城市排水（雨水）防涝体系是对暴雨进行全过程控制的雨洪管理系统，一般可分为源头径流控制系统、雨水管渠系统和内涝防治系统三大部分。城镇内涝防治系统数学模型是对城镇内涝防治系统的合理抽象与概化。 当汇水面积大于2平方公里时，排水系统采用传统推理公式法来计算雨水径流会产生较大误差。应考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布的不均匀性和管网汇流过程等因素，采用数学模型法确定雨水设计流量，并校核内涝防治设计重现期下地面的积水深度等要素。 通过数学模型，能在各种设定情景下模拟地表产流、汇流规律，排水管网运行特征，地表积水状况等，从而分析城镇内涝防治系统的运行规律。在规划阶段，充分考虑洪涝风险，优化排涝通道和设施设置，加强城市竖向设计，合理确定地块高程。用统筹的方式、系统的方法可以有效防止城市内涝问题的产生。 由于硬化比例增加，径流系数变大，由在某个项目中分析现状0.27增加到0.66，降雨径流大幅增加（见图1）。由于地块开发需要，部分水面被取消，区域调蓄能力减弱。自然界根据不同的地形地貌形成了天然的地表径流排水系统，原有的水系具有天然的排水蓄水功能，城市的发展影响甚至破坏了这个天然的系统，因此城市内涝防治规划首先应该考虑对原有水系格局的保护，对已经被破坏的水体进行恢复和修复。 超过管网设计标准的雨水径流行泄通道未结合城市地形、道路竖向等因素进行设置，导致积水严重。 内涝防治系统指超标雨水径流排放系统，主要解决雨水管渠系统不能及时输送的径流量，使该部分雨量不对城市功能产生显著的不利影响。 城市内涝防治系统包括雨水源头控制系统、小排水系统和大排水系统三部分。内涝防治不仅是管道排水，同时还要考虑坑塘、沟渠、湖泊、水体、湿地等开敞空间对雨水的排放、滞留和调蓄作用（见图3）。 根据上位规划及相关国家标准要求，确定该区域内涝防治重现期为50年。即遭遇50年一遇暴雨时，居住住宅和工商业建筑物底层不进水；道路上一条车道的积水不超过15厘米。 模型构建所需资料应包括降雨数据、地面高程数据、下垫面数据、排水管网数据、 城镇河道数据、边界条件等，对区域内地形、土壤渗透性、现状水系情况进行分析。利用GIS技术对该区域现状地形及规划地形进行数字模拟，形成数字高程模型（DEM），对规划区高程、坡度、坡向进行分析，为污雨水分区提供基本的依据（见图4）。根据地勘数据，该区域表层土平均厚度约1.8米，土壤成分主要以黏性土、碎石为主，平均渗透系数约为1.0×10-5米/秒，表层渗透性能良好，但是深层土的渗透系数较低，多为粉质黏土不利于下渗。规划范围位于错水河中下游，现状区域内河道7条，分别为仙人河、观里河、东法家庄河及支流、错水河3条支流，小型坑塘17处。仙人河、观里河、东法家庄河等三条支流在基地内汇入错水河（见图5）。现状下垫面主要有道路、建筑屋面、水系、裸露土地及农田，综合径流系数约为0.27。规划以工业用地为主，下垫面主要有道路广场、建筑屋面、水系及绿地，根据特点分析，其综合径流系数约为0.66。 目前，我国城镇排水工程设计中应用推理公式法来计算雨水径流，该方法具有公式简明和需要参数少等优点。然而这一方法适用于较小规模排水系统的计算，当应用于较大规模排水系统时会产生较大误差，而且该方法无法对地面积水深度及积水时间进行量化。采用数学模型法可以较为准确地确定雨水设计流量，并校核内涝防治重现期下地面的积水深度和积水时间。 在本项目中，采用综合的城市排水、流域一体化模型系统，主要涉及产流模型、汇流模型、管渠水动力模型、二维地面洪水淹没演进模型。 产流模型是指降雨的数学模型。水文模型即将降雨经过植被截留、洼地蓄水、地面下渗、蒸散发等损失形成地面径流过程模型化，再将降水到形成流域出口断面径流过程进行流域汇流演算。一维排水系统的计算模型完整模拟管道和明渠内的水力学状态，精确模拟回水和冒溢（溢流）等现象，模拟水泵、孔口、堰流、闸门、调蓄池等排水构筑物的水力状况。二维地面洪水淹没演进模型模拟洪水在地面上行进的过程，获得淹没时间、范围和深度等数据结果。 管网系统的短历时设计暴雨及径流计算主要用于评价管网系统的达标情况、管网 达标改造的设计计算；内涝防治系统的长历时设计暴雨及径流计算主要用于内涝风险 分析、行泄通道和调蓄设施的设计计算。 本次短历时降雨采用芝加哥雨型进行设计。暴雨强度公式生成三年一遇、五年一遇、三十年一遇和五十年一遇的2小时短历时设计暴雨。 长历时（24小时）降雨根据《山东省水文图集》，查得该区域实测最大24小时降雨量为267毫米。多年平均最大24小时降雨量为115毫米。按照Cv=0.5，Cs=3.5Cv，查皮尔逊Ⅲ曲线的模比系数。P=5% 时，Kp=1.94；P=2% 时，Kp=2.27。 选用二十年、三十年、五十年、一百年一遇的青岛市24小时长历时设计降雨。 根据地形划定汇水区域，通过传统暴雨强度公式法进行雨水管网初步设计，建立管网数据模型。 排水管道水力模型通常采用连续方程、质量守恒方程、能量守恒方程联立求解。可选模型有恒定流模型、运动波模型和动态波模型。为提高模拟精度，本次选择管道采用动力波模拟。 根据现状地形图及初步规划竖向，利用GIS技术对该区域现状及规划地形进行数字模拟，形成数字高程模型（DEM），并对不同下垫面设置不同的参数（见图6）。通过求解二维圣维南方程较好地模拟水流在二维空间内的物理运动过程，计算城市规划决策提供雨洪水流演进过程中的水力要素值的变化情况。城市地表二维模型在构建时考虑地形、土地利用条件，下垫面透水特性，排水系统运行条件，排水构筑物调度原则，流域产汇流特征等因素。模型概化包括地形概化、网格划分和边界条件设置：地形概化以等高线、高程点、DEM数据等为基础数据，通过空间分析工具为模型单元网格设置高程、坡降等地形属性的过程。模型中的控制节点都具有水流交换的功能，通过入流与出流平衡计算，保证水量在二维和一维耦合（管道和河道）计算过程中维持平衡，如管道可通过节点溢流将水体输出到二维计算单元进行水流交换（见图7）。 当暴雨强度超过管网排水系统能力时，剩余暴雨径流将在地面蓄积，为防止地面蓄积水量影响城市功能和群众生命财产安全，需要将剩余暴雨径流通过一些可以暂时利用的通道或蓄水空间进行消纳，这些通道和蓄水空间就构成了内涝防治系统。 通过对系统整体、集水区、节点、管渠等分析和内涝状况分析评估，可以用源头减排、雨水滞蓄等各种经济的方式减少内涝的产生。 根据模型分析，在规划片区有多处易产生内涝风险区域，最大积水深度超过0.3米。通过修改管道参数、地面高程等参数，模拟不同状况下积水内涝情况（见图8）。 利用GIS软件进行场地填挖方分析。利用现状地形的散点构建现状TIN模型，通过规划点高程建立TIN模型，对现状和规划TIN划分10×10米方格网。 求取地表物质体积差是土方量计算的目标，对于原始地形的表述只能是模拟和近似。基于地表连续和渐变的假定，通过借鉴微积分描述连续变化的数学思维方法，将研究区域分成微小的单元，并在地表渐变的假定下将各微元的地形特征作简化处理，以现有数据或经空间插值后的数据去近似表述各微元的地形，分别求取各微元体积差，然后求和，就得到总的土方量。 根据分析，在未考虑地块内部自建地下室的情况下，核算整个区域需要填方89.7万立方米（见图9）。 通过内涝原因等分析，把该区域内涝积水分为三种类型，对这三类内涝情况分别提出不同的建议（见图10）。 由于竖向个别点不合理，行泄通道预留不足，管道受洪水位顶托，导致排水不畅产生内涝。优化措施：调整靠近河岸竖向标高，减轻内涝积水，结合该区域地形、道路竖向等因素，规划涝水行泄通道。利用适宜的道路路段作为涝水行泄通道，并采用数学模型法校核积水深度和积水时间，保证道路转输涝水时水深和流速满足内涝防治安全要求。 内涝产生主要是由于现状地势较低，靠近河滩，如果完全消除内涝需要大量的填方，且会对现状环境造成一定的破坏。优化措施：通过模型及填挖放分析，建议优化调整用地，保留现有部分低洼地，改善生态环境。 内涝产生主要是现状坑塘取消，原有雨水的滞蓄功能降低。优化措施：提出保留蓄滞洪区以及必要的城市低洼地、坑塘、水系、湿地等作为调蓄空间。充分利用自然水体，结合自然洼地、池塘、景观水体、公园绿地等公共空间设置雨水调蓄设施。通过雨水调蓄设施削减排水管道峰值流量，从而降低内涝的产生。采用水文水力模型，模拟计算各降雨重现期情况，满足内涝要求所需要的滞蓄容积。 内涝防治是一个系统工程，与区域竖向、道路、雨水滞蓄空间等密切相关。建立地形模型、降雨模型、排水模型和地面特征模型等数学模型，进行内涝风险情景模拟评估。通过计算机模拟获得雨水径流的流态、水位变化、积水范围、积水深度和积水历时等信息。评估包括城市地表产汇流系统、管渠、河道排水系统、地面溢流系统等系统。规划阶段首先应对现状进行详细分析，分析现状径流组织路径，识别低洼区域在此基础上根据初步竖向，进行管网的方案设计，建立完整的降雨、径流、管道、地面溢流、河道排水雨水数学模型。 在规划阶段通过内涝数学模型对未来可能出现的内涝点、内涝原因进行分析。通过调整管网、规划竖向、合理设置雨水行泄通道、预留内涝空间等满足内涝防治要求。模型中调整后的雨水管道数据反馈到雨水专项规划中，模型中调整的控制点标高，中央绿化带雨水行泄通道等内容落实到控制性详细规划的竖向规划图中，在地块出让及道路、绿地、水系等的建设中进行控制。来源：青岛规划研究所，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。
