1 基于模型的防涝方案编制步骤及要点

基于模型的城市内涝风险分析及防涝规划对策制定，是通过计算机模型对城市排水防涝系统进行验算，识别内涝积水区成因，从而制定相应的规划方案，通过模型进行重复验算，直至满足防涝要求。

1.1 主要编制步骤

基于模型的防涝方案编制，主要包含以下步骤：

(1）确定模型输入条件。按照规范要求，选取相应的内涝防治设计重现期，结合当地设计降雨雨型，构建长历时设计降雨过程线作为模型输入条件。下游河道的同频率设计水位过程线作为模型计算的下游边界条件。

(2）构建区域精细数字高程模型（DEM）。为了模拟地表行泄通道的排水过程，按照设计条件等价化原则，采用雨量径流系数和等流时线结合的方式，进行模型产汇流计算，并严格遵循地表竖向高程设计，最终构建出区域精细DEM模型。

(3）进行内涝模型计算，确定相关淹水指标。结合内涝模型计算结果，分析淹水位置、淹水时间、积水量和面积等淹水指标。

(4）识别积水点成因，调整防涝设计方案。结合局部的管网运行状态、地表地形和地表水流流向，分析积水点产生的原因，参照城市用地规划和竖向规划，调整防涝设计方案。

(5）再次进行模型验证，以满足规范要求。对调整后的防涝设计方案进行再次模型验证和调整，直至满足设计规范要求。

1.2 管道系统评估

雨水管网设计标准评估是通过多情景水力模拟，计算不同重现期下管网的运行状态，并以管段超载的临界状态（即满流无压力流状态），判断管网排水能力所对应的重现期。雨水管网设计方案的模型校核与常规模型构建不同，没有实测的流量或水位数据的率定过程，其校核的关键在于模型参数的准确度。模型参数设置与设计条件一致或等价时，才能对设计条件下的管网方案进行有效验证。基于模型的管网设计标准评估流程如图1所示。

当管段发生超载时，存在水力坡度小于管道坡度、水力坡度大于管道坡度两种运行状态，其产生的原因存在明显差异，所对应的调整方案也不同，如图2所示。

图1 雨水管网规划方案校核内容   

Fig.1 Check the content of rainwater network planning

图2 管段超载运行状态   

Fig.2 Status of overloaded pipeline

对于第一种状态的管道，虽然管道水位超过了管顶高程，但其过流流量并未达到其满流设计流量，因此该种情形管段发生超载的原因可归结下游高水位顶托，管段未能充分发挥其设计过流能力，在不改善下游的水力状态前提下，调整该段管的设计参数将收效甚微。

对于第二种状态的管道，水力坡度明显大于管道坡度，表面管道的实际过流流量超过了满流设计流量，超载的原因是自身过流能力不足，直接有效解决方案为增大管段的设计断面或设计坡度。

在规划方案的超载管道中，第二种超载管段为系统的瓶颈管段。规划方案的调整，应优先调整水力坡度大于管道坡度的瓶颈管段，该调整也将有效改善上游顶托管段的水力状态（第一种状态的超载管段）。

1.3 内涝风险评估

欧盟国家结合工程实践定义了管道“超载”和“洪涝”两种不同的水力状态，如图3所示。

管道“超载”为管段运行水面高程高于管顶高程，并未超出地面高程，不会产生城市内涝；管道“洪涝”为运行水面高程达到地面高程，通过检查井产生溢流，形成地表积水，具有内涝灾害风险。从管段满流状态至溢流出地面的过程即为管网抗洪能力的体现。该种能力同样可采用设计降雨重现期进行度量，从图3可知，管段抗洪（涝）能力的重现期标准将高于满管无压流的设计重现期标准，且由于管段埋深的不同，对于相同设计标准的管道，其抗洪（涝）能力将有所区别。

图3 管段超载与洪涝状态   

Fig.3 Status of overload and flood pipeline

管网内涝风险评估采用与管道系统评估时相同的运行条件，降雨采用超管道设计标准的合成暴雨，模拟系统在发生城市内涝防治工程建设标准及以下的暴雨事件时可能发生的内涝灾害，并统计各检查井发生洪涝的事件频率。

2 大兴国际机场内涝模型案例

大兴国际机场位于北京市大兴区榆垡镇，用地规模2 700hm²，属于天堂河流域范围，整体地势为西高东低。机场用地范围周边没有雨水管道，其雨水以坡面流方式排入周边沟渠，由于机场所处位置较低洼，其雨水系统面对强降雨情况下的压力要远大于其他地区。大兴国际机场研究范围如图4所示。

2.1 模型输入条件确定

(1）边界条件。通过外围挡墙形成了闭合边界，四周边界均为零流量边界。

(2）地形数据。以1∶500的最新测绘地形图为基础，结合场内规划竖向设计，提取场内的道路竖向设计高程及空侧地势设计等高线进行修正，制作场内DEM^[1]。

(3）模型参数。主要参数包括地面糙率、集水时间和管道糙率。地面糙率数值，根据下垫面情况及地表坡度进行取值，本模型地面糙率取值为0.035。对于集水时间，基于中心城经验率定成果，结合机场及周边的平均地形坡度，采用0.4m/s的地表平均流速计算各个雨水集水区的集水时间。对于管道粗糙率，根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）进行经验取值，规划管道粗糙系数采用0.013，考虑破损及一定的效率折减系数，现状管道采用0.014 7^[2]。

图4 大兴国际机场研究范围   

Fig.4 Research scope of Daxing International Airport

(4）设计降雨及净雨。选择北京市地标所提供的24h5min间隔的设计降雨，采用5年一遇重现期标准降雨进行管道系统评估，采用50年一遇重现期标准降雨进行内涝风险评估。净雨序列通过综合径流系数乘以降雨曲线得到，用于MIKE21的模型输入。

2.2 大兴国际机场内涝模型构建

采用丹麦DHI的MIKE系列软件进行模型构建，主要模块包括MIKE URBAN模块构建管网模型、MIKE21模块构建地表二维漫流计算模型以及通过MIKE FLOOD模块构建管网、地表的耦合计算模型。

(1）雨水管网模型构建。雨水系统管网数据源于相关设计单位提供的机场场内施工图设计，包括管道、调蓄水池、泵及堰等雨水设施。经梳理，管道长度233.15km，节点数3 253个，调蓄池12个，泵站8个，溢流堰1座，雨水总流域面积2 990hm²，结果如图5所示。

(2）场内DEM构建。通过GIS工具及地形高程点矢量图层生成raster数据格式的DEM模型。结合场内规划竖向设计，提取场内的道路竖向高程点及空侧地势等高线，按照道路竖向规划对道路地形面进行平滑处理，并根据场内平面布置图对建筑物的高程进行抬高，实现道路、建筑物的地形修正。经过修正后的DEM能够更为准确的表达竖向关系，结果如图6所示。

图5 机场雨水管网模型   

Fig.5 Model of airport rainwater network system

图6 高精度DEM模型   

Fig.6 High precision DEM model

2.3 大兴国际机场管道系统评估

在雨水管道系统评估中，需结合当地暴雨强度公式，构建一定重现期的24h设计降雨过程作为模型的输入条件，以开展系统评估，分析不达标管网的超载运行状态，了解管段的受限状态，实现瓶颈管段的定位分析，经方案调整后，再次进行评估验证。

对于大兴国际机场管网方案，经MIKE FLOOD耦合模型评估，部分管道存在超负荷现象，但总体满足机场区5年一遇的管网规划重现期标准要求，结果如图7所示。根据图8中超负荷管段纵断水压线，超负荷管道主要受下游高水位的顶托影响，在规划方案调整中，应注重改善下游的水力状态，使该管段的过流流量达到满流设计流量。

图7 规划管段模型评估结果   

Fig.7 Evaluation results of pipeline segment model

图8 超负荷管段纵断水压线   

Fig.8 The hydraulic pressure line of the overload section is broken longitudinally

2.4 大兴国际机场内涝风险评估

结合北京市《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（DB11/T 969-2016），确定机场场内内涝标准为50年一遇标准^[3]。防涝要求具体为：在相应降雨条件下，机场跑道、航站楼不发生积水，建筑物底层不进水，且场内路面积水深度不超过15cm。

(1）结合内涝模型计算结果，分析淹水位置、淹水时间、积水量和面积等淹水指标，将规划中不可淹没区域作为内涝规划改造区域。基于规划管网方案、道路竖向以及下垫面规划资料，构建50年重现期24h长历时设计降雨，模拟区域内涝积水深度分布情况，结果如图9所示。按照内涝积水点的判定标准，即积水深度在15cm以上，则被认为是达到致灾标准的有效积水点，通过对上述内涝模拟计算，案例区域共形成内涝积水点3处，分别为积水点a、积水点b、积水点c，总积水量为2.66万m³，各积水点分布如图9所示，积水情况如表1所示。

图9 内涝积水风险评估   

Fig.9 Risk assessment of waterlogging

  

表1 机场内涝积水点淹水指标

Tab.1 Waterlogging point flooding index of airport

 

(2）识别积水点成因，调整防涝设计方案。结合局部的管网运行状态、地表地形和地表水流流向图，分析积水点产生的原因，参照城市用地规划和竖向规划，调整防涝设计方案。机场研究区域的道路基本完成，因此，内涝解决对策主要考虑调蓄方案，优先利用积水点周边规划绿地进行调蓄，其次，机场内大量地块仍未开展施工建设，因此可随规划地块的建设，通过在地块内构建调蓄池进行内涝水量的蓄滞。以北部区域为例，多数积水点周边存在空闲绿地，可通过绿地内调蓄解决积水问题，其余积水点则应采用建设地块内雨洪利用设施调蓄。积水点a、积水点b、积水点c的积水点问题识别及解决措施情况如表2所示，调整前后的水流方向及内涝模拟情况如图10～图13所示。

(3）再次进行模型验证，以满足规范要求。对调整后的防涝设计方案进行再次模型验证和调整，直至满足设计规范要求。按积水点解决对策方案增加调蓄设施后，重新构建内涝评估模型，模拟计算改造后的内涝积水状况，通过调整相应设施规模，最终实现各积水点消除的目的。最终，经过两个降雨季的运行，机场区域各积水点均未发生明显积水情况，整体防涝方案效果良好。

图1 0 内涝积水点a   

Fig.10 Waterlogging point a

图1 1 内涝积水点b   

Fig.11 Waterlogging point b

图1 2 内涝积水点c   

Fig.12 Waterlogging point c

  

表2 积水点问题识别及解决措施

Tab.2 Problem identification and solution of water accumulation points

 

图1 3 调整后内涝积水风险评估   

Fig.13 Adjusted risk assessment for waterlogging

3 结论

(1）基于模型的防涝方案编制步骤及要点，包括“模型输入条件确定”“区域精细DEM构建”“内涝模型计算”“防涝设计方案调整”“防涝方案验证”等环节。

(2）当管段发生超载时，存在水力坡度小于管道坡度、水力坡度大于管道坡度两种运行状态，发生原因分别为受下游高水位的顶托和自身过流能力不足，后者超载管段为系统的瓶颈管段。对设计方案的调整应优先处置水力坡度大于管道坡度的瓶颈管段，改造系统的瓶颈管段往往将使得上游受顶托影响管段的水力状态同步得到有效改善。

(3）按照5年一遇标准，对大兴国际机场雨水管网系统方案的进行了模型评估，按照50年一遇的标准，开展了大兴国际机场内涝风险评估。

(4）识别了3处积水风险区，随后结合地势和管网情况，分别分析了积水点的成因，结合机场用地规划布局，优化局部竖向高程，通过增设下凹绿地雨水调蓄、局部增大雨水明沟尺寸的方式调整防涝方案，调整后的防涝方案满足了50年一遇的防涝标准。

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叶婉露