基于多模型耦合的城市內澇多視角分析

李 尤，邸蘇闖，朱永華，李永坤，張宇航，徐袈檬

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048; 2.河海大學水文水資源學院，南京 210098; 3.北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048)

0 引 言

受全球氣候變化與城市化快速擴張影響[1]，人類社會和生態環境相互作用愈加頻繁[2, 3]，城市洪澇災害頻繁發生。據徐宗學等[4]統計，2007-2013年, 全國超過360個城市遭遇內澇, 其中單次降水內澇淹水時間超過12 h的城市占1/6, 淹水深度超過0.5 m。2013年10月6日，余姚市遭遇百年一遇強降雨，災害導致全市21個鄉鎮、街道受災，近10萬人緊急轉移安置，主城區70%以上地區受淹，交通癱瘓[5]。2014年5月11日，深圳遭遇2008年以來最強暴雨，道路漬水150處，車輛淹沒2000余輛，直接經濟損失達8 000 萬元[6]。2016年6月30日至7月2日，武漢發生強降雨，降雨量達315.8 mm，超過全市全年雨量的1/3，造成數百段道路積水，引發武漢關水位迅速上漲甚至超警戒水位[7]。

北京作為首都，隨著城市化的迅猛發展，也未能避免暴雨洪澇威脅，危害較大的洪澇災害主要發生在1956年、1963年、1972年、1976年、1994年、2004年、2011年和2012年[8, 9]。其中，2012年7月21日暴雨洪澇災害為61年來最嚴重的[10, 11]，市區平均降雨量170 mm，受災面積16 000 km2，成災面積14 000 km2，城區積水道路63處，其中積水30 cm以上道路30處，造成79人死亡。城市洪澇災害已經嚴重威脅人民生命財產安全，亟待解決。

近年來，不少學者致力于城市洪澇災害風險分析，發現城市內澇積水原因主要包括暴雨量級、暴雨空間分布、下墊面條件、大風冰雹等特殊氣象條件等，為診斷城市內澇原因提供了理論和方法支撐，成果顯著[12-15]。但是上述研究多集中于單一視角，所得的結論僅適用于特定的積水點或流域，大部分城市內澇積水點是由于多因素綜合造成的，目前以系統角度，定量分析下墊面、管網、河網、微地形等因素對內澇影響的研究較少。因此，本文以清河內典型流域老龍口為例，分別構建降雨-產流、管網匯流、河道匯流與地表漫流模型，并耦合形成綜合洪澇模型。在此基礎上模擬不同暴雨情景下的管網排水狀態、河道行洪與地表漫流過程，分析城市洪澇原因，以期為精準防控洪澇災害、提升汛情預警能力與決策指揮能力提供技術支撐。

1 研究區概況與資料

1.1 清河流域與老龍口流域

北京中心城區確定了“西蓄，東排，南北分洪”的防洪格局，清河是北京中心城區北部的一條主要排洪河道，屬北運河水系，上游承接北旱河，干流自京密引水渠安河閘，流經海淀區、朝陽區、昌平區，橫跨中關村科技園區，緊鄰中央黨校、北京體育大學和奧林匹克森林公園，在順義區境內入溫榆河，全長28.69 km，流域面積175 km2，其中山區面積10.4 km2，全流域共分為16個子流域，流域建設面積占總面積比為50%，流域下墊面高程介于24.4～500.3 m之間。研究區屬大陸性季風氣候，多年平均降雨量585 mm，降水主要集中在6-8月，占年降水量的75%以上。研究區為北京市的暴雨中心之一，局部高強度短歷時降雨發生較為頻繁，從《北京市水文手冊-暴雨圖集》可知20年、50年一遇最大24 h暴雨量分別為270、350 mm。

老龍口排洪溝位于北京市海淀區中部，是清河支流之一，屬于北運河水系。其發源于海淀區中部黑山頭一帶，溝道除承泄該地區山洪外，還擔負著京密引水渠西側國防大學和三零九醫院的排水任務。老龍口排洪溝起自京密引水渠老龍口涵洞出口，向東向南流經龍背村西，于清河老河道橋匯入清河，全長1.15 km，流域面積4.2 km2，溝道沿線有11個雨水排口。隨著地鐵四號線的開通，該地區人口急劇增加，居民將過量的生活垃圾和建筑垃圾倒入溝道，溝道淤積嚴重，行洪斷面縮窄；局部建筑物淤堵溝道，溝道排水不暢。在2012年7月21日特大暴雨洪澇災害中，發生了局部漫溢，威脅著周邊居民的生命財產安全和四號線的安全運行，區域洪澇風險隱患較高。清河流域與老龍口流域相對位置如圖1所示。

1.2 基礎資料

綜合洪澇模型的構建所需要的基礎資料包括：地形數據、遙感影像、河道數據、排水設施數據資料，詳見表1。基礎資料主要來源于北京市第一次水務普查成果，針對排水設施、地形數據等通過專業勘測、實地調研等方式進行校核與完善，數據可靠且精度高。

圖1 研究區概況Fig.1 Study areas

表1 老龍口流域基礎資料Tab.1 Basic data of Laolongkou River Basin

1.3 模型構建依托軟件

降落在城市地表的降雨需經過截留、地面填洼、滲透、直接產生地表徑流，得到進入雨水口的地表徑流。徑流進入雨水管道同基流匯合，流過地下管網系統、輔助設施、溢流口等，最終進入受納水體。本文針對城市河道匯流、管網匯流、地表漫流等多個過程開展聯合模擬，采用英國Wallingford公司開發的城市流域綜合排水模型InfoWorks ICM，完成模型構建和情景分析。InfoWorks ICM整合了城市排水管網系統模型和河道模型，采用一維和二維水動力學計算模型，通過模擬城市地上地下所有的雨水系統精確再現了排水系統中的所有水力路徑。通過InfoWorks ICM軟件平臺，完成對管網、河網行洪能力的評估與積水風險分析。

2 模型構建

本文綜合利用地形、河道、管網等資料開展洪澇模型構建，在排水基礎資料補測、流域下墊面解譯等預處理基礎上，分別構建產流、管網匯流、河道匯流和地表漫流子模型，并對各個子模型進行耦合，形成綜合化的城市洪澇模型。在此基礎上利用設計水位和設計流量驗證模型的合理性，并結合不同頻率的設計暴雨開展多情景模擬分析，完成對管網中不同管段的排水負荷、河道行洪及區域內澇積水風險評估。數值模型構建流程如圖2所示。

圖2 基于InfoWorks ICM的老龍口流域綜合洪澇模型Fig.2 The integrated flood model of the Laolongkou basin based on InfoWorks ICM

2.1 模型構建方法

根據上述所收集的資料(表1)利用Infoworks ICM軟件構建老龍口流域洪澇數值模型，主要包括產流模型、河道匯流模型、管網匯流模型、地表漫流模型以及多模型集成耦合。

(1)產流模型構建。根據下墊面類型將研究區分為透水區域(綠地)和不透水區域(道路、建筑)。對于不透水區域采用固定徑流系數法；透水區域采用Horton經驗公式進行產流計算，主要參數取值參考《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》(DB11/T969-2017)，如表2所示。

(2)管網匯流模型構建。基于構建的產流模型，在進行管網與附屬設施信息整理、管網概化、拓撲關系構建、管網縱斷面檢查的基礎上，利用泰森多邊形法對研究區檢查井開展匯水劃分，共劃分子集水區354個，面積介于30～467 270 m2。

(3)河道匯流模型構建。河道匯流模型構建主要包括數字化河道斷面、河岸線、生成河岸連接。在此基礎上逐一檢驗河網拓撲關系的一致性和協調性，最終完成河道匯流模型的構建。

表2 產流模型參數取值Tab.2 Main parameters of the runoff model

(4)地表漫流模型構建。基于構建的一維洪水模型，利用1∶2 000基準地形圖及局部實測高程點構建地面模型。通過網格化，形成二維地表漫流模型，共生成4 931個三角網格，面積介于100～900 m2，平均面積563.68 m2。

(5)多過程模型耦合。多模型的耦合實現分別為管網模型、地表模型與河道模型三者的耦合。其中管網模型和地表模型耦合通過檢查井進行，排水管網超過負荷漫溢出來的洪水會從檢查井和雨水口溢流到地面依據地形行進，在低凹區域匯集造成內澇；管網模型與河道模型耦合采用雨水排口進行連接，排水管網系統收集雨水，排放到河道中，引起河道水位的上漲，同時，上漲的河水會阻礙排水管網中水量的排放，相互作用，相互影響；河道模型與地表漫流模型耦合方式通過河岸邊界側向連接來實現，當河道中的水量超過河道的輸送能力時，水就會從河岸較低處，沿著河岸溢流到地面，隨后沿著地勢行進，從較為低洼的地方又流回到河道系統中來。經過上述流程構建的老龍口流域綜合洪澇模型概化如圖3所示。

圖3 老龍口流域綜合洪澇模型概化圖Fig.3 Generalized flood map model of Laolongkou watershed

2.2 模型合理性分析

由于研究區缺乏實測降雨徑流資料，因此采用河道沿線控制斷面模擬水位和設計水位對比進行模型合理性分析，設計流量采用瞬時單位線推求，采用徑流系數法扣除各時段入滲損失，根據《北京市水文手冊》查詢匯流參數n取值1.5，k取值0.67。采用20年一遇設計水位和設計流量對模型參數進行率定，用10年一遇設計水位和設計流量對模型進行驗證，模擬水位和設計水位如圖4(a)及表3所示，模擬流量與設計流量如圖4(b)所示。流域出口模擬洪峰流量26.9 m3/s，設計流量28 m3/s，相對誤差-3.93%，Nash系數0.83，峰現時間和流量過程基本一致；河道沿程23個斷面模擬水位相對誤差范圍-0.53%～0.05%，平均相對誤差-0.33% ，Nash系數0.81。由此看出，模型合理可靠，可用于開展城市內澇模擬。

圖4 10年一遇設計值和模擬值對比Fig 4 Comparison of design values and analog values in 10-year rainfall

起點距斷面水位/m設計水位/m相對誤差/%1346.94646.95-0.015146.88146.91-0.069146.80546.86-0.1215346.70746.82-0.2420346.61146.76-0.3226446.48446.69-0.4433346.31246.63-0.6839846.07946.55-1.0145146.19746.49-0.6350146.16946.43-0.5655345.96446.27-0.6665445.8546.08-0.5070345.87646.02-0.3175345.83545.98-0.3280345.7945.96-0.3785445.74745.9-0.3393245.67945.78-0.2299745.69945.72-0.051 08045.6645.6601 09745.66745.67-0.011 12645.65145.67-0.04

3 情景模擬與分析

3.1 暴雨情景設置

分析城市內澇發生原因，一般認為短歷時強降雨是造成城市內澇的氣象因素，而地下管網排水能力強弱才是造成內澇的主要因素。加之目前暴雨預警和應急響應中主要根據最大1 h和最大6 h的降雨閾值指標進行確定，考慮到短臨近期降雨預報成果相比于長期的降雨預報成果精度更高，因此根據防汛應急管理的需求，本文分析管網排水能力和內澇積水采用短歷時設計暴雨。由于河道匯水范圍廣、時間長，分析河道行洪能力常采用長歷時設計暴雨。

短歷時(T=1 h)不同重現期(1年、3年、5年、10年)和長歷時(T=24 h)不同重現期(5、10、20、50 a)設計暴雨量根據北京地方標準《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》中暴雨強度公式推求，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：q是設計暴雨強度，L/(s·hm2)；t是設計降雨歷時，min；P是設計重現期，a。

設計雨型依據我國《給水排水設計手冊》推薦使用的芝加哥雨型進行降雨過程的時程分配，結合北京地區降雨特征雨峰系數取值為0.167。

長歷時和短歷時暴雨情景設置如表4所示，設計暴雨過程分別如圖5(a)、圖5(b)所示，。

表4 暴雨情景設置Tab.4 Design rainfall settings

3.2 情景模擬與分析

3.2.1 雨水管網排水能力分析

雨水管網排水能力分析情景設置采用短歷時(T=1 h)設計暴雨過程。將不同重現期設計暴雨過程作為輸入模擬分析不同重現期條件下老龍口流域管網運行能力，逐段分析不同情景下管網的負載狀態，用負荷等級S對管網排水能力進行評估，其中Ⅰ級(S<1)表明管道處于非滿重力流狀態；Ⅱ級(S=1)表明管道處于壓力流狀態，并且水力坡度<管線坡度；Ⅲ級(S=2)表明管道處于壓力流狀態，并且水力坡度>管線坡度。管道排水能力評估的標準：S<1，認為管線達到輸入降雨重現期的排水標準；否則，S≥1，認為管線不達標。結果如圖6所示。

圖5 不同重現期設計暴雨過程Fig.5 Designing rainfall processes in different return periods

通過圖5和模擬計算結果可得：從1年一遇到10年一遇暴雨情景下，老龍口流域達標管段數量從159段減小到42段，達標比例從46%減小到12%；不達標管段數量從189段增加到306段，不達標比例由54%增加到88%。其中1年一遇暴雨情景下，不達標管段多集中于京密引水渠上游旁道路主干管及大學等建筑密集區；當設計暴雨從3年一遇增加到10年一遇時，整個京密引水渠主干管幾乎不達標，比例由22%增加到45%，增加了 23%。同時，建筑區的不達標管段也擴張至下游流域。

圖6 老龍口流域不同重現期設計暴雨管網負荷能力Fig.6 Design of storm pipe network load capacity in different return periods of Laolongkou Watershed

綜合不同重現期模擬的負荷情況，可以得到區域雨水管網的排水能力(圖7)。評估管段總長度為13.24 km，其中低于1年一遇的管網長度6.97 km，約占53%；排水標準達到1～3年一遇的管網長3.44 km，約占26%；排水標準達到3～5年一遇的管網長度0.42 km，約占3%；排水標準達到5～10年一遇的管網長度0.51 km，約占4%；排水能力高于10年一遇標準的管網長度1.90 km，占14%。進一步根據《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》(DB11/T 969-2016)要求城鎮一般地區雨水管網設計標準不低于3年一遇，老龍口流域雨水管網不達標率高達79%，雨水管網建設標準偏低。

圖7 老龍口流域管網排水能力Fig.7 Pipe network drainage capacity of Laolongkou watershed

3.2.2 河道行洪能力分析

河道行洪能力計算分析采用長歷時(T=24 h)設計暴雨過程。將不同重現期設計暴雨過程作為輸入模擬分析不同重現期條件下老龍口流域出口流量過程、河道各控制斷面水位以及雨水排口頂、底高程與河岸左右岸堤防高程的關系，逐段分析河道的過流能力，結果如圖8和表5所示。

由圖8可知，以老龍口流域5、10、20、50 a一遇24 h設計降雨過程為模型輸入條件提取不同模擬結果下的老龍口流域排洪溝關鍵控制斷面最大水位與左右岸高程信息，分析三者關系：最高水位從46.77 m增至47.19 m，不同重現期下的河道水位均未超過左右岸高程。由圖8和表4可以看出，沿河11個排水口底高程44.42～45.39 m，頂高程46.41～48.14 m，排水口底高程在5 a一遇設計降雨情景下均低于河道水位，對排水口造成一定的頂托，其中4個排水口淹沒深度超過50%，占36.4%，頂托現象嚴重。底高程從5 a一遇至50 a一遇設計降雨河道水位超過管底高程由0.90 m增至1.14 m，50 a一遇時最大淹沒深度達到1.93 m；頂高程距離河道水位平均距離由1.53 m減小至1.28 m，50 a一遇時最小距離僅為0.46 m。綜上，老龍口排洪溝抵御暴雨洪水能力較強，河道現狀行洪能力遠高于50 a一遇洪水行洪要求，不會發生堤岸漫溢，但河道沿線排水口底高程設計普遍偏低，造成一定的頂托影響。

3.2.3 內澇積水分析

內澇積水分析情景設置采用短歷時(T=1 h)設計暴雨過程。將不同重現期設計暴雨過程作為輸入模擬分析不同重現期條件下老龍口流域內澇積水狀況，分析積水點的位置、積水深度、積水范圍。結果如圖9所示。

通過圖9和模擬計算結果可得：從1年一遇到10年一遇暴雨情景下，老龍口流域最大積水深度由0.75 m增加到1.47 m，最大積水面積由7.15 m2增加到899.15 m2，最大積水量由482.85 m3增加到944.28 m3，最大積水歷時可達2.86 h。其中最大積水點集中在道路下凹橋、建筑區低洼處以及河道近90°拐彎處。

圖8 不同重現期設計暴雨下水位沿程變化Fig.8 Changes in water level along the design of different return periods

表5 排水口高程信息 m

圖9 老龍口流域不同重現期設計暴雨內澇積水深度Fig.9 Designing the depth of water in the rainstorm during the different return period of the Laolongkou watershed

3.3 內澇原因綜合診斷

造成城市內澇的原因往往是包含水文氣象、管網、局部微地形、河道行洪能力等在內的多因素共同作用的結果[18]。老龍口流域地處北京市城區北部，受高城鎮化水平影響，“雨島效應”顯著，易引發極端暴雨事件，加之該流域不透水率高達64.57%，致使下墊面對雨水的調蓄能力降低，多余的雨水只能依靠管網排出。然而流域管網建設標準較低，不滿足設計標準，同時隨著新建區的建成發展，超出了原來規劃管網排水標準，實際排水量大于規劃排水量，導致規劃標準不能滿足現狀實際排水需求。另外，流域部分單位污水排放侵占管道，造成雨期管網超負荷運行。對于老龍口排洪溝河道來說，其行洪能力遠高于50 a一遇洪水行洪要求，不會發生堤岸漫溢，但河道沿線排水口底高程設計普遍偏低，雨期河道水位上漲較高超過上游排水口形成頂托從而妨礙管網洪水的排放，加重內澇。同時，經前期走訪調查發現，附近居民將過量的生活垃圾和建筑垃圾倒入河道，加重河道淤積，使得行洪斷面縮窄，排水能力降低。另外區域內的下凹橋、建筑低洼處等局部地勢較低微地形通常致使降雨和檢查井漫溢出的雨水無法順利匯流至下游受納水體，是內澇積水易發點。

4 結論與展望

本文以北京市清河內典型流域老龍口為例，分別構建降雨-產流、管網匯流、河道匯流與地表漫流模型，并耦合形成精細化綜合洪澇模型。在此基礎上模擬不同暴雨情景下的管網排水狀態、河道行洪與地表漫流過程。綜合管網排水、河道行洪和內澇積水的模擬結果結論如下：

(1)管網排水能力評估：流域雨水管線低于1年一遇長6.97 km，占總長度的53%，管網排水能力較低，管網不達標率高達79%。

(2)河道行洪能力評估：老龍口排洪溝抵御暴雨洪水能力較強，河道現狀行洪能力高于50 a一遇洪水行洪要求，不會發生堤岸漫溢，但河道沿線排水口底高程設計普遍偏低，造成一定的頂托現象。

(3)內澇積水評估：設計暴雨重現期從1 a一遇增加至10 a一遇，老龍口流域最大積水深度由0.75 m增加到1.47 m，最大積水面積由7.15 m2增加到899.15 m2，最大積水量由482.85 m3增加到944.28 m3，最大積水歷時可達2.86 h。最大積水點主要集中在道路下凹橋、建筑區低洼處以及河道近90°拐彎處。

(4)內澇原因診斷：流域內澇積水的因素是下墊面不透水比例高、管網排水能力弱、局部低洼微地形、河道水位頂托排水口及局地強降雨等共同作用的結果。

(5)建議與展望：通過多視角原因分析為城市洪澇問題改善提出建議：基于調查建立內澇積水臺賬，劃分積水區危險等級，暴雨期對高危險區進行實時監控預警，及時抽排積水；智能調控行洪河道水位，以免造成河道排水口頂托現象發生；進行雨水管網改造，提高干管的設計標準；針對典型積水區域進行海綿城市改造，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”全方位改善城市內澇。本文基于實地調研和InfoWorks ICM模擬結果，初步分析了老龍口流域內澇積水原因，未來可通過單因子變動模擬和多因子聯動模擬分析，以及空間統計方法等定量分析各個因素和內澇積水的關系，明確洪澇積水影響因素的主次關系，為區域內澇改善提供參考。