區域排水能力對雨箅子堵塞程度響應規律模擬研究

摘 要：近年來，我國頻繁發生的洪澇災害給人民的生產生活帶來了嚴重的威脅。雨水口泄流能力對區域路面雨水的排放和整個管網的排水能力有巨大影響，為了探究雨箅子堵塞程度對管網排水能力的影響，以陜西省西咸新區某排水分區為例，基于ＧＡＳＴ 模型和ＳＷＭＭ 模型構建耦合一維管網和二維地表的城市雨洪過程數值模型，并根據現場調研成果，確定了幾種常見的雨箅子堵塞情形，采用情景分析法模擬分析不同降雨重現期和雨箅子堵塞狀態下的雨水口排水過程。采用納什效率系數驗證模型模擬結果的合理性，對兩場降雨進行驗證的納什效率系數分別為０．７１ 和０．８０，表明構建的模型模擬精度較高，模擬結果可靠。在百年一遇極端降雨下，雨箅子堵塞７５％時過流能力降低５７％，堵塞２５％時過流能力降低１７％；隨著降雨強度的增大，管網排水能力受雨箅子堵塞程度的影響增大。

關鍵詞：洪澇致災；雨箅子堵塞；數值模擬；泄流能力

中圖分類號：Ｘ４３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．００９

引用格式：卜良河，侯精明，薛樹紅，等．區域排水能力對雨箅子堵塞程度響應規律模擬研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：５６－６１．

在城市化迅猛發展背景下，城市下墊面的不透水面積占比逐漸增大，這一趨勢與全球氣候環境的變遷交織，加劇了“熱島效應”現象，并導致極端降雨事件的頻率呈上升趨勢，頻繁引發城市內澇災害，對城市基礎設施和居民生活帶來嚴重影響［１－３］ 。近年來，地下排水管網的效能未能充分發揮，導致區域性積水問題日益突出［４］ ，其原因主要包括雨箅子的堵塞、管網運維不當以及管網老化等［５－ ６］ ，特別是雨箅子的堵塞直接影響雨水口的泄流能力，進而對整個排水管網的排水能力構成顯著影響［５，７］ 。因此，對于城市排水系統的管理和維護，需要更加重視雨箅子的日常檢查與清理工作，以確保排水管網的正常運行和城市防澇能力的提升。

排水規劃及地下排水管網的構建是城市防洪防澇的核心環節，它們在保障城市安全和居民生活質量方面發揮著至關重要的作用［８－１０］ 。然而，多種因素的制約致使地下排水管網的排水能力可能無法滿足及時排除路面積水的需求。因此，許多專家和學者開始關注通過修復自然水循環系統來控制和利用城市雨水，以及擴大地下排水管網規模［１１－ １２］ 。侯精明等［１３］ 研究了在超標暴雨條件下管網的排水能力和排水率的變化，并對管網排水效果進行了分析，為排水系統的建設提供了重要參考。劉曉陽［１４］ 通過雨洪模型模擬了不同重現期降雨條件下研究區域的排水能力，并對超負荷管段進行了分析。以上研究關注的主要是加大管徑、優化管網布局等措施降低管網運行負荷以提高城市排水能力，但忽略了不同降雨條件下道路雨水口的泄流能力及運行狀況。雨水口是地表徑流與排水管網系統交互的關鍵節點，地表徑流通過雨水口下泄到排水管網中。雨箅子與管網系統連接處的過流能力直接影響局部區域積水的排除效果，連接處過流能力不足，可能導致局部區域內澇現象的發生［１５－ １６］ 。

鑒于此，本文以陜西省西咸新區為例，構建耦合ＳＷＭＭ 模型管網模塊和ＧＡＳＴ 模型的一二維水動力城市雨洪過程模型［１７］ ，模擬計算不同設計降雨條件下研究區域雨水口不同堵塞程度對其排水能力的影響，對比區域排水能力對雨箅子堵塞程度的響應規律，旨在揭示雨箅子堵塞程度對管網排水能力影響的規律，為提升區域管網排水能力和管網系統的排水效率提供重要參考。

１ 研究區域概況及數據

１．１ 研究區域概況

本研究以陜西省西咸新區某排水片區為研究區域，該區域位于陜西省西咸新區豐信路以東、咸戶路以西、公園大街以南、尚雅路以北，氣候類型為濕潤型大陸性季風氣候，多年平均降水量約為５２０ ｍｍ，其中７—９ 月降雨較為集中［１８］ 。

１．２ 基礎數據

高精度地形資料在精細模擬內澇積水過程中起到關鍵作用，因此本研究選取１ ｍ 精度的ＤＥＭ 高程數據，并根據區域高清影像數據對地表建筑、道路、廣場等進行修正處理，研究區域數字高程地形見圖１。研究區域內的土地利用類型劃分，采用最大似然分類法將收集到的高清影像進行識別，不同的計算網格單元被劃分為５ 種土地利用類型（道路、房屋、透水鋪裝、雨水花園、綠地）［１９］ ，見圖２。研究區域內下墊面屬性根據文獻［２０］確定，相關參數取值見表１。

雨水管網資料由西咸新區灃西新城管委會提供。研究區域內雨水管斷面均為圓形，模型中管道直徑按照管道實際直徑設置，曼寧系數取０．０１２［１８］ 。管網及雨箅子（雨水口）分布情況見圖２，研究區域共有５８ 個雨水口，本文以西南角排水口為研究對象，上游管線上有３９ 個雨水口。

１．３ 降雨資料

通過對咸陽市氣象站３０ ａ 的實際降雨資料進行雨型分析，推求暴雨強度公式［２１］ 如下：

ｑ ＝ １ ２３９．１（１ ＋ １．９７１ｌｇ Ｐ）／１６７（ｔ ＋ ７．４２４ ６）０．８１２ ４ （１）

式中：ｑ 為設計暴雨強度，Ｐ 為重現期，ｔ 為降雨歷時。

根據西咸新區降雨分布特征，選用雨峰系數ｒ ＝０．４表征雨型，計算得到６ 個重現期（１、２、５、１０、２０、１００ ａ）的２ ｈ 暴雨過程，見圖３。

２ 研究方法

為進一步研究漂浮物對雨箅子排水能力的影響，采用ＳＷＭＭ 模型進行一維管網建模，采用ＧＡＳＴ 模型對二維地表水動力過程進行建模，并將建立的一維、二維模型耦合。排水系統正常運作情況下，降雨產生的徑流應順利通過地表匯流后（二維地表），由雨水井進入管道（一維管網），而后經管網排出。在保證各類土地面積、模型參數不變的情況下，通過耦合模型對研究區域進行模擬，在不同設計降雨條件下，分析雨箅子不同堵塞程度對管網排水能力的影響。

由于一二維耦合模型無法對研究區域雨箅子進行概化，因此需要利用參數來反映雨箅子的堵塞程度。郝曉麗［２２］ 建立了具有上下兩層結構縮比尺雨水口泄流能力試驗平臺，并選用堰流和孔流公式，開展不同影響因素的雨水口泄流機制分析。計算得到雨箅子不同試驗工況下的Ｃｗ、Ｃ０ 值（Ｃｗ 為堰流系數，Ｃ０ 為孔流系數，利用這兩個參數來反映雨箅子的堵塞程度），見表２。

２．１ ＧＡＳＴ 模型

２．１．１ 模型簡介

本文采用ＧＡＳＴ 模型計算地表水動力過程，ＧＡＳＴ模型采用Ｇｏｄｕｎｏｖ 類型的有限體積法，在求解地表產匯流過程時，采用Ｇｏｄｕｎｏｖ 格式有限體積法求解二維淺水方程，進行空間離散［２３］ ，同時模擬引入ＧＰＵ 并行加速技術提升計算效率［２４］ 。

２．１．２ 控制方程

模型中計算匯流以及運動過程的控制方程為圣維南方程［２５］ ，其二維非線性淺水方程守恒形式表示如下：

式中：ｑ 為流量矢量；ｕ、ｖ 分別為ｘ、ｙ 方向的流速；ｆ、ｇ分別為ｘ、ｙ 方向的通量矢量；Ｓ 為源項矢量，包含底坡源項、凈雨源項及摩阻力源項［２５］ ；ｉ 為凈雨速率；ｚｂ 為河底高程；ｇ 為重力加速度；ｈ 為水深；Ｃｆ為床面摩阻系數，Ｃｆ ＝ｇｎ２ ／ ｈ１／ ３，ｎ 為曼寧系數［２６］ 。

２．２ ＳＷＭＭ 模型

本文采用ＳＷＭＭ 模型計算匯水區產匯流過程及管網匯流排水過程。ＳＷＭＭ 模型是一種先進的動態降水－徑流模擬模型，主要用于模擬城市中水動力過程［２７］ ，可完整地模擬研究區降雨徑流過程［２８－２９］ 。

該模型有３ 種不同的計算方法：運動波、擴散波和動力波。由于動力波計算方法可以通過求解圣維南方程組模擬復雜的水體流動情況，理論上與實際情況最為相符，因此本研究主要采用動力波法進行排水管網計算，動力波公式為

式中：Ｈ 為靜壓水頭，ｘ 為管道長度，ｔ 為時間，Ｓｆ為因摩擦引起的能量坡降，Ｑ 為瞬時流量，Ａ 為過水斷面面積。

２．３ 耦合模型

通過耦合ＳＷＭＭ 模型與ＧＡＳＴ 模型可以將一維管網排水過程和二維地表水動力過程結合起來。具體耦合過程是通過對ＳＷＭＭ 源代碼進行二次開發，寫入雨水節點參數信息和水深等的獲取、修改函數，編寫生成可被地表二維水動力計算模型實時調用的模塊，在對雨水井節點進行模擬時可對堰流公式、孔流公式及地表二維淺水方程等進行轉換使用。其耦合的主要目的是完成雨水井節點處地表與管道的水量交換。根據實際情況，流量較小時，若雨水井水位低于地面高程，則可采用堰流公式計算雨水口的泄流流量；流量較大時，若雨水井水位高于地面高程，則采用孔流公式計算雨水口的泄流流量，實現地表與地下管網系統的水量交換，堰流和孔流的計算公式如下：

式中：Ｑｗ、Ｑ０ 分別為堰流、孔流流量；ｐ 為濕周長，為簡化計算，本研究中濕周長為子格柵周長之和；Ｈ 為箅前的總水頭；Ａ 為連接管的截面積。

２．４ 模型驗證

本文選取研究區域２０１７ 年９ 月１６ 日和９ 月９ 日實測降雨和管網排口流量數據驗證所建模型，這兩場降雨取自降雨較為集中的９ 月，降雨數據來源為該小區內雨量站監測數據，相同時段排口的實測流量過程數據通過布設的流量計獲取，其中：９ 月１６ 日降雨量為１１．４ ｍｍ，降雨歷時１３ ｈ，降雨峰值出現在降雨開始后６ ｈ；９ 月９ 日降雨量為１３．２ ｍｍ，降雨歷時１５ ｈ，降雨峰值出現在降雨開始后８ ｈ。模擬結果如圖４ 所示。

為了驗證本研究所用模型模擬結果的準確性，引入納什效率系數［３０］ 作為模型率定的評價標準，并以０．５為模型率定的最低值，其計算公式為

式中：ＣＮＣＥ為納什效率系數，Ｑｉ，ｏｂｓ 和Ｑｉ，ｓｉｍ 分別為實測流量和模擬流量，Ｑｏｂｓ 為實測流量的平均值，Ｎ 為實測及模擬流量個數。

通過計算得到兩場降雨的納什效率系數分別為０．７１和０．８０，表明模型相關參數的取值合理，所用模型模擬效果較好。

３ 結果分析

通過模擬不同降雨重觀期下４ 種雨箅子堵塞情況，得出各對應工況的管網排口流量，見圖５，不同重現期下管網排口流量峰值見圖６。

由圖５ 可見，隨著重現期的增大，管網排口的出流量呈現上升的趨勢。當重現期≤２０ ａ 時，雨箅子堵塞２５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的９３％～９９％，雨箅子堵塞７５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的５５％～８８％。在１００ ａ 一遇極端暴雨條件下，雨箅子堵塞２５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的８３％，雨箅子堵塞７５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的４３％。隨著堵塞程度的提高，更多的雨水將無法順利進入雨箅子，而是在路面上積聚，這不僅增加了路面被水淹沒的風險，而且可能導致部分雨水繞過雨箅子直接進入周邊環境，增加了排水系統的負擔。

在重現期為１ ａ 和２ ａ 時，出流量分別在降雨開始后８５、７０ ｍｉｎ 達到峰值；當重現期超過２ ａ 時，出流量在降雨開始后６５ ｍｉｎ 內即達到峰值。這一趨勢揭示了管網排水能力在面對不同降雨強度時的變化特征。隨著重現期的增大，管網排口的出流量呈現上升的趨勢，堵塞程度較大的雨箅子與未堵塞雨箅子之間的出流量差異變得愈發顯著，這進一步證實了在雨箅子堵塞的情況下，管網的排水能力會明顯降低。

模擬結果為我們提供了關于降雨強度與雨箅子堵塞程度對管網排水能力影響的深入理解。具體來說，降雨強度越大，雨箅子堵塞對管網排水能力的影響越大。在相同的降雨強度下，堵塞２５％的情況相對來說對排水能力的影響較小，而堵塞程度越大，對管網排水能力的影響越顯著。

根據圖６ 可知，隨著重現期的增大，雨箅子在不同堵塞情況下的排口流量峰值均呈現上升的趨勢。進一步分析發現不同堵塞程度的排口流量峰值之間存在顯著的差異，差異的范圍在６．５％至１２０％之間（對應降雨重現期１～１００ ａ），揭示了雨箅子堵塞程度對管網排口流量峰值的具體影響。降雨重現期為１００ ａ 時，雨箅子未堵塞時的排口流量峰值是堵塞７５％情況下的２．２８倍，突顯了堵塞程度對流量峰值影響的嚴重性。隨著堵塞程度的提高，其對流量峰值的影響呈現增大的趨勢。

４ 結論

本文以陜西省西咸新區某排水分區為研究區域，構建了耦合ＳＷＭＭ 管網模塊和ＧＡＳＴ 模型的城市雨洪過程模型，開展了６ 種設計降雨重現期（１、２、５、１０、２０、１００ ａ）下的城市雨洪過程模擬，對比分析了排水能力對雨箅子堵塞程度的響應規律，主要結論如下：

１）基于ＧＡＳＴ 模型和ＳＷＭＭ 模型構建耦合一維管網和二維地表的城市雨洪過程數值模型，采用ＧＰＵ加速技術提升了計算效率，模型經兩場降雨驗證，納什效率系數分別為０．７１ 和０．８０，表明該耦合模型模擬精度較高，能準確模擬城市降雨徑流過程中的管網排水及地表徑流過程。

２）對比不同重現期下不同堵塞程度雨箅子對管網排水能力的影響，降雨強度越大，雨箅子堵塞對管網排水能力的影響也越大。在１００ ａ 一遇極端暴雨條件下，雨箅子堵塞２５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的８３％，過流能力降低１７％，雨箅子堵塞７５％情況下的過流能力是雨箅子未堵塞情況的４３％，過流能力降低５７％。在相同的降雨強度下，堵塞２５％的情況對排水能力的影響較小，而堵塞程度越高，對管網排水能力的影響越顯著。

３）隨著降雨重現期的增大，雨箅子在不同堵塞情況下的排口流量峰值均呈現上升的趨勢。不同堵塞程度的排口流量峰值之間存在顯著的差異，差異范圍在６．５％至１２０％之間（對應降雨重現期１～１００ ａ）。在降雨重現期為１００ ａ 的情況下，雨箅子未堵塞時的排口流量峰值是堵塞７５％情況下的２．２８ 倍，揭示了堵塞程度對流量峰值影響的嚴重性。隨著堵塞程度的提高，其對流量峰值的影響呈現增大的趨勢。

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【責任編輯 許立新】

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