区域排水能力对雨箅子堵塞程度响应规律模拟研究

摘 要：近年来，我国频繁发生的洪涝灾害给人民的生产生活带来了严重的威胁。雨水口泄流能力对区域路面雨水的排放和整个管网的排水能力有巨大影响，为了探究雨箅子堵塞程度对管网排水能力的影响，以陕西省西咸新区某排水分区为例，基于ＧＡＳＴ 模型和ＳＷＭＭ 模型构建耦合一维管网和二维地表的城市雨洪过程数值模型，并根据现场调研成果，确定了几种常见的雨箅子堵塞情形，采用情景分析法模拟分析不同降雨重现期和雨箅子堵塞状态下的雨水口排水过程。采用纳什效率系数验证模型模拟结果的合理性，对两场降雨进行验证的纳什效率系数分别为０．７１ 和０．８０，表明构建的模型模拟精度较高，模拟结果可靠。在百年一遇极端降雨下，雨箅子堵塞７５％时过流能力降低５７％，堵塞２５％时过流能力降低１７％；随着降雨强度的增大，管网排水能力受雨箅子堵塞程度的影响增大。

关键词：洪涝致灾；雨箅子堵塞；数值模拟；泄流能力

中图分类号：Ｘ４３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．００９

引用格式：卜良河，侯精明，薛树红，等．区域排水能力对雨箅子堵塞程度响应规律模拟研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（１２）：５６－６１．

在城市化迅猛发展背景下，城市下垫面的不透水面积占比逐渐增大，这一趋势与全球气候环境的变迁交织，加剧了“热岛效应”现象，并导致极端降雨事件的频率呈上升趋势，频繁引发城市内涝灾害，对城市基础设施和居民生活带来严重影响［１－３］ 。近年来，地下排水管网的效能未能充分发挥，导致区域性积水问题日益突出［４］ ，其原因主要包括雨箅子的堵塞、管网运维不当以及管网老化等［５－ ６］ ，特别是雨箅子的堵塞直接影响雨水口的泄流能力，进而对整个排水管网的排水能力构成显著影响［５，７］ 。因此，对于城市排水系统的管理和维护，需要更加重视雨箅子的日常检查与清理工作，以确保排水管网的正常运行和城市防涝能力的提升。

排水规划及地下排水管网的构建是城市防洪防涝的核心环节，它们在保障城市安全和居民生活质量方面发挥着至关重要的作用［８－１０］ 。然而，多种因素的制约致使地下排水管网的排水能力可能无法满足及时排除路面积水的需求。因此，许多专家和学者开始关注通过修复自然水循环系统来控制和利用城市雨水，以及扩大地下排水管网规模［１１－ １２］ 。侯精明等［１３］ 研究了在超标暴雨条件下管网的排水能力和排水率的变化，并对管网排水效果进行了分析，为排水系统的建设提供了重要参考。刘晓阳［１４］ 通过雨洪模型模拟了不同重现期降雨条件下研究区域的排水能力，并对超负荷管段进行了分析。以上研究关注的主要是加大管径、优化管网布局等措施降低管网运行负荷以提高城市排水能力，但忽略了不同降雨条件下道路雨水口的泄流能力及运行状况。雨水口是地表径流与排水管网系统交互的关键节点，地表径流通过雨水口下泄到排水管网中。雨箅子与管网系统连接处的过流能力直接影响局部区域积水的排除效果，连接处过流能力不足，可能导致局部区域内涝现象的发生［１５－ １６］ 。

鉴于此，本文以陕西省西咸新区为例，构建耦合ＳＷＭＭ 模型管网模块和ＧＡＳＴ 模型的一二维水动力城市雨洪过程模型［１７］ ，模拟计算不同设计降雨条件下研究区域雨水口不同堵塞程度对其排水能力的影响，对比区域排水能力对雨箅子堵塞程度的响应规律，旨在揭示雨箅子堵塞程度对管网排水能力影响的规律，为提升区域管网排水能力和管网系统的排水效率提供重要参考。

１ 研究区域概况及数据

１．１ 研究区域概况

本研究以陕西省西咸新区某排水片区为研究区域，该区域位于陕西省西咸新区丰信路以东、咸户路以西、公园大街以南、尚雅路以北，气候类型为湿润型大陆性季风气候，多年平均降水量约为５２０ ｍｍ，其中７—９ 月降雨较为集中［１８］ 。

１．２ 基础数据

高精度地形资料在精细模拟内涝积水过程中起到关键作用，因此本研究选取１ ｍ 精度的ＤＥＭ 高程数据，并根据区域高清影像数据对地表建筑、道路、广场等进行修正处理，研究区域数字高程地形见图１。研究区域内的土地利用类型划分，采用最大似然分类法将收集到的高清影像进行识别，不同的计算网格单元被划分为５ 种土地利用类型（道路、房屋、透水铺装、雨水花园、绿地）［１９］ ，见图２。研究区域内下垫面属性根据文献［２０］确定，相关参数取值见表１。

雨水管网资料由西咸新区沣西新城管委会提供。研究区域内雨水管断面均为圆形，模型中管道直径按照管道实际直径设置，曼宁系数取０．０１２［１８］ 。管网及雨箅子（雨水口）分布情况见图２，研究区域共有５８ 个雨水口，本文以西南角排水口为研究对象，上游管线上有３９ 个雨水口。

１．３ 降雨资料

通过对咸阳市气象站３０ ａ 的实际降雨资料进行雨型分析，推求暴雨强度公式［２１］ 如下：

ｑ ＝ １ ２３９．１（１ ＋ １．９７１ｌｇ Ｐ）／１６７（ｔ ＋ ７．４２４ ６）０．８１２ ４ （１）

式中：ｑ 为设计暴雨强度，Ｐ 为重现期，ｔ 为降雨历时。

根据西咸新区降雨分布特征，选用雨峰系数ｒ ＝０．４表征雨型，计算得到６ 个重现期（１、２、５、１０、２０、１００ ａ）的２ ｈ 暴雨过程，见图３。

２ 研究方法

为进一步研究漂浮物对雨箅子排水能力的影响，采用ＳＷＭＭ 模型进行一维管网建模，采用ＧＡＳＴ 模型对二维地表水动力过程进行建模，并将建立的一维、二维模型耦合。排水系统正常运作情况下，降雨产生的径流应顺利通过地表汇流后（二维地表），由雨水井进入管道（一维管网），而后经管网排出。在保证各类土地面积、模型参数不变的情况下，通过耦合模型对研究区域进行模拟，在不同设计降雨条件下，分析雨箅子不同堵塞程度对管网排水能力的影响。

由于一二维耦合模型无法对研究区域雨箅子进行概化，因此需要利用参数来反映雨箅子的堵塞程度。郝晓丽［２２］ 建立了具有上下两层结构缩比尺雨水口泄流能力试验平台，并选用堰流和孔流公式，开展不同影响因素的雨水口泄流机制分析。计算得到雨箅子不同试验工况下的Ｃｗ、Ｃ０ 值（Ｃｗ 为堰流系数，Ｃ０ 为孔流系数，利用这两个参数来反映雨箅子的堵塞程度），见表２。

２．１ ＧＡＳＴ 模型

２．１．１ 模型简介

本文采用ＧＡＳＴ 模型计算地表水动力过程，ＧＡＳＴ模型采用Ｇｏｄｕｎｏｖ 类型的有限体积法，在求解地表产汇流过程时，采用Ｇｏｄｕｎｏｖ 格式有限体积法求解二维浅水方程，进行空间离散［２３］ ，同时模拟引入ＧＰＵ 并行加速技术提升计算效率［２４］ 。

２．１．２ 控制方程

模型中计算汇流以及运动过程的控制方程为圣维南方程［２５］ ，其二维非线性浅水方程守恒形式表示如下：

式中：ｑ 为流量矢量；ｕ、ｖ 分别为ｘ、ｙ 方向的流速；ｆ、ｇ分别为ｘ、ｙ 方向的通量矢量；Ｓ 为源项矢量，包含底坡源项、净雨源项及摩阻力源项［２５］ ；ｉ 为净雨速率；ｚｂ 为河底高程；ｇ 为重力加速度；ｈ 为水深；Ｃｆ为床面摩阻系数，Ｃｆ ＝ｇｎ２ ／ ｈ１／ ３，ｎ 为曼宁系数［２６］ 。

２．２ ＳＷＭＭ 模型

本文采用ＳＷＭＭ 模型计算汇水区产汇流过程及管网汇流排水过程。ＳＷＭＭ 模型是一种先进的动态降水－径流模拟模型，主要用于模拟城市中水动力过程［２７］ ，可完整地模拟研究区降雨径流过程［２８－２９］ 。

该模型有３ 种不同的计算方法：运动波、扩散波和动力波。由于动力波计算方法可以通过求解圣维南方程组模拟复杂的水体流动情况，理论上与实际情况最为相符，因此本研究主要采用动力波法进行排水管网计算，动力波公式为

式中：Ｈ 为静压水头，ｘ 为管道长度，ｔ 为时间，Ｓｆ为因摩擦引起的能量坡降，Ｑ 为瞬时流量，Ａ 为过水断面面积。

２．３ 耦合模型

通过耦合ＳＷＭＭ 模型与ＧＡＳＴ 模型可以将一维管网排水过程和二维地表水动力过程结合起来。具体耦合过程是通过对ＳＷＭＭ 源代码进行二次开发，写入雨水节点参数信息和水深等的获取、修改函数，编写生成可被地表二维水动力计算模型实时调用的模块，在对雨水井节点进行模拟时可对堰流公式、孔流公式及地表二维浅水方程等进行转换使用。其耦合的主要目的是完成雨水井节点处地表与管道的水量交换。根据实际情况，流量较小时，若雨水井水位低于地面高程，则可采用堰流公式计算雨水口的泄流流量；流量较大时，若雨水井水位高于地面高程，则采用孔流公式计算雨水口的泄流流量，实现地表与地下管网系统的水量交换，堰流和孔流的计算公式如下：

式中：Ｑｗ、Ｑ０ 分别为堰流、孔流流量；ｐ 为湿周长，为简化计算，本研究中湿周长为子格栅周长之和；Ｈ 为箅前的总水头；Ａ 为连接管的截面积。

２．４ 模型验证

本文选取研究区域２０１７ 年９ 月１６ 日和９ 月９ 日实测降雨和管网排口流量数据验证所建模型，这两场降雨取自降雨较为集中的９ 月，降雨数据来源为该小区内雨量站监测数据，相同时段排口的实测流量过程数据通过布设的流量计获取，其中：９ 月１６ 日降雨量为１１．４ ｍｍ，降雨历时１３ ｈ，降雨峰值出现在降雨开始后６ ｈ；９ 月９ 日降雨量为１３．２ ｍｍ，降雨历时１５ ｈ，降雨峰值出现在降雨开始后８ ｈ。模拟结果如图４ 所示。

为了验证本研究所用模型模拟结果的准确性，引入纳什效率系数［３０］ 作为模型率定的评价标准，并以０．５为模型率定的最低值，其计算公式为

式中：ＣＮＣＥ为纳什效率系数，Ｑｉ，ｏｂｓ 和Ｑｉ，ｓｉｍ 分别为实测流量和模拟流量，Ｑｏｂｓ 为实测流量的平均值，Ｎ 为实测及模拟流量个数。

通过计算得到两场降雨的纳什效率系数分别为０．７１和０．８０，表明模型相关参数的取值合理，所用模型模拟效果较好。

３ 结果分析

通过模拟不同降雨重观期下４ 种雨箅子堵塞情况，得出各对应工况的管网排口流量，见图５，不同重现期下管网排口流量峰值见图６。

由图５ 可见，随着重现期的增大，管网排口的出流量呈现上升的趋势。当重现期≤２０ ａ 时，雨箅子堵塞２５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的９３％～９９％，雨箅子堵塞７５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的５５％～８８％。在１００ ａ 一遇极端暴雨条件下，雨箅子堵塞２５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的８３％，雨箅子堵塞７５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的４３％。随着堵塞程度的提高，更多的雨水将无法顺利进入雨箅子，而是在路面上积聚，这不仅增加了路面被水淹没的风险，而且可能导致部分雨水绕过雨箅子直接进入周边环境，增加了排水系统的负担。

在重现期为１ ａ 和２ ａ 时，出流量分别在降雨开始后８５、７０ ｍｉｎ 达到峰值；当重现期超过２ ａ 时，出流量在降雨开始后６５ ｍｉｎ 内即达到峰值。这一趋势揭示了管网排水能力在面对不同降雨强度时的变化特征。随着重现期的增大，管网排口的出流量呈现上升的趋势，堵塞程度较大的雨箅子与未堵塞雨箅子之间的出流量差异变得愈发显著，这进一步证实了在雨箅子堵塞的情况下，管网的排水能力会明显降低。

模拟结果为我们提供了关于降雨强度与雨箅子堵塞程度对管网排水能力影响的深入理解。具体来说，降雨强度越大，雨箅子堵塞对管网排水能力的影响越大。在相同的降雨强度下，堵塞２５％的情况相对来说对排水能力的影响较小，而堵塞程度越大，对管网排水能力的影响越显著。

根据图６ 可知，随着重现期的增大，雨箅子在不同堵塞情况下的排口流量峰值均呈现上升的趋势。进一步分析发现不同堵塞程度的排口流量峰值之间存在显著的差异，差异的范围在６．５％至１２０％之间（对应降雨重现期１～１００ ａ），揭示了雨箅子堵塞程度对管网排口流量峰值的具体影响。降雨重现期为１００ ａ 时，雨箅子未堵塞时的排口流量峰值是堵塞７５％情况下的２．２８倍，突显了堵塞程度对流量峰值影响的严重性。随着堵塞程度的提高，其对流量峰值的影响呈现增大的趋势。

４ 结论

本文以陕西省西咸新区某排水分区为研究区域，构建了耦合ＳＷＭＭ 管网模块和ＧＡＳＴ 模型的城市雨洪过程模型，开展了６ 种设计降雨重现期（１、２、５、１０、２０、１００ ａ）下的城市雨洪过程模拟，对比分析了排水能力对雨箅子堵塞程度的响应规律，主要结论如下：

１）基于ＧＡＳＴ 模型和ＳＷＭＭ 模型构建耦合一维管网和二维地表的城市雨洪过程数值模型，采用ＧＰＵ加速技术提升了计算效率，模型经两场降雨验证，纳什效率系数分别为０．７１ 和０．８０，表明该耦合模型模拟精度较高，能准确模拟城市降雨径流过程中的管网排水及地表径流过程。

２）对比不同重现期下不同堵塞程度雨箅子对管网排水能力的影响，降雨强度越大，雨箅子堵塞对管网排水能力的影响也越大。在１００ ａ 一遇极端暴雨条件下，雨箅子堵塞２５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的８３％，过流能力降低１７％，雨箅子堵塞７５％情况下的过流能力是雨箅子未堵塞情况的４３％，过流能力降低５７％。在相同的降雨强度下，堵塞２５％的情况对排水能力的影响较小，而堵塞程度越高，对管网排水能力的影响越显著。

３）随着降雨重现期的增大，雨箅子在不同堵塞情况下的排口流量峰值均呈现上升的趋势。不同堵塞程度的排口流量峰值之间存在显著的差异，差异范围在６．５％至１２０％之间（对应降雨重现期１～１００ ａ）。在降雨重现期为１００ ａ 的情况下，雨箅子未堵塞时的排口流量峰值是堵塞７５％情况下的２．２８ 倍，揭示了堵塞程度对流量峰值影响的严重性。随着堵塞程度的提高，其对流量峰值的影响呈现增大的趋势。

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【责任编辑 许立新】

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