任柯玮 马立山 杨国丽 张海平 郭林虎

(河北建筑工程学院 市政与环境工程系，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来，由于城市的快速扩张和老旧城区规划的落后，使得老旧城区内涝频发，现状雨水系统不能满足城市建设和居民生活[1].内涝灾害是城市化进程中急需解决的水问题之一，其根本原因是暴雨，而暴雨的强度、历时和过程分配都会对城市排水有重要影响[2].水文模型分析是研究城市内涝的一个重要方法，由于水文现象的复杂性，建立水文模型成为认识和理解水文现象的重要依据[3].因此老旧城区管网改造和减少城市内涝灾害经常采用雨水管网模型分析.

目前国内外对城市暴雨内涝机理与成因分析的研究主要是基于水文、水动力的方法，其中应用较广泛的有SWMM模型、Wall-ingford模型和MIKE模型[4-5].本文以谢岗镇内涝严重的老城区(中心区)为研究区域，基于ArcGIS平台建立了Mike Urban雨水管网模型，模拟不同雨峰系数和不同降雨重现期下雨水管网的排水过程，分析不同降雨对管网的影响并评估其排水能力，通过增加雨水调蓄池提高排水能力，为减少谢岗镇城市内涝提供依据.

1 区域概况与数据处理

谢岗镇位于东莞市东部，属于平原丘陵区，丘陵山地占全镇面积40%，平原占60%.受山地洪水汇流较快和平原埔田排水较慢的影响，洪涝灾害常有发生.暴雨持续时间以一日为主，从降水量及过程特征分析，造成局部地区洪涝灾害的降水主要为短历时暴雨.谢岗镇属于湿润地区，一般为蓄满产流，当雨强大于5 mm/h即产流，而且由于河涌坡降较陡，汇流较快.

本文收集资料主要为CAD地理高程数据、排水管网图和土地利用图等，统计谢岗镇往年内涝资料，主要易涝区有15个，大部分集中在谢岗镇老城区(中心区)交通要道沿线.根据《东莞谢岗镇总体规划修改(2016～2020年)》，中心区现状城市建设用地以工业和居住为主，建设密度大、硬质化程度高且缺乏公共绿地.本文以中心区为研究对象建立Mike Urban排水管网模型，有280个检查井、281根雨水管道和73个出水口，根据检查井的泰森多边形位置关系划分子汇水区后的Mike Urban雨水管网模型如图1所示.

图1 Mike Urban排水管网模型

2 研究方法

Mike Urban管网内涝模型主要分为降雨径流模拟和管流模拟两个阶段，在第一阶段的降雨径流模型有时间面积曲线模型、单位水文过程线模型、线性水库模型和非线性水库模型四种模型，本文采用简单常用的时间面积曲线模型(T—A曲线模型)模拟降雨径流过程.

第二阶段的管流模拟中的水动力模型将管网中的水流视为非恒定流，用一维圣维南方程组来计算，并利用Abbott六点隐式差分交替格式求解方程组的数值解[7].一维圣维南方程组是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，方程如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

式中：Q为管道流量(m3/s)；A为过水断面面积(m2)；x为管道长度(m)；t为时间(s)；g为重力加速度(m/s2)；h为管道水位深度(m)；S0为管道坡度；Sf为水力坡度.

3 模型参数确定与验证

利用Mike Urban将地形数据和管网数据结合排水节点的泰森多边形位置关系概化出280个子汇水区，子汇水区的不透水率计算结合《室外排水工程设计规范》(GB50014-2006)(2016年版)和谢岗镇中心区实际情况，分解的五种下垫面不透水率参数设置如下：屋顶与铺装(90%)、道路(80%)、绿地(20%)、裸地(10%)和水体(0%).Mike Urban降雨径流模型中结合谢岗镇中心区下垫面硬质铺装较多的实际情况和前期调研成果，确定模型参数如下：降雨初期损失为0.5 mm，流域产流后的水文衰减系数为0.9，汇流时间为5～15 min，模拟降雨时间为24 h，Mike Urban管网模型采用动力波方程计算.

为了保证模型参数的准确性，本研究选择谢岗镇2015年5月6日和2015年5月20日两场实际降雨对模型进行验证分别得到9个易涝点和2个易涝点(如图2所示).将模拟得到的内涝点和谢岗镇历史内涝点分布情况进行比较，模拟出现的积水区域与中心区内涝点分布基本吻合，模型可用于中心区内涝问题的研究.

图2 易涝点分布情况

4 降雨雨型设计

降雨条件直接影响Mike Urban模型中降雨径流模型产汇流的水文过程，从而影响着整个排水系统的模拟过程.本文通过往年实测降雨资料与暴雨强度公式结合的方式设计出不同雨峰系数和不同重现期下谢岗镇24 h降雨过程.采用谢岗镇雨量资料(1978年～2008年)，将实测历年最大日暴雨量乘以1.1换算为最大24 h暴雨量，按P—Ⅲ型曲线进行适线分析，得谢岗镇多年平均最大24 h降雨量为150 mm，CV=0.4，CS/CV=3.5.计算得频率P=2%、5%最大24 h暴雨量分别为312.4 mm、266.3 mm.

设计雨型基于东莞市暴雨强度公式并采用广泛运用的芝加哥雨型进行过程分配，参考国内外大部分地区的雨峰系数r值并结合谢岗镇往年降雨资料，设计雨峰系数r为0.2、0.35、0.5和重现期T为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨历时24 h下的芝加哥雨型降雨过程线.雨量计算采用东莞市暴雨强度公式：

(3)

式中：q为暴雨强度(mm/min)；P为重现期(a)；t为降雨历时(min).

设计P=5%降雨过程线如图3所示，对比实测资料成果与设计降雨过程线成果，实测成果较大，根据暴雨强度公式推算的降雨量为262.55 mm，比P—Ⅲ型曲线推算的降雨量小1.4%，误差很小，设计暴雨强度公式推算值可靠.

图3 P=5%时三种r值的芝加哥暴雨过程线

5 模拟结果分析

5.1 降雨径流分析

通过降雨径流模型模拟集水区径流过程，能够得到每个集水区产汇流在每个时刻的流量速度分布情况，并统计出每个集水区的累积流量.Mike Urban降雨径流模型通过加权平均计算出每个集水区的降雨径流系数，如图4所示，可以看出中心区径流系数较大的区域主要分布在中部.对比区域下垫面分布情况，中部区域建筑小区密集，地面以不透水铺装为主，自然水循环能力弱，主要是通过雨水管道将降雨径流排出集水区；对比历史易涝点，中部区域也是内涝频发的区域.

图4 集水区径流系数统计

5.2 现状管网分析

Mike Urban管网模型将不同降雨重现期和雨峰系数下的降雨径流结果作为管流模型的边界条件输入，可以得到管道水流在每个时刻的水位、流量和速度分布情况.本文通过模拟12场降雨条件下的管道水流情况分析不同降雨雨峰系数和降雨重现期对城市内涝的影响情况，以不同降雨条件下都能良好运行的检查井Node_173为例分析水位变化.降雨重现期为2a时不同雨峰系数r的水位变化如图5所示，不同r值下峰值水位的变化很小，随着r值增大只有略微增长；雨峰系数r为0.35时不同降雨重现期T的水位变化如图6所示，降雨重现期T对峰值水位的影响很大，随着降雨重现期的增大峰值水位也明显增大.

图5 T为2a时不同r值下水位变化

图6 r为0.35时不同T值下水位变化

由于雨峰系数对管道水位变化的影响很小，本文主要考虑不同降雨重现期下的管网易涝情况对管网排水能力进行评估.通过Mike Urban统计现状管网在雨峰系数0.35时的不同降雨重现期下内涝积水深度，将雨水井积水深度NF分为五种风险等级：无风险(积水深度小于0 m)、较低风险(0～0.2 m)、中等风险(0.2～0.5 m)、较高风险(0.5～1 m)和高风险(大于1 m)，统计结果如表1所示.同时统计各管道充满度PF，当PF小于等于1时认为管网无需改造，当PF大于1时即认为管道排水能力不足，可以进行改造，统计结果如表2所示.根据统计结果可以看到谢岗镇中心区雨水管网排水能力在降雨重现期为2 a时不会有高风险区域，但是在10 a到20 a时高风险区域迅速增加，极易引发城市内涝，而造成雨水管道溢流的主要原因是管径偏小和汇水面积较大.

表1 不同重现期下积水深度风险点统计结果

表2 管道充满度PF统计结果

5.3 改造措施分析

由上述统计结果可以看出谢岗镇中心区勉强能满足降雨重现期为2a时的排水能力，为了改善现状管网的排水能力，使雨水管网能满足10年一遇降雨情形，现提出改造措施，增加4座小型地下调蓄池如表3所示，分布情况如图7所示.

表3 规划雨水调蓄池表

图7 管网改造措施分布

模拟降雨重现期为10 a和20 a下改造前后的排水管网运行情况，如图9所示可以发现高风险区域在10年一遇的降雨条件下已经没有了，即使遭遇20年一遇的降雨排水系统也只有两个高风险点，和改造前下相比大大降低了高风险点的出现.因此改造措施效果良好，能将雨水管网排水能力提高到10年一遇降雨情形，在应对更高强度降雨时仍然能较好运行，能大大降低城市内涝形成的风险，对谢岗镇中心区的雨水管网改造有很好的指导作用.

降雨重现期10a下管道易涝点改造前后对比

降雨重现期20a下管道易涝点改造前后对比

通过查看增加雨水调蓄池前后管道水位变化图，分析增加调蓄池对管道水流的具体影响，以10年一遇降雨条件下3#调蓄池下游管道Link_180和检查井Node_225为例，如图9所示.增加调蓄池后管道峰值水位有明显下降，但下降在一个时刻趋势突然减缓，此时认为调蓄池储存的雨水开始向管道释放减缓了管道水位下降的趋势；检查井水位差值变化在开始处有个小的向下波折，此时认为调蓄池刚有水流流入，此后的向下波折时开始蓄水，向上的波折时开始排水，峰值水位减小接近0.06 m.由此证明调蓄池可以调节管道流速，降低排水系统的负荷，但调蓄池只能缓解管道排水压力，要想从根本上解决城市内涝问题还需要从源头控制径流量.因此要解决内涝灾害应多采用LID措施来恢复水自然循环能力.

图9 增加调蓄池前后管道水位和检查井水位差值变化

6 结 论

谢岗镇中心区为典型的老城区，雨水系统较为落后，本文使用Mike Urban模拟谢岗镇中心区在不同降雨重现期和不同雨峰系数下的雨水管网模型，分析降雨对排水系统的影响，评估现状排水系统的排水能力，对管网进行改造使其满足10年一遇降雨情形的排水能力，并分析改造措施对排水管道的影响，为老城区的排水管网改造提供一定借鉴.分析结论如下：

(1)谢岗镇中心区中部区域建筑小区密集，地面以不透水铺装为主，导致径流系数较大，不有利于水自然循环，降雨时排水管网负荷较大.

(2)雨峰系数r值对峰值水位的影响很小，随着r值增大只有略微增长；降雨重现期对峰值水位的影响很大，随着降雨重现期的增大峰值水位也增大.

(3)现状排水管网排水能力勉强满足2年一遇的降雨排水，对更高强度的降雨排水能力不足，尤其遭遇20年一遇的暴雨极易引发城市内涝灾害，分析易涝原因主要是管径较小和汇水面积较大.

(4)本文通过增加雨水调蓄池能有效改善排水系统的排水能力，将排水能力提高到10年一遇降雨重现期，但想从根本上解决内涝问题还需增加LID措施从源头控制，恢复水的自然循环.

(5)Mike软件在城市防涝规划中有广泛应用但是城市排水是个很复杂的过程，地表的影响很大，本文未考虑河流对产汇流的影响以及出水口对河流的影响，在未来还需加强在复杂地形环境的研究，使模型模拟效果更准确，为管网改造提供更好的方案.