錢棟

[摘要]城市防澇規(guī)劃是保證城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行與居民人身財(cái)產(chǎn)安全的一項(xiàng)艱巨任務(wù)，合理有效的選擇城市防澇研究方法尤為重要。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型對于研究實(shí)際問題的重要性越來越凸顯，在城市內(nèi)澇規(guī)劃中，數(shù)學(xué)模型具有全面反映研究區(qū)域基本情況、節(jié)省時(shí)間等特點(diǎn)。本文介紹了我國城市內(nèi)澇發(fā)生的主要原因，分析了數(shù)學(xué)模型用于城市防澇規(guī)劃的可行性性，重點(diǎn)總結(jié)了SWMM模型、MIKE模型、Infoworks模型的基本原理以及應(yīng)用情況，最后分析現(xiàn)階段數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決方法。

[關(guān)鍵詞]數(shù)學(xué)模型；城市防澇規(guī)劃；原理；實(shí)際應(yīng)用 文章編號：2095-4085（2018）04-0011-02

1 城市內(nèi)澇原因

1.1 城市發(fā)展方面

城市的發(fā)展必然會對城市原有的地面進(jìn)行大范圍的擾動開發(fā)，導(dǎo)致城市下墊面性質(zhì)發(fā)生巨大改變，使得城市硬化路面屋面增多、綠地率減小、水域面積縮小、原有匯水分水線發(fā)生改變。在相同的降雨情境下與城市開發(fā)前的水文特點(diǎn)相比，城市開發(fā)后更易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生地表徑流，洪峰極值遠(yuǎn)大于開發(fā)前的城市，且發(fā)生洪峰流量的時(shí)間也大大提前。城市原有自然匯水流域的分水線的改變，造成城市降雨積水直接流向低洼地帶，導(dǎo)致了城市內(nèi)澇的發(fā)生。

1.2 降雨模式改變方面

近幾年我國的降雨模式已經(jīng)發(fā)生改變，暴雨、大雨日數(shù)增多，降雨的集中度增多，在雨季常出現(xiàn)高強(qiáng)度短歷時(shí)的極端降雨。相同的降雨總量情況下，長歷時(shí)低強(qiáng)度的降雨對地表的沖刷效應(yīng)較弱，更多的降雨會就地下滲，而短歷時(shí)高強(qiáng)度的極端降雨對地表的沖刷效應(yīng)較強(qiáng)，雨水下滲量減小更易產(chǎn)生地表經(jīng)流。

1.3 城市排水規(guī)劃方面

與《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）版規(guī)定的一般地區(qū)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5～3a相比，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）2014版將一般地區(qū)的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范提高到2～5a，但是與發(fā)達(dá)國家相比我國的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期仍然偏低。根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式的表達(dá)式（如公式1）可知，若排水系統(tǒng)采用較低的重現(xiàn)期，直接會導(dǎo)致設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度值偏小，從而會使設(shè)計(jì)雨水量減小，導(dǎo)致排水管道的設(shè)計(jì)管徑偏小。

1.4 排水設(shè)施運(yùn)行維護(hù)方面

排水設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)是迅速排走地面積水的保障，后期若運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)會導(dǎo)致城市局部積水內(nèi)澇發(fā)生。垃圾進(jìn)入排水管道、管道沉泥淤積等現(xiàn)象如果不及時(shí)進(jìn)行清掏處理，會導(dǎo)致排水系統(tǒng)的排水能力下降。

2 城市內(nèi)澇研究方法

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估主要有三種常用的方法，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、指標(biāo)體系法、數(shù)學(xué)模型法。城市內(nèi)澇研究方法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法是基于城市內(nèi)澇數(shù)據(jù)對未來城市內(nèi)澇規(guī)劃預(yù)測的一種方法，該方法最大的缺點(diǎn)是歷史資料的可靠性與完整性不能保證。指標(biāo)體系是一種操作簡單的對城市內(nèi)澇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的方法，該方法預(yù)測準(zhǔn)確度的主觀性較大。

3 數(shù)學(xué)模型在城市防澇規(guī)劃中的應(yīng)用

3.1 SWMM模型

SWMM軟件是由美國環(huán)保屬開發(fā)，主要用于模擬地表產(chǎn)流、徑流、管道水流狀態(tài)、污染物沖刷等方面的數(shù)值模擬。SWMM軟件主要有水文模塊、水力模塊和水質(zhì)模塊組成，水文模塊可以模擬地表產(chǎn)流與匯流，水力模塊采用運(yùn)動波方程、動力波方程或恒定流方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以模擬管道水流狀態(tài)、蓄水和處理單元等，水質(zhì)模擬模塊通過建立污染物累積模型和污染物沖刷模型來模擬地表徑流中污染物的沖刷、增長規(guī)律。

鑒于SWMM模型的諸多優(yōu)點(diǎn)，SWMM模型被廣泛用于城市雨洪過程與城市內(nèi)澇規(guī)劃方面。盧辛宇等川對江西省南昌市青山湖地區(qū)的排水管網(wǎng)、明渠、城市道路等進(jìn)行概化，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際地形等資料，將模擬區(qū)域離散成280個(gè)子匯水流域，290段管道，290個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及3個(gè)排放口。根據(jù)應(yīng)用成功的工程案例，確定模型所需要的各種參數(shù)，采用峰值相對位置為0.4的芝加哥雨型，以南昌市1a，2a，5a，10a， 50a一遇的降雨為設(shè)計(jì)暴雨對青山湖地區(qū)進(jìn)行內(nèi)澇積水模擬。不同重現(xiàn)期下的節(jié)點(diǎn)溢流模擬結(jié)果表明，溢流峰值隨著降雨重現(xiàn)期變大而增大；發(fā)生溢流節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)也隨重現(xiàn)期的變大而增多，當(dāng)降雨重現(xiàn)期分別為1a，2a，5a，10a，50a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比分別為11.8%，14.2%，16.6%，18.3%，22.8%。研究區(qū)域最大積水深度和積水面積模擬結(jié)果表明，降雨重現(xiàn)期分別為1a，2a，5a，10a，50a時(shí)，區(qū)域最大積水深度分別為0.12m，0.18m，0.32m，0.43m，1.06m，總積水面積分別為76.34hm2，103.43hm2，144.92hm2，178.3.31hm2，238.12hm2。其模擬結(jié)果直接用于指導(dǎo)南昌市青山湖區(qū)的防澇規(guī)劃。

3.2 MIKE模型

MIKE軟件是由丹麥水資源及水環(huán)境研究所開發(fā)的用于模擬水資源與水環(huán)境方面的軟件，該軟件涉及的范圍非產(chǎn)廣，涉及到降雨、產(chǎn)流、匯流、河流、城市、河口等，包括一維軟件、二維軟件和三維軟件。李帥杰[2]采用MIKE系列軟件構(gòu)建吉林省集安市的雨洪模型，對集安市城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬以輔助該市的防澇規(guī)劃。使用MIKE FLOOD與MIKE UR-BAN系列軟件構(gòu)建研究區(qū)域的數(shù)學(xué)模型，以集安市匯水流域的分水線為模型的邊界線，對研究區(qū)域進(jìn)行規(guī)則化網(wǎng)格離散處理。以集安市1990-2012年總計(jì)23a的實(shí)測降雨數(shù)據(jù)為降雨邊界條件，以集安市江河的設(shè)計(jì)水位為水位邊界條件，根據(jù)集安市的地貌特征輸入模型的基本參數(shù)與物理參數(shù)，對集安市2a，5a一遇3h的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析。參考國外城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級的劃分方法，對集安市的內(nèi)澇劃分為四個(gè)等級，通過模擬得到了不同降雨重現(xiàn)期、不同風(fēng)險(xiǎn)等級下城市內(nèi)澇的面積，為集安市制定城市內(nèi)澇規(guī)劃提供了合理的依據(jù)。

3.3 Infoworks模型

Infoworks Collection Systems簡稱Infoworks CS，屬于Infoworks系列軟件，可以仿真模擬城市水文循環(huán)、排水管網(wǎng)優(yōu)化等。Infoworks CS可以模擬城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生，一維模型可以預(yù)測積水位置與積水深度，二維模型可以模擬積水在在地表的形成與消退過程。Infoworks CS建模所需要的數(shù)據(jù)包括排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、研究區(qū)域下墊面數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水力數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。Infoworks CS軟件包括九個(gè)計(jì)算模塊，分別為降雨一徑流模塊，排水管道旱流模塊，管道水力模塊，污水處理廠模塊，河流模塊，水質(zhì)模擬模塊，RTC實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，二維洪水圖模塊以及SUDS模塊。

北京市西郊香山地區(qū)沒有建設(shè)完善的雨水排水系統(tǒng)，降雨發(fā)生后所產(chǎn)生的地表徑流只能沿著道路排走，這對該區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。宋翠萍等[3]基于Infoworks CS軟件對香山地區(qū)建立雨洪模型，用降雨重現(xiàn)期分別為50a，100a的設(shè)計(jì)暴雨對香山區(qū)道路的排水過程以及水深進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬獲取了不同降雨重現(xiàn)期下不同降雨歷時(shí)下的道路積水深度的變化情況，為香山區(qū)防洪規(guī)劃的指定提供了一定的借鑒依據(jù)。

4 存在的問題與建議

由于國內(nèi)對城市防澇數(shù)學(xué)模型的研究起步較晚，對模型的認(rèn)識存在一定的不足，在實(shí)際建模過程中主要存在以下幾個(gè)問題。（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善。（2）模型結(jié)果難驗(yàn)證。（3）缺乏建模數(shù)據(jù)共享平臺。針對以上不足提出以下三點(diǎn)建議。（1）完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）加強(qiáng)對模型的深入研究。（3）建立城市基本數(shù)據(jù)共享平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧辛宇，詹健，韓玉龍.基于SWMM的南昌青山湖片區(qū)內(nèi)澇積水模擬[J].人民長江，2017，48（6）：8-10.

[2]李帥杰.數(shù)學(xué)模型在城市排水防澇綜合規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中國給水排水，2017，（15）：98-103.

[3]宋翠萍，王海潮，尚靜石.InfoWorks CS在北京香山地區(qū)應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù)，2014，45（7）：13-17.