究对象，基于GIS技术与洪涝灾害风险评估方法，提出了洪涝灾害风险指数，对不同县区损失风险进行评估与风险区划。

洪涝灾害影响评估同样是城市雨洪研究的重点内容。尹占娥等［13］等以城市暴雨洪涝灾害为研究对象，基于GIS栅格建立了适用于城市小尺度的暴雨洪涝灾害风险模型。李正兆等［14］构建了1套包含13个方面共41个基础指标的风险评估体系，以此搭建模型用于评估城市洪涝风险。周峰等［15］选取平均降雨量、地形、水系等作为危险性指标，人口、GDP、固定资产投资等作为易损性指标，并选取堤防密度及圩区排涝能力作为洪水防御能力指标开展洪涝灾害风险评估。Rodda［16］以地理信息系统为基础，对1935—2005年的历史洪水事件进行调查与分析构建了应用于捷克的洪水风险分析模型。王静静等［17］利用经济发达的东南沿海地区1951—2000年共50a的暴雨洪涝资料，通过叠加受灾分布图对东南沿海4省的42个市进行洪涝灾害风险评估。杜鹃等［18］基于湖南省1978—2007年的历史灾害记录，对暴雨洪涝灾害所造成的直接经济损失进行概率风险评估，所得评估结果可作为风险图绘制的基础。Toda等［19］通过建立地下空间和地表联合计算的蓄水池模型分析福冈市洪涝事件，并在2009年对原计算模型进行改进，改进后可预测城市在暴雨洪涝时风险性。

上述模型及影响分析为城市雨洪分析提供了参考。为精确模拟南宁市内涝灾害情况并量化淹没影响，本文使用MIKE+软件，基于城区地表二维地表漫流模型、地下排水管网模型、内河一维泄洪模型，建立地-管-河耦合模型，全面开展城市洪涝灾害多过程动态精确耦合，并基于模拟淹没情况开展淹没影响分析，研究为南宁市研究为南宁市防洪排涝工作提供了科学依据，也为其他城市的内涝灾害模拟提供了参考。

1研究方法

1. 1地-管-河耦合模型构建

基于城市产流、地表漫流、管网汇流理论，构建综合性的耦合模型系统，以提高城市内涝模拟的精度和可靠性。地-管-河耦合模型基于城区地表二维地表漫流模型、地下排水管网模型、内河一维泄洪模型开展。针对城区地表产汇流形成过程，建立地表二维漫流“地”模型；加载地表产汇流计算结果，通过设置最大入流量参数，结合城区雨水管网分布及排水状况，建立地下排水“管”模型，控制雨水井的收水能力，模拟水流在管网中的运行状态；针对城区主要内河泄水泄洪过程，建立内河一维泄洪“河”模型，最后将建立地-管-河模型进行耦合计算，见图1。

“河”模型分别设定各内河的上边界条件和下边界条件分别为各频率自排设计洪水和出口排涝闸泄流曲线。“管”模型集雨区边界为5、10、20、50、100、200年一遇设计暴雨过程。将“地”模型、“管”模型、“河”模型建立相关连接，耦合方式如下：①分别建立各河道一维河道与各自左右岸二维网格的连接；②将城市排水管网模型的人孔连接到二维模型相应位置的网格中；③将城市排水管网在河道的排水口与一维河道连接。

1. 2淹没影响计算

根据洪水分析计算、洪水淹没范围、承灾体人口分布及社会经济发展状况，本次统计分析以乡镇为单元，分别统计分析淹没区内不同乡镇的受淹面积、受影响人口以及受影响GDP等各类社会经济指标，再汇总得到不同频率洪水时整个城区灾情指标信息。

a）受淹面积。基于GIS软件的叠加分析功能，将淹没范围图层与行政区图层相叠加，即可得到对应不同洪水方案的受淹行政区面积。

b）受影响人口。人口统计数据空间分析可采用居民地法进行，即认为人口是离散地分布在某乡镇（街道办）的居民地范围内，每块居民地上又是均匀分布的变量，采用人口密度来表征。各乡镇（街道办）受淹居民地面积用A 来表示，则受灾人口可用式（1）计算。

P_e = ΣΣA_i，j ⋅ d_i，j （1）

式中：P_e为受灾人口；A_i，j为第i 乡镇（街道办）第j 块居民地受淹面积；d_i，j为第i 乡镇（街道办）第j 块居民地的人口密度。

考虑到淹没区每个乡镇（街道办）每块居民地的人口密度资料难以全面收集，采用乡镇（街道办）受淹面积的比例来概算受影响人口，即认为某乡镇（街道办）内的人口是平均分布在该乡镇（街道办）边界内的，受灾人口比例与该乡镇（街道办）受淹面积占整个乡镇（街道办）面积的比例相同，进而根据乡镇（街道办）人口总数推算受灾人口数，见式（2）。

P_e = PA_f /A （2）

式中：P_e 为区域总人口；A_f 为某一乡镇（街道办）的受淹面积；A 为乡镇（街道办）总面积。

c）受影响GDP。本次采用人均GDP法计算受影响GDP，即根据某行政区受影响人口与该行政区的人均GDP相乘计算受影响GDP。

2研究区概况及研究数据

2. 1研究区概况

南宁市位于广西壮族自治区南部偏西，是广西壮族自治区首府及广西政治、经济、文化中心，土地面积22 112 km²，市区面积6 479 km²。地处亚热带季风气候区，北回归线穿域而过，市区位于纺锤状南宁盆地的腹部，周边为低山丘陵所环绕，总体上地势西高东低。邕江横贯南宁市城区，将城市分为南北两部分。

南宁市近年来快速推进城市化进程，大量农田、湿地等自然土地被转变为建筑、道路等硬质地表，导致城市不透水地表面积显著增加，进而影响了地表水的自然渗透，增加了径流量。这种变化给城市排水系统带来了巨大压力，尤其是在老城区，排水管网老化问题严重，排水能力不足，难以有效应对暴雨天气，导致局部地区易发内涝。2020年6月，南宁市遭遇持续强降雨，多个气象站记录降雨量超过200mm。降雨集中且强度大，城市排水系统不堪重负，城区多地出现严重内涝。西乡塘区和青秀区低洼地区尤为严重，部分路段积水深度达到0. 5 m 以上，交通中断，市民出行受到严重影响。2021年8月，市区的埌东、江南等地，短时间内的强降雨导致道路积水，车辆被淹，交通陷入瘫痪。部分地下停车场和地下室被水灌入，造成财产损失，市区的部分内河水位迅速上涨，部分河段水漫堤坝，对附近居民生活造成较大影响。

本次研究区域为南宁市城区，面积5 217 km²，常住人口501. 5万人，地区生产总值35 944 807万元，涉及西乡塘区、青秀区、江南区、兴宁区和良庆区，见图2。

2. 2研究数据

2. 2. 1模型构建

本次采用MIKE+软件模拟研究区域的内涝过程，模型所需的基本输入数据主要包括降雨数据、地形数据、土地利用类型数据、管网数据及其他相关数据。

本次设计年最大降雨量采用2017年批复的《邕宁防洪工程二期初设》中推荐成果，其中最大1 h资料系列为1964—2013年；最大6 h 资料系列为1958—2013年；最大24h资料系列为1926—2013年。雨洪同期设计暴雨量采用已批复的《南宁市邕宁区防洪工程规划修编》中成果，实测雨洪同期最大时段降雨资料系列为1934—2013年。成果可用于模型搭建。降雨数据用于模型集雨区上边界的设定，下边界为各内河在郁江出口防洪排涝闸的泄流曲线。选取200、100、50、20、10、5年一遇的设计暴雨过程，见图3、4。

地形数据采用第三次全国国土调查2. 5 m×2. 5m地形数据，针对民族大道、东葛路等城市主路、地铁站点等局部区域采用实测1∶2000地形图修正，同时考虑建筑物阻水影响，在原地形图上叠加建筑物进一步修正形成含建筑物的地形网格文件。网格大小采用10 m×10 m正方形网格，区域网格数量为4499×2 775，共约1278万个。根据南宁市城区土地利用地图结合遥感图像制作下垫面糙率文件，不同土地类型的糙率见表1。

通过GIS利用泰森多边形，结合排水规划排水区域划分情况，对各排水口集雨范围进行划分，本次管网模型计算集雨面积共191. 89 km²。集雨区建筑物不透水系数为95%，道路不透水系数为80%，其他区域不透水系数为60%。

南宁市城市管网错综复杂，本次根据城区管网普查成果，结合城区内涝实际及建模需要，对管网进行合理化处理及简化，简化原则如下：①根据收集段的管道资料的连接关系，结合城市排水规划以及地形分布、现场调查情况等确定局部缺失的管道走向后进行补充，并根据管道前后衔接情况补充缺失管道的参数；②将管道简化为30～200m不等的长度，其中对于城区核心区，管道较密的地方，管道简化后长度为30～40m，对于其他管道非核心区域，管道较为稀疏的地方，将管道长度简化为60～200m，管道简化后的坡度和管径等参数基本维持实测情况不变；③部分道路上两侧分别有排水管道的因模型需要进行合并概化，合并后维持总过流面积不变。管网水力模型中概化人孔2116个，出水口146个，管道1690条。

南宁市内河共计18条，八尺江、良凤江已建有防洪工程，那平江距主城区较远，不影响城区内涝。本次模拟石灵河、可利江、心圩江、二坑溪、朝阳溪、沙江河、竹排冲、凤凰江、亭子冲、石埠河、西明江、良庆河、楞塘冲、马巢河、那洪沟等15条内河，建立内河一维泄洪“河”模型，范围为各内河城区进口至其与竹排冲、良凤江、郁江等河流的汇合口。河道总长合计约97. 5 km，实测断面330个，断面平均间距406 m。本次分别计算各支流自排5、10、20、50、100、200年一遇暴雨洪水情况下的洪水淹没情况。结合河网关系，除沙江河下游汇入竹排冲不设定下游边界外，“河”模型分别设定各内河的上边界条件和下边界条件分别为各频率自排设计洪水和出口排涝闸泄流曲线，见图5。

2. 2. 2淹没分析

本次采用GIS进行淹没影响分析，所需的基本数据主要包括模型模拟淹没范围、人口分布、社会经济数据及其他相关数据，见表2、3。

3结果与分析

3. 1模型率定与验证

“地”模型率定对象为已有水面线成果及2016年6月3日实测暴雨过程和内涝城区淹没的大致情况，本次采用不同下垫面不透水率，并进行调整使得各易涝点内涝积水与实际淹没范围基本相符；“管”模型通过分析城区地表涨退水过程进行合理性分析；“河”模型需要率定的参数是反映底床糙率的n值，n对河道中水位变化影响较大。n越大，模拟的洪峰流量出现时刻越滞后，水位值越高；n越小，洪峰出现时刻越提前，水位值越低。通过反复调整各断面糙率分布，保证水位的模拟值与实测值或已有成果能够较好吻合。

“地”“管”“河”模型验证过程如下。

a）2016年6月3—4日，南宁市经历暴雨，市区降雨量接近10年一遇，局部接近20年一遇，导致多处内涝。主要内涝点包括葛村路下穿铁路涵洞、长岗茅桥路口等。本次“地”模型对该场次暴雨内涝进行模拟，通过调整城市地面不透水率，计算结果与实际内涝点分布情况良好，见图6，模型满足城区暴雨内涝模拟需求。

b）“管”模型选择典型区域，将管道排水情况与地表积退水情况进行比较，20年一遇设计暴雨条件下模拟计算24h的各典型时刻大沙田地铁站附近区域地表积退水情况见图7。由图可见，5月1日7时左右地表径流量大于管道排水量，此时地表出现积水，9时30分左右地表径流量小于管道排水量，此时地表积水范围应达到最大并开始退水。24时左右地表已无径流，管道流量也为0，此时退水完全，退水过程合理。

c）“河”模型通过反复调整各断面糙率分布，使得计算水面线与设计水面线尽量吻合。以凤凰江为例，计算水位与设计水位相差仅-0. 13～0. 13之间，参数率定结果合理，见表4和图8。

3. 2不同重现期城区淹没结果与分析

城区发生5、10、20、50、100、200年一遇雨洪内涝时，内涝淹没的流速、淹没水深和淹没历时等洪水风险要素随洪水量级的增大而增大。淹没面积从11. 45 km²，逐渐增加到14. 766 km²，淹没历时从14. 40 h增加到14. 98 h，平均淹没水深从0. 84 m增加到0. 99 m，见表5和图9。

3. 3城区淹没影响分析

城区发生5、10、20、50、100、200年一遇雨洪内涝时，南宁市西乡塘区、青秀区、江南区、兴宁区、良庆区等城区均有不同程度的受灾，其中西乡塘区受雨洪内涝淹没面积、受影响人口、受影响GDP最大，淹没区面积基本为其他几个区之和。另外4个区淹没范围由大到小排序分别为良庆区、青秀区、兴宁区、江南区，受影响人口由大到小排序分别为青秀区、江南区、兴宁区、良庆区；受影响GDP由大到小排序分别为青秀区、江南区、良庆区、兴宁区，见表6—9。

4结论

为精确模拟南宁市城区洪涝灾害情况，分析洪涝灾害对城区人口、经济影响，本研究以南宁市城区为研究区域，对地表承灾体、地下管网、城市内河进行全过程动态耦合模拟。根据模拟淹没范围、城区人口及社会经济情况，展开承灾体影响分析。所得的主要结论如下。

a）基于MIKE+搭建了地-管-河耦合模型，采用已有水面线、历史暴雨内涝过程、涨退水过程率定参数及验证模型可靠性，模拟结果与已有成果实际内涝点分布及涨退水情况基本吻合，成果合理，模型满足模拟需求，构建的地-管-河耦合模型可以准确模拟研究区域的内涝过程。

b）城区发生5～200年一遇雨洪内涝时，淹没面积从11. 45 km²逐渐增加到14. 766 km²，淹没历时从14. 40 h增加到14. 98 h，平均淹没水深从0. 84 m增加到0. 99 m。内涝淹没的流速、平均淹没水深和淹没历时等洪水风险要素随洪水量级的增大而增大。

c）城区发生5～200年一遇雨洪内涝时，受影响人口总数从54747人增加到70601人，受影响区域GDP 从106 872万元增加到137822万元。淹没面积、受影响人口总数和区域GDP受影响程度随洪水量级的增大而增大。按行政区划划分，发生雨洪内涝时，西乡塘区、青秀区、江南区、兴宁区、良庆区等城区均有不同程度的受灾，其中西乡塘区受雨洪内涝淹没面积、受影响人口、受影响GDP最大，淹没区面积基本为其他几个区之和，另外4个区受影响人口由大到小排序分别为青秀区、江南区、兴宁区、良庆区；受影响GDP由大到小排序分别为青秀区、江南区、良庆区、兴宁区。