城市內(nèi)澇風(fēng)險分析模型系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

周玉文 婁富豪 劉子龍 楊偉明 劉原 吳獻平 王中昌

摘要：為了全面客觀評估城市排水管網(wǎng)的排水能力、預(yù)防城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生，基于EPA SWMM與ArcEngine技術(shù)，結(jié)合等流時線法與水量平衡原理，開發(fā)了城市內(nèi)澇風(fēng)險分析模型系統(tǒng)（USRAMS）。闡述了USRAMS的原理與功能，說明了利用USRAMS進行管網(wǎng)排水能力評估與內(nèi)澇風(fēng)險分析的方法，并驗證了USRAMS的適用性；對滄州市進行了現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力評估和城市內(nèi)澇風(fēng)險分析，以主題圖的形式準(zhǔn)確直觀地表達了瓶頸管段位置以及城市內(nèi)澇風(fēng)險的分布情況。實例證明，USRAMS地表產(chǎn)匯流模塊只需徑流系數(shù)與匯水時間2個參數(shù)，較好地適應(yīng)了中國當(dāng)前情況，二維地表淹水模擬采用水量平衡原理，計算穩(wěn)定、快速，其模型結(jié)果可為城市內(nèi)澇防治與雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃改造提供一定參考。

關(guān)鍵詞：城市給水排水工程； USRAMS；等流時線；徑流系數(shù)；排水能力評估；內(nèi)澇風(fēng)險分析

中圖分類號：TU992文獻標(biāo)志碼：A

Development and application of urban stormwater

risk analysis modeling system

ZHOU Yuwen1，2， LOU Fuhao1，2， LIU Zilong1，3， YANG Weiming1，2， LIU Yuan1，2，

WU Xianping1，2， WANG Zhongchang4

（1.College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China； 2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing 100124， China； 3.Beijing Municipal Institute of City Planning & Design， Beijing 100037， China； 4.Cangzhou Urban Planning & Design Institute， Cangzhou， Hebei 061000， China）

Abstract：In order to evaluate the pipeline drainage capacity and urban flood risk objectively， urban storm water risk analysis modeling system （USRAMS） is developed based on EPA SWMM and ArcEngine combined with the principle of equal flow time-line method and water balance. The principle and function of USRAMS and the method of assessing pipeline drainage capacity and urban flood risk with USRAMS are described， and the suitability of USRAMS is verified. Taking Cangzhou as an example， USRAMS is used to assess the pipeline drainage capacity and urban flood risk， and the position of bottleneck pipe and the waterlogging risk distribution are expressed in thematic map accurately and directly. The facts show that USRAMS only needs two parameters， namely the runoff coefficient and the catchment time， and adapts to the current situation in china better； two-dimensional earth surface waterlogging simulation adopts hydrologic budget theory， so its calculation is stable and fast. The results of USRAMS may provide reference for urban waterlogging prevention and control and the planning and reforming of stormwater pipe network system.

Keywords：urban water supply and drainage engineering； USRAMS； isochronous stream line； runoff coefficient； drainage capacity assessment； local flooding risk analysis

中國城市內(nèi)澇災(zāi)害較嚴重[1-3]。為應(yīng)對城市內(nèi)澇災(zāi)害，2013年國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》，住建部編制了《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》，提出了使用水力模型對城市管網(wǎng)排水能力進行評估的要求[4-5]。2014版《室外排水設(shè)計規(guī)范》大大提高了雨水管渠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，明確提出內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，并要求匯水面積超過2 km2時采用數(shù)學(xué)模型法計算設(shè)計流量[6]。2013年以來各地陸續(xù)開展城市排水防澇規(guī)劃修編工作，而評估雨水排水管網(wǎng)排水能力和城市淹水風(fēng)險是做好規(guī)劃的基本前提。本文采用城市內(nèi)澇風(fēng)險分析模型系統(tǒng)（USRAMS），對滄州市現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)排水能力及城市內(nèi)澇風(fēng)險進行評估分析。

1城市內(nèi)澇風(fēng)險分析模型系統(tǒng)開發(fā)情況

城市內(nèi)澇風(fēng)險分析模型系統(tǒng)（urban stormwater risk analysis modeling system）（簡稱USRAMS）是北京工業(yè)大學(xué)給排水系統(tǒng)研究室開發(fā)的[7]。USRAMS主要由一維管網(wǎng)模型模擬計算部分與二維地表淹水模擬計算部分組成，基于ArcGIS提供的嵌入式組件庫ArcEngine進行開發(fā)。其地圖數(shù)據(jù)管理平臺為ArcGIS，基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)庫為MicrosoftAccess[8]。USRAMS采用目前國內(nèi)常用的SWMM作為一維管網(wǎng)模型水力計算的引擎，添加了等流時線模塊；二維地表漫流采用自主研發(fā)的內(nèi)澇淹水計算引擎，基于路徑追蹤[9]以及水量平衡原理進行二維地表淹水模擬分析。軟件系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖1所示。USRAMS借助ArcGIS進行管網(wǎng)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。

2基本功能

USRAMS的基本功能包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編輯與查看（降雨數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、匯水區(qū)數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)檢查，上下游追蹤，管網(wǎng)縱剖面圖查看，主題圖繪制，數(shù)據(jù)導(dǎo)出及圖形的縮放、移動、查詢等。

USRAMS主要利用ArcGIS與CADTableConvert完成模型數(shù)據(jù)的處理工作，也可對模型數(shù)據(jù)進行編輯與查看。軟件提供了降雨編輯器、入流編輯器、調(diào)蓄池容量編輯器、水泵性能曲線編輯器等；為保證模型數(shù)據(jù)質(zhì)量，USRAMS提供了多種數(shù)據(jù)檢查功能，對管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系、模型數(shù)據(jù)完整性、模型參數(shù)合理性進行檢查，包括孤立點檢查、管道逆坡檢查、管道錯位檢查、節(jié)點高程檢查、字段缺失檢查等 。

上游追蹤功能可快速選擇與指定節(jié)點相連的所有上游管道并以高亮形式顯示。下游追蹤功能可快速選擇指定節(jié)點到最下游節(jié)點之間的管道，并以高亮形式顯示。通過上下游分析可以檢查管網(wǎng)連通性及查看管道路徑；通過縱剖面圖繪制功能可查看管道縱剖面圖，了解管道鋪設(shè)情況。USRAMS可繪制多種主題圖，包括管道充滿度、管道超載能力、管段瓶頸狀況、節(jié)點洪水量、流向、淹水分布圖。軟件還可以根據(jù)用戶需要自定義漸變主題圖。

3模擬功能

3.1 設(shè)計降雨生成

降雨過程線是雨水管網(wǎng)水力模型的輸入條件，它有降雨量、降雨歷時、重現(xiàn)期、降雨峰值以及雨峰位置5個參數(shù)[10]。常見雨型主要有SCS雨型[11]、Keifer & Chu[12]雨型（芝加哥雨型）、均勻雨型、Huff[13]雨型、Yen & Chow[14]雨型（三角雨型）和24 h設(shè)計暴雨過程線[15-16]等，國內(nèi)多采用120 min或180 min的芝加哥雨型。USRAMS提供芝加哥雨型生成器（如圖2所示），還可以輸入實測降雨過程。

3.2地表產(chǎn)匯流模型

EPA SWMM采用前損后損法與非線性水庫模型進行地表產(chǎn)流和匯流過程模擬。此外，等流時線法、瞬時單位線法也可進行地表產(chǎn)匯流計算[17]。中國在進行雨水管網(wǎng)設(shè)計時多采用推理公式法，其主要設(shè)計參數(shù)為設(shè)計重現(xiàn)期、降雨歷時、匯水面積和徑流系數(shù)，與之相對應(yīng)的計算方法為等流時線法[7]。

USRAMS在SWMM計算引擎的基礎(chǔ)上添加了等流時線模塊，其降雨-徑流關(guān)系可用卷積分過程表達[18]，流量過程線為

式中：Q（ti）為ti時刻流量；F為匯水區(qū)面積；tc為地面匯水時間，取值范圍為5～15 min；qti-j為ti-j時刻地表凈雨強度，當(dāng)i-j≤0時，取ti-j=0；α為單位換算系數(shù)，當(dāng)Q，q，F(xiàn)和t分別以L/s，mm/min，m2和min為單位計算時，α=60。

3.3一維管網(wǎng)模型

對于管網(wǎng)匯流，USRAMS采用與SWMM相同的計算方法，包括恒定流、運動波、動力波方法。USRAMS根據(jù)管道充滿度繪制結(jié)果主題圖，并據(jù)此評估管網(wǎng)排水能力，步驟如圖3所示。

1）收集基礎(chǔ)資料，包括管道、檢查井、水泵、蓄水池、降雨等。

2）利用ArcGIS構(gòu)建管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)與模型數(shù)據(jù)庫。

3）利用芝加哥雨型生成器構(gòu)建降雨過程線，進行管網(wǎng)排水能力評估時一般選用120 min或180 min的芝加哥雨型。

4）利用動力波對一維管網(wǎng)模型進行模擬計算。

5）根據(jù)計算結(jié)果進行管道排水能力評估，主要指標(biāo)有節(jié)點溢流情況、管道最大充滿度、管段超載系數(shù)等。

6）根據(jù)管道水力狀態(tài)分析產(chǎn)生管道超載（管道運行水面高于管頂）的原因是自身過流能力不足還是下游水位頂托。當(dāng)管段發(fā)生超載時，管段存在2種水力狀態(tài)如圖4所示。由水力學(xué)理論可知：當(dāng)超載管段屬于狀態(tài)a）時，管道實際過流能力小于管道滿流設(shè)計流量，發(fā)生管道超載的原因為下游水位頂托；當(dāng)超載管段屬于狀態(tài)b）時，管道實際過流能力大于管道滿流設(shè)計流量，發(fā)生管道超載的原因為自身過流能力不足。對于受下游水位頂托影響的管段，首先考慮改善下游水力狀態(tài)；對于自身過流能力不足的管段，首先考慮增大設(shè)計斷面或坡度。因此，將水力狀態(tài)屬于狀態(tài)b）的超載管段定義為瓶頸管段。

3.4二維地表淹水模擬計算

USRAMS利用城市數(shù)字地形模型（DEM），基于路徑追蹤算法劃分排水流域，根據(jù)水量平衡原理進行二維地表淹水模擬計算，得到積水深度、積水量、積水時間等結(jié)果[7]，將最大淹水結(jié)果、淹水時間與風(fēng)險等級以.asc格式文件輸出。風(fēng)險等級根據(jù)淹水深度與淹水時間按表1進行劃分。淹水深度與淹水時間的閾值可根據(jù)需要設(shè)定。

輸出的.asc格式文件可利用ArcGIS進行渲染，制作最大淹水深度、淹水時間與風(fēng)險等級主題圖。城市內(nèi)澇風(fēng)險評估時其主要步驟如圖5所示。

1）構(gòu)建降雨模型、管網(wǎng)模型、數(shù)字高程模型。暴雨可采用當(dāng)?shù)匕l(fā)生過的較有代表性的大暴雨歷程，或根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡湫陀晷屯ㄟ^同頻率放大或同倍比法求得[19]。

2）搭建USRAMS內(nèi)澇淹水模型。

3）運行模型得到最大淹水深度、淹水時間與風(fēng)險等級，并輸出為.asc格式文件。

4）制作淹水深度、淹水時間、風(fēng)險等級圖。

4實例研究

4.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為河北省滄州市，京杭大運河由南至北穿過市區(qū)，將滄州市分為運東和運西兩大排水區(qū)[20]。滄州市現(xiàn)狀排水管網(wǎng)長307.5 km，匯水區(qū)面積為78.6 km2，設(shè)計重現(xiàn)期大部分在0.5 a以下。城區(qū)地勢西高東低，地面平坦。城區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.6，地表匯水時間為15 min。滄州市地形分布如圖6所示。

4.2現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力分析

1）收集并輸入降雨、管網(wǎng)資料，構(gòu)建一維管網(wǎng)模型，對數(shù)據(jù)進行檢查。

2）結(jié)合滄州市暴雨強度公式（見式（2））生成芝加哥雨型。

式（2）中，取雨峰系數(shù)r=0.5，降雨歷時取120 min，分別生成重現(xiàn)期為0.5，1，2，3 a的芝加哥雨型，其中重現(xiàn)期為3 a的芝加哥雨型如圖7所示。

3）分別進行重現(xiàn)期0.5，1，2，3 a情景下的降雨排水模擬計算，地表產(chǎn)匯流模型選擇等流時線法，管網(wǎng)匯流模型選擇動力波法，模擬時間取2 h，時間步長取1 s。根據(jù)模型結(jié)果得到管網(wǎng)最大充滿度，并繪制最大充滿度結(jié)果主題圖（如圖8所示）。

由圖8可知，隨著重現(xiàn)期的提高，充滿度為1的管段數(shù)量增加。統(tǒng)計重現(xiàn)期為<0.5，0.5～1，1～2，2～3，≥3 a管道未充滿的長度，見表2。

由表2和圖9可知，大部分管道的排水標(biāo)準(zhǔn)都在0.5 a以下，且主要分布在老城區(qū)；運西新區(qū)的管道標(biāo)準(zhǔn)普遍高于老城區(qū)，即滄州市老城區(qū)管道排水重現(xiàn)期多在0.5 a以下。滄州市規(guī)劃管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要提高到三年一遇，則現(xiàn)狀管道中有92.8%未達到標(biāo)準(zhǔn)。對于管道產(chǎn)生超載的原因需進一步分析。

4.3瓶頸管段分析

正如第3.3小節(jié)中所述，管道發(fā)生超載的原因有2種，分別為管道自身過流能力不足與受下游水位頂托影響。根據(jù)模型結(jié)果，USRAMS將管道分為3種類型，分別為未超載、瓶頸管段、受頂托管段。其中，瓶頸管段定義為管道超載時，管道最大水力坡度大于等于管道坡度；受頂托管段定義為管道超載時，管道最大水力坡度小于管道坡度。以1 a重現(xiàn)期模型情景為例，其瓶頸管段分布情況如圖10所示。

通過USRAMS明確了管道超載的原因，并通過主題圖展示了瓶頸管段與受頂托管段的分布情況，為進一步的管網(wǎng)改造與規(guī)劃提供參考。

4.4現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險評估

USRAMS城市內(nèi)澇模型的DEM的精度為10 m×10 m。選取一場24 h典型實測降雨進行風(fēng)險評估，降雨記錄時間間隔為5 min，總雨量為196.4 mm，降雨過程線如圖11所示。

產(chǎn)匯流模型選用等流時線法，一維管網(wǎng)匯流模型選用動力波法，時間步長取1 s，地表水量平衡計算步長采用1 min，報告步長取5 min。根據(jù)模型計算結(jié)果，將淹水深度輸出為.asc格式文件，利用內(nèi)澇淹水結(jié)果統(tǒng)計工具統(tǒng)計得到淹水時間與風(fēng)險等級并輸出為.asc格式文件。最后利用ArcGIS分別制作最大淹水深度、最大淹水時間、風(fēng)險等級主題圖，如圖12—圖14所示。

對于風(fēng)險等級為中和高的區(qū)域，應(yīng)盡快采取措施加以治理，主要措施有管網(wǎng)改造、增建泵站、源頭控制（LID）、增加地表排水通道等。

5結(jié)語

USRAMS軟件在SWMM計算引擎的基礎(chǔ)上添加了等流時線模塊，通過二維地表淹水模擬可計算得到淹水深度、淹水時間以及內(nèi)澇風(fēng)險等級的分布情況，在此過程計算中采用水量平衡原理，加快了計算速度，且具有良好的穩(wěn)定性?？傊?，USRAMS軟件可為內(nèi)澇治理措施的制定與管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計提供參考。

目前，國內(nèi)主流的模型軟件主要有MIKE URBAN，Inforworks，PCSWMM等，都集成或開發(fā)了獨立的LID模塊，而USRAMS的針對性較強，主要用于城市雨水管網(wǎng)排水能力評估與城市內(nèi)澇風(fēng)險分析，系統(tǒng)中并未集成LID模塊，但USRAMS參數(shù)需求少，地表產(chǎn)匯流模型只需徑流系數(shù)與匯水時間2個參數(shù)，并且二維地表淹水模擬計算速度均優(yōu)于上述軟件。為了更好地適應(yīng)中國海綿城市建設(shè)與內(nèi)澇防治工作，USRAMS將逐步集成LID、大排水系統(tǒng)設(shè)計等模塊。

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