陳阿萍，柳楊，劉國慶，洪昕，范子武，楊陽，楊帆

(1.常州市防汛防旱調(diào)度指揮中心，江蘇 常州 213022；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；3.常州市河道湖泊管理處，江蘇 常州 213022)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，下墊面劇烈變化、流域產(chǎn)匯流規(guī)律改變、城市排水設(shè)施布設(shè)密度不足以及部分設(shè)施因服役時間長出現(xiàn)堵塞、斷裂、錯口等一系列問題，洪澇風(fēng)險的暴露度提高，城市的洪水災(zāi)害風(fēng)險上升[1-4]。

暴雨內(nèi)澇問題受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，而數(shù)學(xué)模型是計算分析城市暴雨內(nèi)澇的主要手段。國外利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行暴雨內(nèi)澇風(fēng)險分析技術(shù)已十分成熟[5-8]，其中，暴雨洪水管理模型(stom water management model,SWMM)、InfoWorks ICM等模型能夠精確模擬產(chǎn)匯流過程和洪水演進(jìn)過程，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛[9-14]：烏景秀等[15]采用水力學(xué)方法構(gòu)建景德鎮(zhèn)城區(qū)水力學(xué)模型，模擬計算了景德鎮(zhèn)市城區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致防洪墻潰決或城市暴雨可能發(fā)生的受淹和積水情況；陳靖等[16]以福州市城區(qū)地表和明渠河道為主要模擬對象，建立了福州城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型，該模型對長時間、雨強(qiáng)比較平均的降雨整體模擬效果較好；鄧金運(yùn)等[17]采用Mike Flood耦合模型分析了武漢市光谷中心城區(qū)在不同降雨、不同土地利用類型情景下的受災(zāi)面積，得出隨設(shè)計暴雨重現(xiàn)期增大，城市淹沒水深、分布范圍及相應(yīng)的受災(zāi)損失不斷增加，受災(zāi)面積增長率以交通用地、綠化用地最大，受災(zāi)損失增長率以交通用地、綠化用地、工業(yè)用地最為明顯；余富強(qiáng)等[18]通過耦合水文模型與二維水動力模型的方法，使得在模擬城市下墊面洪水淹沒情況的同時，又能使模擬達(dá)到較快的運(yùn)算速度。國內(nèi)外已有研究成果表明，利用數(shù)學(xué)模型模擬分析暴雨內(nèi)澇的相關(guān)研究比較常見，但構(gòu)建的模型可靠度差異較大，如何提高模型的模擬精度值得進(jìn)一步研究，且水文-水動力一、二維河網(wǎng)-管網(wǎng)耦合的精細(xì)化模型構(gòu)建也是今后的研究重點(diǎn)。常州市作為長三角地區(qū)重要平原城市，河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化率高，暴雨引發(fā)內(nèi)澇問題突出，對當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活造成一定影響，為此，以常州市主城區(qū)為研究對象，構(gòu)建水文-水動力一、二維河網(wǎng)-管網(wǎng)耦合的精細(xì)化模型，開展常州市主城區(qū)暴雨內(nèi)澇分析，為預(yù)估常州市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險、指導(dǎo)常州市防洪排澇決策提供依據(jù)，也為常州市城市發(fā)展與建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

常州市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，無霜期長，全年平均氣溫17.5 ℃，年平均降水量1 149.7 mm。歷史上地區(qū)災(zāi)害性降雨主要有梅雨型降雨與臺風(fēng)。常州市地形以平原為主，地勢西南高、東北低，包括金壇、武進(jìn)、新北、天寧、鐘樓5個區(qū)及溧陽1個縣級市，常州市主城區(qū)東臨丁塘港，南到京杭運(yùn)河，西靠德勝河，北至新龍河和滬寧高速公路，區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，主要河道有京杭大運(yùn)河、老運(yùn)河、南運(yùn)河、丁塘港、德勝河、古運(yùn)河、關(guān)河、橫塘河、老澡港河、北塘河等。

在上游湖西區(qū)來水和下游無錫、蘇州外排頂托的雙重影響下，京杭大運(yùn)河常州段水位屢超歷史水位，常州城區(qū)管網(wǎng)排澇能力不足的區(qū)域極易形成內(nèi)澇積水。中華人民共和國成立后，常州市從1951年到2014年的64 a中，經(jīng)歷特大水年2 a(1954年、1991年)、大水年6 a(1969年、1974年、1983年、1987年、1999年、2003年)，2015年、2016年常州再次經(jīng)受歷史罕見洪澇災(zāi)害，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。為減輕防洪壓力，常州市主城區(qū)內(nèi)建立了大包圍控制(即運(yùn)北大包圍，以下簡稱大包圍)，節(jié)點(diǎn)樞紐工程包括澡港河南樞紐、老澡港河樞紐、永匯河樞紐、北塘河樞紐等，運(yùn)北片大包圍區(qū)域一級排澇泵站13座，裝機(jī)流量353.60 m3/s，二級排澇泵站19座，裝機(jī)流量95.64 m3/s，三級排澇泵站37座，裝機(jī)流量95.32 m3/s。城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)總體達(dá)到100 a一遇，城市中心達(dá)到200 a一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇最大24 h降雨不漫溢。主城區(qū)水系及工程分布見圖1。

圖1 常州市主城區(qū)水系及工程分布

2 精細(xì)化數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 構(gòu)建思路及范圍

為能夠準(zhǔn)確模擬常州市主城區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險情況，本文按照離散化建模規(guī)則，基于具有模擬城市地下管網(wǎng)、城市河網(wǎng)、降雨產(chǎn)匯流、堤防潰決等功能一體化數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件InfoWorks ICM，根據(jù)常州市主城區(qū)地形、河道水系、地下管道、水利工程、工程調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建常州市主城區(qū)水文-水動力一、二維河網(wǎng)-管網(wǎng)耦合模型，本文構(gòu)建的模型范圍覆蓋常州市主城區(qū)179.2 km2。

模型模擬過程主要由3個部分構(gòu)成，即降雨過程模擬、地面徑流過程模擬和管網(wǎng)匯流過程模擬。降雨過程模擬降雨事件發(fā)生時的降雨過程線，地面徑流過程模擬降雨事件發(fā)生后匯水區(qū)發(fā)生的洼地蓄水、入滲和蒸發(fā)等徑流損失的地面產(chǎn)匯流過程，管網(wǎng)匯流過程模擬雨水匯流進(jìn)入排水管渠輸運(yùn)到受納水體(河道、湖庫等)的過程。

2.2 城市河網(wǎng)-管網(wǎng)一體化模型

2.2.1模型原理

水文模型。用于城市/流域匯水區(qū)的地表降雨徑流計算，InfoWorks ICM提供固定徑流系數(shù)，Horton、Green-Ampt、SCS等徑流模型，以及Wallingford、Large Catch、SWMM、Unit等匯流模型。另外，ICM中還可考慮將降雨直接作用在地面上，根據(jù)地面模型考慮土地性質(zhì)、下滲、蒸發(fā)等因素的影響，形成徑流，并排入到排水管網(wǎng)系統(tǒng)中。

管流模型。采用完全求解的St.Vennant方程模擬管道和明渠流，對于超負(fù)荷的模擬采用Preissmann Slot方法，能夠仿真各種復(fù)雜的水力狀況。利用貯存容量合理補(bǔ)償反映管網(wǎng)儲量，避免對管道超負(fù)荷、洪災(zāi)錯誤預(yù)計。各水力設(shè)施真實(shí)反映水泵、孔口、堰流、閘門、調(diào)蓄池等排水構(gòu)筑物的水力狀況。

水動力模型。一維河道(河網(wǎng))的洪水運(yùn)動用St.Vennant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量-水位關(guān)系控制等形式。由St.Vennant方程、邊界條件和初始條件同組成一維洪水運(yùn)動的定解問題。一維河道(河網(wǎng))非恒定流的基本方程是一組擬線性偏微分方程組。本次采用水動力學(xué)有限差分法直接求解St.Vennant方程組的數(shù)值解。二維模型是一個更快、更準(zhǔn)、更詳細(xì)的地面洪水演算模型。根據(jù)地面高程模型，并考慮道路、建筑物等對水流的引導(dǎo)和阻擋作用；考慮地面上不同類型地塊的糙率對流速的影響，如道路、草地等；考慮地面的下滲作用(Horton模型)；考慮根據(jù)關(guān)注程度設(shè)定不同精度的網(wǎng)格；考慮湖泊、河道等水位邊界，模擬出洪水在地面上行進(jìn)的過程。本次采用守恒型式的淺水波方程作為二維洪水運(yùn)動的控制方程，采用水力學(xué)方法二維有限體積法求解淺水流方程。一、二維耦合模型中一維河網(wǎng)模型與二維地面模型是通過河道堤防設(shè)置的“溢流單元”上的連接條件來實(shí)現(xiàn)模型耦合的，選定側(cè)堰流公式來實(shí)現(xiàn)水流信息的交互。一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計算單元的各節(jié)點(diǎn)上，在連接處二維計算網(wǎng)格的水位值并不相等，因此取各個計算網(wǎng)格的平均水位值Z返回給一維模型，以進(jìn)行下一時段的計算。管道模型和地面模型的銜接通過管道在地面上的檢查井進(jìn)行水流交換。地面降雨通過集水區(qū)匯流進(jìn)入地面上的檢查井，再流入管網(wǎng)，管網(wǎng)排口與河道連接，進(jìn)入管網(wǎng)的水流又通過排口進(jìn)入河道。

2.2.2河網(wǎng)-管網(wǎng)精細(xì)化模型構(gòu)建

常州市主城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)精細(xì)化模型構(gòu)建主要分為:一維模型構(gòu)建，包括創(chuàng)建斷面、創(chuàng)建河道連接、添加水工構(gòu)筑物、管網(wǎng)模型構(gòu)建、創(chuàng)建河岸；二維模型構(gòu)建，包括線狀地物處理、地面模型構(gòu)建、區(qū)域降雨處理、糙率設(shè)置、網(wǎng)格劃分、調(diào)度規(guī)則及邊界條件添加[19]。

一維模型構(gòu)建。為保證模型的精細(xì)化水平和模型模擬精度，本文構(gòu)建的模型包括區(qū)域內(nèi)所有113條河道，河道斷面均為實(shí)測斷面。測量時：河寬30 m以上河道，斷面測量間距為500 m；河寬10～30 m河道，測量間距為200 m；河寬10 m以下河道，測量間距為100 m。另外，每條河道的首尾、束窄處、拐彎處均進(jìn)行測量，按上述原則，共測得主城區(qū)河道斷面1 154個。河道斷面創(chuàng)建后，對照主城區(qū)范圍內(nèi)的遙感影像，建立河道中心線，并根據(jù)區(qū)域水系特點(diǎn)和水流方向進(jìn)行河網(wǎng)的連接，然后在對應(yīng)位置添加水工建筑物，并輸入建筑物對應(yīng)的幾何尺寸信息、設(shè)置運(yùn)行規(guī)則。

在管網(wǎng)模型構(gòu)建時，將城建部門收集的常州市主城區(qū)雨水、雨污合流管網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)信息包括排水管道的類型(含雨水管道和合流管道)、斷面形式、管徑、管材、管長、管底標(biāo)高及相應(yīng)檢查井類型、編號、路面高程等。對數(shù)據(jù)信息檢查、修正并對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化推斷。本文構(gòu)建的管網(wǎng)模型覆蓋了整個常州市主城區(qū)的編制范圍，包含檢查井14 551個、出水口491個、管段數(shù)14 628個，總長度達(dá)458.5 km，滿足了精細(xì)化建模的要求。管網(wǎng)模型構(gòu)建后，即可創(chuàng)建河岸，再利用實(shí)測的河道堤防高程數(shù)據(jù)整合到河段中，從而保證河道的完整，本次構(gòu)建的模型共創(chuàng)建河段399個，總長281.24 km。河網(wǎng)管網(wǎng)模型構(gòu)建完成后，進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查，包括管道連接(管徑、連接方向、高程、位置)以及管網(wǎng)與河網(wǎng)連接(管道出水口與河網(wǎng)交匯)的拓?fù)潢P(guān)系檢查，提高模型的計算準(zhǔn)確性和精度。

二維模型構(gòu)建。常州市主城區(qū)二維模型構(gòu)建過程，關(guān)鍵步驟包括：線狀構(gòu)筑物的處理、地形處理、區(qū)域降雨處理、網(wǎng)格剖分等。常州市主城區(qū)內(nèi)線狀地物處理主要為道路的處理，鑒于原始道路圖層缺少高程值，本次模型構(gòu)建對研究區(qū)內(nèi)的道路高程進(jìn)行了加密測量，點(diǎn)間距根據(jù)高程變化情況控制在100～300 m。另外，由于原始道路節(jié)點(diǎn)間距不規(guī)則，劃分網(wǎng)格時容易產(chǎn)生小網(wǎng)格，對模型計算不利，為此，采用抽稀處理方法[20]對道路的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均勻化，并利用測量的道路高程值對其進(jìn)行賦值，本區(qū)域共構(gòu)建道路1 571段。

地形數(shù)據(jù)是二維模型網(wǎng)格剖分的基礎(chǔ)，對暴雨內(nèi)澇分析結(jié)果影響較大。本文基于收集的常州市主城區(qū)1∶500 高精度DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建地面模型，并導(dǎo)入河網(wǎng)-管網(wǎng)耦合模型。降雨模型構(gòu)建時，根據(jù)常州(三堡街)、鐘樓閘雨量站分布，采用泰森多邊形進(jìn)行雨量的空間分配和集水區(qū)劃分。當(dāng)發(fā)生不同強(qiáng)度的暴雨時，根據(jù)不同雨量站的實(shí)測數(shù)據(jù)，輸入降雨邊界過程。降雨首先降到集水區(qū)，采用水文模型計算匯流過程，并由地面上的檢查井進(jìn)入地下管網(wǎng)，再由地下管網(wǎng)進(jìn)入河道，河道水位等計算結(jié)果也會反作用于管網(wǎng)和地面模型，管網(wǎng)、河網(wǎng)與淹沒區(qū)域按照上述過程產(chǎn)生水量交換，相互嵌套、實(shí)時互饋，以此實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)和管網(wǎng)一、二維耦合的模擬計算。

根據(jù)常州市主城區(qū)下墊面信息，將下墊面數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，確定不同區(qū)域的糙率值，創(chuàng)建糙率分區(qū)，并設(shè)置不同的糙率。本模型與GIS無縫對接，根據(jù)GIS分析成果對下墊面進(jìn)行精確劃分，共分居民地、耕地、道路、城市綠地、水系、其他6類。常州市主城區(qū)模型構(gòu)建完成后，根據(jù)水利工程實(shí)際的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行邏輯控制，包括閘門的調(diào)度、水泵的啟閉等。在常州市主城區(qū)二維模型網(wǎng)格劃分時，以計算域外邊界、區(qū)域內(nèi)堤防、阻水建筑物、較大河渠、主要公路、鐵路作為依據(jù)，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格，參照文獻(xiàn)[22]對于城市洪水風(fēng)險圖分析模型網(wǎng)格劃分要求，網(wǎng)格面積控制為0.000 5～0.005 0 km2，共生成計算網(wǎng)格82 995個、計算單元71 289個。常州市主城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)精細(xì)化模型見圖2。

圖2 常州市主城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)精細(xì)化模型

需要說明的是，常州市主城區(qū)作為常州的老城區(qū)，管網(wǎng)系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，管道資料收集較為困難。本文在構(gòu)建管網(wǎng)模型時，向城建部門收集到的是主干道路上的管網(wǎng)，而內(nèi)部支管的信息在水文模型參數(shù)中體現(xiàn)，以集水區(qū)為單元通過水文模型進(jìn)行道路周邊匯流計算，地面水流匯入主干道路的檢查井，再進(jìn)入管網(wǎng)，流入河道。本方法符合暴雨發(fā)生后的實(shí)際水流過程，能夠真實(shí)反映區(qū)域的暴雨內(nèi)澇狀況。

2.3 模型參數(shù)率定

2.3.1水文學(xué)模型參數(shù)選取與率定

下墊面分析。不同下墊面情況的產(chǎn)匯流機(jī)制存在一定的差異，根據(jù)常州市用地類型解譯資料和實(shí)地調(diào)研，常州市的主要用地類型有59種。參照文獻(xiàn)[21]有關(guān)不同地面種類的徑流系數(shù)的規(guī)定，借助GIS統(tǒng)計并核實(shí)常州市的不同地面種類的組成和比例，以加權(quán)平均法計算常州市各用地類型的徑流系數(shù)，即道路取0.85、居民地取0.70、耕地為0.20、城市綠地取0.20、水系為1.00、其他用地取0.80。

綜合徑流系數(shù)確定。根據(jù)《常州市城市排水與防澇綜合規(guī)劃》，結(jié)合常州市地形特點(diǎn)和水系分布，利用GIS將研究區(qū)域分成14個集水區(qū)，見圖3。其中：城西南童子河運(yùn)河片、龍江路西自排片為高地自排區(qū)，直接就近排入外河；澡港河?xùn)|支老澡港片、澡港河西片澇水直排入一級內(nèi)河；其余10個分片為抽排區(qū)。

圖3 常州市主城區(qū)排澇分片及其綜合徑流系數(shù)

按照集水區(qū)的劃分方式，通過GIS對常州市主城區(qū)計算范圍內(nèi)14個集水片內(nèi)的下墊面進(jìn)行分析，根據(jù)各用地類型徑流系數(shù)及其面積所占比例加權(quán)平均計算出常州市不同集水區(qū)的綜合徑流系數(shù)，即常州市城西南童子河運(yùn)河片和串新河南運(yùn)河片綜合徑流系數(shù)較低，分別為0.59和0.61，其他片區(qū)綜合徑流系數(shù)均在0.64～0.68，見圖3。

產(chǎn)匯流模型參數(shù)率定。常州市主城區(qū)范圍內(nèi)的雨量站僅為常州(三)，為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用常州市主城區(qū)內(nèi)及周邊常州(三)、魏村閘、澡港閘、九里鋪、橫林5個雨量站(圖3)的數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)匯流模型參數(shù)率定，通過上述5個雨量站劃分的泰森多邊形區(qū)域在不同集水區(qū)中的占比，計算各集水區(qū)中不同雨量站的權(quán)重，率定產(chǎn)匯流模型的參數(shù)，詳見表1。

表1 模型參數(shù)取值

2.3.2水動力學(xué)模型參數(shù)選取與率定方法

參數(shù)選取。參考《常州市城市防洪規(guī)劃修編報告》，選取各排水分區(qū)的常水位作為整體模型中各河道的初始水位，進(jìn)而確定不同排水分區(qū)的初始水位，模型根據(jù)斷面資料采用不等間距的節(jié)點(diǎn)布置，實(shí)測河道斷面間距約為100～500 m，模型計算步長為100 m左右，為使模擬計算過程保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)和滿足模型計算精度，模型時間步長采用60 s。河道糙率值主要根據(jù)《水力學(xué)手冊》《常州市城市防洪規(guī)劃》《常州市城市排水與防澇綜合規(guī)劃》有關(guān)人工渠道以及天然河道的經(jīng)驗(yàn)值初步擬定為0.020～0.040。

模型率定方法。模型的率定主要用于調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)以提高模擬結(jié)果的精確度。一維模型中的主要影響因子為空間步長、時間步長以及河道糙率。參照文獻(xiàn)[22]，驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際洪水的最大水位誤差(實(shí)測水位與計算水位之差絕對值的最大值)不大于20 cm。率定驗(yàn)證中采用Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE和決定系數(shù)R2對模型有效性進(jìn)行評定，NSE用于表示計算值系列與實(shí)測系列數(shù)量級近似程度，R2用來表示計算值系列與實(shí)測系列形狀吻合程度。

2.3.3模型率定

根據(jù)2017年5月9日、5月13日兩次現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)結(jié)果，采用常州(三)、樊家橋、盤龍苑站點(diǎn)實(shí)測水位過程進(jìn)行模型率定。由表2可知，兩次率定中選取的3個驗(yàn)證點(diǎn)位計算水位序列和實(shí)測水位序列最大絕對水位誤差均小于5 cm，計算水位曲線形狀與實(shí)測水位序列匹配較好。經(jīng)過率定，最終確定京杭大運(yùn)河、德勝河、澡港河糙率為0.020，古運(yùn)河、關(guān)河糙率為0.025，其他河道糙率為0.030～0.035。

表2 率定結(jié)果分析

2.4 模型驗(yàn)證

2.4.1一維模型驗(yàn)證

利用2017年5月14日和2017年5月15日兩場現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇常州(三)、樊家橋、盤龍苑3個站點(diǎn)實(shí)測水位進(jìn)行常州市主城區(qū)一維模型驗(yàn)證。由表3可知，兩次驗(yàn)證中選取的3個驗(yàn)證點(diǎn)位計算水位序列和實(shí)測水位序列最大絕對水位誤差為6.2 cm，計算水位曲線形狀與實(shí)測水位序列匹配較好。因此，可以認(rèn)為一維模型模擬精度符合規(guī)范要求。

表3 驗(yàn)證結(jié)果分析

2.4.2二維水動力學(xué)模型驗(yàn)證

采用2015年6月25日—6月29日實(shí)況暴雨對常州市主城區(qū)二維水動力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。2015年6月25日—6月29日降雨過后，常州市主城區(qū)實(shí)際積水點(diǎn)主要集中在中吳大道、龍江路高架、龍城大道及大明路圍成的區(qū)域，且積水點(diǎn)深度均在30 cm以上，其他區(qū)域亦有部分不同程度的積水點(diǎn)。利用構(gòu)建的常州市主城區(qū)精細(xì)化的數(shù)學(xué)模型計算該場次實(shí)況暴雨的積水點(diǎn)分布情況，從對比結(jié)果(表4)可以看出，城區(qū)70%的暴雨積水點(diǎn)與實(shí)際相符，而由于在計算中采用的管網(wǎng)資料部分缺失，與實(shí)際工情有出入，因此，計算結(jié)果中出現(xiàn)部分實(shí)際積水區(qū)未積水的情況，但總體結(jié)果符合實(shí)際，滿足文獻(xiàn)[22]中“城區(qū)70%的暴雨積水點(diǎn)的最高水位的誤差應(yīng)控制在20 cm以下”的驗(yàn)證要求，由此說明本文構(gòu)建的二維水動力模型也是合理準(zhǔn)確的。

表4 計算積水分布與實(shí)際積水分布對比

3 常州市主城區(qū)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)測

3.1 計算工況與邊界設(shè)置

采用率定后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行常州市主城區(qū)暴雨內(nèi)澇計算與分析，計算方案共設(shè)置3組，分別為主城區(qū)遭遇50 a、100 a、200 a一遇設(shè)計暴雨時的淹沒方案。方案計算時，分別采用區(qū)域50 a、100 a、200 a一遇設(shè)計洪水與城區(qū)50 a、100 a、200 a一遇24 h設(shè)計暴雨組合，城區(qū)不同重現(xiàn)期最大24 h設(shè)計暴雨對應(yīng)面雨量分別為198.1、216.9、235.6 mm，通過歷年資料分析，選用1991年7月1日6時至2日6時的實(shí)況降雨過程為典型過程，采用20 a一遇最大1、6、24 h 同頻率控制獲得暴雨過程。京杭大運(yùn)河段上游采用大運(yùn)河西樞紐對應(yīng)頻率設(shè)計水位過程(最高5.56 m)，下游采用洛社對應(yīng)頻率設(shè)計水位過程(最高5.11 m)，大包圍北側(cè)采用澡港河南樞紐外部設(shè)計水位(最高5.01 m)控制，內(nèi)部河道初始水位按照《常州市水利工程調(diào)度方案(試行)》(2010年)執(zhí)行，大包圍按照現(xiàn)狀防汛調(diào)度，計算時段3 d。

3.2 計算結(jié)果與分析

常州市主城區(qū)遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計暴雨洪水要素統(tǒng)計見表5，可以看出，遭遇不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨時，主城區(qū)淹沒區(qū)域集中在薛家鎮(zhèn)、新橋鎮(zhèn)、三井街道、新閘街道、西林街道、雕莊街道、丁堰街道、青龍街道、紅梅街道等地，50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計暴雨內(nèi)澇風(fēng)險面積分別為29.04、31.48、34.70 km2，大部分區(qū)域積水水深均在0.05～0.30 m，占比分別為72.66%、71.06%和69.14%。3種不同頻率設(shè)計暴雨的淹沒范圍情況對比發(fā)現(xiàn)，區(qū)域日最高降雨量在積水過程中起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為暴雨內(nèi)澇積水范圍大、淹沒水深較小的特點(diǎn)。

表5 暴雨內(nèi)澇風(fēng)險要素統(tǒng)計

為分析積水成因，選取大包圍內(nèi)典型河道斷面常州(三堡街)及典型積水點(diǎn)常州市青龍街道北部積水點(diǎn)水位變化過程，見圖4。由圖4可知，水位達(dá)到大包圍啟用水位4.30 m，大包圍沿線澡港河南樞紐、老澡港河樞紐、永匯河樞紐、北塘河樞紐、橫塘河北樞紐、大運(yùn)河?xùn)|樞紐、采菱港樞紐、串新河樞紐、南運(yùn)河樞紐、大運(yùn)河西樞紐等開啟：降雨初期，由于降雨量較小，大包圍外排能力強(qiáng)，常州(三堡街)水位略微有所下降；隨著降雨量的增大，大包圍外排能力有限，水位迅速上升，200 a一遇最大24 h的計算工況下最高水位達(dá)到5.28 m；降雨停止后，大包圍水位逐漸下降。由此可見，城區(qū)大包圍外排能力與是否產(chǎn)生內(nèi)澇積水有直接的關(guān)系。

圖4 積水點(diǎn)水位變化過程

水利標(biāo)準(zhǔn)50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計暴雨條件計算的管道超負(fù)荷狀態(tài)見表6。由表6可知，在遭遇3種頻率設(shè)計暴雨條件時，常州市主城區(qū)的管道絕大部分均處于超負(fù)荷狀態(tài)，其中，由于下游管道頂托而超負(fù)荷的管道占比分別為65.99%、65.65%和65.39%，由于管道本身過流能力限制而超負(fù)荷的管道占比為33.09%、33.46%和33.74%。總的來說，常州市主城區(qū)在遭遇50 a、100 a、200 a一遇洪水最大24 h設(shè)計暴雨條件時，管網(wǎng)超負(fù)荷狀態(tài)均十分嚴(yán)重，且隨著洪水量級的增加，管道超負(fù)荷狀態(tài)增加，短歷時強(qiáng)降雨是導(dǎo)致管網(wǎng)超負(fù)荷的主要原因。

表6 遭遇不同頻率設(shè)計暴雨管道超負(fù)荷狀態(tài)統(tǒng)計

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了常州市主城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)一、二維水動力精細(xì)化模型，采用2015年、2017年多場次實(shí)況洪水對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，并計算了主城區(qū)在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計洪水情況時的洪水淹沒情況，分析了內(nèi)澇積水成因和管道運(yùn)行負(fù)荷狀況，結(jié)果如下。

(1)構(gòu)建的常州市主城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)一體化數(shù)學(xué)模型模擬的河道水位變化過程和實(shí)測水位序列匹配較好，計算水位和實(shí)測水位最大絕對誤差均小于7 cm，且內(nèi)澇積水模擬結(jié)果中70%的積水點(diǎn)與實(shí)際相符，模型計算精度符合規(guī)范要求，能較好地模擬洪水演進(jìn)及淹沒情況。

(2)常州市主城區(qū)在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計暴雨工況時，內(nèi)澇風(fēng)險面積分別為29.04、31.48、34.70 km2，積水水深主要分布在0.05～0.30 m，占總內(nèi)澇風(fēng)險面積的70%左右，區(qū)域日最高降雨量在積水過程中起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為暴雨內(nèi)澇積水范圍大、淹沒水深較小的特點(diǎn)。

(3)常州市主城區(qū)在遭遇50 a、100 a、200 a一遇最大24 h設(shè)計暴雨條件時，主城區(qū)管道絕大部分處于超負(fù)荷狀態(tài)，其中，由于下游管道頂托而超負(fù)荷的管道占比分別為65.99%、65.65%、65.39%，由于管道本身過流能力限制而超負(fù)荷的管道占比為33.09%、33.46%、33.74%，短歷時強(qiáng)降雨是導(dǎo)致管網(wǎng)超負(fù)荷的主要原因。

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢平坦、河湖眾多，水網(wǎng)密布，城市下墊面變化快，水利工程眾多，水動力模擬受外圍水文形勢影響大，但城區(qū)水系往往不封閉，模型計算邊界條件難以設(shè)置，增加了模擬難度，建議今后加強(qiáng)流域模型的構(gòu)建，以流域?yàn)閱卧獦?gòu)建河網(wǎng)大模型，城區(qū)內(nèi)構(gòu)建河網(wǎng)與管網(wǎng)耦合模型，形成流域-區(qū)域嵌套的模型，流域模型可為城區(qū)模型提供計算邊界，提高模擬精度。