基于FVCOM模型的无管网资料地区暴雨内涝模拟研究

摘要：

为实现无管网资料地区内涝风险模拟，以重庆市渝北区悦来新城排水片区为研究区域，采用降雨率折现法、全域等效排水法、道路等效排水法、雨水井等效排水法等4种方法等效替代管网排水能力，并构建基于Finite Volume Coastal Ocean Model（FVCOM）的全水动力雨洪模型，采用理想算例与实测降雨验证模型，选取最合适的等效模型对研究区不同雨型下的内涝积水特征进行模拟分析，并基于洪水危险率分析内涝风险。结果表明：降雨率折现法、全域等效排水法、道路等效排水法和雨水井等效排水法模拟所得易涝点积水面积平均相对误差分别为36.49%，43.31%，8.18%和4.42%，相比之下雨水井等效排水法模拟效果最好，但在无街景区域可能存在一定限制；相同重现期下，雨峰靠前的降雨初期积水增加更快，雨峰靠后的降雨导致的内涝风险相对更高；相同雨峰系数下，重现期越大，积水面积和积水量均越大，整体内涝风险越高。研究成果可为管网资料缺乏地区城市内涝模拟提供参考。

关" 键" 词：

暴雨雨型； 内涝风险； 等效排水方法； FVCOM； 无管网资料地区； 重庆市

中图法分类号： TU992

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.005

收稿日期：2024-04-30；接受日期：2024-07-15

基金项目：

重庆市水利科技项目（CQSLK-2023026）；重庆市科学技术局技术创新与应用发展专项重点项目（CSTB2022TIAD-KPX0200）；重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJ202200775487439）；重庆市人力资源和社会保障局留学人员回国创业创新支持计划入选项目（CX2023053）；重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室开放基金项目（SLK2023B11）

作者简介：

李陪然，女，硕士研究生，主要从事城市水务与水环境研究。E-mail：1334856762@qq.com

通信作者：

刘" 非，男，讲师，博士，主要从事城市雨洪管理研究。E-mail：fei.liu@cqjtu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2025） 01-0031-09

引用本文：

李陪然，刘非，陈垚，等.

基于FVCOM模型的无管网资料地区暴雨内涝模拟研究

［J］.人民长江，2025，56（1）：31-39.

0" 引 言

由于全球气候变化加剧和中国城市化进程深入推进，城市下垫面条件发生深刻变化，极端暴雨频发导致严重的内涝灾害［1-3］。排水管网作为城市重要的基础设施，担负着排水、泄洪的重大使命，是城市的生命线工程，在城市水循环中有着突出地位［4-5］。因而排水管网数据是城市洪涝模拟研究的一项重要基础资料。通常，由于管网数据涉密或管网资料与实际有较大出入等原因，部分地区没有有效可用的城市管网数据［6-8］，这很大程度上降低了雨洪模拟的准确性。

近年来，部分学者尝试寻找各种方法来等效替代无管网资料时的管网排水效果。例如，刘非等［7］基于LISFLOOD-FP模型，运用雨水井等效方法进行全水动力地表径流模拟，成功识别出较大范围研究区易涝点；杨东等［8］基于自主研发的水动力模型分别采用了雨水井等效排水法、降雨率折现法等代替管网排水能力，结果显示雨水井等效排水法模拟效果优于其他方

法；李泽锦［9］基于Storm Water Management Model（SWMM）模型和TELEMAC-2D模型分别构建了一维城市洪涝模型和二维水动力模型，采用等效排水方法模拟分析了内涝积水对道路交通的影响。以上研究中，二维水动力模型的选择对于等效排水方法的构建起着至关重要的作用，在TELEMAC-2D、LISFLOOD-FP模型等众多的开源或半开源模型中，有限体积海洋模型（Finite Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）基于非结构化三角形网格，具有离散结构简单、计算高效的特点，FVCOM模型开发之初主要用于海洋海岸模拟，近年来开始有学者将其用于二维地表漫流模拟。例如Liu［10］、Tan［11］等基于SWMM和FVCOM的耦合模型，分别研究了山地城市洪水中行人和车辆失稳风险分布特征和海绵化改造前后城市管网的排水能力及洪涝风险变化。

此外，暴雨作为城市内涝的直接原因，除了其雨强对管网水力过程和地表漫流过程影响较大外，雨型亦发挥着重要作用［12-14］。肖桐等［13］基于SWMM和Newflood耦合模型对武汉市港西片区不同雨型下的积水模拟和内涝风险进行了分析。于磊等［15］基于“危险性（Hazard）-暴露度（Exposure）-脆弱性（Vulnerability）”框架对北京市某排水片区不同降雨重现期下的内涝风险进行了研究。由此可见，城市内涝风险评估多基于“H-E-V”框架，但暴露度和脆弱性指标的选择涉及诸多方面因素，不确定性较大，在数据的完整性和准确性无法保证的情况下，以水深或流速为指标进行内涝风险计算亦得到广泛应用［16-18］。

本文基于FVCOM模型，分别采用雨水井等效排水法、道路等效排水法、全域等效排水法和降雨率折现法构建无管网资料区域的等效排水模型，确定最适等效方法，并模拟分析不同暴雨雨型下的区域积水特征和内涝风险，为管网资料缺乏地区城市内涝模拟提供技术支持和借鉴。

1" 模型与数据

1.1" 研究区地形及降雨数据

本文选取的研究区域为重庆市渝北区悦来新城排水片区，范围与高程分布如图1所示，该区域西依嘉陵江，北靠仙桃大数据中心，东邻金山大道，南邻金兴大道，交通便利。研究区地势东高西低，南高北低，占地面积约为9.32 km2，是中国首批海绵城市建设试点城市。研究区的数字高程模型（DEM）来源于地理空间数据云网站，其精度为30 m。

设计降雨的特征选取，主要依据一方面来自GB 50014—2021《室外排水设计标准》和GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》;另一方面参考相关文献中的设定。对于设计降雨历时，《城镇内涝防治技术规范》的条文说明部分第3.3.3条提到：服务面积小于25.9 km2时，最小降雨历时为2 h;中国大部分地区的暴雨强度公式是根据2 h以内的降雨资料确定，只有少数城市编制了较长历时的暴雨强度公式。结合参考文献［19-20］中的设定，本次研究采取2 h降雨历时。上述规范的条文说明部分第3.3.4条规定“当设计降雨历时较短（小于3 h）时，可参考当地的暴雨强度公式，通过下列方法之一人工合成雨型”，其中提到的常用雨型第一条就是芝加哥雨型。针对雨峰系数的选择，主要参考了文献中前人的研究工作［12］。对于降雨重现期的设定，上述标准和规范中对于城市雨水管渠的设计降雨重现期进行了详细规定，例如在《室外排水设计标准》的第4.1.3条中对不同类型城镇和城区类型的雨水管渠设计重现期均作了具体要求，从2 a一遇至最高50 a一遇，而在第4.1.4条中针对内涝防治设计重现期则最高要求100 a一遇。因此，在结合文献［21-22］中取值基础上，本研究所采用的降雨过程采用芝加哥雨型进行暴雨情景设计，设计暴雨雨型包含5个重现期（分别为1，5，30，50 a和100 a一遇）和3种峰值比例（r=0.2，r=0.5，r=0.8），共计15场降雨，暴雨强度公式如式（1）所示，设计暴雨过程线如图2所示。

q=1111.52（1+0.945lgP）（t+9.713）0.561

（1）

式中：q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；

P为设计暴雨重现期，a；

t为降雨历时，min。

1.2" 管网排水等效概化方法

降雨率折现法是通过折减部分降雨量来等效管网排水流量［6］。其计算公式可表示为

R=i-f1

（2）

式中：R为净雨速率，mm/h；i为降雨速率，mm/h；f1为折减的降雨量，mm/h。

全域等效排水法、道路等效排水法和雨水井等效排水法原理相似，都是通过增加下渗量来等效替代管网排水能力，其中全域等效排水法是提高全部区域的下渗速率，道路等效排水法是将等效下渗仅作用于道路区域，雨水井等效排水法是将等效下渗仅作用在雨水井节点上［6］。以上3种等效方法的计算公式可概化为

R=i-f-f2

（3）

式中：f为土壤自然下渗速率，mm/h；f2为全域等效排水法、道路等效排水法或雨水井等效排水法中等效管网排水流量的下渗速率，mm/h，取值方法详见李东来［6］、杨东［8］等的研究。

根据GB 50014—2021《室外排水设计标准》，可确定研究区管网设计排水能力约为5 a一遇，结合研究区暴雨强度公式可估算得该片区管网最大排水能力约为43.34 mm/h。

1.3" 雨水检查井信息获取

雨水井等效排水法需确定雨水检查井位置。雨水检查井作为城市排水系统的重要组成部分，大多位于道路网上，可通过街景图像进行定位［7，23］。利用百度地图开放平台提供的坐标拾取功能进行研究区道路坐标点提取，将提取到的坐标作为输入，运行所编写的基于全景静态API接口的Python程序，对街景图像进行批量下载，进而判断街景所在点处是否存在雨水检查井。

利用该方法得到的重庆市部分雨水井分布如图3（a）所示。道路上的检查井分布不均，部分较为密集的集中在街道上的一小块区域内，而另有部分较为分散，因此在建模过程中将过于集中的多个检查井进行了合并，指定到邻近的同一网格节点做等效管网排水的“点汇”处理，最终概化得到156个雨水井节点，如图3（b）所示。

1.4" FVCOM模型

FVCOM最初是由陈长胜博士领导的美国马萨诸塞州达特茅斯大学海洋生态动力学模型实验室（SMAST）和伍兹霍尔海洋学协会（WHOI）的Robert博士于2003年合作开发的［24］。FVCOM可在串行模式或并行模式下运行，本次研究采用高性能计算机进行并行模式下的运行。

为构建基于FVCOM的二维洪水漫流模型，需准备地形文件、网格文件和运行设置文件等数据文件。在本次研究中，采用Surface Water Model System（SMS）软件创建研究区域非结构网格单元215 687个，节点数量为108 548，网格划分如图4所示。从生成的网格文件（*.2dm）中可提取网格节点的几何属性信息，准备相应的输入文件和确定模型运行参数。

降雨径流的计算采用完全水动力方法，在给定精度下将研究区域进行网格划分，地表径流由每个网格单元产生，根据网格单元顶点处的水位计算网格单元处的降雨径流量。将不同暴雨情景下的降雨径流作为边界条件输入FVCOM模型进行地表洪水漫流计算，模拟计算框架如图5所示。

2" 模型验证

2.1" 水量平衡分析

为了验证采用FVCOM模型进行地表洪水计算过程中是否保持水量守恒，将公式法计算的理论产流量值与SWMM模型模拟的径流量、FVCOM模拟的“积水”量进行对比。其中，SWMM模型计算径流量采用的是水文学方法，即汇水区上输入的降雨扣除下渗等损失，在此过程中不认为地表有积水产生；而FVCOM模型采用的直接降雨法则是基于所划分的网格单元，地表产流在每个网格单元上独立进行，所产生的径流在地表以“积水”形式漫流，若到低处则形成真正积水，若到雨篦子处则被管网收集排走（此过程采用4种等效方法进行替代），更符合真实的汇流路径［25-26］。设置一个理想的矩形计算流域，长宽均为100 m，高程设置为0 m，FVCOM模型网格尺寸为10 m，共生成230个三角形网格和136个网格节点，模型运行时间为4 h，降雨输入如图6（a）所示。由图6（b）可知，3种径流量模拟方法得到的径流量结果一致性良好，表明FVCOM在地表洪水漫流计算过程中的水量守恒性较好。

2.2" 径流量模拟验证及易涝点对比

采用2017年7月14日的实测降雨数据（图7（a））进一步验证模型在实际降雨径流中的计算表现。该场降雨是典型的长历时单峰型降雨，在研究区域降雨事件中有较好的代表性。采用直接降雨法计算该场降雨的径流量，将计算所得降雨径流作为FVCOM边界条件进行二维地表漫流模拟，下渗过程采用Horton公式［27-29］进行计算，不考虑蒸发等损失，模型时间为4 h，外模时间步长为0.5 s，最小水深为0.001 m。由图7（b）可知，即使在不考虑管网排水的情况下，模拟易涝点与参考文献［21-22，30］中所提到的位置基本一致。表1为易涝点处积水深度模拟值与实测值对比。

监测点PFK2和PFK4（图3）处实测径流量与模拟值相对误差分别仅为4.82%和0.26%（表2）。可见，利用FVCOM模型计算实际降雨径流较为可靠。

3 "结果与讨论

3.1" 不同等效概化模型对比

为探究不同等效替代方法的适用性，基于2017年7月14日的实测降雨数据，采用直接降雨法计算降雨径流，并在其基础上分别采用降雨率折现法、全域等效排水法、道路等效排水法和雨水井等效排水法进行管网排水能力等效计算，将等效计算所得径流量作为边界条件驱动FVCOM进行积水模拟分析，通过与实测数据对比确定最适概化模型。

图8为基于不同等效方法模拟所得的研究区域积水分布，通过对比发现模拟所得易涝点与文献［21-22，30］中提到的主要积水位置基本一致。表3为采用不同等效方法模拟得到的易涝点积水面积及其与实测数据的相对误差，降雨率折现法、全域等效排水法、道路等效排水法和雨水井等效排水法模拟所得易涝点积

水面积平均相对误差分别为36.49%，43.31%，8.18%

和4.42%，道路等效排水法和雨水井等效排水法误差较小，降雨率折现法和全域等效排水法误差较大，

且低

估了淹没情况。图9为不同等效方法模拟的研究区累

积积水量随时间变化过程，道路等效排水法和雨水井等效排水法在降雨开始后1 h内累积积水量变化与实际过程基本一致。随着降雨持续进行，雨水井等效排水法累积积水量变化与实际降雨更接近，而降雨率折现方法和全域等效排水法模拟水量偏低。

从易涝点诊断准确度，以及积水面积、积水量变化等积水特征分析来看，雨水井等效排水法模拟效果更好。该结论与杨东等［8］的研究一致，因此选取雨水井等效排水法对研究区进行不同雨型下的内涝特征及风险模拟分析。

3.2" 内涝积水特征分析

采用雨水井等效排水法模拟得到不同暴雨雨型下的积水面积统计如表4所列，同重现期不同雨峰系数下的研究区积水面积差别不大，但雨峰靠后的降雨导致的积水面积占比普遍较高，以r=0.8为例，图10为不同重现期下研究区积水分布。随着重现期的增加，积水面积随之增加，但易涝点的空间位置无明显变化，在研究区域的东北部、西南部均存在，r=0.2和r=0.5情况下的内涝积水空间分布规律类似。通过对比研究区地形（图1）可知，易涝点主要位于该片区地形低洼处。累积积水量随时间变化如图11所示，同一雨峰系数下，积水量随重现期的增加而增加。不同雨峰系数下，积水量峰值无明显变化，但雨峰位置会影响积水量增长速度，相较于雨峰靠后的降雨，雨峰位置靠前的降雨在降雨前期积水量增长更迅速。

由于采用直接降雨法计算径流过程，降雨产流过程中，径流以“积水”的形式在地表漫流，与通常因管网超载溢流引发的积水模拟方式不同，造成同样降雨

条件下看似积水更“严重”。1 a一遇情景下虽然积水范围很广，但是绝大部分区域的积水深度并不大，主要是因地形原因从产流开始阶段就遗留积聚在地表的积水。若实测资料丰富（尤其是易涝点数据），对等效方法的排水流量进一步率定，以及延长模拟时间，模拟所得结果可能会更符合实际预期。

3.3" 内涝风险分布对雨型的响应规律

洪水危险率作为内涝风险评价指标最初是由英国环保部提出，该指标被定义为流速和水深的组合函数［16］，公式如下：

HR=h×（U+0.5）+DF

（4）

式中：HR为洪水中人或物安全的洪水危险率值，无量纲；h为洪水深度，m；U为洪水流速，m/s；DF为碎屑因子。其中碎屑因子DF的取值参考文献［17］中的做法，即当积水水深h≤0.25 m时，碎屑因子取值DF=0.5；当积水水深hgt;0.25 m时，碎屑因子取值DF=1。

表5为洪水风险等级划分及相应的危险率取值［17］，不同降雨情景下的区域风险面积如表6所列。同一重现期不同雨峰系数下，雨峰靠后的降雨导致的风险面积相对更大，以r=0.8为例，不同重现期下研究区洪水危险率分布如图12所示。

结合风险面积统计表和洪水危险率分布可知，同一雨峰系数下，洪水风险面积随重现期增加而增加。降雨重现期为1 a一遇时，研究区的东北部和西南部就已出现风险等级较高区域，由图10可知该区域积水较深。随着重现期增加，高风险区域面积增加，但易涝点主要位置和分布无明显变化。降雨重现期为1 a一遇时，低风险等级（HRlt;0.75）区域面积占比最多，其次是中风险等级（0.75≤HRlt;1.25）区域，此时并无高风险等级（1.25≤HRlt;2.00）区域。降雨重现期达到100 a一遇时，依旧是低风险等级区域面积占比最多，但中风险等级区域面积占比大幅增加，此时高风险等级区域，主要分布在东北部区域和西南部区域，但并非人员和车辆的主要活动场所，r=0.2和r=0.5时风险变化规律类似。

4" 结 语

以重庆市悦来新城排水片区为研究区域，提出了基于FVCOM模型的无管网资料区域内涝模拟方法。采用雨水井等效排水法等4种方法对雨水管网排水能力进行概化，通过对比验证得出最适概化方法并进行不同暴雨雨型下的内涝积水特征和风险模拟分析。

结果表明：降雨率折现法、全域等效排水法、道路等效排水法和雨水井等效排水法模拟所得易涝点积水面积平均相对误差分别为36.49%，43.31%，8.18%和4.42%，结合累积积水量变化过程分析可知，雨水井等效排水法的适用性最佳，但在无街景区域可能存在一定限制。相比之下，降雨率折现法、全域等效排水法和道路等效排水法均存在不同程度低估积水面积和累积积水量的情况。积水面积和积水量主要受降雨重现期影响，同一重现期下，雨峰靠前的降雨更易引起降雨早期积水迅速增加。研究区内涝风险主要受降雨重现期影响，降雨重现期越大，整体内涝风险越高，内涝高风险区域主要分布在研究区的东北部和西南部。

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（编辑：谢玲娴）

Study on simulation of urban flooding in areas without drainage pipe data based on FVCOM model

LI Peiran1，2，LIU Fei1，2，3，CHEN Yao1，2，3，WEI Shuyi1，2，DAI Sheng1，2

（1.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

2.College of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

3.Engineering Laboratory of Environmental Hydraulic Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

To conduct the urban flood risk simulation in areas without drainage pipe survey data，taking the catchment area in Yuelai New Town，Yubei District，Chongqing City as the study area，four equivalent methods were adopted to represent the drainage capacity，that is discounted rainfall method （DRM），the equivalent infiltration approach in all areas （EIA），equivalent infiltration approach on road only （EIR），and the stormwater manhole equivalent infiltration method （SME）.And an urban flood model based on the Finite Volume Coastal Ocean Model （FVCOM） was established.An idealized case and the measured rainfall data were used to validate the flood model.The equivalent method with the best performance was used to simulate and analyze the flood characteristics under different rainfall types in the study area，and the flood risk was analyzed based on the flood hazard index.Results show that the average relative errors of the flood areas simulated by DRM，EIA，EIR，and SME are 36.49%，43.31%，8.18%，and 4.42%，respectively，and the performance of SME was the best，but there may be limitations in areas without street views.Under the same rainfall return period，the flood accumulates faster at the initial stage of rainfalls that have earlier peaks，while the flood risk caused by rainfalls with later peaks is relatively higher.In case of the same rainfall peak，the larger the return period，the greater the flooding area and volume，and the higher the overall flooding risk.The proposed method can technically support urban flood management，especially for areas where drainage pipe data is unavailable.

Key words：

storm pattern； urban flood risk； equivalent drainage method； FVCOM； area without drainage pipe survey data； Chongqing City