城市暴雨积水成因分析与模拟

随着城市化的发展,暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上,运用数值模拟技术,建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证,证明模拟结果是良好的。

城市暴雨积水成因分析与模拟

龚伟

河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）

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摘 要：随着城市化的发展，暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上，运用数值模拟技术，建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证，证明模拟结果是良好的。

关键词：城市暴雨；积水原因；城市排水；积水模拟

1. 引 言

近20年来，随着我国城市化进程的迅猛发展，城市地区由于人口密集，物资和财产密度不断加大等特点，高强度暴雨积水形成的洪涝灾害对城市化地区产生的威胁和带来的损失愈来愈大。灾害一旦发生，不仅给人们的日常生活带来不便，严重的话还可能危及人民和集体的生命和财产安全，破坏城市整体形象。通过对暴雨积水形成原因的分析，可以找出防汛工作中的薄弱点与空白点，由此加以改进，减轻灾害带来的损失。同时，如何对城市地区地面积水的发生区域及形成过程进行预测，以有效地分析涝情可能造成的后果，及时可靠地制定城市排涝减灾对策和措施是日前城市防汛研究和实践的重要课题。

2. 城市暴雨积水成因分析

2.1 城市地区的流域特性

相对于天然流域而言，城市地区的水文气象特性和产、汇流机制远较前者复杂。

首先，城市地区由于城市化影响产生的“热岛”、“尘罩”和“雨岛”效应，影响了区域的降雨特性。主要表现为汛期大暴雨次数及在大暴雨中降水总量和平均雨强增大，使得城市地区暴雨出现的几率明显增加。[1][2]

其次，城市化的过程，显著改变了土地利用特性，致使城市地区与天然流域的产汇流特性大为不同。土地利用特性的改变突出表现为建筑物密集、高楼林立、道路纵横交错，绿化率和水面率降低，增加了不透水面积，天然透水面积的比率却大幅下降。由此直接改变了当地雨洪径流的形成条件，导致径流总量增加，流速加大；峰量增高，峰现提前，历时缩短。

再次，为了迅速排出城市地区产生的雨水径流，市政部门兴建了排水管网系统。加上地面沉降等因素，低洼区不得不依靠泵站动力抽排的强排水模式。这使汇流速度显著加快，而入河强度明显提高。

最后，我国城市在建设发展过程中，往往存在与水争地，侵占河道，破坏水系的现象，致使城市地区水面率大幅降低。结果使得城市滞蓄雨洪的能力急剧减弱，影响城市的防洪安全。

2.2 城市地区暴雨积水的形成原因

综合来说，城市暴雨积水的产生主要有以下三个方面的原因[3-5]：

（1）自然原因：

1全球气候变化和城市化等原因，暴雨次数增多和强度加大。○2沿海城市多属感潮河网○

地区，地势平坦，如暴雨时恰逢外河道发生高水（潮）位时，会影响到城市排水能力，内河

随着城市化的发展,暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上,运用数值模拟技术,建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证,证明模拟结果是良好的。

水无法外排。同时，为保护防汛墙设施安全，防止河水漫溢，防汛泵站停泵，从而造成暴雨积水。特别是遭遇风、暴、潮“三碰头”时，情势更加严峻。

（2）排水设施抵御暴雨能力不足：

1较多老城区的设计暴雨重现期标准偏低，○当遭遇超标准暴雨时，容易造成暴雨时积水。2一些系统泵站和主干管线虽已建成，但收集支管由于种种原因尚未完善，造成实际排水能○

力达不到系统标准。系统中一些地区管道处排水系统的末梢，或下游管道管径偏小造成瓶颈

3排水系统的改造，使得原有系统的服务区域范围发生变更，存在泵站与管道系导致积水。○

统排水能力不相配套的情况。

（3）人为因素：

1市区面积逐年扩大，且市区不透水面积比例迅速提高；下渗量减小，产流增大，汇流○

2长期超采地下水引起地面沉降，形成一些排水不畅、地势低洼区，加快，形成暴雨洪水。○

3城市发展，施工建设管理不善造成建筑垃圾或居民生活垃圾堵塞或淤容易造成暴雨积水。○

4突发因素的影响，如泵站故障停泵导致的积积管道，造成排水不畅，局部地面积水成灾。○

水。

3. 城市暴雨积水模拟

降落在城市的雨水，除去各种损失后，沿地面、屋面及道路边沟流动，一般由雨水口进入排水管网。雨水向管网出口流动的过程中，不断汇集地面及支管中的水流，直到出口。[6]在实际处理中，根据管网的分布情况将整个汇水区域划分为若干单元区域，每个单元区域的地面径流通过雨水口集中进入排水管网。经管网汇流后，通过泵站动力或自流排入受纳水体。数值模拟的任务首先是计算各单元区域的产流和地面汇流，再将各单元区域地面径流作为管网入流，演算到管网出口。

3.1城市产流及地面汇流模型

在进行城市地区产流分析与计算时，将城市地表划分为完全不透水A1和透水A2两类。城市的铺砌面积（包含半透水砖石铺面、有裂隙铺面、由绿地包围的铺面等，这类铺面均存在不同程度的下渗）是这两类表面的组合[7]。其计算方法如下：[8]

对完全不透水面积A1，其产流量可直接由降雨量P扣除洼蓄量D得出

R1=P D （1）

在透水面积A2（包括铺砌面积上的透水面积）上降雨损失主要为下渗，当时段降雨强度大于下渗强度时透水面积产生径流

R2=(i f) t （2）

其中假定透水面积下渗率满足霍顿公式

可以推导出 f=fc+(f0 fc)e αt （3）

f=fc

式中

土壤含水量采用递推公式推求 WW)+f0(1 WmWm （4） W和Wm分别为土壤含水量和土壤持水量。

随着城市化的发展,暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上,运用数值模拟技术,建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证,证明模拟结果是良好的。

最后，单元区域平均径流深为 Wj+1=β(P R2+Wj) （5） 式中 β为折减系数，主要与日蒸发能力和土壤含水量有关。

R=abR1+(1 a)bR2+(1 b)R2 （6） 式中 a为单元区域内完全不透水面积与铺砌面积比；b为铺砌面积与单元区域面积比。

3.2 管网有压流汇流模型

城市地区的管网须作如下概化[8]：管网排水系统由管道、交叉建筑物及出水口组成。管道兼有输水和调蓄的功能；管道的交叉衔接主要通过雨水井实现，同时雨水井还承担接收地面排水系统来水的功能；排水系统出流则通过出水口（排涝泵站，溢流井，自流涵管等）实现。将管道的输水和调蓄功能进行分离，管道仅考虑输水功能；系统的调蓄功能及来水接收功能合并在蓄水节点考虑。因此，管网系统可以看成是由输水的管道、具有蓄水和衔接功能的节点以及出口组成。管道与节点可以是树枝状连接，也可以是网状连接。管网排水系统的入流为雨水径流（包括污水基流），入口置于调蓄节点；系统的出流发生在出口。

排水系统可以存在有压流状态，管道输水模拟采用运动波方程表达

Q A A H+gAJf 2V V2+gA=0xx t t （7）

式中 H为水头。

摩阻坡度Jf用曼宁公式近似估计：

Jfn2=QAR4/3 （8） 将（7）、（8）两式联立，并写成差分格式

Qt+ t=

2A AH2 H1 21+ + t 2tgAQVAV t2LL 1+(gn t/R) 1 （9） 节点调蓄采用连续方程，其形式为

写成差分格式

式中 h/ t=ΣQt/St （10） ht+ t=ht+(ΣQ t)/S （11） h为节点水头，S为节点水面积。

当h低于与节点直接相连管道的顶部高程时，节点水面积S等于管道水面积的1/2及节点本身所具有的水面积之和。当节点水头h超过管顶高程时，管道处于压力流状态，管道水面积为0；当h超过地面高程时，雨水径流倒流出节点形成地面积水，节点水面积为地面积水面积。[8]

3.3 泵站调度控制模型

出口为泵站时的运行方式为：当泵站调节池允许最大出流量Qm小于泵站排涝能力时，泵站排水流量Q ≤ Qm。否则，按泵站最大排涝流量作为泵站排水流量控制上限Q ≤ qm。如果内河水位达到或超过危险水位时，应根据泵站调度方式控制运行，减少入内河流量或停止泵

随着城市化的发展,暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上,运用数值模拟技术,建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证,证明模拟结果是良好的。

站运行。

用于积水模拟的参数通常具有较强的水文和物理意义，主要有节点汇水面积、不透水面积比例、下渗参数、地面高程、管道基本特性、管道水力糙率、管底高程、泵站排水流量等，其可靠性主要依赖于土地利用和排水管网系统的基本资料。此外，为实际地反映地面积水的影响因素，增设了二个可调性经验参数：管道通畅度、最大节点地面积水面积比例。分别用于表达管道淤积和堵塞的程度和控制积水节点的积水深度。

4. 城市暴雨积水模拟应用实例

徐汇区位于上海市区的西南部，区域面积54.76km2。区内地势平坦，地表自然坡度小。由于历史上大量开采地下水，造成肇家浜路以北的部分地面海拔高程在2.5～3m之间，低洼处在2.5m以下。区内排水系统受黄浦江潮位和内河河道水位影响显著，除植物园属自流排水系统外，其他地区主要依靠泵站动力排水。

根据资料条件，将整个徐汇区划分为1179个单元区域，概化管道1237条，出口泵站53座。按照模拟精度的要求，单元区域一般控制在8ha以内，管道长度控制在300m以内。管网排水系统为圆管及矩形管混凝土管道糙率n= 0. 014，管道及泵站参数按设计值推算。

对020704，020725，050807，050911，060901暴雨的模拟表明，计算得出的积水点基本包含了观测到的淹水节点。总体来说，节点的淹水过程趋势是合理的，说明模型的计算结果是较可靠的。各次暴雨事件的计算及观测到的淹水节点具体数目详见表1。

表1暴雨积水点模拟结果与观测结果对比 Tab.1 Comparisons of storm water logging area between simulated and observed

雨 次 模拟淹水节点个数 实际淹水节点个数

符合实际情况的比例（%）78 5. 总结

本文通过对城市地区暴雨积水的成因分析，把握住城市地区暴雨径流产生、发展的特殊性，构建了适合城市化地区复杂排水管网的，能模拟城市地区地面积水的数学模型。可为城市制定防汛减灾对策和措施，指导日常防汛工作提供依据。

随着城市化的发展,暴雨积水现象日益突出。本文在深入分析积水成因的基础上,运用数值模拟技术,建立了城市产汇流、管网有压流和泵站控制等模型来模拟积水现象。并用上海市徐汇区进行了验证,证明模拟结果是良好的。

参考文献

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[2] 李养龙，赵凯，金林，全国强．城市化发展面临的水文问题［J］．山西水利科技，2001，4：86-88．

[3] 耿艳芬．城市雨洪的水动力耦合模型研究［D］．大连理工大学博士学位论文，2006．

[4] 刘树人，周巧兰．上海市暴雨积水灾害成因及防治对策研究［J］．城市研究2000，2：18-21．

[5] 石红．改善上海市区暴雨积水区对策研究［J］．中国市政工程，2003，3：46-47．

[6] 岑国平，沈晋，范荣生．城市暴雨径流计算模型的建立和检验［J］．西安理工大学学报1996，12（3）：184-225．

[7] 刘翔．城市雨洪关系分析与模拟［D］．河海大学硕士学位论文，2005．

[8] 徐向阳，刘俊，郝庆庆，丁国川．城市暴雨积水过程的模拟［J］．水科学进展，2003，14（2），193-196．

Analysis and Simulation on Urban Storm Water Logging

Gong Wei

College of Hydrology and Water Resources, Hohai Univercity, Nanjing, Jiangsu, PRC (210098)

Abstract

With the development of the urbanlization, the storm water logging phenomenon become more and more serious. Based on the analysis of the strom water logging cause, the paper establish the urban runoff yield，the overland flow and storm-sewer flow models to simulate storm water logging by using methematical simuliation technique.When applied to Xuhui District Shanghai, the results proved to be good.

Keywords: Urban Storms; cause of storm water logging; city drainage; water storm logging simulation

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g3kj.html