道路DEM構建方法對城市內澇模擬及防治對策的影響研究

賴善證

(福州市規劃設計研究院集團有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

水力模型已經成為城市內澇防治工作不可或缺的重要支撐工具，隨著模型的廣泛應用，模型構建方式、模型輸入及參數取值等因素對模型模擬預測結果的不確定性，正逐步得到業內學者的關注，并成為重點研究內容之一[1-3]。

模型構建包含管網及地面高程概化等內容，其構建方式在很大程度上決定了積水模擬的結果，進而影響城市內澇防治對策的制定。目前，已有一些學者開展了關于模型管網結構及匯水分區等方面的概化方式對模擬結果的影響研究。呂恒[4]等研究了排水管網結構概化對積水模擬結果的影響，結果表明管網結構概化會減少雨水徑流的峰值及水量；宋瑞寧[5]等研究了管網模型匯水區節點選取對城市雨洪模擬結果的影響，結果表明以雨水口為節點的匯水區劃分方式得到的產流時間遲于以檢查井為節點的劃分方式；馬盼盼[6]等以MIKE URBAN為例，研究了管網簡化程度及匯水分區劃分方式對模擬結果的影響，結果表明對管線進行簡化合并可提高模擬精度。

基于道路高程所構建的道路數字高程模型(DEM)是地面高程概化的重要內容，也是水力模型構建的關鍵環節，在很大程度上影響了積水位置、積水深度和積水范圍等方面的模擬結果。城市新建區域道路DEM構建的高程資料通常源自豎向專項規劃或控制性詳細規劃等相關規劃成果提供的道路中心線控制點高程、縱坡及橫坡等相關參數。根據縱坡及橫坡等相關參數對規劃成果中道路中心線控制點高程進行延伸計算，理論上可概化得到能代表整條道路的豎向分布，以此構建得到的道路DEM是保障積水模擬結果及內澇防治對策科學、準確的關鍵。但目前，針對道路豎向概化和道路DEM構建方法的研究還較少，根據不同橫坡參數構建得到道路DEM會對城市內澇積水模擬結果及內澇防治對策產生什么樣的影響不得而知。

鑒此，本文基于實際案例，開展了不同道路DEM構建方法對城市內澇積水模擬結果及相關對策制定的影響研究，得出道路DEM構建方法與內澇積水的量化關系，為城市排水防澇規劃方案的科學制定及內澇防治工作提供參考。

1 道路數字高程模型(DEM)構建方法

根據研究區域相關規劃的豎向成果，考慮到橫坡對道路豎向分布及積水模擬結果的影響，提出以下兩種道路DEM構建方法：

方法1：在道路豎向概化中，不考慮橫坡影響，即橫坡i橫取0，整條道路的高程均取道路中心線的規劃高程，以此構建道路DEM；

方法2：在道路豎向概化中，考慮橫坡影響，即橫坡i橫取值大于0，道路紅線位置的高程由道路中心線高程及橫坡推算得到，以此構建道路DEM，本文橫坡i橫取值2%。

2 研究區域與模型構建

2.1 研究區域概況

本文選取的研究區域，匯水區獨立，面積約為1.2km2，當地多年平均降雨量約為1600mm，研究區域大部分規劃高程介于7～10m之間，相對平坦，沿道路布局的雨水管網最終排向區域南面河道。研究區域基本概況如圖1所示。

圖1 研究區域基本概況

2.2 數據概況

2.2.1降雨數據

選取當地暴雨強度公式及短歷時(2h)設計雨型作為本研究的暴雨強度公式及雨型。暴雨強度公式如式(1)所示：

(1)

式中，q—暴雨強度，L/(s·hm2)；p—重現期，a；t—暴雨歷時，min。

本文所采用設計暴雨重現期涵蓋3—50年一遇，各重現期設計降雨量見表1。

表1 各重現期短歷時設計降雨量

本文所采用的當地設計雨型為芝加哥雨型，其中雨峰位置取0.402。

5年一遇設計暴雨過程如圖2所示。

圖2 5年一遇短歷時設計暴雨過程

2.2.2地形數據

根據當地控規中的豎向成果，采用上述方法構建形成研究區域道路DEM，并與地塊DEM相疊加，得到研究區域DEM如圖3所示。

圖3 不同橫坡取值下所構建的DEM(單位：m)

通過分析研究區域DEM可知，區域地勢相對平坦，高程介于6～17.8m之間，其中，大部分介于7～10m之間，區域道路多呈起伏狀。

2.2.3管網數據

研究區域制定了系統的雨水管網規劃方案，管網設計標準為3年一遇，總長14543m，管網措施統計詳見表2。

表2 研究區域規劃雨水管網統計

2.3 模型構建

本文選擇具有“模擬產匯流水文過程”“模擬管道內非恒定非均勻流的水力學過程”“模擬地面積水漲退過程”等功能的MIKE軟件作為研究區域的水力模型軟件。

根據雨水管網規劃方案，最終構建的一維管網模型將研究區域管網概化為272個檢查井、280個管段、5個排水口、272個匯水分區；并基于區域DEM構建形成二維地表漫流模型。在此基礎上，耦合一維管網模型和二維地表漫流模型形成研究區域內澇耦合模型。

3 道路DEM構建方法對內澇模擬及防治對策的影響分析

根據建立的研究區域耦合模型，模擬得到不同重現期下研究區域的積水情況，結果表明，積水主要發生于凹段道路，10年一遇短歷時設計暴雨工況下的積水模擬結果如圖4所示。道路橫坡i橫取0時，從道路中心線處到道路兩側，由于高程取值一致，對于發生積水的同一道路橫斷面，其積水深度亦相同；道路橫坡i橫取2%時，道路兩側的高程低于道路中心線處的高程，對于發生積水的同一道路橫斷面，道路兩側的積水深度大于道路中心線處。

圖4 10年一遇短歷時設計暴雨工況下研究區域積水模擬結果

根據不同道路橫坡取值下研究區域的積水模擬結果，從積水總量、積水深度、積水面積等相關要素量化分析不同DEM構建方法對內澇積水模擬結果的影響。在此基礎上，進一步分析不同方法對區域內澇防治對策的影響。

3.1 對內澇積水模擬結果的影響分析

3.1.1內澇積水總量分析

將研究區域模擬得到的各積水區域的積水量進行疊加得到區域積水總量V，不同重現期設計暴雨條件下積水總量峰值對比如圖5所示，見表3。

表3 積水總量峰值比較

圖5 積水總量峰值比較

在不同重現期設計暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時的DEM構建方法得到積水總量峰值結果更大，如對于10年一遇設計暴雨，橫坡i橫=2%的積水總量峰值較橫坡i橫=0增大1076m3。

原因在于：兩種DEM構建方法在道路中心線處高程取值相同，相應位于道路中心線處的管線排水能力也一致；但橫坡i橫=2%時，道路兩側的高程取值小于橫坡i橫=0時的高程取值，相應位于道路兩側的檢查井的路面高程更小，檢查井更易發生冒溢現象，對應管線的排水能力更小。因此，橫坡i橫=2%時的積水總量峰值更大。

3.1.2內澇積水深度分析

根據模型積水模擬結果，兩種道路DEM構建方法對最大積水深度(h)模擬結果的影響見表4。

表4 最大積水深度對比

最大積水深度模擬結果表明，在不同重現期設計暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時模擬得到的最大積水深度大于i橫=0時的最大積水深度，增大幅度約0.16～0.19m。

原因在于：不同重現期設計暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%時的DEM構建方法得到積水總量峰值結果更大。且當橫坡i橫=2%時，道路兩側的高程取值小于橫坡i橫=0時的高程取值，因此，當橫坡i橫=2%時，道路兩側的最大積水深度大于橫坡i橫=0時道路兩側的最大積水深度。

3.1.3內澇積水面積分析

根據模型模擬評估結果，兩種道路DEM構建方法在各重現期設計暴雨下的積水總面積(S)的對比如圖6所示，見表5。

表5 不同道路DEM構建方法下的積水總面積對比

圖6 不同道路DEM構建方法下的積水總面積

針對各重現期設計暴雨情況，道路橫坡i橫=2%時的設計暴雨積水總面積更小。如在30年一遇設計暴雨情況下，道路橫坡i橫=2%、i橫=0時的積水總面積分別為12.26、15.30ha，前者比后者減小3.04ha。

為便于分析道路DEM構建方法對不同積水深度下積水面積模擬結果的影響，將城市內澇積水按照積水深度劃分為Ⅰ級(無內澇)、Ⅱ級(輕度內澇)、Ⅲ級(中度內澇)和Ⅳ級(重度內澇)。內澇積水等級劃分結果見表6。

兩種DEM構建方法下的內澇積水模擬結果中，不同內澇積水級別的積水面積統計及對比如圖7所示，見表7。

表7 不同道路DEM構建方法下的內澇積水面積統計

圖7 不同積水級別內澇面積

由表7及圖7可見，不同重現期的內澇面積統計結果具有同樣的規律，即：橫坡i橫=2%時得到的內澇積水模擬結果中，Ⅰ-Ⅲ級內澇積水面積小于i橫=0時的模擬結果；Ⅳ級內澇積水面積及Ⅲ+Ⅳ級內澇積水面積總和大于i橫=0時的模擬結果。

3.1.4排口流量分析

研究區域徑流最終均是通過雨水排放口排放至南面河道，分析排口的水流情況對掌握研究區域水流運移情況及雨水泵站設施規模的確定具有重要意義。表8為兩種道路DEM構建方法下，研究區域排放口的峰值流量Q的對比情況。

表8 排放口峰值流量對比

由表8可知，各重現期設計暴雨情況下，不同道路DEM構建方法下的排口流量峰值模擬結果具有以下規律：橫坡i橫=2%時的排口流量峰值小于i橫=0。原因如前文所述，即橫坡i橫=2%時，相應管線的排水能力更大，因此，排口流量峰值更大。

3.2 對區域內澇防治對策的影響

積水模擬結果是區域布局雨水排放設施、明確內澇應急管理工作的重要依據，在很大程度上決定了雨水管網、雨水調蓄設施、雨水泵站等設施的規模，并影響了城市內澇應急管理工作的開展。

3.2.1對雨水排放設施布局的影響

(1)對雨水管網布局的影響

在3年一遇設計降雨工況下，兩種道路DEM構建方法下模擬得到的研究區域道路(旗山大道)東側管網均有部分管段不滿足排水能力(對應檢查井發生冒溢)，模擬結果如圖8所示。

圖8 兩種DEM構建方法下旗山大道管道排水能力評估結果圖

通過調整高新大道東側的管網管徑，使得兩種DEM構建方法下的該道路管道的排水能力評估結果均達標，調整結果如圖9所示。

圖9 旗山大道管道優化布局圖

調整結果表明，橫坡取2%和0情況下，旗山大道西側管網下游管徑分別需調整為1400mm和1200mm，方能使管網排水能力達標。進一步表明考慮道路橫坡影響時，管網的排水能力更小，所確定的管網管徑更大，偏安全。

(2)對雨水調蓄設施布局的影響

在3年一遇降雨工況下，兩種DEM構建方法下的積水模擬結果中，旗山大道均存在不同程度的積水，如圖10所示。經研究表明，若要通過布局雨水調蓄池，以臨時調蓄雨水，使得旗山大道雨水管網滿足排水能力要求，在橫坡取2%和0情況下，所需的雨水調蓄池規模分別為689m3和415m3。

圖10 3年一遇工況下旗山大道積水模擬結果

因此，考慮道路橫坡影響的DEM構建方法所確定的雨水調蓄池規模更大，偏安全。

(3)對雨水泵站建設規模的影響

根據GB 50014—2021《室外排水設計標準》要求，雨水泵站的設計流量，應按泵站進水總管的設計流量計算確定，雨水管網末端管段通常作為泵站的進水總管，其流量大小與排口流量一致。

研究區域河道排澇標準為10年一遇，區域雨水排放口均在澇水位以下，管網排水受河道頂托影響嚴重。若通過采用布設雨水泵站方式使區域達到其內澇防治標準(20年一遇)，在橫坡取2%和0情況下，雨水泵站總體規模分別應不小于27.43m3/s和27.98m3/s，兩者基本相當。

因此，不同道路橫坡取值所得到的雨水泵站規模模擬結果基本一致。

3.2.2對城市內澇應急管理工作的影響

(1)對城市暴雨內澇預警工作的影響

Ⅲ級(中度內澇)及以上的內澇積水區域對城市交通運轉及市民生活影響較嚴重，同時，道路積水預報情況已經成為部分城市暴雨內澇預警的響應依據之一，且積水越深對應的預警級別越高。

根據對內澇積水深度和積水面積的分析可知，采用橫坡為2%時的道路DEM構建方法所得到積水模擬結果的最大積水深度、影響嚴重的Ⅳ級內澇積水面積及Ⅲ級+Ⅳ級內澇積水面積之和均較橫坡為0時更大。因此，采用考慮橫坡影響的道路DEM構建方法支撐城市暴雨內澇的預警能得到偏安全的結果。

(2)對城市內澇應急管理工作重心的影響

城市內澇積水的預報是城市內澇應急管理工作開展的重要依據之一，如對于可能因積水過深導致交通受阻的路段需預先制定明確的加強雨水滯蓄及排放的處置措施，或制定交通引導方案，以盡量減小城市暴雨內澇對城市運轉的影響。

本文將所有車道積水深度均超過15cm的路段界定為交通受阻路段，統計了兩種道路DEM構建方法下，區域交通受阻的路段數量N見表9。

表9 道路受阻路段統計分析

由上表可見，橫坡為2%時分析得到的受阻路段數少于橫坡為0的結果。因此，忽略道路橫坡影響所制定的內澇應急管理工作方案偏安全。

4 結語

本文的研究在一定程度上填補了道路DEM構建方法研究方面的空白，推動了城市水力模型的應用研究，并為排水防澇方案制定和暴雨內澇預警等工作提供了技術支撐。設計人員在構建道路DEM模型開展城市內澇積水模擬分析工作，應將相關規劃成果確定的道路橫坡參數真實反饋在到構建的DEM模型中，不應為減少模型構建的工作量，簡單將橫坡取值0，從而忽視橫坡對內澇模擬結果的影響。

本文僅基于一個實際案例研究道路DEM構建方法對積水模擬結果及內澇防治對策的影響，缺乏考慮研究區域的規模、地形地勢特點、水文氣象條件等因素的影響，需要在今后的研究中采取更多案例進一步論證分析。