基于二維水力建模的城市洪澇災害時空反演

姜吉威，解智強*，徐 通，楊壽泉，高 忠

（1. 云南大學，云南 昆明 650504；2. 昆明市城市地下空間規劃管理辦公室，云南 昆明 650111）

城市洪澇是指強降雨或連續性降雨超過城市管線排水能力，導致城市地面產生積水災害的現象[1]。據不完全統計，目前我國城市化水平已超過50%。根據世界銀行預測，隨著社會經濟的持續發展，到2030年我國的城市化水平將超過70%[2]。城市化進程的推進，使得城市規模不斷擴大、城市下墊面硬化面積加大、透水率下降；而原有的城市管線設施滯后，排水管線設計標準偏小，排水能力嚴重不足，從而導致洪澇災害的發生。全球氣候變化導致的極端降雨天氣的增加以及快速城市化進程均為城市帶來了一定的負面影響，如日益顯著的城市熱島效應和雨島效應導致的城市暴雨頻發[3]。城市的高速發展和極端天氣頻發導致降水量大、降水難下滲、水動力不足和管線排水能力不足，極易在地勢低洼地段形成洪澇災害，給城市社會經濟發展帶來很大損失。

1950—2016年昆明市共發生洪澇災害37次，平均每1.8 年發生一次洪澇災害，是全國近年來內澇嚴重的60 個城市之一，城市防洪形勢嚴峻。2013 年“7·19”和2017 年“7·20”的洪澇災害暴露出昆明市城市防洪排澇方面存在的諸多問題。本文針對近年來每逢雨季昆明市均會發生嚴重城市洪澇災害的現象，以昆明市北辰片區為例，借助InfoWorks ICM 軟件構建了北辰片區的二維水力模型，對城市洪澇災害進行了時空反演，對排水管線系統承載能力和洪澇風險進行了評估，并根據模型反演情況對洪澇災害點進行成因分析，提出管線改造方案，為城市洪澇災害防治和管線規范改造決策提供科學支撐，為智慧水務建設打下基礎。

1 研究區概況

本文選取昆明市主城北辰片區2.86 km2的區域作為研究區。研究區內地勢較平坦，城市降水系統較獨立，較少受到外界地表匯流的干擾；雨水管線覆蓋密度和覆蓋程度較高，部分小區雨污混接，具有一定的匯流能力。據昆明市排水公司提供的數據顯示，研究區內的排水管線在2019—2020年進行了物探和清淤工作，保障了管線數據的準確性和時效性，減少了積淤對管線排水能力的影響。近年來，研究區內每逢強降雨均會發生洪澇災害，因此本文擬通過洪澇災害時空反演，找出洪澇發生的成因，為防澇市政科學改造提供基礎。

2 技術路線

本文的主要技術路線（圖1）為：①基礎數據和資料的收集、整理與分析；②基于InfoWorks 軟件，利用多源數據構建研究區二維水力模型，并通過實地勘探和查閱相關專業資料對模型進行校核和率定，得到與實地相符的水力模型；③結合模型，基于GIS 等分析方法，通過災害時空反演對研究區地下排水管線承載力和洪澇風險進行評估，并對地下排水系統的改造提出建設性意見。本文通過既有現狀物數據，配合充分的現場調研和屬地化參數實驗，進一步提高了模型的精度和實用性，為研究區積水成因分析和后續專業改造提供支持。

圖1 技術路線圖

3 數據處理與模型構建

3.1 數據來源

本文采用的主要數據如表1 所示。本文旨在研究城市洪澇問題，邊界條件主要為降雨事件。降雨數據主要為昆明市2020 年每5 min 間隔的歷史降雨數據。此外，通過對積水點數據進行分析發現，研究區內的排水管線設計標準多為1～5 a。因此，本文選用短歷時暴雨2年、3年、5年重現期暴雨雨型以及50年一遇暴雨雨型作為模擬研究的邊界條件。

表1 本文采用的數據源

本文采用的昆明市暴雨強度公式（2015版）來源于昆氣聯發[2015]3號《昆明市氣象局昆明市防汛抗旱指揮部辦公室昆明市滇池管理局關于發布昆明市暴雨強度公式（2015 版）的通知》。公式編制采用的基礎數據為昆明國家基準氣候觀測站1981—2014年逐分鐘雨量數據，主要適用于昆明市中心城區，因此本文參照使用[4]。

昆明市暴雨強度公式（2015版）為：

式中，q為降雨強度，單位為l/s/hm2；t為降雨歷時，單位為min；P為重現期，單位為a。

3.2 管線模型構建

本文將排水管線的原始物探數據批量導入管線模型中，并導入檢查井的系統類型、地理坐標、地面高程和井底高程，管線的管徑、材質、形狀、上下游管底標高等關鍵信息。對原始物探數據進行合理歸納，簡化雨水篦子的模擬，刪除無關屬性和非混接的污水管線，以提升模型計算速度和運行效率。將遙感影像作為底圖參考數據，檢查管線數據的拓撲完整性，避免數據缺失；檢查管線系統線的連接性，避免出現孤立節點、重復節點或不連通的出水口等問題；檢查管徑的合理性，對大管接小管的情況進行標記和復核；檢查縱斷面的合理性，避免出現管頂或管底高程高于地面高程、管線逆坡等現象。

3.3 水文模型構建

在城市排水模型建設的過程中，二維水力建模方法充分考慮了地形等因素對城市排水的影響，獲得的結果更加接近現實。子集水區劃分，主要基于城市市政道路的排水管線，利用泰森多邊形進行劃分。根據研究區下墊面的實際分布特征，本文將下墊面分為道路、建筑、綠地、裸地、硬化地表、水體6 類，分別設置徑流表面的產匯流系數。相較于傳統的整片區域采用同一個固定徑流系數，該方法能更真實地反映不同集水區的產匯流特征，保障產匯流模型模擬結果的真實可靠。針對不透水面的產匯流模型，根據《室外排水規范》[5]采用固定徑流系數法，基于昆明市下墊面的特征，選取相應的綜合徑流系數。針對透水面的產匯流模型，采用現場實驗測試透水面的下滲率，確定適合昆明市的本地化土壤降雨期間下滲特征曲線，并采用Horton 模型[6]進行擬合，還原透水面真實的產匯流特征。

根據衛星影像圖進行下墊面解析，針對每個子集水區進行下墊面占比提取，得到每個子集水區的下墊面實際分配情況。水文模型構建流程如圖2所示。

圖2 水文模型構建流程圖

本文采用雙環儀對透水面入滲參數進行提取。其原理為保證內外環的密封性，單位時間內內環下降的水量即為內環的入滲量。本文采用霍頓公式進行模擬擬合，得到不同入滲速率隨時間推移的擬合曲線。

式中，f為入滲速率；f0為初始入滲速率；fC為穩定入滲速率或極限入滲速率。

本文分別計算得到k為1、1.5、2、2.5、3時的模擬數值，綠地土壤和裸地土壤的模擬結果如圖3、4所示。

圖3 綠地土壤入滲曲線

根據實測值和霍頓模擬結果，通過納什效率系數（NSE）驗證模擬的合理性。通常NSE 大于0.7 表示模型的擬合度較高，NSE 越接近1，模擬效果越好。綠地土壤和裸地土壤入滲曲線的NSE如表2、3所示，可以看出，當k=2 時，綠地NSE 達到最大值0.853；當k=2.5 時，裸地NSE達到最大值0.771，表示模型此時

表2 綠地土壤入滲曲線的NSE

圖4 裸地土壤入滲曲線

的模擬結果最接近真實數據。

表3 裸地土壤入滲曲線的NSE

3.4 地表匯流模型構建

通過地形高程數據生成地面TIN 模型，利用地面高程TIN網格化二維區間，從而建立地表模型。由于建筑區域會阻擋積水匯流，因此需對建筑區域進行空白化處理。由于道路區域較低，路肩高度一般設置在0.15 m 左右[7]，影響匯流，因此需將道路區域下沉約0.15 m，從而最終完成地面匯流模型的構建。

4 模型率定

利用收集的歷史降雨數據對模型進行模擬，通過驗證模型和模型參數是否與實際吻合，從而檢驗模型的還原效果。本文采用的歷史降雨數據為：

1）2020 年8 月17 日8:05，昆明交警發布的積水點信息顯示，在北辰片區范圍內的積水點包括北京路北辰大道路口財富中心段和北辰大道車行天下段。

2）根據昆明交警消息，截至2020年9月10日12:10，排水公司正積極處置40個積水點，北辰片區范圍內的積水點為北辰大道車行天下段。

根據上述實際發布的研究區內的洪澇積水情況，收集到距研究區最近的雨量站降雨數據，如圖5、6所示。由模型模擬得到的結果如圖7 所示，可以看出，洪澇積水點主要分布在北辰大道與北京路交匯處偏財富中心段以及北辰大道財富中心至車行天下段，積水區最大深度超過0.3 m，其中財富中心段和車行天下段積水較嚴重。圖5 的實測降雨數據與圖7 的模擬結果基本一致，積水點分布和深度與實際積水情況十分吻合，模擬結果接近現實情況。

圖5 金星立交橋站點2020年8月16日-8月19日的實測降雨數據

圖6 金星立交橋站點2020年9月11日-9月12日的實測降雨數據

圖7 金星立交橋站點2020年8月16日—8月19日模擬的重點積水區

5 模型應用分析

5.1 管線排水能力評估

根據GB 50014-2006《室外排水設計規范》的規定，雨水和合流管按滿管流設計。本文利用昆明市暴雨強度公式模擬得到現狀管道系統在2年、3年、5年一遇暴雨情況下的管線水力負荷情況，完成了管線排水能力評估。模型通過水力坡度與管道坡度的比值來定義超負荷狀態，超負荷狀態包括小于1、等于1 和等于2三種類型（表4）。

表4 管道超負荷狀態類型

本次建模的現狀排水管線總長度為46 882.1 m，經過水力模型評估，排水能力不滿足2 年一遇的管線長度為31 684.7 m，占比為67.58%；排水能力不滿足3 年一遇的管線長度為3 179.1 m，占比為6.78%，排水能力不滿足5 年一遇的管線長度為2 470.4 m，占比為5.27%，排水能力滿足5 年一遇的管線長度為9 547.9 m，占比為20.37%，如圖8所示。

圖8 研究區現狀管線排水能力評估圖

5.2 積水成因分析

針對研究區重點積水點財富中心段和車行天下段積水進行積水成因分析發現，其根本原因來自排水能力問題，城市排水能力由排水管線設計控制。積水成因分析將從排水流程的源頭、過程、排放進行分析[8]。

1）源頭。局部管線布局不合理、部分管線服務范圍過大，導致大面積子集水區的降水通過支管管線匯集到一條主干管線中，主干服務范圍過大。當降雨強度較大時，主干管線收水面積過大，主干管線流量過載，導致檢查井溢流形成積水。以研究區財富中心段主干道為例（圖9），管線布局上游支管線過多、主干道服務范圍過大，遇到一定規模的降雨，易形成檢查井溢流積水。

圖9 財富中心段主干道服務范圍（紅色區域）

2）過程——排水管線總體設計能力偏低。北辰區建模的現狀雨水合流排水管線長度為39 377.4 m，主要參與雨水匯流的污水管線長度為7 504.7 m，共計46 882.1 m。其中，不滿足2年一遇排水能力的管線在評估中的占比為67.58%，如按照2 年一遇的管線設計標準要求，現狀管線設計有67.58%的管線未達到標準。

3）排放——河道頂托作用。頂托作用即當排放口的位置在河水水位之下時，排放口受到河水壓力作用，排放口的流速變小[9]。頂托作用使排放口流速變慢，降雨得不到及時排放，易在上游形成積水。以研究區金色大道與盤龍江交接處的管線排放口為例，當達到一定規模的降雨時，盤龍江水位在短時間內迅速升高（8 月17 日凌晨開始主城區出現強降雨過程，平均降雨量約為90 mm，各河道水位迅速上漲，8 時盤龍江超警戒水位0.75 m），水位超管線排放口，導致該排放口流速變小，上游易導致積水，如圖10所示。

圖10 金色大道與盤龍江交接處的管線排放口示意圖

5.3 管線改造

由于城市洪澇災害是多種因素影響的結果，需抓住存在的主要問題進行分析，提出有針對性的改造方案，減少城市洪澇災害的發生。本文針對研究區的積水成因，提出了不同的治理方案。結合模型進行模擬評估，并不斷進行優化，盡可能形成工程量、經濟等方面較優的方案。

1）增設泵站。針對河道頂托作用，本文提出增設泵站的治理方案。研究區金色大道與盤龍江交接處的管線排放口受頂托作用影響較大，建議在該排放口加裝泵站。通過模型模擬無頂托作用時排放口的最大排水流速作為泵站的下限功率，以消除頂托作用帶來的影響。

2）通過增加管徑大小，提高排水能力。針對排水管線總體設計能力偏低和局部管線布置不合理等問題，本文提出通過增加管徑大小，提高排水能力的治理方案。通過2 年一遇降雨數據的模擬管線縱斷面圖得到管線滿管和檢查井溢流情況，從而判斷需進行管線改造的區域。管線改造區域主要包括重點積水區管線、下游管線以及相關管線的變坡區域。擴徑管線分布如圖11所示，管線擴徑大小如表5所示。

圖11 擴徑管線分布

表5 管線擴徑大小

3）建設削峰調蓄池。針對局部管線布置不合理、部分管線服務范圍過大的問題，本文提出了建設削峰調蓄池的治理方案。削峰調蓄池的主要用途是當降雨超過管線的防澇標準時，通過大量收集超過管線空間的地面徑流，達到削減排水管線峰值流量、防止地面積水的作用[10]。利用模型對重點積水區的管線進行檢查井溢出水位情況分析，作為調蓄池入流口選點的依據。如圖12 所示，1 號入流口位置為變坡點，導致下游管線壓力過大，通過削峰調蓄池減輕下游管線壓力；2、3號入流口為檢查井溢流水位較高的檢查井。

圖12 模擬調蓄池分布情況

6 結 語

在城市化進程持續推進和極端天氣頻發的環境背景下，城市病已成為人們關注的焦點問題，城市洪澇災害逐年增加。本文通過構建二維水力模型，對昆明市北辰片區城市洪澇災害進行了評價，并提出了改造建議。水力模型不僅在城市洪澇災害評估與治理等方面具有重要作用，而且在城市空間地下管線的設計評估、綜合治理以及災害預計等方面進行了不斷創新發展。隨著空間大數據和智慧城市的發展，加上硬件設施的不斷突破，實現物聯，能使城市排水管線系統的問題查找、規劃、建設與維護更加智能化，決策更加科學合理。