刘 畅，周玉文，赵 见

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

城市的某些特定地点，如立交桥、地下通道、铁路桥，由于其地势坑洼、地下管道陈旧，设计标准低，当遭遇强降雨时往往成为最容易发生积水的地方。

城市暴雨积水内涝模型的建立是一个对水灾害进行数学描述的过程，它科学准确地分析了降雨径流、城市管网排水和积水漫流的整个系列过程，同时也成为了城市排水管网设计、规划、改造的有力工具［1-4］。

本文通过北京GQM桥区防洪工程数学模型实例的构建，介绍通过InfoWorks ICM模型技术来防治城市内涝这一思路，且通过分析GQM桥“7·21”内涝模拟结果与内涝现状，来探讨普遍的下凹式立交桥积水原因［5］。

1 桥区基本情况

GQM铁路桥是两广路下穿现状京山铁路的下凹式立交桥，下凹长度约为546m，面积约3.3公顷，检查井约300座。GQM桥雨水泵站位于崇文区夕照寺街铁路立交东北侧，设计流量为2.2m3／s，设计重现期为2a，进出水管径均为1 400mm，下游直接排入东护城河。桥区内有现况DN 3 400 mm×1 750mm～DN 4 000mm×1 500mm东西走向雨水主干管，向东排入东护城河。

2 建模基础数据准备

构建InfoWorks ICM内涝模型需要如下几种基础数据：CAD数据，用于确定模型管网系统以及各构筑物的属性；GIS数据，作为CAD数据不完善时的补充数据来源；勘察测绘高程数据，用于生成二维地表模型并进行加密处理；现场勘查数据，确保模型网络以及参数与实际相符。

GQM桥属性数据主要有：1）管段、节点属性数据缺失；2）管段结构存在缺陷，如逆坡、错位等。

经复查设计图纸以及应用推断方法对缺失数据进行合理化推断，如根据上、下游检查井井底高程推断井底高程，根据附近CAD高程点推断井面高程等。虽然推断数据存在不确定因素，但由于数量较少或符合施工图纸，对模型造成的误差在允许范围内。

3 InfoWorks ICM模型建立

完成管网基础数据的准备工作后，可建立GQM桥的一维管网模型和二维地面高程模型。一维管网模型可以模拟管网的排水情况和检查井的冒水情况，即“哪儿冒水”；二维地面高程模型可以用于地表水汇流的模拟，即“水往哪儿去”。

3.1 建立桥区一维模型

3.1.1 确定桥区一维模型边界

一维模型边界范围内应包含所有对桥区水力分析有影响的管线的服务范围。根据现有CAD以及现场勘察管道以及水力构筑物数据，向上、下游追踪找到管道起始点或者能够划分合理的分界点，并结合GQM桥区实际地形以及实际汇水情况和雨水口的汇流能力，来确定建模范围。最终确定GQM桥区模型的上游边界为安化楼大街，下游为东护城河出水口（见图1）。

图1 GQM桥区模型区域示意Fig.1 Schematic diagram of GQM area in model

3.1.2 一维模型参数设置

GQM桥区的一维模型的管网系统包含排水管线、检查井、雨水篦子、出水口和雨水泵站。对于管道的参数选择，一般排水管道曼宁值为0.013，但由于GQM桥区排水管网建成时间较长，管道粗糙度略变大，故取曼宁值为0.014。以储水池来表示雨水泵站的泵站前池，通过设置设计流量来表示每台泵的排水量。开停泵水位等泵站信息按照记录信息在RTC中进行设置，检查井与雨水篦子的洪水类型设置为stored。

确定桥区一维模型边界后进行汇水区的划分，要考虑不同的用地属性来划分不同的大区域，再在大区域上采用泰森多边形法自动进行汇水区的细划分。汇水区产流的模拟采用霍顿渗透模型与固定径流量模型。根据用地属性的不同设置低区汇水区不同的产流参数，而高区汇水区则采用综合径流系数法。对于汇水区的汇水模拟，采用SWMM汇流模型，不同的下垫面汇流曼宁系数分别是：绿地0.02，道路0.014，铺砖0.015，综合0.018。

3.2 桥区二维模型的构建

3.2.1 建立道路数字高程模型（DEM）

高精度城市下凹式立交桥数字高程模型（DEM）对于内涝模型十分重要。将DEM高程模型与排水模型模拟所得的积水量数据相结合，可以更加准确直观地进行积水的淹没分析。

制作DEM所用到的原始高程点数据来自GIS数据和勘察测绘高程数据，利用有限的高程数据生成的路面DEM模型的起伏状况与实际情况有很大差别，路面粗糙不平整，不满足道路平缓起伏的设计特点，因此，还需对道路边线及道路内部高程数据进行加密处理，从而提高模型精度。

提取GIS图层中的道路边界作为背景底图，手工加密道路边线和一些特殊点高程（如边坡点）。由于测量数据所给高程不一定位于道路边线上，而是分散在道路面上。需在一段道路面内寻找典型的横纵断面，并拟合此横纵断面内原始的高程点，可利用CAD中偏移、定距等分、复制等功能对道路边线分割，并结合ArcGIS的拓扑功能快速生成加密点，输入拟合曲线高程数据［6］。直接采用地面测量数据生成的DEM（图2a））因为数据分布不规则和数据量的限制，模型内部呈锯齿状分布，与真实情况不符；采用拟合曲线方法对测量数据处理并加密之后生成的道路DEM模型（图2b））路面平缓，且坡度和拱度使路面起伏更逼真，模型精度大幅度提高。

图2 地面高程修正前后效果图Fig.2 Effect before and after correction of ground elevation

3.2.2 二维模型参数设置

建立二维模型首先要搭建2D区间，而2D的范围应等同于数字高程模型（DEM）的范围。建立好2D区间后需要网格化2D区间来建立完整的二维模型，2D网格化后的地面模型（DEM）便可模拟准确的地面雨水汇流过程与积水情况。设置2D区间内低水区的检查井的洪水类型为gully 2D，其他区域设置为2D。gully 2D雨水口可以更加准确地描述雨水篦的泄水能力。具体的gully 2D雨水口相关水力参数见图3。

图3 gully 2D雨水口相关水力参数Fig.3 Parameters of gully 2D

3.3 桥区模型的校核

模型校核以构建的模型为基础，利用雨天和旱天的实测数据对建模区域内的雨水管网、污水管网、合流制管网、汇水区、2D区间内的水力参数进行验证与修改。雨天校核主要修正的是雨水管网、合流式管网的水力参数；旱天校核主要修正合流式管网和污水管网的水力参数。

3.3.1 桥区校核标准

1）旱天校核标准

旱天模型模拟数据应和实测数据拟合后满足以下3个标准：①谷值和峰值之间的时间差应在1h以内；②峰值流量的相对误差为10%～-10%；③总流量的相对误差为10%～-10%。

2）雨天校核标准

雨天模型模拟数据应和实测数据拟合后满足以下3个标准：①在整个降雨事件中，峰值发生时间应相似；②明显的峰值流量的相对误差应控制在25%～-15%；③总流量的相对误差应控制在20%～-10%；④在管道满流的情况下，管道内水深差为0.5～-0.1m。

校核的目的是基于实测数据，调整多个模型参数，从而使得模型的数据结果和实测数据达到拟合结果标准。在实际工程中，没有对实测数据评估、忽略测量时出现误差的情况下，应避免强制校核。

3.3.2 桥区校核数据的收集和评估

实测数据是桥区校核的基础，因此正确的测流方案是模型校核的关键。监测点的位置原则上集中在主干管、排水口、特殊位置点的上下游（如泵站）等。GQM桥区测流共布置了8个监测点（安装流量计）来监测高、低水系统的水量流速数据，在东护城河出水口处布置了1台液位计，桥区泵站中的雨量计收集降雨数据。

实测数据的评估需满足以下几点：①实测的流速数据与水深数据间的相关性良好；②选取的雨天实测数据曲线应表现一场雨自始至终的变化，而不是一场雨的一段时间；③实测的合流管道和污水管道在旱天的数据在24h内的变化曲线应有明显的谷值和峰值。

图4为2013-06-30到2013-07-01雨水管上监测点2监测的雨天数据，可以体现一场雨的完全变化过程且谷值峰值明显，可以用作模型校核。本次监测有效时间段为6月30日00：00至7月1日24：00，共计48h。

图4 监测数据Fig.4 Measured data

3.3.3 旱天校核、雨天校核

1）旱天校核

在评估旱天实测数据的有效性的基础之上，对桥区排水系统的污水管线与合流制管线进行旱天校核。旱天校核主要调整的参数为管道服务区域人口数、变化系数和污水当量、管道参数（曼宁值、管道沉积物深度等），当旱天模拟数据和旱天实测数据的拟合误差达到旱天拟合标准时，模型校核成功。由于GQM桥区排水系统无合流制管线与污水管线，故无需旱天校核。

2）雨天校核

在评估雨天实测数据的有效性的基础上，通过修正桥区系统中的管道参数、产流参数、汇流参数等，对GQM桥区的高、低水系统的雨水管线进行雨天校核，使得模型的模拟数据与实测数据达到雨天拟合标准。GQM桥区管道修正参数如下：管道沿程损失系数（管道曼宁数），由于排入东护城河的暗沟为混凝土材质且出口处垃圾较多，故由0.014调整为0.02；节点局部损失系数，建模时选取“normal”，由1.5调整为2.5。产汇流参数修正如下：道路径流系数，由0.85调整为0.8；综合径流系数，由0.6调整为0.55；模拟地表二维流动，地表粗糙系数采用曼宁公式，地表曼宁数按不同用地属性，经调整如下：道路由0.014调整为0.016，综合地表由0.018调整为0.02，空白铺砖由0.015调整为0.018。由图5可看出，参数校正后，模型模拟结果和实测数据深度、流量、流速都趋于拟合，满足雨天校核标准。表1为2013-6-30GQM桥区有效监测点的雨天校核结果。

图5 监测数据与模拟数据对比Fig.5 Comparison of measured data and simulated data

表1 GQM桥区模型雨天校核结果Tab.1 Result of storm flow verification in GQM area model

由表1综合评估分析：FM02点水文曲线拟合度较好，总流量与峰值流量趋于拟合，水深超过4.5 m时数据无法记录，数据不完整，导致峰值水深无法完全拟合，但水深数据的趋势可做拟合。FM03点水文曲线较为吻合，趋势、峰值流量与水深都趋于拟合，因为实测时流速出现不连续的情况，导致一些时间点流速为零，流量也为零，所以总流量模拟值大于实测值。FM05点水文曲线较为吻合，流速数据差，峰值水深模拟值大于实测数据，峰值流量与总流量难校核。

4 下凹式立交桥积水原因分析

4.1 高水区排水管道设计标准过低，造成大量客水汇入地区

以“7·21”降雨为例，由InfoWorks ICM 进行地表漫流二维模拟，可以看出在桥区设计低区范围外有大量客水汇入（见图6），造成了低区范围积水。

图6 GQM桥区客水范围Fig.6 Range of guest water in GQM area

由北京市排水集团提供的“7·21”当天的资料显示，夕照寺泵站“7·21”暴雨时运行正常，6点50分以后，由于南、东护城河洪峰逐渐形成，而GQM铁路桥区降雨强度此时并未减弱，形成雨洪同期，洪水位快速上涨至36.50m以上，高区雨水不能顺利依靠重力流排入东护城河，同时北至东花市大街（客水范围1），西至南花市大街（客水范围2），大面积客水进入GQM铁路桥区，模型模拟结果与实际情况相符。

4.2 桥区低水管道设计标准低及雨水口数量不足，造成雨水不能及时汇入泵站

利用“7·21”实测降雨，通过InfoWorks ICM模拟可以得到设计低区范围内各个雨水篦子的入流过程线，通过对各个雨水篦子入流过程线的叠加，得到低区范围内所有篦子总雨水入流过程线，再由网络结果多边形得到客水汇入设计低区的入流过程线，把客水汇入的入流过程线加上低区所有篦子的入流过程线，得到设计低区总的入流过程线。通过北京市排水集团提供的设计资料可以得到设计低区范围内共有雨水篦子323个，按照每个雨水篦子的设计标准15L／s流量计算，可以得到设计低区篦子的总设计入流能力4.845m3／s，通过与模型中得到的总入流过程线对比，可以得出由于雨水口数量不足和分布不合理，导致GQM桥区积水严重。

根据现场踏勘：GQM桥区二环主路道路低点共有雨水口44个，辅路有雨水口32个，共计76个。按每个雨水口15L／s的泄水量计算，进水量为1.14 m3／s，不满足“7·21”暴雨的设计进水量，需改造并增加雨水口数量；中轴路下穿铁路道路低点共有雨水口118个，按每个雨水口15L／s的泄水量计算，进水量为1.77m3／s，不满足“7·21”暴雨的设计进水量，需改造并增加雨水口数量。

下凹式立交桥积水原因总结：1）桥区内雨水口数量不足，布局不合理，造成雨水不能及时汇入泵站；2）桥区外和桥区内雨水管道设计标准偏低，造成客水汇入桥区；3）泵站设计标准偏低，且大量客水汇入造成泵站抽升能力不能及时应对极端暴雨。

5 结 语

1）高精度下凹式立交道路区域数字高程模型对地面汇流和桥区内涝模拟的准确性至关重要。下凹式立交桥积水原因之一是客水汇流进入桥区，高程处理不精确会影响客水量，进而模型失真。

2）桥区模型范围应考虑所有对桥区水力分析有影响的管网的服务范围。根据现有CAD，GIS以及现场勘察管道以及水力构筑物数据，向上游追踪找到管道起始点或者能够划分合理的分界点，并结合桥区实际地形以及实际汇水情况和雨水口的汇流能力。下游边界根据流域出水口的位置以及现有实测水位信息资料来确定建模范围。

3）实测数据是桥区校核的基础，关系到模型的准确性。应对实测数据进行合理性评估，不应过度信赖实测数据，避免强制性校核。

4）下凹式立交桥内涝改造工程应重点在增加桥区内雨水口数量，增大管道设计标准，提升泵站设计标准。

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