張 傲 馬立山 楊國麗 張海平

(河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系，河北 張家口 075000)

0 引 言

城市化顯著改變城市下墊面與氣象條件[1]，致使城市內(nèi)澇頻發(fā).城市雨洪模型作為城市內(nèi)澇研究的重要工具，可通過模擬降雨、匯流、收集、排放等過程對內(nèi)澇進(jìn)行分析、評價、預(yù)測、治理等研究，目前，現(xiàn)有城市雨洪建模技術(shù)以逐漸成熟，但仍存在不足指出，如管網(wǎng)概化與地形概化尚有優(yōu)化之處.Rad[2]、Zhou[3]等人對多種管網(wǎng)方案進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對于緩解洪水災(zāi)害十分重要,Meierdiercks[4]用寬度函數(shù)定義了樹枝型管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)雨水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)是影響匯流過程的關(guān)鍵因素，并指出部分情景下管網(wǎng)密度對洪峰洪峰流量的影響甚至大于不透水系數(shù)[5].但在實際建模過程中，受到模型的限制，部分雨水管網(wǎng)系統(tǒng)與部分建筑設(shè)施無法在模型中體現(xiàn)，地表模型與實際地貌存在誤差，在缺少部分建筑設(shè)施干擾的情況下，可在模型中體現(xiàn)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不足以還原實際匯水過程，因此需對管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化處理，使其符合模型輸入要求且與實際管網(wǎng)作用更相近.傳統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化方法及其衍生方法：即根據(jù)管徑大小控制保留主干管或結(jié)合道路[6-7]、規(guī)劃資料[8]、匯水區(qū)[9]等因素確定主干管，只概化主干結(jié)構(gòu)，雨水口均概化在市政道路上，居民小區(qū)等用地內(nèi)部不進(jìn)行管網(wǎng)及節(jié)點概化，概化后的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)在地表模型與實際地貌差別的影響下，無法體現(xiàn)原有作用.

呂恒[10]對單層排水系統(tǒng)與多層排水系統(tǒng)進(jìn)行比較，指出道路等地表排水通道的概化對雨洪模型影響甚大，沈計[11]以宏觀與微觀相結(jié)合的方法劃分匯水區(qū)，所劃匯水區(qū)更接近實際匯水區(qū).本研究借鑒宏觀與微觀相結(jié)合的思想劃分匯水區(qū)，同時結(jié)合地表模型、土地利用、現(xiàn)狀雨水工況等資料對現(xiàn)有管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化方法進(jìn)行優(yōu)化，縮小城市雨洪模型排水過程與實際過程的差距.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)地處華北平原的南部、史河中游東岸，為三條接入史河的一級支流流域，地貌類型可分為丘陵、沉積臺地、沙灣地三種，整個區(qū)域相對獨立適合構(gòu)建雨洪模型.該研究區(qū)域的下墊面組成較為復(fù)雜，本研究收集了該區(qū)的高分辨率下墊面空間數(shù)據(jù)源，并將該區(qū)域下墊面分為草地、水體、道路、建筑、裸地、林地等共六類.另從相關(guān)管理部門獲取了市政排水主干管網(wǎng)、地形高程(5m*5m)、水文等數(shù)據(jù)資料，用來建立研究區(qū)雨洪模型.

2 構(gòu)建城市雨洪模型

本研究選用Mike Flood模型.模擬過程：雨水降落至地表，經(jīng)蓄水和入滲后，在單元格內(nèi)形成地表產(chǎn)流，進(jìn)而在單元格間形成地表匯流，產(chǎn)匯流通過雨水口流入管網(wǎng)進(jìn)行管網(wǎng)匯流，最終通過管網(wǎng)出水口流向河道或處理廠，超過管網(wǎng)負(fù)荷的雨量通過地表漫流的方式排入河道或形成地表蓄水.整個模擬路徑更符合城市匯水的實際情況.

2.1 地表概化

本研究依據(jù)實際地貌特點對研究區(qū)域劃分獨立排水區(qū)域，分區(qū)線為水流難以穿過的明渠河流、地勢較高的高速路、地勢較高的鐵路.共將研究區(qū)共分為七個區(qū)，各區(qū)徑流均通過雨水系統(tǒng)收集排入河流，排水情況相互獨立.在城市雨洪模型中，地形高程模型(Digital Elevation Model,DEM)與實際地貌相差較大，需結(jié)合土地利用與排水分區(qū)情況對其進(jìn)行修正，即概化地表.研究區(qū)域邊界線、分區(qū)線、建筑等對匯流過程影響較大，需基于地理信息系統(tǒng)平臺，對其所在柵格作提高處理，干擾徑流的通過；道路為排洪的重要通道，需對其所在柵格進(jìn)行降低處理，收集傳輸?shù)乇韽搅?；?fù)雜的嘗試下墊面無法在DEM中體現(xiàn)，需對其進(jìn)行透水性概化，即結(jié)合土地利用對下墊面進(jìn)行參數(shù)化[12].修正后的DEM對水流的干擾及其透水性與實際地貌相近.

2.2 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化

本研究通過管網(wǎng)概化與地表模型耦合還原實際匯水過程，因此管網(wǎng)概化時需基于實際雨水管網(wǎng)保留其主干結(jié)構(gòu).市政雨水管網(wǎng)中，除雨水口及雨水口連接管外，其余主體管網(wǎng)部分在雨洪模型中均可體現(xiàn)，為減小模型與實際情況的誤差，本研究保留全部可體現(xiàn)的市政雨水管網(wǎng)作為管網(wǎng)模型的主干結(jié)構(gòu).然后，結(jié)合集水流域信息與現(xiàn)狀雨水工況對管網(wǎng)概化支管，即結(jié)合土地利用與實際雨水工況，參考地表模型與實際地貌的差別，將地塊內(nèi)的排水系統(tǒng)概化為市政管網(wǎng)的支管，通過概化后的管網(wǎng)與地表模型的耦合使模型的匯流與實際過程更接近.本研究通過田徑場示意圖闡述支管概化理念：

首先分析實際匯流過程，如圖1a為田徑場內(nèi)現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)工況圖，場內(nèi)徑流匯集到盲溝內(nèi)，通過場內(nèi)雨水管排入市政雨水管，場內(nèi)雨水管網(wǎng)與盲溝構(gòu)成場內(nèi)雨水系統(tǒng).再將從DEM提取的分水嶺與現(xiàn)狀雨水工況圖進(jìn)行重疊分析，如圖1b所示，由于實際地貌與DEM有誤差，田徑場在模型內(nèi)被分為A、B、C三部分，而盲溝和圍墻無法在模型中體現(xiàn)，原有的場內(nèi)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)在模型中，只能收集區(qū)域B內(nèi)徑流.然后概化支管，本研究將三個區(qū)域各概化一條管道為此區(qū)域服務(wù)，以枝狀管網(wǎng)形式相接，按實際接入點接入市政雨水管，將人孔作為雨水口，并放于此支管所服務(wù)區(qū)域的中心的位置.如此，圖1b所示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)可收集整個田徑場內(nèi)徑流，符合實際匯流過程.對于沒有被分水嶺分割的地塊，可直接概化一條支管，節(jié)點位置為地塊中央的道路上.最后進(jìn)行支管數(shù)據(jù)信息輸入：概化后的支管信息選取其地塊內(nèi)實際排水系統(tǒng)的主干管信息為其賦值.

圖1 支管概化示意圖

2.3 匯水區(qū)劃分

本研究的匯水區(qū)劃分方法采用宏觀與微觀相結(jié)合的思想，首先利用D8算法對DEM提取水流向，劃分集水流域，確定集水流域邊界(分水嶺).結(jié)合土地利用、集水流域、現(xiàn)狀雨水工況等資料概化節(jié)點，依據(jù)節(jié)點通過泰森多邊形法以排水分區(qū)邊界為邊界條件劃分匯水區(qū).節(jié)點概化過程如下：

管網(wǎng)概化中，將人孔概化為節(jié)點，且將節(jié)點作為地表與管網(wǎng)系統(tǒng)的水量交換通道(雨水口)，本研究依據(jù)節(jié)點采用泰森多邊形進(jìn)行匯水區(qū)劃分，為減小匯水區(qū)對集水流域邊界的破壞，本研究將支管上游節(jié)點布置在所對應(yīng)匯水區(qū)域的中心位置的道路上，如此周圍的徑流在建筑的干擾下容易流入節(jié)點，且節(jié)點集水的范圍與實際地塊排水系統(tǒng)的集水范圍更相近，支管下游節(jié)點概化在地塊實際排水系統(tǒng)接入市政雨水管的位置，保證概化后，地塊內(nèi)徑流雨水排入市政雨水管網(wǎng)的排入點與實際排入點相同，同時起到收集道路雨水的作用，使概化后管網(wǎng)更符合實際管網(wǎng)結(jié)構(gòu).市政雨水管上節(jié)點主要收集匯集到道路的徑流，本研究在地表模型中以對市政道路所在柵格進(jìn)行修正，因此市政雨水管上的節(jié)點概化在路口位置，即可起到收集道路徑流的作用，同時防止此條道路的徑流進(jìn)入其他路段的節(jié)點，管網(wǎng)服務(wù)范圍及結(jié)構(gòu)與實際更接近.

2.4 概化后管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對比

本研究對有獨立排水系統(tǒng)的地塊，均按以上方法將其概化為支管與節(jié)點，對無排水系統(tǒng)的地塊(如裸地)，遵循實際情況不進(jìn)行概化.本研究概化后的管網(wǎng)特點以一獨立的管網(wǎng)系統(tǒng)為例加以說明，如圖2所示，a為本研究概化的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，b為傳統(tǒng)方法概化的管網(wǎng)結(jié)構(gòu).本研究在保留全部市政主干雨水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際雨水工況、地形等因素，將各地塊內(nèi)的雨水系統(tǒng)概化為市政雨水管網(wǎng)的支管，相對傳統(tǒng)方法概化后的管網(wǎng)較為密集，有排水系統(tǒng)的地塊均有對應(yīng)支管收集其徑流，通過概化市政雨水支管保證市政雨水干管的服務(wù)范圍，更符合實際雨水工況.

2.5 構(gòu)建城市雨洪模型

本研究建立兩個Mike Flood模型.(1)本研究模型：依據(jù)本研究概化后的管網(wǎng)數(shù)據(jù)建立管網(wǎng)模型(Mike Urban)與地表漫流模型(Mike 21)、河網(wǎng)模型(Mike 11)進(jìn)行耦合連接，建立Mike Flood模型，以節(jié)點作為連接點.(2)主干模型：以傳統(tǒng)方法概化管網(wǎng)，以泰森多邊形劃分匯水區(qū)，建立管網(wǎng)模型與地表漫流模型、河網(wǎng)模型進(jìn)行耦合連接，建立Mike Flood模型，以節(jié)點作為連接點.

本研究降雨數(shù)據(jù)采用20年一遇24小時實測降雨數(shù)據(jù)，模型內(nèi)降雨時間為2017/2/20 0:00-2017/2/21 0:00，除管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化與匯水區(qū)劃分部分，其余模型及參數(shù)均采用2018年靳帥國所建Mike Flood模型及參數(shù)[12].

3 結(jié)果對比

3.1 沿崗河斷面流量對比

沿崗河為本研究區(qū)的主要泄洪通道，因此選用沿崗河(全長17 000 km)具有實測數(shù)據(jù)的四處主要斷面(上游，6 023 km處、11 172.5 km處、12 684 km處、16 980 km處，下游)與模型模擬結(jié)果對比.本研究采用研究區(qū)上游沿崗河實測流量數(shù)據(jù)作為研究區(qū)內(nèi)沿崗河的初始條件，如圖3，由于6023斷面前無支流接入，且距沿崗河距本研究區(qū)域的開端處很近，三方數(shù)據(jù)相差很小；11172.5、12684、16980三個斷面，主干模型在洪峰時期模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差較大，本研究模型更接近實測數(shù)據(jù)，其中，12684斷面處，洪峰時期主干模型洪峰流量高于本研究模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，而12684下游16980斷面處，主干模型洪峰流量低于本研究模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，洪峰流量與實際相差較大；由12684、16980斷面可看出，主干模型與本研究模型的洪峰時間遲于實際洪峰時間，洪峰流量低于實際洪峰流量，且16980斷面處表現(xiàn)更為顯著.

通過洪峰對比可知：管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化對雨水系統(tǒng)的洪峰與洪峰流量均有影響，只概化主干管(市政雨水管)的雨洪模型，會推遲洪峰削減洪峰流量，且排水系統(tǒng)越大越顯著.在市政雨水管的基礎(chǔ)上結(jié)合實際將各地塊排水系統(tǒng)概化為市政雨水支管會對此問題有所突破，更符合實際排水過程.

圖3 沿崗河斷面T-Q曲線對比

3.2 管網(wǎng)系統(tǒng)出水口流量對比

本研就將圖2所示兩個管網(wǎng)系統(tǒng)的出水口流量與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析評價管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對雨洪模型的影響，其實測數(shù)據(jù)為間隔60分鐘的出水口實測流量所畫折線圖.如圖4所示，主干模型與本研究模型、實測數(shù)據(jù)相差較大，本研究模型與實測數(shù)據(jù)較為接近，洪峰流量對比：主干模型洪峰流量比實測洪峰流量削減約50%，本研究模型洪峰流量與實測數(shù)據(jù)較為接近.洪峰時間對比：本研究模型、主干模型均與實測數(shù)據(jù)的洪峰來臨時間相近.可見管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對管網(wǎng)系統(tǒng)的洪峰流量與排洪總量(洪量)影響較大，對洪峰時間影響較小.

圖4 出水口-20T-Q曲線對比

經(jīng)上述模擬結(jié)果對比后，本研究模型較為接近實際，接下來對主干、本研究兩個雨洪模型進(jìn)行對比，分析洪峰推遲及洪峰流量、洪量削減的原因.

3.3 水量平衡對比

Mike Urban水量平衡公式:徑流量=管網(wǎng)傳輸量+管網(wǎng)系統(tǒng)蓄水量+其他；Mike Flood水量平衡公式：徑流量=管網(wǎng)傳輸量+管網(wǎng)蓄水量+地表傳輸量(地表漫流量)+地表蓄水量(地表洼畜量)+其他.由于其他水量過小，且在本研究中為非研究重點，本研究對其忽略不計.通過對比水量平衡(排水過程)，分析管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對模型匯流的影響.

如表1，Z-URBAN代表主干結(jié)構(gòu)的Mike Urban模擬結(jié)果,Z-FLOOD代表主干結(jié)構(gòu)的Mike Flood模擬結(jié)果，B-URBAN代表本研究的Mike Urban模擬結(jié)果，B-FLOOD代表本研究的Mike Flood模擬結(jié)果.由Z-URBAN與Z-FLOOD可見，道路等地表排水通道在防洪排澇中具有重要的作用，單一的管網(wǎng)模擬，忽視了地表的作用，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概化對其排水總量的影響較小.由Z-FLOOD與B-FLOOD可見，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化對Mike Flood模擬中的排水過程影響較大，本研究管網(wǎng)的排水量相對主干管網(wǎng)的排水量增大，地表傳輸量與地表蓄水量減小.主要因為主干管網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對實際管網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為稀疏，受地形的干擾，部分地表徑流無法流入管網(wǎng)系統(tǒng)，而沿道路或地表坡度等渠道以地表漫流的方式排入河道，導(dǎo)致地表傳輸量、地表蓄水量增大，管網(wǎng)傳輸量減小.

表1 水量平衡

3.4 指定流入量、非指定流入量模擬結(jié)果對比

匯水區(qū)劃分時對柵格定義其指定的節(jié)點，徑流通過指定節(jié)點進(jìn)入管網(wǎng)，即為指定流入(Specified inflows)，受地表模型的干擾，部分徑流通過非指定節(jié)點進(jìn)入管網(wǎng)，為非指定流入(Non-specified inflows).主干模型的匯水區(qū)劃分時，由于管網(wǎng)較為稀疏，難以結(jié)合地型，僅采用幾何方法劃分，因此其匯水區(qū)不能代表實際匯水區(qū)，而本研究模型匯水區(qū)依據(jù)實際匯流過程所劃，與實際匯水區(qū)更接近.本研究通過對比匯水區(qū)與模型匯流過程的區(qū)別，驗證模型匯流過程的正確性，并進(jìn)一步分析管網(wǎng)結(jié)構(gòu)對匯流過程影響的機理.

圖5 指定流入量對比

如圖5所示，主干模型指定流入量為38%，非指定個流入量為62%，本研究模型指定流入量為79%，有明顯的提高.主要因為主干管網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為稀疏，匯水區(qū)面積較大，地形對水流方向影響較大，部分徑流不能流入指定節(jié)點，即主干模型不能體現(xiàn)管網(wǎng)的實際服務(wù)范圍；本研究模型在主干結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合地表模型對管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化，減小地形對匯水過程的影響，使劃分的匯水區(qū)與模型匯流過程相吻合，由于本研究匯水區(qū)劃分與實際匯水區(qū)相近，因此可進(jìn)一步證明本研究模型匯水過程的準(zhǔn)確性.

如表1、圖5所示，管網(wǎng)排水量相差較大，主要因為模型在沒有圍墻等設(shè)施的干擾下，主干管網(wǎng)不能收集指定區(qū)域的徑流，所以管網(wǎng)排水量較小，而本研究根據(jù)實際情況結(jié)合地表模型，對小區(qū)等地塊內(nèi)排水系統(tǒng)概化為市政雨水管網(wǎng)的支管，即使在沒有圍墻等設(shè)施的干擾下，依然能通過概化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與概化地表模型的配合將指定區(qū)域的徑流收集到指定的市政干管，還原了管網(wǎng)的實際作用與服務(wù)范圍.

4 分析討論

4.1 對河網(wǎng)洪峰推遲及洪峰流量削減問題進(jìn)行分析討論

沿崗河結(jié)果分析、出水口結(jié)果分析、指定流入量結(jié)果分析均可證明本研究模型的準(zhǔn)確性.由水量平衡分析對比可看出：管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化對雨洪模型的排洪過程影響較大.主干模型中，部分需要通過管網(wǎng)匯流排入河道的雨水通過地表漫流的方式排入河道，由于管道粗糙系數(shù)小于地表粗糙系數(shù)，且地表模型對地表徑流干擾較大，因此地表漫流的排水方式比管網(wǎng)匯流的排水方式要慢，而主干模型中地表漫流量大，管網(wǎng)匯流量小.因此降雨高峰期時，主干模型中，小部分雨水通過管網(wǎng)快速傳輸?shù)胶拥?，大部分雨水通過徑流的方式較慢的排入河道，與實際對比，大部分雨不能快速集中排入河道，導(dǎo)致洪峰推遲，洪峰流量減小，且排水系統(tǒng)越大越明顯.

4.2 對管網(wǎng)系統(tǒng)洪峰流量及洪量削減問題進(jìn)行分析討論

由水量平衡分析及指定流入量分析可知，主干雨水管網(wǎng)在地表模型與實際地貌誤差的影響下，會縮小管網(wǎng)服務(wù)范圍，不能完全體現(xiàn)原有的管網(wǎng)作用，雨水干管結(jié)構(gòu)較為稀疏，在沒有支管的作用下，無法收集其實際服務(wù)范圍內(nèi)的雨水，因此，主干模型出水口的洪峰流量及洪量均與實際相差較大.由于出水口結(jié)果分析中僅涉及管網(wǎng)匯水過程，不涉及地表漫流排水過程，因此洪峰來臨時間影響不大.

4.3 本研究對斷面流量異常問題進(jìn)行分析討論

由于主干模型未對地塊內(nèi)雨水系統(tǒng)進(jìn)行概化，導(dǎo)致市政雨水主干管在無圍墻等下墊面干擾下，無法收集原服務(wù)區(qū)域的雨水，模型運行時，沿河地塊內(nèi)，本該隨雨水管網(wǎng)排入下游河道的部分雨水，就近通過地表漫流的方式流入出水口的上游河道，導(dǎo)致12684斷面流量比實際流量大，其上游11752斷面處在洪峰時期，流量較小，甚至停滯，在12684斷面排水壓力減小時，11752斷面將積存的流量迅速排出，此時流量大雨實測流量.本研究通過將小區(qū)的地塊內(nèi)雨水系統(tǒng)概化為市政雨水支管的方式與地表模型配合，使概化后的管網(wǎng)在地表模型中仍能體現(xiàn)實際匯流，因此誤差較小.

5 總 結(jié)

本研究基于傳統(tǒng)管網(wǎng)概化方法，保留市政主干管網(wǎng)，結(jié)合地表模型、土地利用、現(xiàn)狀雨水工況等因素，將地塊內(nèi)雨水系統(tǒng)概化為市政雨水管的支管，與傳統(tǒng)方法對比主要結(jié)論有：

(1)雨洪模型中，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化會推遲雨水系統(tǒng)的洪峰并削減洪峰流量，且系統(tǒng)越大越明顯(±20%)，對雨洪模型的總排洪量影響較??；管網(wǎng)結(jié)構(gòu)概化會削減管網(wǎng)系統(tǒng)的洪量與洪峰流量(±50%)，但對其洪峰來臨時間影響較小.

(2)地表模型的概化與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概化均對匯流過程起決定性作用，通過二者結(jié)合可減小模型與實際的誤差，即從誤差±60%縮減到±22%.概化支管可有效排除地表積水，結(jié)合地表模型與實際雨水工況概化支管與地表模型配合，可保留管網(wǎng)實際服務(wù)范圍，更好的還原實際匯水過程.

(3)本研究的匯水區(qū)劃分方法，能有效提高模型41%的指定流入量且與實際匯水區(qū)更為相近，可用于無地表模塊的水文水力的建模過程.