吴秋琴 刘训平 肖志明 黄志文 王志超
（1.江西省水利科学院，南昌 330029；
2.深圳市广汇源环境水务有限公司，深圳 518021）
全球气候变暖和城市化建设，改变了城市降雨特征和区域产汇流过程，城市洪涝问题日益凸显[1-2]，制约社会经济可持续发展，根据《中国水旱灾害防御公报2020》统计数据，2020年全国因洪涝受灾7 864.5万人次，直接经济损失2 669.8亿元，占全年GDP的0.26%[1]。水资源安全问题关系民生，科学认识研究城市洪涝成因、提高城市防洪排涝能力、减轻城市洪涝灾害势在必行。
目前，众多学者对城市洪涝问题进行了大量研究。张建云等[2]从流域产汇流角度分析了城镇化对洪水过程的影响，系统剖析了我国城市洪涝频发的主要原因。李家叶等[3]通过分析粤港澳大湾区气候变化，认为城市面临极端天气增加的严峻局面。陈浩等[4]对深圳河流域降雨、下垫面、产汇流等影响因子变化分析流域洪涝问题。徐宗学等[5]应用ICM模型（Integrated Catchment Management Model）和SWMM 模型（Storm Water Management Model）模拟极端暴雨情景下福州市洪涝过程并进行风险分析。Shen Y等[6]通过构建管网、地表模型分析美国弗吉尼亚州诺福克市的城市洪涝问题。于月增[7]分析城市型洪涝灾害的特征与起因，从中日治水经验谈城市洪涝问题应对策略。应用DHI MIKE模型分析评估城市风险的也大有人在，王英[8]应用MIKE Flood进行了北京未来科学城区的暴雨洪水洪涝风险评估，构建了一维排水管网系统模型（MIKE URBAN）和二维城市地表模型（MIKE21），以及两者的耦合模型。栾震宇等[9]同样构建了MIKE URBAN和MIKE21耦合模型模拟湖南新化城区内涝情景，用于城市内涝风险评估管理。而韩刚等[10]认为分析深圳这种特大型城市洪涝并提供预警调度，需要构建更精细化和更高精度水平的城市洪涝模型，系统集成了产汇流模型、水库调度模型、一维河网模型、二维地表模型和地下管网模型，进行应急会商、流域风险评价、内涝分析等。
深圳市作为特大型城市，建筑密度高、经济活动集中、城市水文效应明显，近年来，强对流天气、台风及短时强降雨成为常见的致灾天气，造成巨大经济损失甚至人员伤亡。如2019年4月11日，深圳市突发短时强降雨，造成严重人员死亡事件；
2020年9月13日，深圳宝安区石岩街道发生暴雨内涝，最大淹没水深超2 m，导致47辆车辆受淹，35名人员被困。而根据《室外排水设计标准（GB 50014—2021）》，特大城市内涝防治设计重现期应满足100年一遇，居民住宅和工商业建筑物底层不进水，道路积水深度不超过15 cm。频发的城市洪涝灾害使城市洪涝问题研究迫在眉睫，本文以深圳市石岩河流域石岩街道为例，通过数值模拟手段，构建产汇流模型、一维河网模型、二维地表模型和地下管网模型，开展城市防洪排涝问题研究，进行区域洪涝风险分析，以期为城区防洪涝减灾工作提供参考依据和技术支撑。
2.1 区域概况
石岩街道位于深圳市西北部、宝安区中部，下辖7个建制村、1 个居委会，总人口50 万人，主要在石岩流域范围内，城区如图1中二维片区包含区域，其余为流域山区和水域。石岩河是石岩流域内的一条主要河流，发源于羊台山北麓，流域面积27.05 km2。石岩河横穿石岩街道，蜿蜒曲折，河道已经基本渠化，河床高程在34.70～62.50 m，平均坡降0.004。流域地形呈左岸高，右岸低，左岸地形呈山高坡陡型，右岸地形相对平缓，流域水系呈羽毛状分布。
图1 石岩河流域示意图
2.2 历史洪涝情况
2020 年石岩街道发生10 场降雨内涝，现状易涝点5 处，其中高风险点2 处（石龙大道龙大高速路口、祝龙田龙大高速桥涵），中风险点3处（北环路西行与爱群路交会处、光明路与爱群路交汇和青年路），属于内涝频发地，且受灾风险大。2020 年较严重3 场降雨内涝积水情况如表1所示，这几场降雨都是短历时强降雨，降雨集中，“9.13”降雨石龙站1 h雨强达5年一遇，河道溢流，造成大面积洪涝，引发灾害。
表1 2020年石岩街道降雨内涝积水情况
根据石岩河流域特征，构建石岩街道洪涝模型，应用MIKE系列模型进行山区水文模型、一维河道模型、地下管网模型、二维地表模型和防洪排涝工程调度模型多模型耦合，模型范围为石岩水库上游集水区。丹麦水利研究所（DHI）研发的MIKE模型在城市洪涝研究中多有应用[11-13]，研究结果得到了广泛认可。
山区水文模型：采用MIKE11 RR中的NAM模型，对石岩流域山地集水分区进行水文模拟，模拟结果作为河道流量边界条件输入，模型模拟石岩河及各支流对应山区产流面积如图1中山区集水区。NAM模型中参数众多（表2），经多次调参发现坡面流汇流时间常数CK1、2取值变化大，为敏感因子，不同子流域汇水区CK1、2取值不同，其他子流域模型参数取值可一致。
表2 NAM水文模型参数取值
一维河道模型：采用MIKE11 模型建立石岩河及其支流河网拓扑关系、设置河道断面和糙率等参数，石岩河河道糙率在0.022～0.026 范围，支流河道糙率取值0.03～0.033。河道源项为MIKE11 NAM 模拟值并耦合MIKE URBAN管网出流，下边界条件为断面水位流量关系。
地下排水管网模型：采用MIKE URBAN模型对石岩街道主干管进行建模，建模范围为图1二维城区覆盖范围，添加祝龙田路与龙大高速处桥涵排涝泵站调度模型。管井集水区面不透水参数根据下垫面用地类型参考GB 50014—2021取值，采用等时流面积法（T-A模型）[14]进行城区产流计算，模型初损取0.000 6 m，平均表面流速0.3 m/s，沿损衰减系数取值0.9表征沿程损失。
二维地表模型：采用MIKE21 模型对石岩街道城区进行地表建模，对地表进行结构网格划分，网格大小为10 m×10 m，划分后对网格高程进行插值建立模型。
耦合模型：采用MIKE Flood 模型对河道模型、管网模型和地表模型进行两两耦合，建立三模型耦合模型，使河道与管网通过排口进行水量交换计算、管网与地表通过管井进行水量交换计算、河道与地表通过岸堤进行水量交换计算。
模型率定：用实测降雨、水位和积水内涝数据对模型进行数据修正及各参数的率定，对“9.13”降雨模拟结果与实测数据进行对比（表3、图2），模型模拟水位与实测水位过程相一致，实际上报内涝积水点发生处模型也均模拟出内涝，模拟最大淹没水深与实测值小于±0.2 m，误差率小于20%，模拟淹没面积大于实际上报积水面积，这与地表模型精度和实际上报面积测量误差有关，认为模拟淹没面积误差在可允许范围，模型模拟与实际比较符合，认为模型具有较好的精确性。
表3“9.13”降雨模拟结果与实测结果对比统计表
图2“9.13”降雨吉祥桥断面水位过程
4.1 模型模拟计算方案及边界条件
基于石岩街道一维—地表—管网三耦合洪涝模型，进行不同重现期设计暴雨（表4）情境下的洪涝模拟，根据深圳市城市雨水排水分区汇流的特点及河流流域汇流的特点，设计暴雨采用长包短的3 h芝加哥雨型逐5 min数据作为模型上边界条件（图3），模型下边界为断面水位流量关系曲线。模拟7 种不同频率的河道洪水情况、地表内涝情况，评估石岩街道防洪排涝能力，分析导致洪涝问题的河道卡口段、管网薄弱点，以及地势低洼点等。
表4 不同重现期的设计暴雨统计表mm
图3 各重现期T 设计暴雨过程
4.2 河道防洪能力分析
石岩河现状防洪标准为50 年一遇，支流防洪标准均为20 年一遇。对上述7 种不同频率设计暴雨工况模拟的河道洪水情况进行分析，统计模拟结果中河道溢流段发生位置，应用ArcGIS 将河道不同工况模拟水位超过堤防高程的险工段标出（图4）。结果显示石岩河干流满足100 年一遇设计暴雨标准，而水田支流实际排水能力不到2 年一遇。水田支流不满足20 年一遇设计标准河段约1.4 km，位于石龙仔路腾达工业园－龙大高速与石龙仔路交会处以北500 m，为河道箱涵段，水田支流箱涵排水能力不足形成卡口，是河道水泄不通的主要原因。不满足20 年一遇设计标准的还有上排河，不满足河段为石岩北环路以南60 m—石岩北环路以北50 m，及石岩北环路以北380 m—弘昌工业园南，主要原因也是该段箱涵排水能力不足，其中石岩北环路附近60 m 左右河段箱涵不满足5年一遇设计暴雨。
图4 石岩河流域各设计工况河道险工险段分布示意图
4.3 管网排水能力分析
管道充满度反映管道超负荷运行程度，可作为评估管道排水能力的一个指标[15]，计算公式为：
式中：F为管道充满度；
Wlevel为管道水位，m；
Hdwlevel为管底高程，m；
Hheight为管道高度，m。
F＞1.0表示管道满管运行，管道水流为有压流，来水超过该管段排水设计能力；
F≤1.0表示水位未超过管段顶部，满足管道排水设计能力。用管道充满度来表示管网状态，李保健等[15]指出当F≤1时，管网处于正常状态；
当1＜F≤2 时，管道因下游河道过流能力不足而造成过载；
当F＞2时，管道由于自身排水能力不足造成过载。
统计设计重现期管道充满度情况，以F＞2 对管道排水能力划分，其中管道排水能力重现期不足1 a 的占比34.24%，满足重现期1～5 a 的占比17.59%，超5 a 的占比48.17%，但其中含16.23%因下游过流能力不足而造成过载。由管网充满度分布图（图5）可知，排水能力重现期超5 a 的管道主要分布在城镇边缘新建区域，城市集中区管道排水能力差。由表5 可知，随着设计暴雨越大，管道超载越严重，但超载的管道长度增加的速率明显下降。暴雨强度增强时，造成城市严重内涝的主要是排水能力不足的那些管段形成的不良影响叠加，所以要提高城市排水能力，首要是解决低标准管段，特别是排水能力重现期低于1 a 的标准管段的改善；
对于不满3 a 和5 a的管网，由表5、表6 可知，随着重现期增加，管道超载长度占比增长率明显降低，溢流点个数增长率也明显降低；
所以，对于石岩街道，管道排水标准提升到3 年一遇将很大程度提升城市管网排水能力。
表6 各重现期下石岩街道内涝积水点情况统计表
图5 石岩街道各设计重现期下管网充满度分布
表5 石岩街道管道排水能力划分与统计
4.4 内涝风险分析
耦合模型模拟计算城区内涝积水情况（图6），统计各设计重现期下历史内涝点的最大积水水深和积水面积（表6），1年一遇设计暴雨时，石龙大道龙大高速路口（涝点1）会产生内涝积水，主要原因为水田支流箱涵过水能力不足，水位抬升顶托该处管道排水口，大大增加该处道路积水内涝风险，大于2 年一遇降雨时，超过水田支流排水能力，河道溢流，导致道路大面积内涝。祝龙田龙大高速桥涵（涝点2）2年一遇设计暴雨时最大积水深度为0.24 m，3年一遇设计暴雨时最大积水深度陡增到2.80 m，该处处于道路“盆底”，设有排涝泵站进行积水抽排，泵站设计流量0.6 m/s，2年一遇下泵站抽排时间发生在1点26分至4点13分，3年一遇下泵站抽排从1 点7 分始至模拟结束（5 点）仍持续抽排未关停，说明泵站抽排能力不足，不能满足强暴雨时桥涵处排涝需求，两工况下泵站开始抽排时刻累积降雨量值均为47 mm，即桥涵处管道自排降雨量阈值为47 mm。青年路（涝点3）在2 年一遇降雨下也将内涝，查看该处管网排水情况（图7（a）），1年一遇时，该段管属于有压流，主要由于下游排水能力不足，分析重现期2 a、3 a 和5 a 下水位情况，该段管排口受天圳河河水顶托[16]，导致排水不畅，又由于青年路地面有局部低洼区（图7（b）管道350 m处），造成该路段积水内涝。分析光明路与爱群路交叉口内涝点（涝点4，图7（b）），从地势分析，光明路桥段与路面高差大，形成洼地，雨天周边雨水均汇集于此，从管道分析，管道存在大管接小管问题，且存在倒坡现象，区域汇水面积较大但管径只有0.6 m，管道排水能力不足造成内涝积水。降雨强度达3年一遇时，4个易涝点的积水水深均大于0.50 m，淹没面积大于1 000 m2，为高风险点，预报3 年一遇降雨时，相应管理部门要提前做好应急预警和交通疏散。
图6 各重现期下模拟区域内涝风险图
图7 内涝点周边管网水流情况
由模拟内涝风险图可知，石岩街道不仅在已上报4个点发生内涝，随着降雨强度增加，内涝风险点增多且淹没面积增大、淹没水深增加，模拟预测降雨强度增加时，官田路和官田一路段将发生较严重内涝积水，统计各重现期城区淹没水深和总淹没面积及管网溢流井个数（表7），随着设计暴雨越大，淹没范围增加，淹没水深增加，重现期为5 a时，管网溢流点占总量40.84%，淹没面积达0.26 km2，占石岩街道总城区面积约1.2%，淹没面积随重现期加大而增加幅度逐渐降低，淹没水深随重现期加大而增加幅度有先增长后下降趋势，管网溢流点个数随重现期加大增加幅度也逐渐降低，说明局域性内涝严重程度将加码，暴雨越大易涝区涝得越严重，且当重现期大于3 a时，溢流点个数增长率明显下降。
表7 不同水深淹没面积统计表
4.5 城市内涝积水点降雨阈值分析
根据《城镇内涝防治系统数学模型应用技术规程》（T/CECS 647—2019）相关规定，评估城市内涝积水风险，根据淹没深度h划分内涝积水风险等级标准，低风险：27 cm＞h≥15 cm，中风险：50 cm＞h≥27 cm，高风险：h≥50 cm。
根据历史监测数据和降雨水深模拟结果，得到各易涝点不同风险情况下降雨量阈值，见表8。当3 h 降雨量达20 mm 时，石龙大道龙大高速出口为低风险点，降雨量达40 mm（3 h，小于1年一遇）时，则变为高风险点；
降雨量超60 mm（3 h，小于2 年一遇）时，祝龙田龙达高速桥涵易涝点为高风险点；
降雨量达70 mm（3 h，近2年一遇）时，青年路为高风险点，降雨量达80 mm（3 h，不足3年一遇）时，光明路与爱群路交汇口为高风险。
表8 石岩街道易涝点的降雨量（3 h）阈值分析
（1）石岩河干流满足100年一遇设计暴雨标准，水田支流防洪能力不足2年一遇，上排河防洪能力不足5年一遇，支流行洪不足的原因主要是箱涵段过流能力不足，形成卡口。
（2）石岩街道管道排水能力重现期不足1 a 的占比34.24%，满足重现期1～5 a 的占比17.59%，超5 a 的占比48.17%，城市人口集中区管网排水能力弱，城镇新建区管网排水能力较好。
（3）分析石岩街道内涝点，认为内涝形成原因有：局部低洼，汇水面积大；
管道自身排水能力不足，主要有大管接小管问题、倒坡问题、管径太小等问题；
下游河水顶托，管道排口排水不畅。
（4）随着降雨强度增加，管道超载长度增加幅度减小，管井溢流点个数增加幅度减小，城市淹没面积增加幅度减小，淹没水深增加幅度有先增长后下降趋势，说明低标准管段形成的不良影响将叠加，持续性加重局部内涝严重程度，所以要提高城市排水能力，首要是解决低标准管段，特别是排水能力重现期低于1 a 的管段，当管网标准提升到3 a以上就可大大提升城市排涝能力。
（5）分析石岩街道已上报易涝点内涝风险降雨量阈值，当3 h降雨量达20 mm时，石龙大道龙大高速出口为低风险点，降雨量达40 mm 时，则变为高风险点；
降雨量超60 mm 时，祝龙田路龙大高速桥涵为高风险点；
降雨量达70 mm时，青年路为高风险点；
降雨量达80 mm时，光明路与爱群路交会口为高风险点。