城市洪涝试验研究进展

郝晓丽，穆 杰，2, 喻海军，2，黄绵松，吴滨滨，2

(1.中国水利水电科学研究院减灾中心，北京 100038； 2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3.北京首创股份有限公司，北京 100044)

在全球气候变化与城市化的背景下，极端水文事件的发生频率、影响范围及影响程度等均有所增加，而由极端降雨所引发的洪涝灾害目前已成为全球范围内发生最频繁、影响最严重的自然灾害之一，引起了社会各界的广泛关注[1-7]。随着城市化进程加快，城市中的不透水面积急剧增加，“先地上，后地下”的开发模式导致管网排水能力严重不足，城市也面临着不断上升的洪涝风险。例如，2013年6月加拿大西部、印度北部及欧洲中部地区、2013年9月美国科罗拉多州和新墨西哥州、2018年2月印度尼西亚雅加达地区、2018年7月日本东京等地都遭受了不同程度的洪涝灾害[8-10]。在城市化发展和季风气候的双重影响下，我国的洪涝灾害也十分严重。2018年，全国有30多个省(市、区)的83座城市遭受了不同程度的洪涝灾害，因灾致死人数达187人，直接经济损失高达1615.47亿元[11]。

通过城市洪涝过程的模拟仿真可更好地应对频发的城市区域性洪涝问题，提高城市防洪减灾能力，最大程度降低洪涝灾害带来的损失。近年来，通过构建城市精细化数值模型来模拟洪涝演进过程及淹没范围，为洪涝预警预报、灾害预估以及应急响应决策支持等方面提供理论支撑已成为城市洪涝研究领域的研究热点[12-15]。目前，国内外学者基于Mike Urban、Infoworks CS、Wallingford以及SWMM等模型，开展了部分城市的洪涝影响研究，并形成了一些代表性成果。然而，由于城市特征的高度异构性、模型局部概化不合理以及实测数据验证不足等因素的影响，数值模拟结果的准确性不高[16-17]。为此，研究人员针对城市洪涝数值模型的三大模拟过程，即降雨产流过程、地表汇流演进过程和管网汇流过程，开展了一系列的城市洪涝物理试验及原型试验，探索了城市洪水演进机理[18-19]。本文针对上述三大模拟过程，从城市产流过程、地表洪水演进、地表径流与管网水流交互三方面对城市洪涝试验发展动态进行综述，旨在为数值模型产汇流参数设定、城市建筑物防洪优化布局、地表径流和地下管流的交互过程合理概化等提供参考。

表1 城市产流过程的物理试验成果

1 城市产流过程试验

针对城市下垫面对地表产汇流的影响，当前主要采用室内(外)人工降雨-径流模拟试验法、室外真实降雨法以及原型试验法等来开展两类研究工作，部分代表性成果见表1。第一类研究关注地表产流过程，定性分析不同的下垫面类型对地表径流量、径流深和径流系数等的影响规律。结果表明，在同一降雨强度下，随着下垫面的透水性及粗糙程度的增加，地表汇流时间增长，产流量和径流系数减小。如果城市下垫面的坡度较大，则汇流过程短、洪峰较大[19-22]。地表植被具有延缓径流、增加土壤下渗量的作用。在植被覆盖率高的区域中，土质通常较为疏松，土壤下渗速率较大，达到稳定下渗状态所需的时间较短，土壤蓄水能力较强，导致地表径流量较小。此外，地表的植被覆盖类型以及空间分布等因素也会影响地表径流量，游宇等[23]研究发现林冠截留效应能有效减少降雨产流量。

另一类研究侧重于下渗参数的测定，通过双环渗水试验法、Guelph 入渗仪法等方法来测定下渗相关参数。北京、西安、南京、厦门及淮南等地区下垫面下渗参数均已实测[24-28]，研究表明城市下渗能力与下垫面的类型以及功能区的作用相关，城市不同下垫面类型下土壤下渗能力从大到小顺序为林地、草地、裸土、道路，城市不同功能区的土壤下渗能力从大到小顺序为农田保护区、风景区、文教区、工业区、商业区，不同海绵措施下土壤的下渗能力也有所不同，入渗能力从大到小顺序为多孔纤维棉、转输型植草沟、隔水顶板，相关数据集可用于模型参数率定。随着海绵城市建设工作的持续开展，海绵设施的下渗特性也成为研究热点，Abbott等[22]研究发现透水砖铺装结构下渗速率约是普通砖下渗速率的50倍。张书函等[28-29]通过室内模型试验寻找最佳的铺装结构形式，张阳维等[30]通过人工降雨-径流试验法研究横坡坡度、纵坡坡度及降雨强度等因素对不同类型透水铺装的下渗参数的影响，结果表明稳定下渗率与降雨强度之间呈对数关系，与坡度呈负相关关系。海绵城市的低影响开发(LID)措施对于减少降雨径流量非常重要，其中Mai等[31]通过模拟降雨和径流，证明红壤地区通过LID措施可以有效减少降雨径流量。

2 城市二维地表洪水演进试验

城市二维地表洪水演进的物理模型试验中，通常将城市区域概化为街道、建筑物[32]和交叉路口[33]等的组合，研究地表洪水的流动特性，从而获得其多向流动路径以及水深、流速等信息，以便为城市数值模拟提供更为精细和丰富的验证数据。

表2 道路交叉路口洪涝物理试验成果

2.1 道路交叉路口的洪涝演进试验

国内外针对城市地表道路交叉路口的洪涝演进研究所采用的物理模型比尺通常较小，一般为1/200～1/10，试验模拟径流的来流方式主要是上游径流(表2)。目前已开展的研究主要有下述两类：第一类研究主要关注局部尺度的交叉路口研究，以三岔路口或四岔路口作为研究对象，通过测定分析不同路口方位的水深、流速及流量等参数，发现对城市道路交叉路口分流规律影响较大的因素包括尾水的弗劳德数、下游堰高、流入功率比以及支流占总流的流量比[34-39]，且进一步推导出公式来预测交叉路口的流量分配规律。第二类研究则是基于缩比尺的城市区域模型，探讨城市街区的洪水演进特性，Velickovic等[37]通过1/200比尺的精细化城市十字路口试验平台，研究了不同的道路宽度、坡度和上游洪水来流量的城市街道水流流动的演进特征，研究表明每条街道的分流水量与流入总量以及上游街道入流位置无关，与街道宽度正相关，街道的坡度影响交叉路口水跃的形成位置[40-41]。

2.2 建筑物对洪涝演进的影响试验

地表建筑物的阻水作用改变了城市洪涝演进过程。目前，已开展的物理试验工作主要分析了建筑物的布局及覆盖度等因素对地表径流的影响。该类模型的比尺通常比较小，一般为1/300～1/20。在开展物理模型试验时，部分学者将建筑物概化为规则砌块，以研究建筑物的布局方式、覆盖度、透水性及类型等参数对地表径流二维演进过程的影响。Soares-Frazão等[42-44]通过1/150比尺的试验平台来开展规则砌块在不同布局方式下的物理试验，重现了地表二维水流绕过建筑物的过程。黄琼等[45]研究表明当建筑物与水流方向平行时建筑物之间的水深最小，建筑物与水流方向夹角越大建筑物之间的水深越大。Huang等[46]通过1/100比尺的试验平台来开展物理试验，量化了建筑物与曼宁系数的关系，并提出在数值模拟中通过调整曼宁系数的方式来概化不同建筑物的阻水作用，这种概化建筑物的方法具有一定的合理性，但是由于建筑物前洪水波的反射效果明显，流场复杂多变，仅以曼宁系数来量化建筑物的方法无法准确模拟出建筑物周围流场的变化情况。Zhou等[47]针对不同透水性的城区，以1/300比尺的试验平台来开展物理试验，研究了建筑物的地表二维水流流动模式，表明随着建筑物的不透水性增大，建筑物间的水深增加。

部分学者则是以城市中的真实房屋或其他建筑物作为原型开展研究，通过开展尺度物理试验来进行有关房屋洪水入侵、洪涝易发区等方面的研究[48-53]。Liu等[48]以PVC板制作了比尺为1/20的房屋模型开展物理试验来再现洪水在单一房屋周围的流动特性及入侵过程，研究表明，与房门上锁时相比，在不锁门的情况下屋内水位上升更为迅速，当洪水来流方向垂直于房屋正面时将会产生最大的冲击力。Güney等[51]建立了比尺为1/150的模型，再现了城市区域内洪水的传播过程。Larocque等[52]以新奥尔良十七街区运河溃口附近的区域作为原型，建立了1/50比尺物理模型对建筑物周围的流场和水深进行实测。这些研究为数值模型提供了有效的水深、流速等验证数据集。

表3 地表-地下管网水流交互物理模型试验成果

3 地表-管网水流交互试验

地表-地下管网水流的交互作用是城市洪水演进过程中非常重要的垂向交互过程，地表径流通过雨水口的截流和泄流作用，将地表雨水下泄到排水管网中。在不同形式或位置的交互口附近，局部水动力模式也有所不同，在数值模型中应结合实际情况来运用合理的交互公式，以进行交互水流特性的研究。目前国内外已开展了一系列的物理试验(表3)来进行地表-管网水流交互过程的模拟。由于该类研究主要关注交互口在关键位置处的精细化水流状态，因此大部分的工作采用了原比尺模型，以上游来流模拟顺街洪水，研究在单个或多个雨水口的情况下，地表-管网单向排水及地表-管网-地表双向水流交互的规律。

目前，大多数关于地表与管网交互流量系数的研究主要针对恒定流来展开，通过控制变量法研究了地表径流通过单一或多个雨水口下泄至地下管网的过程，以此分析道路雨水口下泄流量的影响参数。研究表明，雨水口下泄流量与雨水口前水深、流速、来流流量、雨水口形式(包括平篦形式、偏沟形式及立篦形式等)、栅条类型(包括横纵栅条、斜栅及曲栅等)、雨水口尺寸、道路横坡、纵坡以及地下管道内水压等因素相关；下泄流量随着横坡的增大而增大，随着纵坡的增大而减小，随着栅条角度的减少而增大[54, 62-63]。在确定了雨水口下泄流量影响因素的基础上，安智敏等[55-59]推导了不同形式雨水口(包括方孔形、圆孔形及栅格形等)的流量系数范围及经验公式(表3)。但需要注意的是，不同的试验条件下，雨水口的下泄流量公式及流量系数范围受雨水口类型、道路坡度等因素的影响会有所差异。在开展数值模型研究时，可根据雨水口的实际情况并且参照表3中的对应雨水口试验条件来选取合适的参数开展模拟工作。

当水流为恒定流时，在数值模型中可通过堰流和孔口出流公式来较为合理地估算城市地表径流通过雨水口下泄入管网内水流的交互流量，但是在非恒定流的情况下，通过数值模型计算所得的交互流量大于物理模型的试验结果，这是由于在非恒定流的试验中产生了强烈的湍流效应，从而造成大量的水头损失，最终导致数值模拟结果偏大[16,64]。因此，需开展相关试验来量化非恒定流的水头损失，以提高数值模型的准确性[65]。

然而，已有的研究仍存在一定的局限性。例如，雨水口前水深的实测位置并未参照统一的标准来确定，导致现有交互流量公式的适用性有待提高。当地表的水深较浅时，径流并未覆盖整个雨水口区域。在超临界流条件下，部分试验忽略流速水头的假设已失效。此外，在试验过程中出现的水头损失也使结果存在一定的误差。

4 研究展望

a. 完善现有城市产汇流过程相关机理方面的试验研究。目前有关城市产汇流方面的试验研究大多定性地分析不同的下垫面类型对地表径流量、径流深和径流系数等的影响规律,同时有关城市产汇流过程对城市内涝的产生特征以及演化机制的试验研究略少。为此需开展包括下垫面的下渗相关参数、透水性以及植被类型和覆盖率等参数的机理推导，以便定量地分析地表产汇流过程，同时需要加强有关产汇流过程对城市内涝的产生特征及演化机制方面的物理试验研究，为城市内涝灾害的防治措施提供参考。

b. 深入研究地表与管网垂向交互过程。现有地表与管网垂向交互模型试验中，实测的稳定水深及流速的位置不同，导致部分流量经验公式的适用性不足，后期需加强流量系数试验中关于实测位置选取方面的论证研究，建立更适用于城市洪涝过程的雨水口下泄流量过程。除此之外，目前有关城市洪涝过程中检查井涌水的相关物理试验略少，建议今后应加强此方面的试验研究，为完善城市洪涝数值模拟过程提供基础。

c. 加强与城市洪涝期间的流动行为密切相关过程的定量试验研究。目前城市洪涝期间发生的“相关事件”的研究略少，包括估算进入建筑物或街区的水量，计算城市洪涝过程中漂浮物或者沉积物的运输过程，淹没的街道中家具等的夹带流动分析等相关试验。对这些与城市洪涝期间的流动行为密切相关的过程进行定量的试验研究，有助于解开当前建模实践的关键瓶颈问题,从而为城市洪涝精细化模拟提供数据支撑。