北京市下凹式立交桥区低影响开发效果模拟

北京市下凹式立交桥区低影响开发效果模拟
沈红霞;李鹏程;王凯燕;李琼芳;周正模;倪志楠
【摘要】北京市下凹式立交桥等低洼区的内涝治理是防洪减灾工作的重点与难点.以北京市北三环安华桥桥区为研究对象,构建桥区一维雨洪模型,利用反映北京市不同雨强、由暴雨强度公式与芝加哥雨型公式推求得到的不同重现期设计暴雨,模拟低影响开发(LID)措施实施前后桥区的积水情况,从积水开始时间、积水持续时间以及积水深度3个方面分析了LID措施的洪涝防控效果.结果表明:LID措施对下凹式立交桥区内涝具有一定的防控作用,但随着暴雨重现期的显著增加,LID措施的洪涝防控效果明显减弱.研究成果可为海绵城市建设提供参考.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2018(049)014
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】设计暴雨;低影响开发;内涝治理;北京市
【作者】沈红霞;李鹏程;王凯燕;李琼芳;周正模;倪志楠
【作者单位】河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海200082;上海蓝泰信息咨询有限公司,上海200434;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】TV122.1
下凹式立交桥作为北京市交通的重要组成部分，可有效缓解北京市的交通堵塞问题，提高行车安全，但随着极端暴雨事件的频繁发生，再加上北京市排水标准偏低，下凹式立交桥桥区等低洼区遭受暴雨时极易发生涝灾[1-3]，因此，下凹式立交桥区
的积水治理工作受到越来越多相关领域学者的关注[4-8]。

郭磊[9]应用水力模型模
拟安华桥桥区排水系统的运行情况，并针对桥区积水问题提出相应的改造方案；江剑[10]针对北京市西部下凹式桥区，在地下水回灌的基础上研究桥区雨洪水入渗技术，为解决桥区积水问题提供依据；周楠[11]通过3个泵站改造实例，总结了桥区排水系统改造措施，可为完善下凹桥区排水系统的设计提供参考。

但值得一提的是，针对不同暴雨强度研究低影响开发(LID)措施在下凹式立交桥区的涝灾防控效果鲜
见报道。

因此，本文基于SWMM模型构建桥区一维雨洪模型，模拟分析不同设
计暴雨下LID措施对安华桥桥区积水的防控效果，可为城市下凹式立交桥区LID
措施的应用提供参考，为海绵城市建设提供科学依据。

1 研究方法
以北京市北三环安华桥桥区作为研究对象，利用北京暴雨强度公式与芝加哥雨型公式确定北京市重现期为2,5,10,20,30,50,100 a，降雨历时为120 min的设计暴雨；构建基于SWMM的桥区一维雨洪模型；基于已构建的模型，利用不同重现期设
计暴雨，结合将不透水面积的道路转换为透水铺装的LID措施，模拟LID措施下
桥区的暴雨积水情况，从积水开始时间、积水持续时间以及积水深度3个方面对
比分析LID措施的洪涝防控效果。

2 不同重现期设计暴雨的推求
为研究不同重现期下低影响开发措施对城市内涝的缓解作用，需要计算不同重现期的设计暴雨，设计暴雨主要包括设计暴雨量和设计暴雨过程两部分。

2.1 设计暴雨量的计算
本文的设计暴雨量采用北京市政院于1984年根据1941～1980年的自记雨量计资料整理分析所得的北京地区的暴雨公式求取，暴雨公式如下：
式中，i为暴雨强度,mm/min；t为降雨历时，min；P为设计暴雨重现期。

考虑不同城镇、不同区域所采用的雨水管渠的设计重现期不同，本文选取2，5，10，20，30，50，100 a共7种重现期的设计暴雨进行分析研究。

由于研究区面积较小，汇流时间较快，所以本文的降雨历时选用120 min。

根据公式(1)、(2)计算得到北京市历时120 min的不同重现期的设计暴雨量，如表1所示。

表1 北京市历时120 min的不同重现期设计暴雨量Tab.1 Design rainstorm of different recurrence periods for 120 min in Beijing重现期(P)降雨强度
/(mm·min-1)降雨量/mm2a一遇0.4756.90 5a一遇0.6071.67 10a一遇
0.6982.83 20a一遇0.87103.97 30a一遇0.93112.08 50a一遇1.02122.31 100a一遇1.13136.18
2.2 设计暴雨过程的推求
设计暴雨过程选用芝加哥雨型公式来推求[12]，公式如下：
式中，ib为峰前的瞬时降雨强度，mm/min；ia为峰后的瞬时降雨强度，
mm/min；r为雨峰相对位置，0<r<1；a,b,c为暴雨公式参数。

根据翁窈瑶[13]对北京地区暴雨的研究，当降雨历时为120 min时，设计暴雨时程分配雨型的相对位置r=0.42，峰前历时tb=50 min，峰后历时ta=70 min，根据公式(3)与公式(4)计算的不同重现期的暴雨过程见图1，推求得到的设计暴雨以
历时1 min的降雨量的形式输入一维雨洪模型。

图1 不同重现期的设计暴雨过程Fig.1 Design rainstorm process of different recurrence periods
3 LID积水的防控效果模拟
3.1 研究区概况
本文的研究区为北京北三环安华桥，桥区示意如图2所示，安华桥为北京典型的下凹式立交桥，在遭遇短历时强暴雨期间，桥区因排水系统设计标准偏低[14]，极易发生内涝积水，严重影响交通的运行，威胁人民生命财产安全。

图2 安华桥区域示意(红色部分为研究区)Fig.2 Anhua Bridge area (The red part is the study area)
3.2 桥区一维雨洪模型的构建与应用
3.2.1 雨洪模型的构建
Heaney[15]等人于1976年建立了最早的雨洪模型——SWMM(Storm Water Management model)Level 1，在此基础上美国环保署[16-17]于1998年推出相对完整版本的SWMM模型。

SWMM模型是一个动态的降水-径流模拟模型，适用于水文水力条件比较复杂，以管渠排水为主的城市区域。

SWMM模型主要包括产流计算、下渗模型、地表汇流计算、管网汇流计算4部分。

本文以桥区一维雨洪模型的构建过程为例，详细介绍SWMM模型的原理。

本文主要参考李鹏程[18]构建的北京市安华桥桥区SWMM模型。

产流计算前需确定研究区的外边界范围并划分子汇水区，利用桥区汇水范围的CAD图纸，数字化处理后得到研究区的外边界。

在此基础上划分边界内的子汇水区。

鉴于研究区地形起伏较为平坦，基于分辨率为5 m的DEM利用传统GIS方法不能很好地划分桥区内的子汇水区，再加上城市地区的各种管网会大大改变自然的汇水路径，从而显著影响集水区的划分方式，因此本文在以检查井为节点、采用泰森多边形划分法得
到的子汇水区的基础上，根据研究区管网的排水路径、地形条件和实际汇水情况等对子汇水区进行综合修改，得到130个子汇水区，图3给出了修改后的子汇水区划分图。

根据所收集的检查井、管网的地理位置信息以及生成的子汇水区，在GIS中提取SWMM所需的子汇水区、管网、检查井的地理位置信息。

对于子汇水区来说，首先寻找多边形的顶点，然后提取各个顶点的坐标，最终得到各个子汇水区的形状坐标。

图3 修改后的子汇水区Fig.3 Modified sub-catchment area
地表产流计算是SWMM模型的重要模块之一。

在进行地表产流计算时将每个子汇水区分为透水区、有洼蓄能力的不透水区和无洼蓄不透水区3种类型。

基于霍顿产流理论分别对3种类型的子汇水区计算地表产流量，然后通过面积加权得到汇水区的产流量[13-14]。

对于透水区，在忽略雨期蒸发的情况下，降雨量减去下渗量，也就是净雨量满足洼蓄量后产生地表径流。

采用霍顿下渗公式推求下渗过程。

对于有洼蓄的不透水区，降雨量满足地面最大的洼蓄量后，便可形成地表径流。

对于无洼蓄不透水区，降雨量减去蒸发后，全部转化为地表径流量。

地表汇流演算是SWMM模型汇流模块的一个重要组成部分。

3种类型子汇水区的地表产流量均通过非线性水库法演算到汇水区出口，最后相加得到汇水区的径流出流过程[16-17]。

管网汇流计算是SWMM模型汇流模块的另一个重要组成部分。

SWMM的管网汇流计算的解法为稳定流解法、运动波解法和动力波解法，其中后两种方法的本质就是解简化或完整的圣维南方程组[19]。

3.2.2 雨洪模型的应用
利用北京2012年“7·21”特大暴雨资料，模拟“7·21”暴雨过程中安华桥桥区的
内涝淹没情况。

根据北京市水务局事后对积水桥区淹水情况建立的档案，安华桥桥区积水开始的时间大约在19：30，积水深度大约为70～80 cm，积水的持续时间为约1 h 40 min。

模拟得到的“7·21”暴雨下最大积水深度为81.4 cm，积水开始时间为19：53，积水持续时间约为2 h，均与实际的积水情况接近，说明构建的模型具有较高的精度，可用于模拟桥区的内涝积水情况。

3.3 不同重现期设计暴雨下雨洪模拟
基于推求的北京市不同重现期设计暴雨，用SWMM模型模拟不同设计暴雨下桥
区的内涝积水情况，积水深度变化过程如图4所示，积水信息如表2所示。

图4 不同设计暴雨下安华桥桥区积水过程Fig.4 Waterlogging process in Anhua Bridge area under different design rainstorms表2 不同设计暴雨情景下安华桥桥区积水信息统计Tab.2 Waterlogging information of Anhua Bridge area under different design rainstorm scenarios
设计暴雨重现期最大积水深度/m积水持续时间/min2a一遇0.0005a一遇
0.315210a一遇0.557820a一遇0.8911230a一遇1.0312650a一遇
1.19142100a一遇1.40164
由图4可知，桥区遭受2 a一遇设计暴雨时不会产生积水，不同重现期设计暴雨下，桥区积水开始时间基本相似，5 a一遇设计暴雨与100 a一遇设计暴雨导致的积水开始时间相差约10 min。

由表2可以看出,不同重现期设计暴雨导致的最大积水深度相差较大，5 a一遇暴
雨导致的最大积水深度仅为0.31 m，而100 a一遇暴雨导致的最大积水深度高达1.4 m，相差近1 m。

积水持续时间方面，可以看出不同重现期设计暴雨导致的积水时长大体可分为3个层次，其中，5 a一遇暴雨和10 a一遇暴雨导致的积水持
续时间比较接近，为1 h左右；20 a一遇暴雨、30 a一遇暴雨和50 a一遇暴雨
的积水持续时间较为接近，约2 h左右；而100 a一遇暴雨导致的积水持续时间
接近3 h。

3.4 LID措施模拟与分析
3.4.1 LID措施情景设定
由于研究区主要土地利用类型为道路，因此本文考虑采用透水铺装(Permeable Pavement)措施，将研究区不透水面积的道路全部设置为透水铺装的LID措施，
透水铺装的主要参数参考王文亮等[20]的研究成果以及SWMM模型参考手册的相关内容，取值如表3所示。

表3 透水铺装参数取值Tab.3 Permeable pavement parameters透水铺装厚度
/mm孔隙比不透水面积/%渗透率/(cm·h-1)堵塞因子表层600.102540储存层2500.43-25.40
3.4.2 LID措施模拟
基于不同重现期的设计暴雨，在SWMM模型中完成LID措施的设置，运行模型，得到各重现期设计暴雨下桥区的积水情况，如图5所示。

图5 采取LID措施后不同重现期暴雨导致的安华桥桥区积水过程曲线Fig.5 Waterlogging process in Anhua Bridge area under different design rainstorms after taking LID measures
3.4.3 LID措施积水调控效果分析
由图5可明显看出，桥区采取透水铺装措施后，遭受10 a一遇暴雨时不再产生积水。

为更好分析LID措施对桥区内涝的缓解作用，将基本情景与采取LID措施后
不同设计暴雨下桥区积水信息统计在表4中。

从表4中可看出，采取透水铺装后，20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇、100 a一遇设计暴雨下，桥区最大积水深度分别下降了0.45，0.4，0.35，0.31 m，积水持续时间分别缩短了33,29,26,24 min。

对比图4与图5可看出，LID措施能明显地推迟桥区开始积水的时刻，但当暴雨重
现期大于50 a一遇时，LID措施的这种推迟作用几乎难以显现；同样由表4可看出，随着暴雨重现期的增大，LID措施在降低最大积水深度、缩短积水持续时间方便均有所减弱。

总体来说，LID措施对桥区内涝有明显的缓解作用，但是也可以发现随着暴雨重现期的增大，LID 措施的效果逐渐减弱。

表4 不同设计暴雨情景下LID实施前后安华桥桥区积水信息统计Tab.4 Anhua Bridge area′s waterlogging information before and after the implementation of LID measures under different design rainstorm scenarios设计暴雨重现期最大积水深度/m基本情景LID积水持续时间/min基本情景LID2a一遇0.000.00005a一遇0.310.0052010a一遇0.550.0078020a一遇
0.890.441127930a一遇1.030.631269750a一遇1.190.84142116100a一遇
1.401.09164140
4 结论
本文以北京市北三环安华桥桥区作为研究对象，利用北京暴雨强度公式与芝加哥雨型公式确定北京市不同重现期，降雨历时为120 min的设计暴雨；基于构建的北京下凹式立交桥区SWMM模型，模拟不同雨强下，LID措施实施前后桥区的积水情况，对比分析LID措施的洪涝防控效果，得到以下结论。

(1) LID措施对桥区积水具有明显的缓解作用。

采取透水铺装后，桥区遭受10 a一遇暴雨时不再产生积水；20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇、100 a一遇设计暴雨下，桥区最大积水深度分别下降了0.45，0.4，0.35，0.31 m，积水持续时间分别缩短了33，29，26，24 min，说明LID措施对桥区内涝有明显的缓解作用。

(2) LID措施对洪涝的防控效果与暴雨重现期成反比关系。

LID措施能明显地推迟桥区开始积水的时刻，但当暴雨重现期大于50 a一遇时，LID措施的这种推迟作用几乎难以显现；同样随着暴雨重现期的增大，LID措施在降低最大积水深度、缩
短积水持续时间方面均有所减弱。

总体来说，随着暴雨重现期的增大，LID 措施的效果逐渐减弱。

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