海绵措施防洪排涝影响定量分析研究

李尤 潘兴瑶 邸苏闯 朱永华 刘佳伦 张书函 李永坤 程帅

摘 要：为了量化海绵措施对城市防洪排涝的影响，以典型城市区域万泉河流域为例，基于InfoWorks ICM构建综合洪涝模型，参考北京市地方标准，开展海绵措施规划与流域现状下垫面下不同重现期设计暴雨多情景对比分析。结果表明：海绵措施能提高雨水管网排水能力，使得高于10 a一遇标准的管长增加7.59%，管段数增加8.98%;同时增强河道行洪能力，在10 a一遇至50 a一遇暴雨重现期下，峰值流量削减19.72%～39.36%，径流总量削减26.45%～37.88%，沿线入清河口最高水位平均下降0.35 m;还能缓解流域内涝积水，在5 a一遇至50 a一遇设计暴雨情景下，最大积水深度减小0.04～0.29 m，积水总面积减少14.89～45.13 hm2，积水总量减少30 399.97～110 114.24 m3。

关键词：防洪排涝;雨水管网;河道行洪;内涝积水;海绵措施; InfoWorks ICM

中图分类号：TU992;TU998.4;TV877文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.011

引用格式：李尤，潘興瑶，邸苏闯，等.海绵措施防洪排涝影响定量分析研究[J].人民黄河，2021，43（1）：53-60.

Quantitative Analysis of the Influence of Sponge Measures on Flood and Drainage Control

LI You1，2，3，4， PAN Xingyao1，5， DI Suchuang1，5， ZHU Yonghua 2， LIU Jialun6， ZHANG Shuhan1，5， LI Yongkun1，5， CHENG Shuai1，2

（1.Beijing Water Science and Technology Institute， Beijing 100048， China;

2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China;

3.Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China;

4.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 5.Beijing Engineering Technique Research

Centre for Non-Conventional Water Resources Exploration and Utilization and Water Use Efficient， Beijing 100048， China;

6.Beijing East to West Water Diversion Management Office， Beijing 100085， China）

Abstract：In order to quantify the impact of sponge measures on urban flood and drainage control， this paper took the Wanquan River basin in a typical urban area as an example， constructed an integrated flood model based on InfoWorks ICM and referred to Beijing local standards to carry out the sponge measures planning and the current situation by comparative analysis of different design rainfall return periods. The results show that the sponge measures can improve the drainage capacity of the rainwater pipe networks， which increases the pipe standard higher than 10-year return period and increases the pipe length by 7.05% and the pipe section by 8.98%. At the same time， it enhances the flood discharge capacity of the river. During the 10-year to 50-year return periods， the peak flow rates reduce by 19.72%-39.36%， the total runoff reduces by 26.45%-37.88% and the highest water table along the river into the Qing River reduces by 0.35 m. It can also alleviate the waterlogging in the basin. From 5-year to 50-year return periods， the maximum waterlogging depth is decreased by 0.29-0.04 m， the total waterlogging area decreased by 14.89-45.13 hm2 and the total waterlogging volume decreased by 30 399.97-110 114.24 m3.

Key words： urban flood and drainage control; rainwater pipe networks; river flooding; waterlogging; sponge measures; InfoWorks ICM

随着社会经济的不断发展，我国城镇化进程显著加快，城镇化率由1981年的20.16%增至2015年的56.10%[1]，随之带来的城市洪涝问题日益凸显。我国诸多城市如北京、上海、深圳、武汉及长沙[2-4]等均受暴雨洪涝灾害的威胁，造成了惨重的人员伤亡与经济损失。在利用防洪排涝等大型工程设施的同时，近年来以“人水和谐”为理念的海绵城市逐渐兴起[5]。

国内涌现出大批学者针对海绵城市建设缓解城市洪涝灾害、降低洪涝风险进行研究，并取得了显著成果。2016年，林辰松等[6]通过建立公园绿地海绵开发模型，得到其对城市雨洪调控效果较好的结论。2017年，武永新等[7]分析了现状下垫面及海绵措施改造后区域内涝变化与差异，得到海绵措施可有效减小城市内涝面积的结论。2018年，辛亚娟等[8]阐述了海绵城市在防治内涝灾害与缓解城市水資源短缺方面的特点，为海绵城市雨洪利用技术在区域的应用奠定了理论基础;李俊等[9]基于PCSWMM软件分析得到海绵设施对滨海城市地面积水、径流量及径流峰值有一定的削减作用;杨钢等[10]基于SWMM模型评估了不同频率设计暴雨下海绵措施对城市洪水的削减效果。

上述研究集中于对内涝积水缓解效果、流域径流削减评估的微观尺度上，缺乏从排水设施与河道水系共同组成的洪涝防控体系改善效果的防洪排涝宏观尺度研究。本文以典型城市流域万泉河流域为例，在构建综合洪涝模型的基础上，基于北京市地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685—2013）（下文简称《规范》）中关于雨水调蓄池、下凹式绿地与透水铺装海绵措施的要求，开展海绵措施布局与流域现状下垫面条件下城市防洪排涝风险对比分析，以期为建设海绵城市、缓解城市洪涝风险提供参考。

1 流域概况与基础资料

1.1 流域概况

万泉河是北京市中心城区北部排水主干河道清河的支流，位于海淀区西北部、清河流域上游，全长约7 km，流域面积19 km2，河道行洪能力为20 a一遇设计流量，50 a一遇校核流量。该流域城市化水平逐年提高，现状不透水面积达64%，是典型的城市流域。全流域共分为23个排水分区，下垫面高程为40～50 m。研究区属大陆性季风气候区，多年平均降水量585 mm，降水主要集中在6—8月，占年降水量的75%以上[11]。研究区为北京市的暴雨中心之一，局部高强度短历时降雨发生较为频繁，洪涝灾害易发，在“20120721”“20160720”等典型场次暴雨中造成了危害。

1.2 基础资料

构建综合洪涝模型所需要的基础资料包括地形数据、遥感影像、河道数据、排水设施等数据资料，详见表1。基础资料主要来源于北京市第一次水务普查成果，针对排水设施、地形等数据，通过专业勘测、实地调研等方式进行校核与完善，数据可靠且精度高。

2 模型方法

基于城市综合排水软件InfoWorks ICM进行洪涝模型构建。在排水基础资料补测、流域下垫面解译等预处理基础上，分别构建产流、管网汇流、河道汇流和地表漫流子模型，并对各子模型进行耦合，形成综合化的城市洪涝模型。在此基础上从河道流量与积水深度两个方面开展模型合理性分析，并结合不同频率的设计暴雨开展现状及基于《规范》的海绵措施多情景模拟分析，完成包含管网排水能力、河道行洪能力及区域内涝积水分析在内的城市洪涝影响定量评估。数值模型构建流程见图1。

2.1 模型构建方法

根据收集的资料，利用InfoWorks ICM软件构建万泉河流域洪涝数值模型，包括产流模型、河道汇流模型、管网汇流模型、地表漫流模型以及多模型耦合。

（1）产流模型构建。根据下垫面类型将研究区分为透水区域（绿地）和不透水区域（道路、建筑、水体、停车场、未利用硬化面积）。对不透水区域采用固定径流系数法进行产流计算;透水区域采用Horton经验公式[12]进行产流计算：

fp=fc+（f0+fc）e-kt（1）

式中：fp为入渗率，mm/h;fc为稳定入渗率，mm/h;f0为初始入渗率，mm/h;t为时间，h;k为与土壤有关的衰减系数，1/h。

主要参数取值参考《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（DB11/T 969—2016）。

（2）管网汇流模型构建。基于构建的产流模型，在进行管网与附属设施信息整理、管网概化、拓扑关系构建、管网纵断面检查的基础上，依据流域雨水管线、道路、建筑、河道、区域地形，结合遥感影像对检查井汇水区进行人工勾绘，划分为23个排水分区，再利用泰森多边形法对2 281个检查井开展汇水区划分，共划分子集水区2 195个，汇水面积范围为0.001～400.34 hm2，平均汇水面积为0.87 hm2。最后，基于高精度遥感数据解译的土地利用类型与子集水区分析，计算各子集水区不同用地类型所占面积。

（3）河道汇流模型构建。根据实地调研及收集整理的万泉河河道中心线、断面资料等，数字化河道中心线、断面资料，基于InfoWorks ICM软件，生成河岸线并创建河岸连接，逐一开展河网上下游的拓扑关系及河道横断面的检查与校核，完成河道汇流子模型的构建，包括20个河道断面、7.26 km的河道及河岸线。

（4）地表漫流模型构建。地面模型是构建二维地表漫流模型的基础，同时也为缺失雨水管线及检查井的区域提供高程推断依据。利用1∶2 000基准地形图及局部实测高程点构建地面模型，同时基于道路、建筑及局部微地形对地面模型进行修正。三角网格的剖分是地表漫流模型的核心，充分考虑房屋等对降水的阻隔，同时考虑流域范围、河道边界、刻画精度等，将研究区剖分为2个2D区间。通过网格化，共生成21.75万个三角网格，面积介于14～900 m2之间，同时为了避免生成的细碎三角网格降低模型运算速度，最小角度设置为5°。

（5）多模型耦合。多模型的耦合实现分别为管网模型、地表模型与河道模型三者之间的两两耦合。其中：管网模型和地表模型耦合通过检查井进行，超过排水管网排水能力而漫溢出来的洪水会从检查井和雨篦子溢流到地面，依据地形行进，在低凹区域汇集造成内涝;管网模型与河道模型耦合采用雨水排口进行连接，排水管网系统收集雨水，排放到河道中，引起河道水位上涨，同时，上涨的河水会阻碍排水管网中水量的排放，相互作用，相互影响;河道模型与地表漫流模型耦合通过河岸边界侧向连接来实现，当河道中的水量超过河道的输送能力时，水就会从河岸较低处溢流到地面，随地势行进，再从较为低洼的地方流回河道系统中。经过上述流程，得到万泉河流域综合洪涝模型概化见图2。

2.2 模型合理性分析

2.2.1 河道流量过程验证

研究区缺乏实测降雨径流资料，采用流域出口设计流量与校核流量进行模型合理性分析。万泉河20 a一遇设计流量与50 a一遇校核流量过程采用瞬时单位线[13]推求，采用径流系数法[14]扣除各时段入渗损失，根据《北京市水文手册》（第二分册 洪水篇）确定汇流参数。采用20 a一遇设计流量对模型参数进行率定，用50 a一遇校核流量对模型进行验证，模拟流量和校核流量对比见图3。流域出口模拟洪峰流量104.60 m3/s，校核洪峰流量99.00 m3/s，相对误差-5.66%，Nash系数为0.92，峰现时间和流量过程基本一致，由此看出，模型合理可靠，可用于开展城市洪涝风险分析。

2.2.2 内涝积水深度验证

万泉河流域典型场次暴雨过程的内涝积水点实测资料较少，本文将“20120721”场次暴雨的上报积水情况中万泉河桥的最大积水深度用于模型验证。万泉河桥上报的积水深度为0.50 m，通过模型模拟此处内涝积水最大深度为0.41 m，绝对误差0.09 m，相对误差18%，模拟结果可靠。

3 情景模拟与分析

3.1 情景设置

3.1.1 设计暴雨情景设置

分析城市内涝发生原因，一般认为短历时强降雨是造成城市内涝的气象因素，而地下管网排水能力强弱才是造成内涝与否的主要因素。加之目前暴雨预警和应急响应中主要根据最大1 h和最大6 h的降雨量阈值指标进行确定，考虑到短临近期降雨预报成果比长期的降雨预报成果精度更高，根据防汛应急管理的需求，本文分析管网排水能力采用短历时（1 h）设计暴雨。由于河道汇水范围广、时间长，因此分析河道行洪能力常采用长历时（24 h）设计暴雨。为了充分反映海绵措施对城市内涝的削减作用，内涝积水同样采用长历时（24 h）设计暴雨指标。

短历时（1 h）不同重现期（1、3、5、10 a）和长历时（24 h）不同重现期（5、10、20、50 a）设计暴雨强度，根据北京地方标准《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（DB11/T 969—2016）中的暴雨强度公式推求：

q=1 602（1+1.037lg P）（t+11.593）0.681（5 min

式中：q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）;t为设计暴雨历时，min;P为设计重现期，a。

短历时设计雨型依据《给水排水设计手册》推荐使用的芝加哥雨型進行降雨过程的时程分配，结合北京地区降雨特征，雨峰系数取值为0.167;长历时设计雨型为北京典型设计暴雨雨型。

设计暴雨过程见图4，长历时和短历时暴雨情景设置见表2。

3.1.2 海绵措施布设情景设置

参考《规范》有关规定，雨水控制与利用规划中应优先利用低洼地形、下凹式绿地、透水铺装等设施滞蓄雨水，减少外排雨水量，并满足以下要求：①新建工程硬化面积达到2 000 m2及以上项目，应该配建雨水调蓄设施，具体配建标准为每1 000 m2硬化面积配建调蓄容积不小于30 m3;②凡涉及绿地率指标要求的建设工程，绿地中至少应该有50%为用于滞蓄雨水的下凹式绿地;③公共停车场、人行道、步行街、自行车道和休闲广场、室外庭院的透水铺装率不小于70%（上述标准在下文简称“地标三项”）。按照上述海绵参数规模，本文海绵情景设置为雨水调蓄池、下凹式绿地及透水铺装组合方案，并与流域现状下垫面展开对比分析。

3.1.3 海绵措施参数选取

参照《规范》，雨水调蓄池按照流域硬化面积配建调蓄容积，硬化面积计算见式（3），由此得到配建容积为268 135.8 m3;将流域50%的绿地铺设为下凹式绿地，总面积为342.85 hm2;将流域70%的人行道路、停车场等铺设为透水铺装，总面积为147.32 hm2。结合工程实地情况、InfoWorks ICM用户手册及相关参考文献[15]，3种海绵措施参数选取如下：雨水调蓄池延时为24 h;下凹式绿地下凹深度为200 mm，植被容量比例为0.2;透水铺装表层厚度为2 mm，铺装层厚度为80 mm，土壤层厚度为100 mm;海绵措施土壤类型为砂质壤土，孔隙度为0.437，田间持水量为0.105，凋萎系数为0.047。

Si=Sb-Sg-Sp（3）

式中：Si为硬化面积，m2;Sb为建设用地面积，m2;Sg为绿地面积（包括实现绿化的屋顶），m2;Sp为透水铺装用地面积，m2。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 海绵措施对雨水管网排水能力的影响

将不同重现期设计暴雨过程作为输入，模拟不同重现期条件下万泉河流域管网运行负荷状态，用负荷等级S对管网排水能力进行评估，其中Ⅰ级（S<1）表明管道处于非满重力流状态;Ⅱ级（S=1）表明管道处于压力流状态，并且水力坡度<管线坡度;Ⅲ级（S=2）表明管道处于压力流状态，并且水力坡度>管线坡度。管道排水能力评估的标准：S<1，认为管线达到输入降雨重现期的排水标准;S≥1，认为管线不达标。流域现状及“地标三项”海绵措施布设条件下管网负荷模拟结果见表3。

由模拟计算结果可知，流域现状下垫面条件下与进行“地标三项”海绵措施改造之后，从1 a一遇至10 a一遇设计暴雨情景下，现状达标管段数量增幅为0.59%～9.86%，管长增幅为0.48%～7.58%;不达标管网S=1管段数量的削减幅度为4.35%～49.06%，管长削减幅度为2.31%～47.37%;S=2管段数量的削减幅度为62.24%～75.00%，管长削减幅度为56.85%～83.33%。达标管段数量及长度与设计暴雨重现期成负相关关系。

综合不同重现期模拟的负荷情况，得到区域现状及海绵城市建设后雨水管网的排水能力（见表4）及空间分布（见图5）。

由上述结果可知，流域进行海绵措施布设后，雨水管网排水标准普遍提高，其中排水能力在1～3 a一遇降雨时改善效果最为明显，管长削减比例达87.59%，管段数削减比例达84.15%;排水能力达10 a一遇以上的管段数增幅达8.98%，管长增幅达7.59%。由此可知，海绵措施能通过“渗、滞、蓄、用、排”等源头控制、末端处理等方式缓解雨水管网负荷，提高管网排水能力。考虑到流域现状管网排水能力较高，加之布设的海绵措施均是点状渗透设施或调蓄设施，相较于大型调节工程，如调节塘、调节池或大型防洪排涝工程等，缓解效果仍有待提升。

3.2.2 海绵措施对河道行洪能力的影响

将不同重现期设计暴雨过程作为输入，模拟现状下垫面及海绵措施布设后万泉河流域出口流量过程。结果表明，在10 a一遇设计暴雨下，流域现状下垫面峰值流量为69.87 m3/s，布设海绵措施后峰值流量减小至42.37 m3/s，河道径流总量由1 657 975.15 m3减少至1 029 982.11 m3，径流系数由0.48减小至0.29;在20 a一遇设计暴雨下，流域现状下垫面峰值流量为85.88 m3/s，海绵城市规划实施后峰值流量减小至59.91 m3/s，河道径流总量由2 249 198.31 m3减少至1 520 962.44 m3，径流系数由0.52减小至0.34;在50 a一遇设计暴雨下，流域现状下垫面峰值流量为104.60 m3/s，布设海绵措施后峰值流量减小至83.97 m3/s，径流总量由3 05 9429.84 m3减少至2 250 090.55 m3，径流系数由0.56减小至0.40。在上述模拟中流域现状下垫面及海绵措施布设后，最高水位均未出现漫堤现象，万泉河河道防洪能力基本满足50 a一遇设计标准。在10 a一遇设计暴雨情景下，在布设海绵措施后，万泉河入清河口处最高水位由37.47 m降至37.21 m，沿线最高水位平均降低0.42 m;20 a一遇最高水位由37.62 m降至37.39 m，沿线最高水位平均降低0.36 m;50 a一遇最高水位由37.78 m降至37.61 m，沿线最高水位平均降低0.27 m。随着重现期的延长最高水位降幅递减，在10～50 a设计暴雨重现期下，加入海绵措施后，河道沿线最高水位下降幅度为0.35 m左右。

综上，布设海绵措施可以削减河道峰值流量、径流总量，降低河道沿线最高水位，增强河道抵御暴雨洪水的能力。

3.2.3 海绵措施对内涝积水的影响

模拟分析不同重现期条件下现状下垫面及海绵措施布设后万泉河流域内涝积水状况，分析检查井溢流情况和积水点的位置、深度、淹没范围等。

（1）设计暴雨峰值时刻检查井溢流情况对比分析。分析不同重现期设计暴雨峰值时刻现状及海绵措施布设后万泉河流域检查井溢流情况，见表5、表6。由表5、表6可知，无论是现状下垫面还是布设海绵措施，溢流检查井个数、峰值总溢流量均随着重现期的延长而递增。海绵措施布设后，设计暴雨重现期从5 a延长至50 a，检查井溢流个数减少33～177个;峰值总溢流量减小3 797.5～6 861.2 m3。综合分析，可以发现随着重现期的延长，海绵措施缓解检查井峰值溢流量效果依次递增，检查井溢流个数减少。

（2）内涝积水模拟结果分析。不同重现期流域内涝积水空间分布见图6、图7，模拟结果见表7、表8。无论是现状下垫面还是海绵措施布设后，流域最大积水深度、积水总面积、积水总量均随着重现期的延长而递增。海绵措施布设后，从5 a一遇至50 a一遇设计暴雨条件下，最大积水深度减小0.04～0.29 m，积水总面积减少14.89～45.12 hm2，积水总量减少30 399.97～110 114.24 m3。积水总面积与积水总量削减量随着设计重现期的延长而增加，最大积水深度削减效果在5 a一遇及10 a一遇短、中重现期下优于20 a一遇及50 a一遇长重现期。最大积水点分布在六郎庄路以北，该处存在大片建设用地，不透水面积较大且仅分布有一支管径300～400 mm的支管，管网排水能力严重不足，是造成内涝积水的主要原因。综合分析，可以发现海绵措施对于最大积水深度的削减在短、中重现期下效果更加显著，对于积水总量与积水总面积的削减在长重现期下效果更佳。

4 结论与展望

以北京市典型区域万泉河流域为例，构建综合洪涝模型，基于北京“地标三项”海绵措施布设方案，开展海绵措施布局规划，与流域现状下垫面条件的城市洪涝风险对比分析，主要结论如下。

（1）雨水管网排水能力。加入海绵措施后，雨水管网排水能力低于1 a一遇的管长减少13.89%，管段数减少12.50%;管网排水能力1～3 a一遇标准的管长减少87.59%，管段数减少84.15%;管网排水能力3～5 a一遇标准的管长减少8.15%，管段数减少51.92%;排水能力5～10 a一遇标准的管长减少65.85%，管段数减少65.60%;管网排水能力高于10 a一遇标准的管长增加7.59%，管段数增加8.98%。海綿措施能缓解管网负荷状态，提高管网排水能力。

（2）河道行洪能力。加入海绵措施后，10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇设计暴雨情景下，河道峰值流量分别削减39.36%、30.24%、19.72%，径流总量分别削减37.88%、32.38%和26.45%，径流系数分别削减39.58%、34.62%、28.57%，沿线入清河口最高水位分别下降0.25、0.22、0.17 m。海绵措施能削减河道峰值流量、径流总量，降低河道沿线最高水位，增强河道行洪能力。

（3）内涝积水分析。海绵城市规划实施后，从5 a一遇至50 a一遇设计暴雨情景下，检查井溢流个数减少33～177个，峰值总溢流量减少3 797.5～6 861.2 m3，海绵措施能有效缓解检查井运行负荷;对于内涝积水，进行海绵措施布设后，从5 a一遇至50 a一遇设计暴雨条件下，最大积水深度减小0.04～0.29 m，积水总面积减少14.89～45.12 hm2，积水总量减少30 399.97～110 114.24 m3。

基于上述结果，提出以下两点展望：

（1）基于《规范》布设的雨水调蓄池、下凹式绿地及透水铺装，对于万泉河流域这类已建成区实施改造较为困难，今后可针对流域实际情况，因地制宜布设海绵措施，必要时可进行空间布局优化，实现海绵措施效益最大化。

（2）学者左其亭等[16]曾指出海绵措施侧重增强城市的“弹性”与“韧性”，而防洪排涝工程则侧重直接与洪涝灾害的抵抗，对于城市洪涝灾害的防治与削弱能力更加明显。因此，城市洪涝防治应当采用以防洪排涝工程为主、海绵城市建设为辅的有机结合方式，在利用防洪排涝工程最大程度降低洪涝风险的同时，充分利用海绵措施进行雨水蓄积利用，实现人水和谐发展。

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【责任编辑 许立新】