下凹式立交橋內澇模型構建方法及原因分析

劉 暢，周玉文，趙 見

（北京工業大學建筑工程學院，北京 100124）

城市的某些特定地點，如立交橋、地下通道、鐵路橋，由于其地勢坑洼、地下管道陳舊，設計標準低，當遭遇強降雨時往往成為最容易發生積水的地方。

城市暴雨積水內澇模型的建立是一個對水災害進行數學描述的過程，它科學準確地分析了降雨徑流、城市管網排水和積水漫流的整個系列過程，同時也成為了城市排水管網設計、規劃、改造的有力工具［1-4］。

本文通過北京GQM橋區防洪工程數學模型實例的構建，介紹通過InfoWorks ICM模型技術來防治城市內澇這一思路，且通過分析GQM橋“7·21”內澇模擬結果與內澇現狀，來探討普遍的下凹式立交橋積水原因［5］。

1 橋區基本情況

GQM鐵路橋是兩廣路下穿現狀京山鐵路的下凹式立交橋，下凹長度約為546m，面積約3.3公頃，檢查井約300座。GQM橋雨水泵站位于崇文區夕照寺街鐵路立交東北側，設計流量為2.2m3／s，設計重現期為2a，進出水管徑均為1 400mm，下游直接排入東護城河。橋區內有現況DN 3 400 mm×1 750mm～DN 4 000mm×1 500mm東西走向雨水主干管，向東排入東護城河。

2 建模基礎數據準備

構建InfoWorks ICM內澇模型需要如下幾種基礎數據：CAD數據，用于確定模型管網系統以及各構筑物的屬性；GIS數據，作為CAD數據不完善時的補充數據來源；勘察測繪高程數據，用于生成二維地表模型并進行加密處理；現場勘查數據，確保模型網絡以及參數與實際相符。

GQM橋屬性數據主要有：1）管段、節點屬性數據缺失；2）管段結構存在缺陷，如逆坡、錯位等。

經復查設計圖紙以及應用推斷方法對缺失數據進行合理化推斷，如根據上、下游檢查井井底高程推斷井底高程，根據附近CAD高程點推斷井面高程等。雖然推斷數據存在不確定因素，但由于數量較少或符合施工圖紙，對模型造成的誤差在允許范圍內。

3 InfoWorks ICM模型建立

完成管網基礎數據的準備工作后，可建立GQM橋的一維管網模型和二維地面高程模型。一維管網模型可以模擬管網的排水情況和檢查井的冒水情況，即“哪兒冒水”；二維地面高程模型可以用于地表水匯流的模擬，即“水往哪兒去”。

3.1 建立橋區一維模型

3.1.1 確定橋區一維模型邊界

一維模型邊界范圍內應包含所有對橋區水力分析有影響的管線的服務范圍。根據現有CAD以及現場勘察管道以及水力構筑物數據，向上、下游追蹤找到管道起始點或者能夠劃分合理的分界點，并結合GQM橋區實際地形以及實際匯水情況和雨水口的匯流能力，來確定建模范圍。最終確定GQM橋區模型的上游邊界為安化樓大街，下游為東護城河出水口（見圖1）。

圖1 GQM橋區模型區域示意Fig.1 Schematic diagram of GQM area in model

3.1.2 一維模型參數設置

GQM橋區的一維模型的管網系統包含排水管線、檢查井、雨水篦子、出水口和雨水泵站。對于管道的參數選擇，一般排水管道曼寧值為0.013，但由于GQM橋區排水管網建成時間較長，管道粗糙度略變大，故取曼寧值為0.014。以儲水池來表示雨水泵站的泵站前池，通過設置設計流量來表示每臺泵的排水量。開停泵水位等泵站信息按照記錄信息在RTC中進行設置，檢查井與雨水篦子的洪水類型設置為stored。

確定橋區一維模型邊界后進行匯水區的劃分，要考慮不同的用地屬性來劃分不同的大區域，再在大區域上采用泰森多邊形法自動進行匯水區的細劃分。匯水區產流的模擬采用霍頓滲透模型與固定徑流量模型。根據用地屬性的不同設置低區匯水區不同的產流參數，而高區匯水區則采用綜合徑流系數法。對于匯水區的匯水模擬，采用SWMM匯流模型，不同的下墊面匯流曼寧系數分別是：綠地0.02，道路0.014，鋪磚0.015，綜合0.018。

3.2 橋區二維模型的構建

3.2.1 建立道路數字高程模型（DEM）

高精度城市下凹式立交橋數字高程模型（DEM）對于內澇模型十分重要。將DEM高程模型與排水模型模擬所得的積水量數據相結合，可以更加準確直觀地進行積水的淹沒分析。

制作DEM所用到的原始高程點數據來自GIS數據和勘察測繪高程數據，利用有限的高程數據生成的路面DEM模型的起伏狀況與實際情況有很大差別，路面粗糙不平整，不滿足道路平緩起伏的設計特點，因此，還需對道路邊線及道路內部高程數據進行加密處理，從而提高模型精度。

提取GIS圖層中的道路邊界作為背景底圖，手工加密道路邊線和一些特殊點高程（如邊坡點）。由于測量數據所給高程不一定位于道路邊線上，而是分散在道路面上。需在一段道路面內尋找典型的橫縱斷面，并擬合此橫縱斷面內原始的高程點，可利用CAD中偏移、定距等分、復制等功能對道路邊線分割，并結合ArcGIS的拓撲功能快速生成加密點，輸入擬合曲線高程數據［6］。直接采用地面測量數據生成的DEM（圖2a））因為數據分布不規則和數據量的限制，模型內部呈鋸齒狀分布，與真實情況不符；采用擬合曲線方法對測量數據處理并加密之后生成的道路DEM模型（圖2b））路面平緩，且坡度和拱度使路面起伏更逼真，模型精度大幅度提高。

圖2 地面高程修正前后效果圖Fig.2 Effect before and after correction of ground elevation

3.2.2 二維模型參數設置

建立二維模型首先要搭建2D區間，而2D的范圍應等同于數字高程模型（DEM）的范圍。建立好2D區間后需要網格化2D區間來建立完整的二維模型，2D網格化后的地面模型（DEM）便可模擬準確的地面雨水匯流過程與積水情況。設置2D區間內低水區的檢查井的洪水類型為gully 2D，其他區域設置為2D。gully 2D雨水口可以更加準確地描述雨水篦的泄水能力。具體的gully 2D雨水口相關水力參數見圖3。

圖3 gully 2D雨水口相關水力參數Fig.3 Parameters of gully 2D

3.3 橋區模型的校核

模型校核以構建的模型為基礎，利用雨天和旱天的實測數據對建模區域內的雨水管網、污水管網、合流制管網、匯水區、2D區間內的水力參數進行驗證與修改。雨天校核主要修正的是雨水管網、合流式管網的水力參數；旱天校核主要修正合流式管網和污水管網的水力參數。

3.3.1 橋區校核標準

1）旱天校核標準

旱天模型模擬數據應和實測數據擬合后滿足以下3個標準：①谷值和峰值之間的時間差應在1h以內；②峰值流量的相對誤差為10%～-10%；③總流量的相對誤差為10%～-10%。

2）雨天校核標準

雨天模型模擬數據應和實測數據擬合后滿足以下3個標準：①在整個降雨事件中，峰值發生時間應相似；②明顯的峰值流量的相對誤差應控制在25%～-15%；③總流量的相對誤差應控制在20%～-10%；④在管道滿流的情況下，管道內水深差為0.5～-0.1m。

校核的目的是基于實測數據，調整多個模型參數，從而使得模型的數據結果和實測數據達到擬合結果標準。在實際工程中，沒有對實測數據評估、忽略測量時出現誤差的情況下，應避免強制校核。

3.3.2 橋區校核數據的收集和評估

實測數據是橋區校核的基礎，因此正確的測流方案是模型校核的關鍵。監測點的位置原則上集中在主干管、排水口、特殊位置點的上下游（如泵站）等。GQM橋區測流共布置了8個監測點（安裝流量計）來監測高、低水系統的水量流速數據，在東護城河出水口處布置了1臺液位計，橋區泵站中的雨量計收集降雨數據。

實測數據的評估需滿足以下幾點：①實測的流速數據與水深數據間的相關性良好；②選取的雨天實測數據曲線應表現一場雨自始至終的變化，而不是一場雨的一段時間；③實測的合流管道和污水管道在旱天的數據在24h內的變化曲線應有明顯的谷值和峰值。

圖4為2013-06-30到2013-07-01雨水管上監測點2監測的雨天數據，可以體現一場雨的完全變化過程且谷值峰值明顯，可以用作模型校核。本次監測有效時間段為6月30日00：00至7月1日24：00，共計48h。

圖4 監測數據Fig.4 Measured data

3.3.3 旱天校核、雨天校核

1）旱天校核

在評估旱天實測數據的有效性的基礎之上，對橋區排水系統的污水管線與合流制管線進行旱天校核。旱天校核主要調整的參數為管道服務區域人口數、變化系數和污水當量、管道參數（曼寧值、管道沉積物深度等），當旱天模擬數據和旱天實測數據的擬合誤差達到旱天擬合標準時，模型校核成功。由于GQM橋區排水系統無合流制管線與污水管線，故無需旱天校核。

2）雨天校核

在評估雨天實測數據的有效性的基礎上，通過修正橋區系統中的管道參數、產流參數、匯流參數等，對GQM橋區的高、低水系統的雨水管線進行雨天校核，使得模型的模擬數據與實測數據達到雨天擬合標準。GQM橋區管道修正參數如下：管道沿程損失系數（管道曼寧數），由于排入東護城河的暗溝為混凝土材質且出口處垃圾較多，故由0.014調整為0.02；節點局部損失系數，建模時選取“normal”，由1.5調整為2.5。產匯流參數修正如下：道路徑流系數，由0.85調整為0.8；綜合徑流系數，由0.6調整為0.55；模擬地表二維流動，地表粗糙系數采用曼寧公式，地表曼寧數按不同用地屬性，經調整如下：道路由0.014調整為0.016，綜合地表由0.018調整為0.02，空白鋪磚由0.015調整為0.018。由圖5可看出，參數校正后，模型模擬結果和實測數據深度、流量、流速都趨于擬合，滿足雨天校核標準。表1為2013-6-30GQM橋區有效監測點的雨天校核結果。

圖5 監測數據與模擬數據對比Fig.5 Comparison of measured data and simulated data

表1 GQM橋區模型雨天校核結果Tab.1 Result of storm flow verification in GQM area model

由表1綜合評估分析：FM02點水文曲線擬合度較好，總流量與峰值流量趨于擬合，水深超過4.5 m時數據無法記錄，數據不完整，導致峰值水深無法完全擬合，但水深數據的趨勢可做擬合。FM03點水文曲線較為吻合，趨勢、峰值流量與水深都趨于擬合，因為實測時流速出現不連續的情況，導致一些時間點流速為零，流量也為零，所以總流量模擬值大于實測值。FM05點水文曲線較為吻合，流速數據差，峰值水深模擬值大于實測數據，峰值流量與總流量難校核。

4 下凹式立交橋積水原因分析

4.1 高水區排水管道設計標準過低，造成大量客水匯入地區

以“7·21”降雨為例，由InfoWorks ICM 進行地表漫流二維模擬，可以看出在橋區設計低區范圍外有大量客水匯入（見圖6），造成了低區范圍積水。

圖6 GQM橋區客水范圍Fig.6 Range of guest water in GQM area

由北京市排水集團提供的“7·21”當天的資料顯示，夕照寺泵站“7·21”暴雨時運行正常，6點50分以后，由于南、東護城河洪峰逐漸形成，而GQM鐵路橋區降雨強度此時并未減弱，形成雨洪同期，洪水位快速上漲至36.50m以上，高區雨水不能順利依靠重力流排入東護城河，同時北至東花市大街（客水范圍1），西至南花市大街（客水范圍2），大面積客水進入GQM鐵路橋區，模型模擬結果與實際情況相符。

4.2 橋區低水管道設計標準低及雨水口數量不足，造成雨水不能及時匯入泵站

利用“7·21”實測降雨，通過InfoWorks ICM模擬可以得到設計低區范圍內各個雨水篦子的入流過程線，通過對各個雨水篦子入流過程線的疊加，得到低區范圍內所有篦子總雨水入流過程線，再由網絡結果多邊形得到客水匯入設計低區的入流過程線，把客水匯入的入流過程線加上低區所有篦子的入流過程線，得到設計低區總的入流過程線。通過北京市排水集團提供的設計資料可以得到設計低區范圍內共有雨水篦子323個，按照每個雨水篦子的設計標準15L／s流量計算，可以得到設計低區篦子的總設計入流能力4.845m3／s，通過與模型中得到的總入流過程線對比，可以得出由于雨水口數量不足和分布不合理，導致GQM橋區積水嚴重。

根據現場踏勘：GQM橋區二環主路道路低點共有雨水口44個，輔路有雨水口32個，共計76個。按每個雨水口15L／s的泄水量計算，進水量為1.14 m3／s，不滿足“7·21”暴雨的設計進水量，需改造并增加雨水口數量；中軸路下穿鐵路道路低點共有雨水口118個，按每個雨水口15L／s的泄水量計算，進水量為1.77m3／s，不滿足“7·21”暴雨的設計進水量，需改造并增加雨水口數量。

下凹式立交橋積水原因總結：1）橋區內雨水口數量不足，布局不合理，造成雨水不能及時匯入泵站；2）橋區外和橋區內雨水管道設計標準偏低，造成客水匯入橋區；3）泵站設計標準偏低，且大量客水匯入造成泵站抽升能力不能及時應對極端暴雨。

5 結 語

1）高精度下凹式立交道路區域數字高程模型對地面匯流和橋區內澇模擬的準確性至關重要。下凹式立交橋積水原因之一是客水匯流進入橋區，高程處理不精確會影響客水量，進而模型失真。

2）橋區模型范圍應考慮所有對橋區水力分析有影響的管網的服務范圍。根據現有CAD，GIS以及現場勘察管道以及水力構筑物數據，向上游追蹤找到管道起始點或者能夠劃分合理的分界點，并結合橋區實際地形以及實際匯水情況和雨水口的匯流能力。下游邊界根據流域出水口的位置以及現有實測水位信息資料來確定建模范圍。

3）實測數據是橋區校核的基礎，關系到模型的準確性。應對實測數據進行合理性評估，不應過度信賴實測數據，避免強制性校核。

4）下凹式立交橋內澇改造工程應重點在增加橋區內雨水口數量，增大管道設計標準，提升泵站設計標準。

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