道路DEM构建方法对城市内涝模拟及防治对策的影响研究

赖善证

(福州市规划设计研究院集团有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

水力模型已经成为城市内涝防治工作不可或缺的重要支撑工具，随着模型的广泛应用，模型构建方式、模型输入及参数取值等因素对模型模拟预测结果的不确定性，正逐步得到业内学者的关注，并成为重点研究内容之一[1-3]。

模型构建包含管网及地面高程概化等内容，其构建方式在很大程度上决定了积水模拟的结果，进而影响城市内涝防治对策的制定。目前，已有一些学者开展了关于模型管网结构及汇水分区等方面的概化方式对模拟结果的影响研究。吕恒[4]等研究了排水管网结构概化对积水模拟结果的影响，结果表明管网结构概化会减少雨水径流的峰值及水量；宋瑞宁[5]等研究了管网模型汇水区节点选取对城市雨洪模拟结果的影响，结果表明以雨水口为节点的汇水区划分方式得到的产流时间迟于以检查井为节点的划分方式；马盼盼[6]等以MIKE URBAN为例，研究了管网简化程度及汇水分区划分方式对模拟结果的影响，结果表明对管线进行简化合并可提高模拟精度。

基于道路高程所构建的道路数字高程模型(DEM)是地面高程概化的重要内容，也是水力模型构建的关键环节，在很大程度上影响了积水位置、积水深度和积水范围等方面的模拟结果。城市新建区域道路DEM构建的高程资料通常源自竖向专项规划或控制性详细规划等相关规划成果提供的道路中心线控制点高程、纵坡及横坡等相关参数。根据纵坡及横坡等相关参数对规划成果中道路中心线控制点高程进行延伸计算，理论上可概化得到能代表整条道路的竖向分布，以此构建得到的道路DEM是保障积水模拟结果及内涝防治对策科学、准确的关键。但目前，针对道路竖向概化和道路DEM构建方法的研究还较少，根据不同横坡参数构建得到道路DEM会对城市内涝积水模拟结果及内涝防治对策产生什么样的影响不得而知。

鉴此，本文基于实际案例，开展了不同道路DEM构建方法对城市内涝积水模拟结果及相关对策制定的影响研究，得出道路DEM构建方法与内涝积水的量化关系，为城市排水防涝规划方案的科学制定及内涝防治工作提供参考。

1 道路数字高程模型(DEM)构建方法

根据研究区域相关规划的竖向成果，考虑到横坡对道路竖向分布及积水模拟结果的影响，提出以下两种道路DEM构建方法：

方法1：在道路竖向概化中，不考虑横坡影响，即横坡i横取0，整条道路的高程均取道路中心线的规划高程，以此构建道路DEM；

方法2：在道路竖向概化中，考虑横坡影响，即横坡i横取值大于0，道路红线位置的高程由道路中心线高程及横坡推算得到，以此构建道路DEM，本文横坡i横取值2%。

2 研究区域与模型构建

2.1 研究区域概况

本文选取的研究区域，汇水区独立，面积约为1.2km2，当地多年平均降雨量约为1600mm，研究区域大部分规划高程介于7～10m之间，相对平坦，沿道路布局的雨水管网最终排向区域南面河道。研究区域基本概况如图1所示。

图1 研究区域基本概况

2.2 数据概况

2.2.1降雨数据

选取当地暴雨强度公式及短历时(2h)设计雨型作为本研究的暴雨强度公式及雨型。暴雨强度公式如式(1)所示：

(1)

式中，q—暴雨强度，L/(s·hm2)；p—重现期，a；t—暴雨历时，min。

本文所采用设计暴雨重现期涵盖3—50年一遇，各重现期设计降雨量见表1。

表1 各重现期短历时设计降雨量

本文所采用的当地设计雨型为芝加哥雨型，其中雨峰位置取0.402。

5年一遇设计暴雨过程如图2所示。

图2 5年一遇短历时设计暴雨过程

2.2.2地形数据

根据当地控规中的竖向成果，采用上述方法构建形成研究区域道路DEM，并与地块DEM相叠加，得到研究区域DEM如图3所示。

图3 不同横坡取值下所构建的DEM(单位：m)

通过分析研究区域DEM可知，区域地势相对平坦，高程介于6～17.8m之间，其中，大部分介于7～10m之间，区域道路多呈起伏状。

2.2.3管网数据

研究区域制定了系统的雨水管网规划方案，管网设计标准为3年一遇，总长14543m，管网措施统计详见表2。

表2 研究区域规划雨水管网统计

2.3 模型构建

本文选择具有“模拟产汇流水文过程”“模拟管道内非恒定非均匀流的水力学过程”“模拟地面积水涨退过程”等功能的MIKE软件作为研究区域的水力模型软件。

根据雨水管网规划方案，最终构建的一维管网模型将研究区域管网概化为272个检查井、280个管段、5个排水口、272个汇水分区；并基于区域DEM构建形成二维地表漫流模型。在此基础上，耦合一维管网模型和二维地表漫流模型形成研究区域内涝耦合模型。

3 道路DEM构建方法对内涝模拟及防治对策的影响分析

根据建立的研究区域耦合模型，模拟得到不同重现期下研究区域的积水情况，结果表明，积水主要发生于凹段道路，10年一遇短历时设计暴雨工况下的积水模拟结果如图4所示。道路横坡i横取0时，从道路中心线处到道路两侧，由于高程取值一致，对于发生积水的同一道路横断面，其积水深度亦相同；道路横坡i横取2%时，道路两侧的高程低于道路中心线处的高程，对于发生积水的同一道路横断面，道路两侧的积水深度大于道路中心线处。

图4 10年一遇短历时设计暴雨工况下研究区域积水模拟结果

根据不同道路横坡取值下研究区域的积水模拟结果，从积水总量、积水深度、积水面积等相关要素量化分析不同DEM构建方法对内涝积水模拟结果的影响。在此基础上，进一步分析不同方法对区域内涝防治对策的影响。

3.1 对内涝积水模拟结果的影响分析

3.1.1内涝积水总量分析

将研究区域模拟得到的各积水区域的积水量进行叠加得到区域积水总量V，不同重现期设计暴雨条件下积水总量峰值对比如图5所示，见表3。

表3 积水总量峰值比较

图5 积水总量峰值比较

在不同重现期设计暴雨情况下，道路横坡i横=2%时的DEM构建方法得到积水总量峰值结果更大，如对于10年一遇设计暴雨，横坡i横=2%的积水总量峰值较横坡i横=0增大1076m3。

原因在于：两种DEM构建方法在道路中心线处高程取值相同，相应位于道路中心线处的管线排水能力也一致；但横坡i横=2%时，道路两侧的高程取值小于横坡i横=0时的高程取值，相应位于道路两侧的检查井的路面高程更小，检查井更易发生冒溢现象，对应管线的排水能力更小。因此，横坡i横=2%时的积水总量峰值更大。

3.1.2内涝积水深度分析

根据模型积水模拟结果，两种道路DEM构建方法对最大积水深度(h)模拟结果的影响见表4。

表4 最大积水深度对比

最大积水深度模拟结果表明，在不同重现期设计暴雨情况下，道路横坡i横=2%时模拟得到的最大积水深度大于i横=0时的最大积水深度，增大幅度约0.16～0.19m。

原因在于：不同重现期设计暴雨情况下，道路横坡i横=2%时的DEM构建方法得到积水总量峰值结果更大。且当横坡i横=2%时，道路两侧的高程取值小于横坡i横=0时的高程取值，因此，当横坡i横=2%时，道路两侧的最大积水深度大于横坡i横=0时道路两侧的最大积水深度。

3.1.3内涝积水面积分析

根据模型模拟评估结果，两种道路DEM构建方法在各重现期设计暴雨下的积水总面积(S)的对比如图6所示，见表5。

表5 不同道路DEM构建方法下的积水总面积对比

图6 不同道路DEM构建方法下的积水总面积

针对各重现期设计暴雨情况，道路横坡i横=2%时的设计暴雨积水总面积更小。如在30年一遇设计暴雨情况下，道路横坡i横=2%、i横=0时的积水总面积分别为12.26、15.30ha，前者比后者减小3.04ha。

为便于分析道路DEM构建方法对不同积水深度下积水面积模拟结果的影响，将城市内涝积水按照积水深度划分为Ⅰ级(无内涝)、Ⅱ级(轻度内涝)、Ⅲ级(中度内涝)和Ⅳ级(重度内涝)。内涝积水等级划分结果见表6。

两种DEM构建方法下的内涝积水模拟结果中，不同内涝积水级别的积水面积统计及对比如图7所示，见表7。

表7 不同道路DEM构建方法下的内涝积水面积统计

图7 不同积水级别内涝面积

由表7及图7可见，不同重现期的内涝面积统计结果具有同样的规律，即：横坡i横=2%时得到的内涝积水模拟结果中，Ⅰ-Ⅲ级内涝积水面积小于i横=0时的模拟结果；Ⅳ级内涝积水面积及Ⅲ+Ⅳ级内涝积水面积总和大于i横=0时的模拟结果。

3.1.4排口流量分析

研究区域径流最终均是通过雨水排放口排放至南面河道，分析排口的水流情况对掌握研究区域水流运移情况及雨水泵站设施规模的确定具有重要意义。表8为两种道路DEM构建方法下，研究区域排放口的峰值流量Q的对比情况。

表8 排放口峰值流量对比

由表8可知，各重现期设计暴雨情况下，不同道路DEM构建方法下的排口流量峰值模拟结果具有以下规律：横坡i横=2%时的排口流量峰值小于i横=0。原因如前文所述，即横坡i横=2%时，相应管线的排水能力更大，因此，排口流量峰值更大。

3.2 对区域内涝防治对策的影响

积水模拟结果是区域布局雨水排放设施、明确内涝应急管理工作的重要依据，在很大程度上决定了雨水管网、雨水调蓄设施、雨水泵站等设施的规模，并影响了城市内涝应急管理工作的开展。

3.2.1对雨水排放设施布局的影响

(1)对雨水管网布局的影响

在3年一遇设计降雨工况下，两种道路DEM构建方法下模拟得到的研究区域道路(旗山大道)东侧管网均有部分管段不满足排水能力(对应检查井发生冒溢)，模拟结果如图8所示。

图8 两种DEM构建方法下旗山大道管道排水能力评估结果图

通过调整高新大道东侧的管网管径，使得两种DEM构建方法下的该道路管道的排水能力评估结果均达标，调整结果如图9所示。

图9 旗山大道管道优化布局图

调整结果表明，横坡取2%和0情况下，旗山大道西侧管网下游管径分别需调整为1400mm和1200mm，方能使管网排水能力达标。进一步表明考虑道路横坡影响时，管网的排水能力更小，所确定的管网管径更大，偏安全。

(2)对雨水调蓄设施布局的影响

在3年一遇降雨工况下，两种DEM构建方法下的积水模拟结果中，旗山大道均存在不同程度的积水，如图10所示。经研究表明，若要通过布局雨水调蓄池，以临时调蓄雨水，使得旗山大道雨水管网满足排水能力要求，在横坡取2%和0情况下，所需的雨水调蓄池规模分别为689m3和415m3。

图10 3年一遇工况下旗山大道积水模拟结果

因此，考虑道路横坡影响的DEM构建方法所确定的雨水调蓄池规模更大，偏安全。

(3)对雨水泵站建设规模的影响

根据GB 50014—2021《室外排水设计标准》要求，雨水泵站的设计流量，应按泵站进水总管的设计流量计算确定，雨水管网末端管段通常作为泵站的进水总管，其流量大小与排口流量一致。

研究区域河道排涝标准为10年一遇，区域雨水排放口均在涝水位以下，管网排水受河道顶托影响严重。若通过采用布设雨水泵站方式使区域达到其内涝防治标准(20年一遇)，在横坡取2%和0情况下，雨水泵站总体规模分别应不小于27.43m3/s和27.98m3/s，两者基本相当。

因此，不同道路横坡取值所得到的雨水泵站规模模拟结果基本一致。

3.2.2对城市内涝应急管理工作的影响

(1)对城市暴雨内涝预警工作的影响

Ⅲ级(中度内涝)及以上的内涝积水区域对城市交通运转及市民生活影响较严重，同时，道路积水预报情况已经成为部分城市暴雨内涝预警的响应依据之一，且积水越深对应的预警级别越高。

根据对内涝积水深度和积水面积的分析可知，采用横坡为2%时的道路DEM构建方法所得到积水模拟结果的最大积水深度、影响严重的Ⅳ级内涝积水面积及Ⅲ级+Ⅳ级内涝积水面积之和均较横坡为0时更大。因此，采用考虑横坡影响的道路DEM构建方法支撑城市暴雨内涝的预警能得到偏安全的结果。

(2)对城市内涝应急管理工作重心的影响

城市内涝积水的预报是城市内涝应急管理工作开展的重要依据之一，如对于可能因积水过深导致交通受阻的路段需预先制定明确的加强雨水滞蓄及排放的处置措施，或制定交通引导方案，以尽量减小城市暴雨内涝对城市运转的影响。

本文将所有车道积水深度均超过15cm的路段界定为交通受阻路段，统计了两种道路DEM构建方法下，区域交通受阻的路段数量N见表9。

表9 道路受阻路段统计分析

由上表可见，横坡为2%时分析得到的受阻路段数少于横坡为0的结果。因此，忽略道路横坡影响所制定的内涝应急管理工作方案偏安全。

4 结语

本文的研究在一定程度上填补了道路DEM构建方法研究方面的空白，推动了城市水力模型的应用研究，并为排水防涝方案制定和暴雨内涝预警等工作提供了技术支撑。设计人员在构建道路DEM模型开展城市内涝积水模拟分析工作，应将相关规划成果确定的道路横坡参数真实反馈在到构建的DEM模型中，不应为减少模型构建的工作量，简单将横坡取值0，从而忽视横坡对内涝模拟结果的影响。

本文仅基于一个实际案例研究道路DEM构建方法对积水模拟结果及内涝防治对策的影响，缺乏考虑研究区域的规模、地形地势特点、水文气象条件等因素的影响，需要在今后的研究中采取更多案例进一步论证分析。