下垫面变化对城市内涝的影响_朴希桐

维非恒定流汇流模型和等效排水管网模型模拟城市暴
雨产、汇、排过程（ 整体模型结构见图 1），基于水量平衡
原 理 建 立 各 子 模 型 的 耦 合 关 系 ，公 式 如 下 ：
H(t + ∆t) = H(t) + ∆H + [P(t) - f (t) - CQ(t)]
(1)
式中：H (t) 为 t 时刻单元格水深；∆H 为 ∆t 时段相邻单
需要。
SCS 模型计算原理如下：
假定流域的实际渗透量与最大可能渗透量之比等
于 实 际 径 流 量 与 次 降 雨 量 之 比 ，则 有
F S
=
Q P
(2)
式 中 ：F 为 实 际 渗 透 量 ；S 为 最 大 可 能 渗 透 量 ；Q 为 实
际 径 流 量 ；P 为 次 降 雨 量 。假 定 Ia 为 初 损 ，根 据 水 量 平
数，取值 0.2）。故 SCS 模型产流函数为 Q = f (P,CN) 。
2.3 汇流模型
地 表 汇 流 采 用 二 维 非 恒 定 流 模 型 ，控 制 方 程 为 二 维
浅水方程：
∂z ∂t
+
∂(uh)
∂x
+
∂(vh)
∂y
=
q
(4)
∂u ∂t
+
u
∂u ∂x
+
v
∂u ∂y
+
g
∂z ∂x
+ g n2u
u2 + v2 h4 3
=0
(5)
∂v ∂t
+
u
∂v ∂x
+
v
∂v ∂y
+
g
∂z ∂y
+ g n2v
u2 + v2 h4 3
=0
(6)
式 中 ：z 为 水 位 ；h 为 水 深 ；u 、v 为 x 、y 方 向 流 速 ；q
为 源 汇 项 ；g n2u u2 + v2 、g n2 v u2 + v2 为 x 、y 方 向 水 流
h4 3
h4 3
阻 力 ；n 为 曼 宁 系 数 ，g 为 重 力 加 速 度 。通 过 有 限 体 积
法 对 上 述 方 程 进 行 离 散 ，求 解 水 流 在 网 格 间 的 交 换
水量。 2.4 排水模型
按 照 研 究 区 域 实 际 排 水 能 力 划 分 排 水 区 ，将 排 水 区 排 水 管 网 概 化 成 地 下 水 库 即 等 效 管 网 ，等 效 管 网 与 河 道 相 通 ，根 据 实 际 情 况 在 模 型 中 设 置 泵 站 ，等 效 管 网 的 水 自 排 或 抽 排 至 河 道 ，完 成 排 水 过 程 。
3 研究实例
3.1 研究区概况 选 定 的 研 究 区 域 在 安 徽 省 蚌 埠 市 境 内 。蚌 埠 市 是 安
徽 省 地 级 市 ，位 于 江 淮 丘 陵 与 淮 北 平 原 交 界 处 ，为 季 风 气候，蚌埠站多年平均降雨量 910 mm。蚌埠市老市区及 规划发展区主要在淮河以南，地形为丘陵，沿淮 2 km 范 围 内 地 势 低 洼 ，高 程 18～22 m；2 km 以 外 地 势 渐 高 ，高 程 22～35 m。
1引 言
2 研究方法
2014 年 ，我 国 的 城 镇 化 率 已 达 到 52% ～53%[1]，根 据 发 达 国 家 的 城 镇 化 经 验 ，城 镇 化 率 为 30% ～70% 期 间 是 城 市 加 速 发 展 时 期 ，这 说 明 我 国 将 在 较 长 时 间 内 处 于 快 速 城 镇 化 阶 段 。城 市 地 表 具 有 不 透 水 面 积 大 、汇 流 时 间 短 、排 水 问 题 复 杂 、产 汇 排 相 互 影 响 等 特 征 ，使 得 城 市 地 区 水 循 环 与 自 然 区 域 迥 异 ，易 发 内 涝 灾 害 。近 几 年 ， 我 国 内 涝 灾 害 愈 演 愈 烈 ，北 京 、天 津 、广 州 、太 原 、石 家 庄 、武 汉 、南 京 、杭 州 、长 沙 、成 都 、沈 阳 等 城市暴雨内涝 灾 害 频 发 ，对 城 市 经 济 发 展 和 人 民 生 活 造 成 较 大 影 响 [2] 。 如 北 京“2012.7.21”事 件 ，特 大 暴 雨 直 接 导 致 了 山 区 泥 石流灾害及城市内涝，造成 77 人死亡，直接经济损失达 100 亿元[3]。
综 上 所 述 ，基 于 情 景 分 析 的 城 市 内 涝 积 水 灾 害 分 布 式 研 究 ，特 别 是 土 地 利 用 对 积 水 分 布 的 影 响 研 究 ，多 是 以 简 化 模 型 和 GIS 平 台 为 运 算 基 础 的 ，其 精 度 有 限 ，汇 水及排水过程概化程度较大。本文通过耦合 SCS 产流模 型 、二 维 水 动 力 汇 流 模 型 和 等 效 排 水 管 网 模 型 模 拟 暴 雨 内 涝 形 成 过 程 ，并 基 于 计 算 结 果 分 析 下 垫 面 变 化 对 内 涝 灾 害 的 影 响 ，以 期 提 高 城 市 内 涝 分 析 模 型 的 计 算 精 度 。
提 出 的 经 验 产 流 模 型 ，具 有 以 下 特 点 ：① 结 构 简 单 ，所 需 参 数 少 ，对 资 料 和 数 据 的 要 求 不 严 格 ，更 适 用 于 资 料 缺 乏 地 区 ；② 对 影 响 产 流 的 因 素 有 清 晰 的 考 量 ，可 以 量 化 下 垫 面 特 点 和 土 地 利 用 方 式 及 水 土 保 持 现 状 等 ，对 于 本文的研究内容有直接帮助；③计算参数可与 GIS 平台
专题研讨
下垫面变化对城市内涝的影响
朴希桐 向立云 （中国水利水电科学研究院，北京 100038；水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038）
摘 要：采用美国农业部提出的 SCS 水文模型计算产流、二维非恒定流公式计算汇流、概化排水管网计算排水，构 建 了 城 市 洪 涝 灾 害 积 水 模 型 。以 蚌 埠 市 为 例 ，通 过 分 析 2006 年 与 2014 年 的 土 壤 及 下 垫 面 资 料 ，确 定 产 流 关 键 参 数，计算 20 年重现期降雨条件下的城市积水情况，对比分析了下垫面变化对内涝灾害的影响。 关 键 词 ：城 市 内 涝 ；土 地 利 用 ；下 垫 面 变 化 ；积 水 分 析 中图法分类号：P64；TU992 文献标识码：B 文章编号：1673-9264（2014）06-38-06
注 ：城 市 建 制 镇 指 国 家 按 行 政 建 制 设 立 的 镇 级 及 以 上 的 城 市 行 政 区 划 ，具 体 指 政 府 、事 业 单 位 、公 共 场 所 、民 居 等 用 地 。滩 涂 指 河 流 湖 泊 常 水 位 至 洪 水 位 间 的 滩 地 ，时 令 湖 、河 洪 水 位 以 下 的 滩 地 ，水 库 、坑 塘 的 正 常 蓄 水 位 与 最 大 洪 水 位 间 的 滩 地 面 积 。有 林 地 指 树 木 郁 闭 度 大 于 等 于 20% 的 天 然 、人 工 林 地 ；疏 林 地 指 树 木 郁 闭 度 在 10% ～ 20% 的 林 地 。 郁闭度是林冠垂直投影面积与整个林地面积之比。
近 年 来 ，城 市 下 垫 面 变 化 对 内 涝 的 影 响 成 为 研 究 热 点 。袁 艺 等 [4] 以 深 圳 市 为 例 应 用 美 国 农 业 水 土 保 持 局 提 出的 SCS 水文模型模拟降雨径流过程，分析了土地利用 变 化 对 降 雨 - 径 流 关 系 的 影 响 。郭 宗 峰 等 [5] 基 于 产 流 参 数 分 析 了 不 同 土 地 利 用 对 径 流 的 影 响 。权 瑞 松 等 [6-7] 以 浦 东 新 区 为 例 在 GIS 平 台 上 分 析 了 不 同 阶 段 土 地 利 用 导 致 的 地 表 径 流 深 变 化 ，并 通 过 情 景 模 拟 分 析 了 上 海 市 中 心 城 区 建 筑 物 的 内 涝 灾 害 暴 露 性 。胡 蓓 蓓 等 [8] 以 天 津 市 滨 海 新 区 2020 年 的 土 地 利 用 规 划 为 基 础 进 行 了 暴 雨 内涝风险评估。
收 稿 日 期 ：2014-10-27 第 一 作 者 简 介 ：朴 希 桐 ，女 ，硕 士 研 究 生 ，E-mail ：sculette@ 。
38 中 国 防 汛 抗 旱 第 24 卷 第 6 期 2014 年 12 月
专题研讨
相 联 接 ，数 据 处 理 较 为 方 便 。综 上 ，该 模 型 满 足 研 究
研究区域面积约 76 km2，区域内包含龙子河—龙子 湖、席家沟—张公山湖、八里沟 3 条水系，其下垫面情况 见图 2。城市防洪工程包括淮河大堤、河流堤防、排水管 网 及 泵 站 、涵 闸 等 。
首 先 ，从 蚌 埠 的 区 位 、气 候 、地 理 、洪 泛 历 史 等 情 况 来 看 ，适 宜 作 为 洪 涝 灾 害 研 究 对 象 ；其 次 ，蚌 埠 市 2006～2014 年 城 镇 化 率 从 39.51% 升 高 至 49.95% ，具 备 了 快 速 发 展 的 特 征 ；再 次 ，作 为 中 等 城 市 ，蚌 埠 避 免 了 大 城 市 与 特 大 城 市 中 心 城 区 下 垫 面 类 型 的 有 限 性 。综 上 所 述 ，蚌 埠 市 适 宜 作 为 本 文 研 究 对 象 。
2.1 整体模型结构
城 市 暴 雨 积 水 过 程 包 括 降 雨 产 流 、地 表 汇 流 和 排 水
3 个阶段，城市内涝积水分析的精度取决于对上述过程
的 合 理 模 拟 。基 于 我 国 城 市 目 前 所 具 备 的 基 础 资 料 条
件 ，在 已 有 的 研 究 基 础 上 ，分 别 选 用 SCS 产 流 模 型 、二
表 1 土地利用类型分类