城市內澇風險分析模型系統開發與應用

周玉文 婁富豪 劉子龍 楊偉明 劉原 吳獻平 王中昌

摘要：為了全面客觀評估城市排水管網的排水能力、預防城市內澇災害的發生，基于EPA SWMM與ArcEngine技術，結合等流時線法與水量平衡原理，開發了城市內澇風險分析模型系統（USRAMS）。闡述了USRAMS的原理與功能，說明了利用USRAMS進行管網排水能力評估與內澇風險分析的方法，并驗證了USRAMS的適用性；對滄州市進行了現狀管網排水能力評估和城市內澇風險分析，以主題圖的形式準確直觀地表達了瓶頸管段位置以及城市內澇風險的分布情況。實例證明，USRAMS地表產匯流模塊只需徑流系數與匯水時間2個參數，較好地適應了中國當前情況，二維地表淹水模擬采用水量平衡原理，計算穩定、快速，其模型結果可為城市內澇防治與雨水管網系統的規劃改造提供一定參考。

關鍵詞：城市給水排水工程； USRAMS；等流時線；徑流系數；排水能力評估；內澇風險分析

中圖分類號：TU992文獻標志碼：A

Development and application of urban stormwater

risk analysis modeling system

ZHOU Yuwen1，2， LOU Fuhao1，2， LIU Zilong1，3， YANG Weiming1，2， LIU Yuan1，2，

WU Xianping1，2， WANG Zhongchang4

（1.College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China； 2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing 100124， China； 3.Beijing Municipal Institute of City Planning & Design， Beijing 100037， China； 4.Cangzhou Urban Planning & Design Institute， Cangzhou， Hebei 061000， China）

Abstract：In order to evaluate the pipeline drainage capacity and urban flood risk objectively， urban storm water risk analysis modeling system （USRAMS） is developed based on EPA SWMM and ArcEngine combined with the principle of equal flow time-line method and water balance. The principle and function of USRAMS and the method of assessing pipeline drainage capacity and urban flood risk with USRAMS are described， and the suitability of USRAMS is verified. Taking Cangzhou as an example， USRAMS is used to assess the pipeline drainage capacity and urban flood risk， and the position of bottleneck pipe and the waterlogging risk distribution are expressed in thematic map accurately and directly. The facts show that USRAMS only needs two parameters， namely the runoff coefficient and the catchment time， and adapts to the current situation in china better； two-dimensional earth surface waterlogging simulation adopts hydrologic budget theory， so its calculation is stable and fast. The results of USRAMS may provide reference for urban waterlogging prevention and control and the planning and reforming of stormwater pipe network system.

Keywords：urban water supply and drainage engineering； USRAMS； isochronous stream line； runoff coefficient； drainage capacity assessment； local flooding risk analysis

中國城市內澇災害較嚴重[1-3]。為應對城市內澇災害，2013年國務院辦公廳發布了《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》，住建部編制了《城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱》，提出了使用水力模型對城市管網排水能力進行評估的要求[4-5]。2014版《室外排水設計規范》大大提高了雨水管渠設計標準，明確提出內澇防治標準，并要求匯水面積超過2 km2時采用數學模型法計算設計流量[6]。2013年以來各地陸續開展城市排水防澇規劃修編工作，而評估雨水排水管網排水能力和城市淹水風險是做好規劃的基本前提。本文采用城市內澇風險分析模型系統（USRAMS），對滄州市現狀雨水管網排水能力及城市內澇風險進行評估分析。

1城市內澇風險分析模型系統開發情況

城市內澇風險分析模型系統（urban stormwater risk analysis modeling system）（簡稱USRAMS）是北京工業大學給排水系統研究室開發的[7]。USRAMS主要由一維管網模型模擬計算部分與二維地表淹水模擬計算部分組成，基于ArcGIS提供的嵌入式組件庫ArcEngine進行開發。其地圖數據管理平臺為ArcGIS，基礎層數據庫為MicrosoftAccess[8]。USRAMS采用目前國內常用的SWMM作為一維管網模型水力計算的引擎，添加了等流時線模塊；二維地表漫流采用自主研發的內澇淹水計算引擎，基于路徑追蹤[9]以及水量平衡原理進行二維地表淹水模擬分析。軟件系統基本構架如圖1所示。USRAMS借助ArcGIS進行管網模型基礎數據的處理。

2基本功能

USRAMS的基本功能包括：基礎數據編輯與查看（降雨數據、管網數據、匯水區數據），數據檢查，上下游追蹤，管網縱剖面圖查看，主題圖繪制，數據導出及圖形的縮放、移動、查詢等。

USRAMS主要利用ArcGIS與CADTableConvert完成模型數據的處理工作，也可對模型數據進行編輯與查看。軟件提供了降雨編輯器、入流編輯器、調蓄池容量編輯器、水泵性能曲線編輯器等；為保證模型數據質量，USRAMS提供了多種數據檢查功能，對管網拓撲結構關系、模型數據完整性、模型參數合理性進行檢查，包括孤立點檢查、管道逆坡檢查、管道錯位檢查、節點高程檢查、字段缺失檢查等 。

上游追蹤功能可快速選擇與指定節點相連的所有上游管道并以高亮形式顯示。下游追蹤功能可快速選擇指定節點到最下游節點之間的管道，并以高亮形式顯示。通過上下游分析可以檢查管網連通性及查看管道路徑；通過縱剖面圖繪制功能可查看管道縱剖面圖，了解管道鋪設情況。USRAMS可繪制多種主題圖，包括管道充滿度、管道超載能力、管段瓶頸狀況、節點洪水量、流向、淹水分布圖。軟件還可以根據用戶需要自定義漸變主題圖。

3模擬功能

3.1 設計降雨生成

降雨過程線是雨水管網水力模型的輸入條件，它有降雨量、降雨歷時、重現期、降雨峰值以及雨峰位置5個參數[10]。常見雨型主要有SCS雨型[11]、Keifer & Chu[12]雨型（芝加哥雨型）、均勻雨型、Huff[13]雨型、Yen & Chow[14]雨型（三角雨型）和24 h設計暴雨過程線[15-16]等，國內多采用120 min或180 min的芝加哥雨型。USRAMS提供芝加哥雨型生成器（如圖2所示），還可以輸入實測降雨過程。

3.2地表產匯流模型

EPA SWMM采用前損后損法與非線性水庫模型進行地表產流和匯流過程模擬。此外，等流時線法、瞬時單位線法也可進行地表產匯流計算[17]。中國在進行雨水管網設計時多采用推理公式法，其主要設計參數為設計重現期、降雨歷時、匯水面積和徑流系數，與之相對應的計算方法為等流時線法[7]。

USRAMS在SWMM計算引擎的基礎上添加了等流時線模塊，其降雨-徑流關系可用卷積分過程表達[18]，流量過程線為

式中：Q（ti）為ti時刻流量；F為匯水區面積；tc為地面匯水時間，取值范圍為5～15 min；qti-j為ti-j時刻地表凈雨強度，當i-j≤0時，取ti-j=0；α為單位換算系數，當Q，q，F和t分別以L/s，mm/min，m2和min為單位計算時，α=60。

3.3一維管網模型

對于管網匯流，USRAMS采用與SWMM相同的計算方法，包括恒定流、運動波、動力波方法。USRAMS根據管道充滿度繪制結果主題圖，并據此評估管網排水能力，步驟如圖3所示。

1）收集基礎資料，包括管道、檢查井、水泵、蓄水池、降雨等。

2）利用ArcGIS構建管網拓撲結構與模型數據庫。

3）利用芝加哥雨型生成器構建降雨過程線，進行管網排水能力評估時一般選用120 min或180 min的芝加哥雨型。

4）利用動力波對一維管網模型進行模擬計算。

5）根據計算結果進行管道排水能力評估，主要指標有節點溢流情況、管道最大充滿度、管段超載系數等。

6）根據管道水力狀態分析產生管道超載（管道運行水面高于管頂）的原因是自身過流能力不足還是下游水位頂托。當管段發生超載時，管段存在2種水力狀態如圖4所示。由水力學理論可知：當超載管段屬于狀態a）時，管道實際過流能力小于管道滿流設計流量，發生管道超載的原因為下游水位頂托；當超載管段屬于狀態b）時，管道實際過流能力大于管道滿流設計流量，發生管道超載的原因為自身過流能力不足。對于受下游水位頂托影響的管段，首先考慮改善下游水力狀態；對于自身過流能力不足的管段，首先考慮增大設計斷面或坡度。因此，將水力狀態屬于狀態b）的超載管段定義為瓶頸管段。

3.4二維地表淹水模擬計算

USRAMS利用城市數字地形模型（DEM），基于路徑追蹤算法劃分排水流域，根據水量平衡原理進行二維地表淹水模擬計算，得到積水深度、積水量、積水時間等結果[7]，將最大淹水結果、淹水時間與風險等級以.asc格式文件輸出。風險等級根據淹水深度與淹水時間按表1進行劃分。淹水深度與淹水時間的閾值可根據需要設定。

輸出的.asc格式文件可利用ArcGIS進行渲染，制作最大淹水深度、淹水時間與風險等級主題圖。城市內澇風險評估時其主要步驟如圖5所示。

1）構建降雨模型、管網模型、數字高程模型。暴雨可采用當地發生過的較有代表性的大暴雨歷程，或根據當地的典型雨型通過同頻率放大或同倍比法求得[19]。

2）搭建USRAMS內澇淹水模型。

3）運行模型得到最大淹水深度、淹水時間與風險等級，并輸出為.asc格式文件。

4）制作淹水深度、淹水時間、風險等級圖。

4實例研究

4.1研究區域概況

研究區域為河北省滄州市，京杭大運河由南至北穿過市區，將滄州市分為運東和運西兩大排水區[20]。滄州市現狀排水管網長307.5 km，匯水區面積為78.6 km2，設計重現期大部分在0.5 a以下。城區地勢西高東低，地面平坦。城區綜合徑流系數為0.6，地表匯水時間為15 min。滄州市地形分布如圖6所示。

4.2現狀管網排水能力分析

1）收集并輸入降雨、管網資料，構建一維管網模型，對數據進行檢查。

2）結合滄州市暴雨強度公式（見式（2））生成芝加哥雨型。

式（2）中，取雨峰系數r=0.5，降雨歷時取120 min，分別生成重現期為0.5，1，2，3 a的芝加哥雨型，其中重現期為3 a的芝加哥雨型如圖7所示。

3）分別進行重現期0.5，1，2，3 a情景下的降雨排水模擬計算，地表產匯流模型選擇等流時線法，管網匯流模型選擇動力波法，模擬時間取2 h，時間步長取1 s。根據模型結果得到管網最大充滿度，并繪制最大充滿度結果主題圖（如圖8所示）。

由圖8可知，隨著重現期的提高，充滿度為1的管段數量增加。統計重現期為<0.5，0.5～1，1～2，2～3，≥3 a管道未充滿的長度，見表2。

由表2和圖9可知，大部分管道的排水標準都在0.5 a以下，且主要分布在老城區；運西新區的管道標準普遍高于老城區，即滄州市老城區管道排水重現期多在0.5 a以下。滄州市規劃管網設計標準要提高到三年一遇，則現狀管道中有92.8%未達到標準。對于管道產生超載的原因需進一步分析。

4.3瓶頸管段分析

正如第3.3小節中所述，管道發生超載的原因有2種，分別為管道自身過流能力不足與受下游水位頂托影響。根據模型結果，USRAMS將管道分為3種類型，分別為未超載、瓶頸管段、受頂托管段。其中，瓶頸管段定義為管道超載時，管道最大水力坡度大于等于管道坡度；受頂托管段定義為管道超載時，管道最大水力坡度小于管道坡度。以1 a重現期模型情景為例，其瓶頸管段分布情況如圖10所示。

通過USRAMS明確了管道超載的原因，并通過主題圖展示了瓶頸管段與受頂托管段的分布情況，為進一步的管網改造與規劃提供參考。

4.4現狀內澇風險評估

USRAMS城市內澇模型的DEM的精度為10 m×10 m。選取一場24 h典型實測降雨進行風險評估，降雨記錄時間間隔為5 min，總雨量為196.4 mm，降雨過程線如圖11所示。

產匯流模型選用等流時線法，一維管網匯流模型選用動力波法，時間步長取1 s，地表水量平衡計算步長采用1 min，報告步長取5 min。根據模型計算結果，將淹水深度輸出為.asc格式文件，利用內澇淹水結果統計工具統計得到淹水時間與風險等級并輸出為.asc格式文件。最后利用ArcGIS分別制作最大淹水深度、最大淹水時間、風險等級主題圖，如圖12—圖14所示。

對于風險等級為中和高的區域，應盡快采取措施加以治理，主要措施有管網改造、增建泵站、源頭控制（LID）、增加地表排水通道等。

5結語

USRAMS軟件在SWMM計算引擎的基礎上添加了等流時線模塊，通過二維地表淹水模擬可計算得到淹水深度、淹水時間以及內澇風險等級的分布情況，在此過程計算中采用水量平衡原理，加快了計算速度，且具有良好的穩定性。總之，USRAMS軟件可為內澇治理措施的制定與管網系統的規劃設計提供參考。

目前，國內主流的模型軟件主要有MIKE URBAN，Inforworks，PCSWMM等，都集成或開發了獨立的LID模塊，而USRAMS的針對性較強，主要用于城市雨水管網排水能力評估與城市內澇風險分析，系統中并未集成LID模塊，但USRAMS參數需求少，地表產匯流模型只需徑流系數與匯水時間2個參數，并且二維地表淹水模擬計算速度均優于上述軟件。為了更好地適應中國海綿城市建設與內澇防治工作，USRAMS將逐步集成LID、大排水系統設計等模塊。

參考文獻/References：

[1]侯玉棟，李樹平，周巍巍，等. 2011年國內媒體報道城市暴雨事件分析[J]. 給水排水， 2012，38（sup）：44-49.

HOU Yudong，LI Shuping，ZHOU Weiwei，et al. Analysis of Chinese media reports on urban storm events in 2011[J]. Water & Wastewater Engineering， 2012，38（sup）：44-49.

[2]王軍， 馬洪濤. 城市排澇規劃有關問題探討[J]. 給水排水， 2014，40（3）：9-12.

WANG Jun， MA Hongtao. Discussion on some issues about urban logging prevention planning[J]. Water & Wastewater Engineering， 2014，40（3）：9-12.

[3]周玉文. 城市排水（雨水）防澇工程的系統架構[J]. 給水排水， 2015，41（12）：1-5.

ZHOU Yuwen.System architecture of waterlogging prevention on water drainage （rainwater）system[J]. Water & Wastewater Engineering， 2015，41（12）：1-5.

[4]謝映霞. 排水防澇 重任在肩——寫給《城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱》頒布一周年[J]. 給水排水， 2014，40（6）：1-3.

XIE Yingxia. Drainage and waterlogging prevention， heavy burden on shoulder——for the anniversary of “City drainage （rainwater）and waterlogging prevention program outline” [J]. Water & Wastewater Engineering， 2014，40（6）：1-3.

[5]車伍，葛裕坤，唐磊，等.我國城市排水（雨水）防澇綜合規劃剖析[J]. 中國給水排水， 2016，32（10）：15-21.

CHE Wu，GE Yukun，TANG Lei，et al. Analysis of integrated plan for urban drainage （ stormwater） and flood control[J].China Water & Wastewater， 2016，32（10）：15-21.

[6]GB 50014—2006，室外排水設計規范[S].

[7]劉子龍. 基于模型的城市內澇災害防治理論與技術研究[D]. 北京： 北京工業大學， 2015.

LIU Zilong. The Model-Based Techniques and Theories for Urban Local Flooding Prevention[D].Beijing： Beijing University of Technology，2015.

[8]姚宇. 基于GeoDatabase的城市排水管網建模的應用研究[D]. 上海：同濟大學， 2007.

YAO Yu. Study on The Application of Urban Drainage Networks Modeling Based on GeoDatabase[D].Shanghai： Tongji University，2007.

[9]MAKSIMOVIC' ， PRODANOVIC' D， BOONYA-AROONNET S， et al. Overland flow and pathway analysis for modelling of urban pluvial flooding[J]. Journal of Hydraulic Research， 2009，47（4）：512-523.

[10]高琳. 鄭州市排水防澇系統設計降雨研究[D]. 北京： 北京工業大學， 2016.

GAO Lin. Research on the Design Rainfall of Urban Drainage and Flooding Prevention System in Zhengzhou[D]. Beijing： Beijing University of Technology，2016.

[11]REILLY J， PIECHOTA T C. Actual storm events outperform synthetic design storms： A review of SCS curve number reliability[C]// Proceedings of World & Environmental Resources Congress 2005.Washington D C： American Society of Civil Engineers， 2005：456-463.

[12]KEIFER C J，CHU H H. Synthetic storm pattern for drainage design[J]. Journal of the Hydraulics Division， 1957，83（4）：1-25.

[13]HUFF F A. Time distributions of heavy rainstorms in Illinois[J]. Water Resources Research， 1967，3（4）：1007-1019.

[14]YEN B C， CHOW V T. Design hyetographs for small drainage structures[J]. Journal of the Hydraulics Division， 1980，106（6）：1055-1076.

[15]周玉文，高琳，楊偉明，等. 基于水利雨型峰值的城市長歷時設計暴雨雨型制作方法[P].中國專利： CN201510781439.7，2016-03-23.

[16]朱勇年. 設計暴雨雨型的選用——以杭州市為例[J]. 中國給水排水， 2016，32（1）：94-96.

ZHU Yongnian. Selection of design rainfall pattern： Case of Hangzhou[J].China Water & Wastewater， 2016，32（1）：94-96.

[17]周玉文， 孟昭魯， 宋軍. 城市雨水管網非線性運動波法模擬技術[J]. 給水排水， 1995，21（4）：9-11.

ZHOU Yuwen， MENG Zhaolu， SONG Jun.Simulation of urban storm sewer system by non-linear kinematic wave method[J]. Water & Wastewater Engineering， 1995，21（4）：9-11.

[18]周玉文， 孟昭魯. 城市雨水口流域等流時線法降雨徑流模擬模型[J]. 沈陽建筑工程學院學報， 1994，10（4）：339-344.

ZHOU Yuwen，MENG Zhaolu. Precipitation runoff simulation modeling by isochronal method for urban inlet basin watershed[J].Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute，1994，10（4）：339-344.

[19]GB 51222—2017，城鎮內澇防治技術規范[S].

[20]周勁松. 城市總體規劃中的城市特色塑造——以滄州市城市總體規劃為例[J]. 中華建設， 2011，20（4）：74-75.

ZHOU Jinsong. Urbanization in urban master planning：A case study of Cangzhou citys master plan[J].China Construction， 2011，20（4）：74-75.