目前,国内的一些大中型城市均开展了排水防涝规划工作,而小城市开展此项工作有些许困难,主要原因是没有完整的管网数据,也没有建立专门的管网维护系统,因此,小型城市就很难通过商业软件对管网系统进行淹水模拟。然而,针对目前频发的极端天气,我们不能坐以待毙,这就迫切需要规划设计人员针对此种问题提出新的模拟方法。

　　 传统的内涝模拟都是在管网资料齐全的基础上搭建的,而针对无管网片区的模型搭建却束手无策,针对这种无管网或者管网资料缺少的情况,马洪涛等提出了快速评估模型的搭建方法^[1,2],该方法在一定程度上解决了管网资料匮乏而无法进行模型搭建的现状,但是笔者在实际建模的过程中发现:该模型在低重现期下模拟效果较好,但是在高重现期下模拟效果不是很理想,对此笔者提出了一种新的改进方法,使得该模型在不同重现期下都能较好地模拟淹水状态。

　　 快速评估模型的基本原理是:设计净雨降落在数字高程模型(DEM)上,扣除其相应汇水区的雨水排除能力,得到地面积水量分布,模拟出内涝区。设计净雨根据设计雨型扣除规划设计的径流量得到;雨水排除能力可以根据出水口管道参数求算,也可以根据汇流时间和暴雨强度公式求算,雨水排除能力在模型中以蒸发量体现。

　　 为了方便说明该次改进应用的可行性,本文会结合应用较为成熟的完整模型作说明比较。完整模型是依据国际知名的软件建立完善的管道模型,然后通过产流和汇流模块的计算,模拟一维管道水流状态,并且与地面耦合,模拟二维地面水流状态。本文采用的软件均为丹麦水利研究院开发的系列产品,完整模型采用MIKE URBAN与MIKE 21通过MIKE FLOOD软件耦合,快速评估模型采用MIKE 21软件,相关参数均保持一致,这样也保证了计算结果的可比性。

　　 快速评估模型最开始应用在桥区的淹水模拟,受地形的影响较小,其应用研究已经比较成熟。但是在城市规划层面上的应用较少,经验不足,有时模拟结果会有较大偏差,特别是对于城市地形起伏较高,地下管网结构受河道顶托严重的地区,因为该模型无法体现河道水位的影响,也无法体现管道的压力流状态。

　　 同时笔者在实际建模过程也发现:快速评估模型在低重现期(1~5年)的模拟结果相对准确,在高重现期下模拟效果偏差较为明显。通过对该种现象的原因分析,笔者提出了新的改进方法,使得该模型高重现期下仍能够较好地模拟实际淹水情况。

　　 由快速评估模型的原理可知,雨水排除能力在该模型中用设定的蒸发值表示,即模型中设定的蒸发值代替了现有管道的排水能力,而由雨水排除能力的计算方法[见式(1)~(3)]可以看出:出水口所对应汇水区的雨水排除能力是由出水口处管道的设计流量平摊到对应汇水面积计算得到,显然出水口处的汇流时间最大,对应的暴雨强度最小,初始管道对应的暴雨强度最大。

　　 式中i———雨水排除能力,mm/min;

　　 s———汇水面积,hm²;

　　 Q———排水管渠的设计流量,m³/s;

　　 v———水流断面的平均流速,m/s;

　　 n———粗糙系数;

　　 A ———管渠断面面积,m²;

　　 R———管渠按满流设计的水力半径,m;

　　 I———出水口管道坡度。

　　 因此,分析得出该模型所用的雨水排除能力是对应汇水区最低的雨水排除能力,所以该模型的结果一般要比实际淹水量要高;虽然这样得出的淹水结果对于实际工程来说是偏安全的,但是这也增大了实际工程措施规模,增加了造价,因此需要根据不同重现期的降雨、结果误差、以及相应的工程造价综合考虑。

　　 在低重现期下,降雨总量不是很大,管道的压力流状态不那么明显,淹水结果误差在允许的范围内,这时根据相对安全的模拟结果提出相应的工程措施,不会增加太大的工程造价;而在高重现期下,降雨总量较大,模型无法体现管道的压力流,模拟结果偏差较大,这样的结果指导排水防涝规划会大大增加工程措施造价。

　　 基于以上分析,模拟结果好坏主要取决于雨水排除能力的值,如果能在这最高值与最低值之间取个合适的中间值,那么该模型的模拟结果会更加准确,即在管网结构中间某处管道对应最优雨水排除能力值。对此,笔者用淹水位置处管网的雨水排除能力值作为该汇水区处的蒸发值,通过实例验证,该做法的淹水结果要比改进前的淹水结果更理想,并且该做法仍能够指导高重现期降雨下的规划方案的制定。

　　 该做法大致可以表述为:先在低重现期下用改进前的模型进行淹水模拟,找出淹水位置,再找出对应淹水位置管道对应的雨水排除能力,如果没有该处管道的相关资料,就对该处进行现场调研,找到该处对应主管道的相关资料,将得到的新值替换掉原来该汇水区的雨水排除能力,这样就实现了对汇水区不合理雨水排除能力的调整。

　　 该做法需要进一步说明的是:之所以取淹水位置的管网来调整汇水区的雨水排除能力,是因为积水积在该位置后,说明该处管网的排水能力或者其上游排水能力已经是该系统的瓶颈点了,此时如果还用出水口处的排水能力而不做调整的话,这样只会增大积水风险,增加工程造价,淹水位置的雨水排除能力较接近最优解,能够较真实地反映淹水位置的淹水量和淹水时间,并且该位置能够通过改进前模型的淹水模拟找到,当然这可能仍然不是该模型的最优雨水排除能力,希望以后借助相关计算软件程序能有所突破。

　　 该案例位于深圳东部地区,总面积为506hm²,总共分了15个汇水分区,管网总长度为39.1km,概化后共有节点622个。首先模拟低重现期下的淹水工况,低重现期雨型采用芝加哥雨型公式推求,1、2、3、5 年重现期降雨总量分别为75.11 mm、85.44mm、91.52mm、99.29mm,模拟时间为2014年1月1日00:00~03:00,最后1小时为退水模拟时间。

　　 低重现期下分别搭建完整模型与快速评估模型,分别加载对应重现期降雨,以5年重现期为例,详见图1、图2。完整模型是先将雨水收集到管网系统中,然后再冒出地面,故而淹水结果较为集中,而快速评估模型的机理是将降雨泼洒在地形上,然后通过蒸发量扣除,最终得到淹水区域,因此该模型的降雨分布较为分散,但是总体的内涝位置相同,说明低重现期下快速评估模型淹水模拟效果较好,无需对雨水排除能力作调整。

　　 高重现期下运行两种模型,深圳市的内涝标准为50年一遇,因此,对模型加载50年降雨,总降雨量为496mm,模拟时间为2014年1月1日00:00~24:00。运行模拟结果如图3和图4所示。明显两图所示的模拟结果差别很大,主要是因为重现期总降雨相差较高,因此原来的误差足以酿成错误了,在高重现期下该模型必需要进行调整,找到图1或图2标示的两处内涝位置所对应的管网,然后重新计算该内涝所在的汇水区的雨水排除能力,如果内涝区横跨两个汇水区,则需要根据模拟片区的水流方向,判断属于哪个汇水区的涝水,进一步确定调整的汇水区。

　　 对雨水排除能力调整完后再重新运行模型,运行结果如图5 所示。 深圳市对内涝的定义为:积水时间在30 min以上,积水深度在15cm以上并且淹水范围在1 000 m²以上,三个要素同时满足时视为内涝,因此,在进行内涝识别的过程中,积水深度在15cm以下的区域可以忽略,从图例看以看出:除去15cm以下的区域,积水分布与完整模型大致一致。

　　 通过对内涝位置1 的分析(详见图6 和图7)可以看出:快速评估模型内涝区积水量的峰值时刻要滞后些,主要原因是快速评估模型的水流是在地面上流动,而完整模型的水流是在管网中流动,显然管网中的水流要比地面的水流速度快,因此快速评估模型内涝区积水量的峰值时刻要滞后于完整模型,而地面开始积水时间却滞后数小时,这时由于两个模型的机理不同而导致的,图6 表示在16:30时刻的时候降雨强度开始高于该处的雨水排除能力,地面开始积水,而完整模型的地面积水是通过管道冒出地面的,因此,两个模型的积水时间不具可比性。

　　 本文以深圳东部地区为研究实例,介绍说明了快速评估模型的适用条件,该模型在低重现期下该模型的模拟效果较好,但是在高重现期下该模型的模拟效果不尽如人意;笔者提出了在高重现期下的改进方法,实例说明了该方法的可行性,但是内涝区的开始积水时间、积水量以及雨峰时刻与完整模型仍有一定的差别。快速评估模型在排水防涝规划的应用还处于摸索阶段,希望以后的建模人员在此基础上能够提出更合理构造方法,以便各个城市的排水防涝规划工作顺利展开。