極端降水下的城市地表-地下空間洪澇過程模擬

郭 元，王路瑤，陳能志，金菊香

(1. 鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350000；3. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350100)

近年來極端降水所引起的區(qū)域內(nèi)澇時(shí)有發(fā)生[1-3]，甚至伴隨著地下空間的淹沒受損。例如，2007年濟(jì)南“7·18”暴雨導(dǎo)致銀座地下廣場(chǎng)被淹；2020年廣州“5·22”暴雨引起地鐵13號(hào)線進(jìn)水；2021年鄭州“7·20”特大暴雨造成380人遇難，地鐵5號(hào)線和京廣快速路北隧道發(fā)生淹水倒灌，大量地下車庫(kù)進(jìn)水[4]。面對(duì)日益復(fù)雜的城市洪澇問題，雨洪模型所屬數(shù)值模擬方法因建模方便有效、復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)[5-6]，在研究中占有重要地位。

當(dāng)前城市雨洪模型主要有InfoWorks ICM、MIKE系列、SWMM以及一些獨(dú)立研發(fā)模型[7]，SWMM作為一維模型，無法直接計(jì)算出地表淹沒水深；MIKE系列具備二維模擬能力，但需要多模型組合完成城市的地表水流模擬，穩(wěn)定性受限；InfoWorks ICM模型能夠基于水力聯(lián)系一體化城市區(qū)域建模，計(jì)算穩(wěn)定性強(qiáng)，愈發(fā)受到研究者的青睞。代表性研究包括黃國(guó)如等[8]基于ICM模型模擬評(píng)估了廣州東濠涌流域城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；袁紹春等[9]利用ICM模型設(shè)計(jì)重慶市萬(wàn)州區(qū)某老舊建筑小區(qū)的海綿改造方案；CHEN等[10]以海口市為例構(gòu)建DRIVE-Urban模型實(shí)現(xiàn)了流域-城市洪澇過程的耦合計(jì)算。針對(duì)地下空間的研究如Shin等[11]提出了考慮洪水強(qiáng)度和逃生路線的地下空間洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；Nakasaka等[12]模擬了極端洪水中日本大阪區(qū)域地下空間淹沒情況和人群疏散的成功率；陳峰等[13]針對(duì)地下空間洪澇災(zāi)害事故的預(yù)防提出了對(duì)策和建議。當(dāng)前城市洪澇研究較多集中于地表洪水響應(yīng)變化、城區(qū)與流域水體關(guān)系特征等，針對(duì)地下空間的研究集中在人群疏散風(fēng)險(xiǎn)和防災(zāi)救災(zāi)對(duì)策上，很少結(jié)合作為受災(zāi)來源的地表洪水和構(gòu)建地表-地下空間一體化模型作為支撐，面臨極端降水很難及時(shí)做出有效的預(yù)報(bào)預(yù)警。結(jié)合中國(guó)城市現(xiàn)狀和發(fā)展特點(diǎn)，建立完整的地表-地下空間區(qū)域模型顯得十分必要。

本文基于InfoWorks ICM對(duì)2021年鄭州“7·20”暴雨中地下車庫(kù)受淹的某小區(qū)及其所屬片區(qū)進(jìn)行地表-地下聯(lián)合建模，分別采用概化蓄水池法和水力連通法模擬極端暴雨所致地下空間洪澇過程，分析局地洪水成因和影響，從不同角度推求降水對(duì)地下空間內(nèi)澇的致災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，以期為城市地下空間洪澇預(yù)警和整體防災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)和決策輔助。

1 研究區(qū)域

鄭州市位于中原腹地，地勢(shì)西南高、東北低，多年平均降水量為640 mm。在“7·20”暴雨期間，市屬中原區(qū)的某小區(qū)地下車庫(kù)進(jìn)水。研究區(qū)域相對(duì)屬于高地勢(shì)，東北部沿河道存在大型人工湖，區(qū)域整體水流為外排趨勢(shì)，部分地表洪水會(huì)通過道路外排至周邊區(qū)域。

研究區(qū)域總面積為5.2 km2，其中居民小區(qū)c、f、h、k、l內(nèi)設(shè)有大型地下車庫(kù)，在“7·20”暴雨期間該片區(qū)內(nèi)僅f小區(qū)地下車庫(kù)受淹。受災(zāi)小區(qū)地下車庫(kù)出入口共有5個(gè)，分別是小區(qū)內(nèi)部1個(gè)、東門處2個(gè)、南北門處各1個(gè)，最終僅南門出入口未進(jìn)水。受災(zāi)地下車庫(kù)為2層結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，地下2層底面積為1 792 m2，高3 m，容積為0.54萬(wàn)m3；地下1層底面積為67 904 m2，高3 m，容積接近20.4萬(wàn)m3。研究所需高程資料采用地理空間數(shù)據(jù)云，研究區(qū)域概況如圖1。選取氣象局鄭州站2021年7月19日20：00至7月21日08：00共計(jì)36 h的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overall distribution of the study area

2 模型構(gòu)建

2.1 產(chǎn)匯流及地表淹沒模型

根據(jù)已有管道數(shù)據(jù)和鄭州市雨水干管圖，構(gòu)建研究區(qū)域的管網(wǎng)模型，并依托地形等因素手動(dòng)劃分子匯水區(qū)，最終管網(wǎng)排水系統(tǒng)共包含278個(gè)節(jié)點(diǎn)、282根管道和72個(gè)子匯水區(qū)。結(jié)合片區(qū)下墊面透水特點(diǎn)將土地利用類型分為道路、建筑、裸土、綠地4種，參考《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50014—2021》設(shè)定不同區(qū)域產(chǎn)流參數(shù)如表1所示。在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)定2-D區(qū)間，根據(jù)衛(wèi)星影像圖中的道路和建筑區(qū)位進(jìn)行高程修正，邊界條件設(shè)置為自由出流，由 DEM數(shù)據(jù)生成2-D區(qū)間網(wǎng)格158 590個(gè)。

表1 各類產(chǎn)流表面參數(shù)設(shè)定

InfoWorks ICM中子匯水區(qū)包含多種降水產(chǎn)匯流模型，本次產(chǎn)流計(jì)算使用徑流系數(shù)法和霍頓下滲法，匯流部分使用非線性水庫(kù)法。管網(wǎng)匯流模塊的計(jì)算采用完全求解的圣維南方程組，對(duì)超負(fù)荷情況下的壓力管流模擬采用Preissmann Slot方法。洪水演進(jìn)過程模擬采用Godunov有限體積格式求解二維淺水方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：h為水深；u、v分別為x和y方向的流速分量；g為重力加速度；S0x和Sfx分別為x方向的床面坡降和阻力坡降；S0y和Sfy分別為y方向的床面坡降和阻力坡降。

2.2 地下車庫(kù)模型

現(xiàn)有模型沒有直接的地下空間模塊，需要以等效概化的方式實(shí)現(xiàn)。地下車庫(kù)的出入口設(shè)置為檢查井，根據(jù)小區(qū)物業(yè)規(guī)定，設(shè)定防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為1.2 m，若水位超過1.2 m即防護(hù)措施失效，出入口開始進(jìn)水。通道概化為長(zhǎng)方形管道，管道長(zhǎng)寬以及上下游高程根據(jù)實(shí)際尺寸高程設(shè)置，坡降為8%。

地下車庫(kù)分2種方式模擬，分別為概化蓄水池法和水力連通法，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為等體積地下空間。概化蓄水池法：將地下車庫(kù)概化為節(jié)點(diǎn)蓄水池，根據(jù)地下車庫(kù)空間面積和高度來設(shè)置相應(yīng)的蓄水池參數(shù)，該方法模擬簡(jiǎn)便，但僅以節(jié)點(diǎn)形式概化，無水流演進(jìn)過程。水力連通法：根據(jù)地下車庫(kù)的地理空間信息構(gòu)建一個(gè)等效的2-D網(wǎng)格化區(qū)間，與原有地表模型相連接，該方式與地表模型的做法等同，但需要設(shè)置水位最大高度代表頂部。地下空間進(jìn)水來自地表的洪水，不涉及降水的產(chǎn)匯流，水流演進(jìn)仍采用有限體積法求解二維淺水方程計(jì)算。模型計(jì)算結(jié)果表明(表2)，模擬水深與實(shí)測(cè)基本一致，受災(zāi)地下空間進(jìn)水時(shí)刻在15：35，蓄滿時(shí)刻為17：07，符合實(shí)際記錄，說明模型能夠較為準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)域的內(nèi)澇積水情況，具有良好的合理性。

表2 “7·20”暴雨內(nèi)澇點(diǎn)最大積水深度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果分析

3.1 受災(zāi)成因分析

澇水需經(jīng)出入口通道流入地下空間，出入口的防護(hù)效果直接影響地下內(nèi)澇的發(fā)生，研究選取最早失守的北出入口為代表分析受災(zāi)成因。經(jīng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受災(zāi)小區(qū)北出入口處于區(qū)域相對(duì)較低位置，且防護(hù)設(shè)施未設(shè)在地下通道最高點(diǎn)(圖2)，實(shí)際防護(hù)效果有一定降低。依據(jù)模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)經(jīng)該通道進(jìn)入地下空間的洪水來源，從園區(qū)內(nèi)兩側(cè)道路來水約5.8萬(wàn)m3，占比為55.2%；園區(qū)外北門道路來水約4.7萬(wàn)m3，占比為44.8%。

進(jìn)一步地，查看受災(zāi)小區(qū)地下內(nèi)澇前的水深淹沒過程(圖3)，7月20日6：00，小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)少量積水，東和北道路普遍積水；9：00，小區(qū)內(nèi)部積水匯集在北出入口附近；12：00，小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大范圍積水，北出入口水深達(dá)到1 m；15：00，小區(qū)內(nèi)部水深普遍超過0.2 m，北出入口水深接近防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。從北出入口附近道路分布和小區(qū)淹沒過程可知，防護(hù)設(shè)施由于設(shè)置不當(dāng)使得實(shí)際防洪高度低于1 m，而出入口水深高于1 m的時(shí)段為20日15：00至21日2：00，約11 h，期間最高達(dá)到1.56 m，3股水流匯集所致防洪壓力遠(yuǎn)超現(xiàn)有防護(hù)設(shè)施，因此，在當(dāng)前條件下面對(duì)“7·20”暴雨，受災(zāi)小區(qū)地下內(nèi)澇無法避免。

圖2 北出入口附近道路分布Fig.2 Distribution of roads near the north entrance

圖3 小區(qū)災(zāi)前水深變化Fig.3 Water depth changed before the disaster

3.2 地下空間內(nèi)澇對(duì)地表洪水影響

地下空間內(nèi)澇會(huì)影響到地表洪水過程，為捕捉這一影響，提取地表-地下聯(lián)合模型(圖4(a))與單獨(dú)地表模型(圖4(b))的地表最大淹沒水深和洪量，前者情況下f小區(qū)普遍水深為0.2～0.5 m，北門道路水深為1.8～2.1 m，地表最大洪量為92.8萬(wàn)m3；后者情況下f小區(qū)普遍水深為0.5～0.8 m，北門道路水深普遍達(dá)到2 m以上，地表最大洪量為106.6萬(wàn)m3。進(jìn)一步計(jì)算繪制二者淹沒水深之差(圖5)，地庫(kù)進(jìn)水使得出入口附近點(diǎn)位水深普遍下降0.1～0.2 m，離受災(zāi)小區(qū)較遠(yuǎn)的園區(qū)和道路水深下降在0.05 m以下。

綜上所述，f小區(qū)地庫(kù)進(jìn)水能夠降低附近地表的積水深度；地庫(kù)內(nèi)澇對(duì)地表最大洪量的削減效果僅為12.9%，且進(jìn)水后續(xù)需面臨抽水、更換設(shè)備等一系列問題，不僅經(jīng)濟(jì)損失大，效果也有限。因此，依賴地下空間減災(zāi)并不可取，地下內(nèi)澇應(yīng)盡可能避免。

圖5 地表最大積水深度差值Fig.5 Differences of maximum surface water depth

3.3 模擬方式對(duì)比

對(duì)地下空間不同方式的模擬結(jié)果分析評(píng)估，并對(duì)比。

(1) 概化蓄水池法模擬。以概化蓄水池法模擬受災(zāi)地下車庫(kù)并查看進(jìn)水時(shí)段，車庫(kù)于20日15：35進(jìn)水，15：42地下2層蓄滿，17：07地下1層蓄滿。提取分析地下車庫(kù)1層的結(jié)果(圖6)，車庫(kù)水位變化為3 m，體積變化為18.1萬(wàn)m3；水位和體積曲線在16：15斜率顯著上升，原因是外部水位上漲、多個(gè)通道口灌水導(dǎo)致總體進(jìn)水加快。這種模擬方式可直觀快速得出受災(zāi)地下空間的平均水位和進(jìn)水量變化，在廣泛區(qū)域的地表-地下聯(lián)合模擬中，能夠迅速判別出淹沒地下空間對(duì)地表水量的削減和分洪作用。

(2) 水力連通法模擬。水力連通法模擬受災(zāi)地下車庫(kù)進(jìn)水、蓄滿時(shí)間與概化蓄水池法一致。該方法可計(jì)算車庫(kù)內(nèi)部不同位置水深變化(圖7)以及洪水流動(dòng)過程(圖8)，結(jié)果表明，地下1層進(jìn)水從15：42由北部起始，經(jīng)11 min漫延至整個(gè)區(qū)域；在16：15東入口進(jìn)水，總體進(jìn)水加快，曲線斜率顯著提高；不同位置水深的變化趨勢(shì)等同?；诘叵滤詈土魉俜植伎蓪?duì)不同位置的人員撤離時(shí)間進(jìn)行分析，以成人在地下1層自北向南的撤離為例，依據(jù)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市防洪應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則：SL754—2017》[14]中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，將地下空間劃分為5個(gè)區(qū)域，可計(jì)算得出不同位置對(duì)應(yīng)撤離時(shí)間(于圖8(d)中標(biāo)注)，其中，F(xiàn)2區(qū)域可供安全撤離時(shí)間最短，路徑也較長(zhǎng)，F(xiàn)4區(qū)域撤離風(fēng)險(xiǎn)最小。

圖6 地下車庫(kù)1層水位和體積變化Fig.6 Change of water level and volume of 1st floor underground garage

圖7 地下1層各入口水深變化Fig.7 Water depth changes at each inlet of underground 1 floor

注：FX,Y中FX代表區(qū)域代號(hào)，Y代表在產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)前的撤離時(shí)間，單位為min。圖8 地下空間內(nèi)部洪水流動(dòng)過程Fig.8 Flood flow process in underground space

3.4 地下空間內(nèi)澇致災(zāi)降水分析

3.4.1 強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)地下空間內(nèi)澇影響

為評(píng)估強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)地下內(nèi)澇造成的影響，設(shè)置以下3種降水情景進(jìn)行模擬分析(圖9)：情景1——“7·20”暴雨；情景2——無峰值長(zhǎng)歷時(shí)降水(取前期歷時(shí)平均雨強(qiáng)代替3 h強(qiáng)降水時(shí)段)；情景3——獨(dú)立3 h強(qiáng)降水時(shí)段。匯總模擬結(jié)果見圖10和表3。

情景1最早進(jìn)水蓄滿，受災(zāi)出入口數(shù)量最多，峰值流量最大，進(jìn)水歷時(shí)較短；情景2最晚進(jìn)水蓄滿，受災(zāi)出入口最少且進(jìn)水流量也有限，進(jìn)水歷時(shí)最長(zhǎng)；情景3仍發(fā)生了進(jìn)水蓄滿，受災(zāi)出入口數(shù)量和峰值流量均較多，進(jìn)水歷時(shí)最短，由圖10可知，該情景的受災(zāi)時(shí)刻在雨強(qiáng)最大的16：00 —17：00，進(jìn)水速度能很快達(dá)到并保持較高水平。由此可見，“7·20”暴雨從防洪角度處于非常不利的情況，前期累積降水較高，又出現(xiàn)了短時(shí)極強(qiáng)降水，兩者都能造成地下空間洪澇損失。因此，需要從雨量、雨強(qiáng)等角度分別量化區(qū)域地下空間洪澇預(yù)警指標(biāo)。

圖9 各情景下的降水事件Fig.9 Rainfall events under different scenarios

圖10 各情景下的地下1層水位變化Fig.10 Water level change of underground 1 layer under each scenario

表3 不同情景模擬結(jié)果匯總

3.4.2 地下空間致災(zāi)降水推求

為及早預(yù)警嚴(yán)重洪澇事件，本研究從雨量、雨強(qiáng)和雙致災(zāi)的角度[15]對(duì)地下空間致澇降水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推斷。以往地下內(nèi)澇極少發(fā)生，相關(guān)資料匱乏，故對(duì)一些發(fā)生過的典型暴雨同倍比放大作為可能發(fā)生的地下空間致災(zāi)降水，時(shí)間步長(zhǎng)統(tǒng)一取“7·20”暴雨的步長(zhǎng)1 h。

通過3.4.1中分析可知，雨量致災(zāi)的特點(diǎn)是降水歷時(shí)久、雨強(qiáng)相對(duì)不大，因此，采用24 h作為長(zhǎng)歷時(shí)雨量致災(zāi)的代表歷時(shí)。導(dǎo)入降水資料如圖11反復(fù)模擬計(jì)算直至地下內(nèi)澇恰好發(fā)生，結(jié)果總結(jié)見表4，降水歷時(shí)24 h的情況下，致災(zāi)雨量為251～312 mm。進(jìn)一步結(jié)合雨型分布可知，雨型對(duì)致災(zāi)雨量有顯著影響，降水在前期較集中的情況下對(duì)應(yīng)致災(zāi)雨量較大，可達(dá)312 mm；相同降水逆序排布后對(duì)應(yīng)致災(zāi)雨量?jī)H為251 mm。

雨強(qiáng)致災(zāi)具有短歷時(shí)、高強(qiáng)度的降水特征，“7·20”暴雨的強(qiáng)降水時(shí)段為3 h，其中最大1 h降水占比65.0%，選擇3 h作為超強(qiáng)降水雨強(qiáng)致災(zāi)的代表歷時(shí)，1 h最大雨強(qiáng)為致災(zāi)指標(biāo)。代表性雨強(qiáng)致災(zāi)降水經(jīng)放大后對(duì)比研究，匯總結(jié)果見表5。降水歷時(shí)3 h的情況下，致災(zāi)雨強(qiáng)在66～110 mm/h，進(jìn)一步結(jié)合雨型分布可知，雨峰位置對(duì)致災(zāi)雨強(qiáng)影響較小；在雨峰位置固定的情況下，不同峰值倍比集中下的致災(zāi)雨強(qiáng)差異較大，總雨量相近且遠(yuǎn)低于雨量致災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，證明雨強(qiáng)過程對(duì)地下內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)有重要影響。從致災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)和鄭州本地強(qiáng)降水特征看，單一雨強(qiáng)致災(zāi)因素所致地下空間洪澇過程的可能性較低。

表4 24 h致災(zāi)雨量

圖11 不同場(chǎng)次下的致災(zāi)雨量Fig.11 Disaster-causing rainfall under different fields

表5 3 h不同降水特點(diǎn)下致災(zāi)雨強(qiáng)

雙致災(zāi)降水同時(shí)具備雨量累積和極端雨強(qiáng)的特點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)行暴雨預(yù)警信息，在有一定前期降水的情況下推斷不同預(yù)警等級(jí)下的致災(zāi)降水特征。取相對(duì)均勻的20160812場(chǎng)次降水作為前期降水雨型，計(jì)算結(jié)果見表6。隨著預(yù)警等級(jí)的上升，致災(zāi)雨強(qiáng)逐漸下降，藍(lán)色預(yù)警等級(jí)下的地下空間致災(zāi)雨強(qiáng)為112 mm/h，而紅色預(yù)警等級(jí)下的致災(zāi)雨強(qiáng)僅為43 mm/h，此時(shí)需要密切關(guān)注地下空間的受災(zāi)?！?·20”暴雨不論在雨強(qiáng)和雨量方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前下墊面狀況下的地下空間受災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，城市防洪需要更多的預(yù)案和擴(kuò)展，應(yīng)重視和跟進(jìn)地下空間洪澇的防洪和救災(zāi)。

表6 不同預(yù)警等級(jí)下致災(zāi)雨強(qiáng)

4 結(jié) 論

本文以鄭州市中原區(qū)某片區(qū)為例，基于Infoworks ICM提出城市洪澇的地表-地下聯(lián)合模擬方式，還原了該片區(qū)地下空間受災(zāi)過程，評(píng)估了地下空間進(jìn)水對(duì)地表內(nèi)澇的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 極端降水下地下空間的低洼入口處水位上漲快、水流來源廣、高水位時(shí)間久，局地不合理的設(shè)計(jì)施工進(jìn)一步增加了地下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，地下空間內(nèi)澇對(duì)地表積水的減災(zāi)效果有限。

(2) 概化蓄水池法便于直接計(jì)算總進(jìn)水量，適合大范圍模擬快速找出受災(zāi)的地下空間；水力連通法可以查看水流在地下空間的演進(jìn)過程和不同位置水深變化，適用于精細(xì)化整體模擬復(fù)雜區(qū)域受災(zāi)。

(3) 降水量累積和強(qiáng)降水時(shí)段均可造成地下空間的內(nèi)澇，強(qiáng)降水時(shí)段地下空間進(jìn)水較快；降水歷時(shí)24 h的情況下，地下空間致災(zāi)雨量為251～312 mm；歷時(shí)3 h情況下的致災(zāi)雨強(qiáng)為66～110 mm/h；雙致災(zāi)暴雨紅色預(yù)警下的致災(zāi)雨強(qiáng)僅為43 mm/h。