张旭兆，林蓉璇，徐辉荣，王鑫

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510635)

城市暴雨内涝与城市化进程中水文过程的异变密切相关。城市化导致热岛效应日趋显著[1]、土地硬化[2-3]、河水顶托、河湖侵占、排水管网设施滞后等问题是暴雨内涝的主要成因。

目前对城市暴雨内涝机理与成因分析的研究主要有三类方法：数理统计法采用长序列水文气象资料和历史灾害资料进行统计分析，该方法结果较为可靠，但长序列资料一般较难获取[4]；模型反演法采用历史影像资料分析城市下垫面变化，结合水文模型分析城市化对降雨产汇流的影响，该方法对发展变化不大的城市适用性较差[5]；情景分析法基于地形、管网和土地利用资料构建水文、水动力数学模型，根据暴雨、水位等边界条件的设定模拟暴雨洪水的传播过程，该方法计算精度较高，但计算复杂[5]。

欧美国家从20世纪60年代开始采用情景分析法，基于水文、水动力数学模型研究城市暴雨内涝机理，其中应用较广泛的模型包括SWMM模型、Wallingford模型和MIKE模型[6-7]。近年来，国内也逐渐采用MIKE、SWMM城市暴雨内涝模型对排涝系统进行研究与分析[8-9]，该方法在中国具有较大的应用前景。

目前关于建成区河涌流域的暴雨内涝模拟研究以及基于水文、水动力学模型对内涝成因的分析较少，而内涝灾害的频繁发生以及河涌对于防洪排涝的关键作用又使得此类研究意义重大[10]，为此本文以广州市越秀区东濠涌排涝片区为例，基于MIKE URBAN建立模拟管网排水流动、地面漫流、内河湖泊的涨退水及珠江涨落潮过程的城市暴雨内涝模型，采用2011年“10·14”暴雨和2014年“6·23”暴雨进行模拟计算与分析来验证模型的模拟效果，并通过模型初步分析了东濠涌排涝片区积水的主要成因，为城市内涝治理和内涝风险评估提供一定的参考。

1 区域概况

本次研究范围参考《广州市防洪(潮)排涝规划(2010—2020年)》，结合广州市1∶2000地形资料，划定东濠涌排涝片区[11]，包含东濠涌、新河浦涌和西濠涌的集水范围，即东起梅花村街道、西至西濠涌，南起珠江、北至广深铁路沿线，总面积约14.63 km2。研究区域范围见图1。

研究范围排水系统主要由市政排水管网，东濠涌、新河浦涌、西濠涌等主要内河涌，东山湖、东濠涌水闸、东山湖水闸，东濠涌泵站等排水设施组成。东濠涌上游为麓湖，麓湖以下的河长4.5 km，下游与东山湖相连，出口为珠江。区域附近有国家水文站点中大站，主要监测潮位及降雨，附近主要降雨测站有气象大楼站和少年宫站。

2 数据资料

2.1 地形数据

地形资料采用广州1∶2000地形图，得到10 m分辨率的DEM数据，见图2。研究区域高程的整体趋势为北高南低，东高西低。南部地势低洼，高程一般约为3～5 m，中部地区高程约为5～6 m，西部局部地区高为7～10 m，东部高程约为9～13 m，东北部地区为丘陵地区，高程约为15～25 m。

2.2 水系资料

研究范围内水系由3条河涌(其中西濠涌已改造成暗涵)、1个人工湖以及珠江前航道组成(图2)，水系的基本信息见表1。东山湖对东濠涌下游以及新河浦涌的蓄涝调峰起到重要的作用，其正常水面面积30.07万m2，蓄水量41.07万m3，根据调度原则，东山湖在汛期的调蓄水位为1.34 m。研究范围内各河涌和湖泊最终汇入珠江前航道。

表1 研究区主要河道信息

2.3 管网资料

越秀区为老城区，主要为雨污合流制。本次重点考虑500 mm以上管径的骨干管网和箱涵的排水能力，根据管道流向、管底高程、管径和坡降对其余管网进行合并。概化后的主干管网示意见图3。

2.4 降雨潮位资料

本文采用2场暴雨进行模拟研究。2011年“10·14”暴雨采用中大站实测暴雨过程，峰值出现在10月14日0点，为41.5 mm，最小值出现在10月14日3点，约4 mm。2014年“6·23”暴雨采用气象大楼站和少年宫站实测暴雨过程，峰值出现在6月23日18点，为35～45 mm。潮位过程采用中大站2011年“10·14”和2014年6月23—24日的实测潮位过程。

3 模型构建

3.1 一维河网模型

采用MIKE11构建一维河网模型[12]，模拟内河道行洪、湖泊的调蓄、外江潮汐涨落和水闸泵站的调度运行。

一维模型模拟的河道主要为东濠涌和新河浦涌。东濠涌上边界为麓湖出口，下边界为珠江前航道，下游通过新河浦涌与东山湖连通。区域内河涌出口处均设置有水闸或泵站。当珠江潮位高时，水闸关闭，泵站开启强排；当外江潮位低时，水闸开启自排，泵站关闭。

边界条件：珠江前航道各河涌出口采用中大站2011年“10·14”实测潮位过程作为边界条件，其他河流设置零流量边界。

水动力学参数设置：根据实际情况将初始水深设为0.74 m；根据研究区域水系河床特征，参考相关文献[7]，一维河网模型的河道糙率选取为0.03。模拟时间步长为5 s。

3.2 二维漫流模型

二维漫流模型基于MIKE21构建[13]，主要模拟管网溢出水流的漫流过程。

为较好地模拟城市街道细微地形，采用结构网格对研究区域进行剖分，网格大小为10 m×10 m，网格单元379 673个。本次基于1∶2000地形图获得地形高程，可较好地描述道路高程。为反映建筑物的阻水作用，对所有建筑物高程均拔高5 m。

模型参数设置：干湿深分别设为0.05、0.1 m；二维地表漫流模型的糙率按道路、绿地、建筑等不同下垫面情况分别取为0.035、0.05和0.06。

3.3 一维管网模型

一维管网模型基于MIKE URBAN构建[14]，以检查井为中心，按照泰森多边形法划分集水区，雨水就近汇入检查井。本文采用时间面积TA模式模拟降雨径流过程，将其作为管流的边界条件，采用MOUSE计算引擎计算管网水流运动过程。

根据黄国如等的研究[6]，径流系数等对径流量和洪峰流量的影响最大，地面坡度的影响因素最小。MIKE URBAN模型与之相对应的参数是不透水系数。本次一维管网模型根据1∶2000地形图确定下垫面分类，主要包括道路、绿地、建筑用地和水系等。各集水区根据不同的下垫面设置不透水率，见表2。

表2 越秀区不同下垫面类型不透水率

3.4 耦合模型

采用MIKE FLOOD将一维河网模型、二维漫流模型和一维管网模型进行耦合。一维管网模型中的排水人孔与二维漫流模型相应位置的计算单元进行连接。管网中的水流从人孔中溢出，在二维计算单元上漫流，或二维单元上的水流沿地势低洼处汇流至人孔并排入管网。一维管网模型中的排水出口与一维河网模型的断面进行连接。水流从管网出口流向河道，或受河道水位顶托回流至管网。

4 模型率定验证

4.1 模型率定

2011年10月13—14日，广州市发生严重的暴雨内涝，有109个区域自动站记录到100 mm以上降水，其中最大的是广州海珠区的广州第五中学，达319.8 mm，造成区域内34处以上地段严重内涝。

本次采用耦合的城市暴雨内涝模型对该场暴雨内涝进行模拟，计算越秀区东濠涌排涝片区地表积水情况，并与实测积水点进行比较，对模型进行率定。降雨过程采用中大站2011年“10·14”实测降雨，暴雨内涝模型的参数见模型构建小节。实测该场暴雨造成的越秀区主要积水点见图4，模型模拟与实测的各积水点的最大淹没水深见表3。从图4、表3可以看出，实测与模拟的内涝分布、最大淹没水深都较为接近，通过绝对误差和相对误差计算，其模拟精度基本符合要求，表明模拟结果与实测数据较为吻合。

表3 积水点最大淹没水深

监测点序号实测值/m模拟/m绝对误差/m相对误差P10.450.500.050.10P20.300.20-0.10-0.30P30.450.510.060.10P40.350.30-0.05-0.10P50.500.45-0.05-0.10P60.500.570.070.10P70.500.560.060.10P80.800.74-0.06-0.08P90.350.28-0.07-0.20P100.300.310.010.03P110.600.700.100.16P120.300.25-0.05-0.17P130.200.15-0.05-0.25P140.800.73-0.07-0.09

4.2 模型验证

采用气象大楼站和越秀区少年宫站2个雨量站的实测降雨作为管网降雨边界条件。该场内涝是由典型的短历时(1 h)强降雨引起，因此具有较强的代表性。珠江前航道各河涌出口采用中大站2014年6月23—24日实测潮位过程作为一维河网模型下边界条件。

图5为研究范围内模型验证的积水分布。广州市三防办一雨一报资料仅记录积水深度为0.3 m及以上的内涝点(图5中黑色三角形所示)。从图5可以看出，资料记录的积水点有5处，本次模拟的积水区域涵盖了资料记录的积水点。由于模拟出的其他内涝点的积水深度多数小于0.3 m，因此并不在一雨一报的资料记录范围内。本文采用图5中的5个内涝点的最大积水深度进行效果评估。表4为实测和模拟积水深度的对比，比较接近，通过相对误差和绝对误差计算，基本满足精度要求，表明该模型能较好地模拟城市暴雨内涝积水。

表4 2014年“6·23”暴雨最大积水深度

5 积水成因初步分析

越秀区内涝积水成因包括短历时强降雨、排水管网过流能力不足、部分地势低洼、河道和珠江水位顶托、湖泊调蓄容积不够等。本次以2011年“10·14”暴雨内涝为典型，基于城市暴雨内涝模型初步研究珠江潮水及河道水位顶托、湖泊汛期正常蓄水位变化对区域积水的影响。

研究区域暴雨过程与珠江涨潮过程一致，且当暴雨强度达到峰值41.5 mm时，珠江接近最高潮。本次考虑将潮位平移，使得暴雨强度大时，珠江前航道处于退水或低潮，见图6。经模型计算，潮位平移后的暴雨积水分布见图7。对比图4、图7可以看出，潮位过程平移前后的积水分布差异微小，平移前后的(最大积水深度，平均积水深度)分别为(0.800，0.158)和(0.802，0.157)，表明潮位顶托对该场暴雨内涝积水的影响很小。

东濠涌是研究范围内排水的主要通道。本文将东濠涌断面拓展到100 m来分析河道沿程水位对排水口的顶托作用。图8为东濠涌断面拓宽后的暴雨内涝分布。对比图4、图8可以看出，断面拓宽前后的积水分布相差不大，(最大积水深度，平均积水深度)分别为(0.800，0.158)和(0.799，0.158)，表明该场暴雨河道水位对排水口的顶托作用较小。

东山湖在汛期的调蓄水位为1.34 m，本次考虑降低调蓄水位至0.74 m，研究其影响。计算结果见图9，(最大积水深度，平均积水深度)为(0.801，0.158)，与图4较为一致，表明东山湖调蓄水位对本次内涝点的积水程度并无显著影响。

越秀区现状排水管网的排水能力一般为1～3 a。广州市排水重现期1、2、3 a的累计小时雨量见表5，其中3年一遇4 h的累计雨量为104 mm。图10为研究范围内现状排水管网遭遇3年一遇累计4 h雨量的积水分布。对比图4、10可看出，现状排水管网遭遇3年一遇4 h累计降水的积水范围要小于模型所模拟的2011年“10·14”实测暴雨的积水范围，这是由于在2011年“10·14”实测暴雨中，13日21时至14日0时累计4 h的暴雨量多达124 mm，远大于其市政排水能力。

表5 越秀区市政排水不同重现期累计小时暴雨量

因此，从以上分析可以看出造成研究范围内局部积水的主要原因是市政管网排水能力严重不足，因此建议进一步提升越秀区的管网排水能力，同时增加城市下沉式绿地、透水铺装等措施，减少地表径流从而提高雨洪的资源化利用。

6 结语

本文采用MIKE模型构建了能够模拟外江潮汐、内河涨退水、地面积水和管网排水过程的城市暴雨内涝数学模型。区域暴雨内涝的模拟结果与实测较为吻合，表明该模型能够较好地模拟复杂水文条件下的城市暴雨洪水传播过程。基于该模型分析了2011年“10·14”暴雨的内涝积水成因，结果表明该区域暴雨内涝受河水顶托、湖泊调蓄的影响较小，主要原因是排水管网能力不足，这与广州市的调查结果较为一致，表明该模型能较好地分析城市暴雨内涝成因。建议结合海绵城市建设，进一步提升越秀区的管网排水能力。