任梅芳 徐宗學 初祁 汪中華 杜成玉

摘要：城市下凹式立交橋因其橋下路面常低于周邊區(qū)域地形，極易形成城市區(qū)域的“人為滯水點”，在遭遇降雨時頻繁發(fā)生內澇積水災害，對城市交通、行人和車輛的安全構成了嚴重的危害。因此，有效模擬城市立交橋區(qū)域的暴雨洪水淹沒程度，對城市防洪減災和交通應急管理具有重要的現(xiàn)實意義，同時可以為解決城市內澇問題提供重要的科技支撐。以濟南市歷下區(qū)立交橋為例，采用Mike Urban模型和Mike21 FM模型，依據(jù)研究區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，2007年7月18日黃臺橋雨量站實測3 h降雨數(shù)據(jù)以及不同重現(xiàn)期的設計降雨過程，對立交橋區(qū)域的暴雨積水程度進行模擬計算與分析。研究結果表明，2007年“7·18”暴雨發(fā)生時，濟南市歷下區(qū)立交橋橋下最低洼區(qū)域積水深度可達近195 m左右，其積水深度高于濟南市100年一遇暴雨的積水深度。

關鍵詞：暴雨積水；立交橋；MIKE模型

中圖分類號：TV122 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05000907

Simulation of rainstorm waterlogging processes at the Lixia overpass bridge in Ji′nan city

REN Meifang1，2，XU Zongxue1，2，CHU Qi1，2，WANG Zhonghua3，DU Chengyu4

（

1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，Beijing 100875，China；3.Ji′nan Hydrology Bureau，Ji′nan 250014，China；4.Binzhou Hydrology Bureau，Binzhou 256609，China）

Abstract：

The urban concave overpass bridges can easily become "artificial waterlogging zone" since the area beneath the bridge is usually lower than the surrounding areas，which leads to frequent waterlogging disasters，endangering the safety of urban traffic，pedestrians，and vehicles.Therefore，effective simulation of rainstorm waterlogging processes in urban overpass bridge area will have important practical significance for urban flood control，disaster reduction，and traffic emergency management.It can provide important technical support for solving the urban waterlogging problems.In this study，both Mike Urban and Mike21 FM models were used to simulate the waterlogging processes of the 3 h rainstorm observed in July 18，2007 at Huangtai Bridge rain gauge station and the design precipitation with different return periods at the Lixia overpass bridge area in Ji′nan city.The results of this study showed that the depth of waterlogging in the lowest area under the Lixia overpass bridge could reach about 195 m during the 2007.07.18 rainstorm event，which was higher than that in a 100year rainstorm in Ji′nan city.

Key words：

rainstorm waterlogging；overpass bridge；MIKE model

近年來，城市內澇問題已成為了繼人口擁擠、交通堵塞、環(huán)境污染等城市問題之后的又一大城市病。自2012年7月21日北京市遭遇強降雨造成巨大的損失之后，各級政府及學術界對城市雨水管理方面的研究給予了高度重視[1]。根據(jù)《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020）》我國城鎮(zhèn)化率已由1986年的2452%上升到2015年的5610%，增長了129倍，預計到2020年、2030年我國城鎮(zhèn)化率將分別達到60%和67%左右[2]。隨著城市化進程的不斷推進，城市區(qū)域中不透水地面的面積不斷擴張，城市區(qū)域的產匯流特點較天然流域產匯流特點相比發(fā)生了較大的變化。目前，我國已有很多城市發(fā)生了嚴重的城市洪澇災害，例如2007年7月18日濟南市3 h平均降雨量167 mm暴雨形成了水位暴漲緩落的洪水過程，市區(qū)河道滿溢、馬路行洪現(xiàn)象嚴重，僅3小時，全市變成了水城，因災死亡34人，造成經濟損失125億元[3]，北京市“7·21”暴雨導致城區(qū)交通嚴重受阻，部分路段和立交橋下積水成災，導致77人死亡以及60 000人被迫撤離，直接經濟損失可達100億人民幣左右[4]。

然而，城市下凹式立交橋因其橋下地面高程常比周邊區(qū)域地形低2～3 m，形成了城市區(qū)域的人為滯水點，在遭遇瞬時雨量較大的暴雨時，極易造成內澇積水災害，對城市交通、行人和車輛的安全構成了嚴重的危害[56]。因此，有效模擬城市立交橋區(qū)域的暴雨洪水淹沒程度，對城市防洪減災和交通應急具有重要的現(xiàn)實意義。目前，在城市立交橋區(qū)域進行暴雨積水模擬的研究并不多見，王昊等[7]基于改進的SWMM（Storm Water Management Model）模型對城市下凹式立交橋的內澇災害進行模擬；施南征等[8]基于SWMM模型，結合GIS和SCADA（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)）對杭州市某鐵路涵洞的暴雨積水情況進行模擬研究；趙歡歡[9]以西安市某下穿式立交橋為例，采用SWMM模型對該立交橋不同重現(xiàn)期的排水情況進行分析。本文以濟南市歷下區(qū)立交橋為例，采用Mike Urban模型和Mike21 FM模型，依據(jù)研究區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)，2007年7月18日黃臺橋雨量站實測3 h降雨數(shù)據(jù)（以下簡稱“7·18”暴雨）以及不同重現(xiàn)期的設計降雨過程，對濟南市歷下區(qū)立交橋區(qū)域的暴雨積水程度進行綜合模擬計算與分析。文中根據(jù)濟南市“7·18”實測3 h降雨數(shù)據(jù)，從研究區(qū)產流、管道匯流及整個研究區(qū)坡面匯流三個方面對“7·18”暴雨造成的積水進行了模擬計算，同時，為了分析不同重現(xiàn)期降雨造成的內澇積水程度，對歷下區(qū)立交橋區(qū)域1年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇和100年一遇暴雨情景下的內澇積水情況進行了模擬分析。

1 模型介紹

1.1 Mike Urban模型

Mike Urban模型是丹麥水力學研究所（DHI）在地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）基礎上所研發(fā)的用于模擬城市排水管網系統(tǒng)的模型。Mike Urban模型包括了降雨徑流計算和管網水力學計算兩個計算模塊，其中，降雨徑流計算模塊分為降雨徑流模擬和集水區(qū)匯流過程模擬兩部分，管網水力學計算模塊可以對雨水進入管網之后的水流流態(tài)及水質等進行模擬。在計算過程當中，管網水力學計算模型將降雨徑流模型的計算結果作為計算的邊界條件[1011]。

Mike Urban模型中的管流計算模塊將管流視為一維模型，模型采用六點隱式差分法求解一維圣維南方程組，具體方程如下所示[1214]：

質量守恒方程：

1.2 Mike[STBZ]21 FM模型

Mike21 Flow Model FM（Mike21 FM）水動力模型是一個基于非結構網格的模擬系統(tǒng)，模型采用二維淺水方程，具體方程詳見參考文獻[15]。

2 實例計算與分析

2.1 研究區(qū)概況

濟南市歷下區(qū)立交橋位于濟南市歷下區(qū)歷山路與膠濟鐵路的交匯處，位于濟南市大明湖東北部，由于立交橋橋下路面低于周邊區(qū)域，形成了低洼滯水點，每逢暴雨極易形成內澇積水。本文基于ArcGIS地理信息系統(tǒng)，采用Mike Urban模型，依據(jù)數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù)，在歷下區(qū)立交橋區(qū)域對“7·18”黃臺橋雨量站實測3 h降雨造成的內澇積水進行模擬計算與分析，并對不同重現(xiàn)期降雨情景下的積水深度進行模擬研究。

根據(jù)歷下區(qū)立交橋區(qū)域周邊的地形和地下排水管網布置情況，本次模擬研究將研究區(qū)域的范圍定為：北至歷山北路，南至明湖東路和花園路，東西兩側范圍到現(xiàn)狀河道；分析該區(qū)域的排水管網可知，本研究區(qū)域可視為相對于周邊區(qū)域的一個較為獨立的匯水區(qū)域（無較大外來客水）。研究區(qū)域面積約為388 km2，模擬范圍內膠濟鐵路貫穿東西，長約28 km，歷山路長約11 km，路寬約為30 m，模擬區(qū)域地理位置見圖1。

2.2 輸入數(shù)據(jù)

[BT4] 2.2.1 降水數(shù)據(jù)

（1）實測降水數(shù)據(jù)。

本次模擬研究所需的歷下區(qū)立交橋 “7·18”降雨數(shù)據(jù)采用濟南市黃臺橋雨量站2007年7月18日實測3 h降雨值，“7·18”3 h降雨量為167 mm，最大1 h降水量約達93 mm。

（2）不同頻率設計暴雨。

本研究中所需不同頻率的降水數(shù)據(jù)采用濟南市暴雨強度公式進行計算[16]，具體公式如下所示，不同重現(xiàn)期設計暴雨強度見表1，圖2為“7·18”實測降雨及不同重現(xiàn)期24 h設計降雨過程。

2.2.3 研究區(qū)管網數(shù)據(jù)

本研究區(qū)域內管網分布見圖4，檢查井個數(shù)共計489個，排水口共計24個，排水管道共計2086 km。

2.2.4 模型參數(shù)設置

Mike Urabn模型的產匯流計算中不透水面積率根據(jù)不同的地塊類型進[HJ2.2mm]行設置。結合已有文獻綜合考慮，本次將研究區(qū)內建筑物區(qū)域及道路區(qū)域的不透水系數(shù)設置為09，城市綠地部分的不透水系數(shù)設置為015[11]；Mike21 FM模型進行計算時，需要對不同地塊類型設置相應的地表糙率值，根據(jù)《水力計算手冊》[17]，本次將建筑物區(qū)域地面糙率取為002，道路部分糙率取為002，城市綠地部分地面糙率取為003；研究區(qū)域內不同的地塊屬性見圖5。[HJ]

[BT3-*8] 2.3 模型計算結果

本次模擬計算以濟南市歷下區(qū)立交橋區(qū)域為研究對象，以“7·18”暴雨為例，采用Mike Urban模型，對該區(qū)域管道排水能力和檢查井溢流情況進行模擬分析，并且采用Mike21 FM模型對研究區(qū)域內最大內澇風險進行模擬計算分析。

2.3.1 “7·18”暴雨模擬結果

（1）產流模型計算結果。

（2）管流模型計算結果。

經計算，“7·18”暴雨發(fā)生時，歷下區(qū)立交橋橋下區(qū)域排水井會發(fā)生溢流而產生地表漫流，圖7為研究區(qū)域歷山路路面下排水管道及地表排水井溢流水面線縱剖面圖，從圖中可以看出，由于立交橋橋下為本研究區(qū)域內歷山路地面高程最低洼的區(qū)域，是積水最深的區(qū)域，橋下管道管底高程約為2155～2177 m，水位在235～238 m之間，立交橋下最大積水深度可達195 m。由于論文篇幅有限，本次只列出立交橋橋下最低洼處排水管道水位與時間、流速與時間的變化過程曲線，由圖8可以看出橋下積水最深處排水管道最大積水大約發(fā)生在7月18日晚19：30左右，最高水位為235 m左右。由圖9可以看出橋下積水最深處排水管道最大流速大約發(fā)生在7月18日晚19：44左右，最大流速可達11 m/s左右。

（3）最大內澇積水風險計算結果。

通過Mike21 FM模型對研究區(qū)域最大內澇積水風險進行模擬計算，在“7·18”暴雨的情況下，研究區(qū)域內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～060 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在060～150 m之間，橋下最低洼區(qū)域積水深度高達150～195 m，

局部區(qū)域甚至大于195 m，橋下最低洼區(qū)域最高流速可達104 m/s左右。

年“7·18”暴雨洪水分析”一欄，2007年7月18日受高空槽、切變線、低渦等天氣系統(tǒng)共同影響，濟南市出現(xiàn)了特大暴雨天氣，小清河黃臺橋水文站以上

流域平均降雨量達1432 mm，最大點降雨量高達1827 mm，小清河黃臺橋水文站出現(xiàn)了實測歷史最高水位。由于暴雨強度大、水流匯集迅速，致使?jié)?/p>

市市區(qū)出現(xiàn)大面積積水，部分河道漫溢，低洼處房屋進水，市區(qū)內普遍存在道路行洪的現(xiàn)象，其中膠濟鐵路以南附近低洼區(qū)積水高達13 m左右，歷山路與歷山北路交口西側積水深度約為30 cm[18]； 根據(jù)以上資料對本次模擬結果進行驗證，如表2積水點誤差分析所示，本次模擬結果與實測值的誤差在007～017 m之間，從模擬結果來看，本次模擬結果與實測資料偏差不大，模型基本能夠反映洪水的淹沒過程，計算所采用的參數(shù)及模擬結果比較合理，這說明了采用Mike模型進行計算是可行的?！?·18”暴雨模擬具體結果見圖9和圖10。

根據(jù)計算結果，發(fā)生1年一遇降雨時，研究區(qū)域

內最大積水深度約為0035 m左右；發(fā)生5年一遇降雨時研究區(qū)域內最大積水深度可達0076 m左右；發(fā)生10年一遇降雨時研究區(qū)域內最大積水深度可達0094 m；發(fā)生20年一遇暴雨時，研究區(qū)內大

部分區(qū)域的內澇積水深度在0～048 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在048～084 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達084～102 m，局部區(qū)域大于102 m；發(fā)生50年一遇暴雨時，研究區(qū)內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～030 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在030～120 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達120～165 m，局部區(qū)域高于165 m；發(fā)生100年一遇暴雨時，研究區(qū)內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～045 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在045～135 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達135～180 m，局部區(qū)域高于180 m。

3 結果與討論

城市雨洪模型一方面可以分析降雨產生的徑流量及地表淹沒情況，另一方面，可以計算排水管網系統(tǒng)的排水能力，是城市洪澇過程模擬研究的主要手段[19]。本文選用Mike Urban模型對濟南市歷下區(qū)立交橋區(qū)域的暴雨淹沒情況進行模擬分析，并采用Mike21 FM模型對研究區(qū)域內澇積水風險進行模擬計算，計算結果如下。

（1）“718”暴雨時，整個歷下區(qū)立交橋區(qū)域總徑流量為5094萬m3；研究區(qū)域內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～060 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在060～150 m之間，橋下最低洼區(qū)域積水深度高達150～195 m，局部區(qū)域甚至大于195 m，橋下最低洼區(qū)域最高流速可達104 m/s左右。本次模擬結果與實測值的誤差在007～017 m之間，從模擬結果來看，本次模擬結果與實測資料偏差不大，模型基本能夠反映洪水的淹沒過程，計算所采用的參數(shù)及模擬結果比較合理，這說明了采用Mike模型進行計算是可行的。

（2）歷下區(qū)立交橋區(qū)域發(fā)生1年一遇降雨時，研究區(qū)域內最大積水深度約為0035 m左右；發(fā)生5年一遇降雨時研究區(qū)域內最大積水深度可達0076 m左右；發(fā)生10年一遇降雨時研究區(qū)域內最大積水深度可達0094 m；發(fā)生20年一遇暴雨時，研究區(qū)內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～048 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在048～084 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達084～102 m，局部區(qū)域大于102 m；發(fā)生50年一遇暴雨時，研究區(qū)內大部分區(qū)域的[HJ1.8mm]內澇積水深度在0～030 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在030～120 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達120～165 m，局部區(qū)域高于165 m；發(fā)生100年一遇暴雨時，研究區(qū)內大部分區(qū)域的內澇積水深度在0～045 m之間，立交橋橋下區(qū)域積水深度在045～135 m之間，橋身下最低洼區(qū)域積水深度高達135～180 m，局部區(qū)域高于180 m。

（3）經本次模擬研究表明，“7·18”暴雨的積水深度高于濟南市100年一遇暴雨時的積水深度；劉志雨[20]指出2007年7月中旬濟南市發(fā)生了特大暴雨，濟南市1 h降雨量達到151 mm，3 h降雨量達到180 mm，相當于200年一遇的標準；這與本次模擬結果基本一致。

為了研究歷下區(qū)立交橋區(qū)域的暴雨積水情況，本文將研究區(qū)域四周范圍定為北至歷山北路，南至明湖東路和花園路，東西兩側范圍到現(xiàn)狀河道，初步模擬了研究范圍內的積水情況，考慮到濟南市南高北低的地形條件，研究區(qū)南部山區(qū)的水有匯入該研究區(qū)域的可能性，因此，本次模擬結果可能存在一定的偏差，未來擬進一步開展在開邊界條件下的暴雨積水模擬分析計算，使得模擬結果更加合理。[HJ1.54mm]

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