论文快递｜罗秋实等：郑州市洪涝模拟模型研究

受城市化进程加快及全球气候变化的影响，全球极端气象事件总体呈现增多增强趋势，由暴雨引起的城市洪涝问题日趋严重，多灾并发特征十分明显［1-3］。

城市洪涝受市区土地利用、河道、地下管网、立交泵站、复杂构筑物等多种因素影响，产汇流条件和孕灾环境非常复杂。城市洪涝研究一直是学者关注的焦点，常用的分析方法有历史灾情数理统计法、指标体系法、水文水力学模型与仿真模拟法［4］。历史灾情数理统计法计算简单，但在应用上具有一定的局限性，且用历史资料预测未来灾害风险发生的概率，可能存在一致性的问题。指标体系法在精度要求不高的大尺度风险评估中应用广泛，但在精度要求较高的小尺度研究中应用较少。水文水力学模型与仿真模拟法主要是通过设置不同频率暴雨情景，利用流域产汇流模型以及洪水演进模型的数值模拟计算，推求不同情景下暴雨可能引起的城市洪涝的淹没范围、淹没水深以及淹没历时等，其中水动力模型方法具有较强的物理基础，能直接考虑各个水文要素的相互作用及其时空变异规律，模拟精度高，因此在城市洪涝分析中具有良好的应用前景。

提高城市暴雨洪涝模型可靠性与实用性的关键是在科学认识城市暴雨洪涝水文水动力学机制的基础上，提出合理的数学模型及其求解方法，实现建模机制优化和解决精细化模拟的计算效率问题［5］。本文选取国家防办公布的31 个重点防洪城市之一的郑州市，选择当前数值模拟技术较为成熟的MIKE 系列软件，采用MIKE11、MIKE21 和MIKE URBAN 分别构建河道一维、地面二维和地下管网模型，采用MIKE FLOOD进行耦合，构建集城区地面、内河、湖泊和地下管网于一体的郑州市洪涝模拟模型，并采用2011 年、2015 年和2021 年实测暴雨洪水资料进行模型率定和验证，以构建的模型为工具，预测不同频率暴雨洪水下城市内涝灾害发生的区域、风险等级等，做好提前防控，以减小可能带来的灾害损失。

郑州市位于东经112°42′—114°14′和北纬34°58′—36°16′之间，城区范围包括金水区、中原区、惠济区、管城区、二七区、郑东新区、高新技术开发区和经济技术开发区，总面积1 010 km2。主要河流分属黄河和淮河两大水系，即外河黄河及内河贾鲁河。影响郑州市城市防洪安全的河流主要有贾鲁河及其支流金水河、七里河、索须河、熊耳河、魏河、东风渠、潮河以及黄河的支流枯河共9 条河流（见图1）。

图1 郑州市区水系

 

郑州市位于河南省中北部山前平原地带，受气候和地形条件影响，历史上极端暴雨频发，洪涝灾害十分严重。河南省属于温带季风气候区，降水高度集中在夏季，主要集中在7 月和8 月，7 月西太平洋的台风不断形成，在移动过程中受到偏东气流的引导，大量水汽向我国内陆输送，为河南省的强降水提供了充足的水汽来源。河南省自东向西由平原向丘陵山地过渡，北、西、南三面为太行山、伏牛山、桐柏山、大别山沿省界呈半环形分布，郑州、洛阳、新乡、焦作等近60%的城市位于山前平原地带，西部山脉对东南季风带来的暖湿气流和水汽形成了天然的屏障，在地形的抬升作用下，形成了丰富的地形雨，再加上夏季锋面雨带长时间在这里停留，导致河南山前平原地带多暴雨。

基础资料主要包括基础地理信息资料、水文资料、构筑物及工程调度资料、社会经济资料、历史洪涝灾害资料。其中：基础地理信息资料主要为郑州市1 ∶2 000数字线划地形图（DLG）和1 ∶2 000 数字高程模型（DEM），为2009 年实测资料；构筑物包括堤防、公路、铁路等资料，主要从1 ∶2 000 数字线划地形图中提取。考虑郑州市城市建设发展，本研究根据市区最新卫星影像资料和相关规划设计成果，对郑东新区水系、南水北调干渠、土地利用、居民地、交通道路等缺失资料进行了补充和更新，并对公路、铁路、重要立交涵洞等进行了补充测量和典型复核。

一维模型建模对象包括贾鲁河（干流和支流贾峪河）、魏河、索须河（干流和支流索河、须水河）、东风渠、金水河、熊耳河、七里河（干流和支流十七里河、十八里河）、潮河、枯河等市区内河。 二维模型建模范围为郑州市城区，总面积1 010 km2。 城市管网包括地下雨水管网、污水管网等，污水管网一般不参与城市排涝，因此本次研究暂不考虑污水管网。

1）构建河网：将市区内河河道矢量文件导入MIKE11，设置河网名称、河道编号等参数及上下游链接，并在跨河闸、堰以及口门等位置处布置相应的构筑物［6］。

2）断面文件：断面平均间距200 m，共设置1 696个河道断面。

3）边界文件：外部边界条件包括上边界和下边界。若建模河段从源头开始，上边界流量设置为0；若河段上游为水库，上边界设置为水库出库流量过程；若河段上游仍有汇流河段，则上边界设置为上游相应洪水过程。建模河段中除贾鲁河和枯河外，其余河段均汇入下游河流，不再设置下边界，贾鲁河和枯河下边界流量按中牟水文站和枯河入黄口水位流量关系进行设置。内部边界为各排涝分区排入河道的流量过程，共设置出水口47 个。

4）参数文件：模型参数设置分别在水动力参数文件、模拟文件中完成。时间步长选取与河床地形、边界条件密切相关，直接影响模型稳定性及计算时长［7］，经模型耦合后反复试算调整，选取时间步长为2 s。糙率参数在MIKE11 软件的断面文件中按主槽和滩地分别设置。初始条件取洪水过程第1 个时段流量迭代至恒定。

5）输出结果：模型输出步长设定为10 min，输出结果包括河道各断面及构筑物的水位、流量、流速、过水面积等。

1）网格布置：综合考虑建筑、道路及计算时间等因素，网格采用32 m×32 m 的正方形网格，网格为1 091行×1 182 列，约为129 万个。

2）边界条件：郑州市区东北部地势低，将东部地形沿计算区域外延后设置开边界，开边界处高程为实际高程，按照自由出流边界考虑。

3）参数设置：在二维水动力模型中，需要设置的主要参数有地面糙率、计算时间和步长、干湿边界、水体密度、风场、涡黏系数等［8］。对于糙率，根据郑州市不同土地利用类型分别设置，其余对计算结果无明显影响的参数均采用默认值。

4）初始水位：市区内龙湖的初始水位按照现状蓄水位赋值，如意湖、龙子湖的初始水位按照正常蓄水位赋值，其他区域按照干边界考虑，初始水深为0，即初始水位为地面高程。

5）输出结果：模型输出步长设定为10 min，输出结果包括水位、水深、流速等淹没数据。

1）建模对象：本次收集的雨水管网。

2）建立管网拓扑结构：根据现状管网分布图、管道基本信息、检查井信息等，构建管段、检查井、排水口等对象数据库，并建立管网拓扑结构关系，利用数据检查工具进行检查。

3）降雨径流模型构建：采用模型中的自动划分及自动连接工具进行集水区划分和连接。产汇流计算采用TA 模型，针对不同用地类型分别设置不透水率［9］。

4）管流模型的建立：建立产汇流模型和管流模型的连接。

城市内河洪水漫溢或决口后，河道洪水流入市区，部分通过雨水口或检查井进入地下排水管网系统；暴雨在城市地表形成径流，部分雨水直接流入河道，大部分通过雨水口或人工口进入地下排水管网系统然后排入河道。为准确描述河道一维、地面二维、地下管网模型间的互相影响，需建立河道一维、地面二维和地下管网耦合模型。

数学模型耦合方案见图2，河道一维模型的河道两岸与地面二维模型进行侧向耦合，一维模型和地下管网模型排水口进行耦合，地下管网模型检查井和相应的二维模型计算网格耦合。MIKE11、MIKE21 和MIKE URBAN 的耦合通过MIKE FLOOD 实现。

图2 数学模型耦合方案

 

降雨条件以有效降雨量（也称为净雨）的形式反映在水动力模型连续方程的源汇项中。有效降雨量由降雨量乘以径流系数求得：

式中：R有效为有效降雨量，R0 为降雨量，μ 为径流系数。不同类型的下垫面，径流系数不同，本次根据计算范围内不同土地利用类型设定相应的径流系数。

4.1.1 径流系数选取

郑州市核心城区大部分用地为建设用地，地面高度硬化是核心城区下垫面的主要特征。核心城区外建筑物密度相对较小，土地利用中绿地和农田比重较大。参考以往研究成果，根据郑州市区土地利用类型图，确定的不同土地利用类型径流系数见表1，按各土地利用类型对应的面积进行加权平均，得到郑州市区的综合径流系数为0.53。

表1 郑州市区径流系数取值

 

4.1.2 径流系数合理性分析

《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）中列出了国内一些地区采用的综合径流系数，大部分城市综合径流系数取值范围为0.50 ～0.70，城镇建筑物较密集区综合径流系数为0.45～0.60。

2006 年郑州大学、郑州市水利局联合编制的《郑州市城市防洪规划》中对金水河、熊耳河、东风渠、七里河设计标准5 a 一遇、20 a 一遇、50 a 一遇、100 a 一遇和200 a 一遇洪峰进行计算时，对流域径流系数进行测定和综合分析，采用的径流系数为0.40～0.60。

南京市建筑设计院编制的《郑州城市暴雨强度公式》中，根据建筑物密集程度以及地面覆盖情况分了4种类型分别计算综合径流系数，见表2。

表2 《郑州城市暴雨强度公式》中综合径流系数取值

 

石家庄市进行洪水分析计算时，根据不同土地利用类型，采用的分区径流系数：建设用地为0.8，道路（含人行道、绿化带）为0.7，绿地、草地、农田为0.2，河流、湖泊为1.0，城市三环以内的综合径流系数为0.60。

郑州市地处山前丘陵和黄河冲积平原的过渡地带，市区地形大致以京广铁路为界，西部为浅山丘陵，东部为平原，属于建筑较密的居住区，本次分析得到的郑州市综合径流系数为0.53，与以往郑州市径流系数研究成果基本一致。不同下垫面对应的径流系数也与《室外排水设计标准》相协调，并与国内其他地区的综合径流系数相近。因此，本次郑州市洪涝模拟计算径流系数选定基本合理。

4.2.1 拦河闸坝

市区内河是郑州市区的主要排水通道，河道上的拦河橡胶坝、水闸等在平时主要是抬高水位，形成景观水面，洪水期塌坝或开闸泄洪。对于拦河闸，在一维模型中加入可控水闸构筑物，按闸门全开计算其过流量。对于橡胶坝，在一维模型中加入可控溢流堰构筑物，采用宽顶堰公式根据其几何形状及上下游水位，模拟通过橡胶坝的过流量。

4.2.2 水库调度规则及概化

根据《郑州市城市防洪规划》和已建成水库实际运用情况调查，中小型水库一般没有防洪库容，加上近几年干旱，年径流量小，灌溉面积相对较大，灌溉保证率很低，兴利库容和防洪库容往往重叠使用。因此，计算模型上边界设计流量时作如下考虑：1）发生3 ～5 a一遇洪水时，将流域中型水库、小（1）型水库以及梯级上游有中型水库或小（1）型水库的小（2）型水库控制面积予以扣除，即水库以上的降雨所产生的径流量全部由水库拦蓄。2）发生10 ～20 a 一遇洪水时，将流域中型水库控制面积予以扣除。3）发生50 a 一遇以上洪水时，将流域中型水库或梯级水库进行蓄水调洪演算。

综上，中型水库对20 a 一遇以上洪水进行调洪，小型水库对5 a 一遇以上洪水进行调洪。

1）线状构筑物概化。线状构筑物主要包括公路、铁路、堤防等，只考虑高出地面0.5 m 以上的线状构筑物。市区内高度大于0.5 m 的线状地物主要有铁路干线（陇海铁路、京广铁路）、高速公路（绕城高速、连霍高速、京港澳高速、机场高速等）、107 国道等。在二维水动力模型中，高出地面0.5 m 以上的线状地物通过地形调整概化，将网格单元抬高至路面高程，当积水水位超过线状地物顶面高程时漫顶过流。

2）桥涵等过水建筑物概化。对于线状构筑物上较大的桥梁、涵洞通过以下方法考虑其过水作用：在各桥梁、涵洞范围内降低线状构筑物顶部高程至原地面高程，即将线状构筑物断开，形成缺口过流。对于间距较小、分布较密集的排水涵洞，其宽度多为几米至十几米不等，在模型中难以采用真实宽度模拟其过水状况，故本次考虑将临近的若干涵洞进行合并。对地下立交涵洞进一步考虑立交泵站和涵洞底部的微地形处理：立交泵站在模型中按照源汇考虑；涵洞底部的微地形处理以1 ∶2 000 地形图为基础，根据现场查勘和补充测量资料，逐一进行检查修正。

3）输水渠道概化。南水北调干渠防洪标准为100 a 一遇洪水设计，300 a 一遇洪水校核，渠道两岸设置排水沟以防止两岸积水进入渠道，渠道以穿河倒虹吸形式穿越市区内河。郑州市西南高、东北低，南水北调工程修建后影响渠道左岸区域排水，为此渠道沿线布置了13 个排水渡槽或倒虹吸，通过市区内河、排水渡槽或倒虹吸排泄左岸积水。二维模型中，以在干渠上设置缺口的方法，即排水渡槽或倒虹吸处网格高程降低为渠道两侧平均高程的方式概化考虑。

4）排水干沟等过水通道概化。二维模型中，对排水干沟等对市区洪水演进影响较大的过水通道，根据补充测量的实际地形修正模型地形文件。

5）居民地概化。根据《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005），民用建筑基地高程应按照城市规划确定的标高设计，基地高程应该和相邻基地标高协调，不妨碍相邻各方的排水，同时基地地面最低要高于相邻城市道路最低高程。民用住宅第一层地板高程一般高于基地高程0.3～0.6 m（多层住宅约为0.3 m，小高层住宅约为0.45 m，高层住宅约为0.6 m），厂房第一层地板高程按照高于地面0.15 m 考虑。当积水深度超过上述超高时，房屋内部开始进水，应按照过水区考虑。本研究通过调整糙率的方式概化其影响：对于建筑物覆盖区的糙率，根据姚志坚等［10］的研究成果，采用0.5；对于建筑物覆盖区以外区域的糙率，采用0.07。

6）蒸发及渗漏处理。对蒸发及渗漏引起的水量损失，目前尚难以定量描述，为模拟不同量级洪水的最大风险，同时考虑到市区多为硬化区域，计算过程中不再考虑蒸发及渗漏，排涝系统排走的水量根据地下管网模型和分区排涝能力综合考虑。

目前郑州市正处于城市发展高峰期，市政施工、污水截流等损毁或堵塞排水系统的情况时有发生，对市区防洪排涝影响大且具有随机性和隐蔽性。市区地下管网排水纯粹采用模型模拟可能存在部分随机性和隐蔽性因素无法完全考虑而造成结果失真的情况，因此采用MIKE URBAN 模型模拟管网排水时，还需要进一步考虑分区排涝能力。目前郑州市已经形成贾鲁河、魏河、索须河、东风渠、金水河、熊耳河、七里河、潮河和枯河共9 个排水系统，以收集到的管网资料为基础，根据市区地形、管道分布及管道流向，对市区划分了60个排涝分区，各排涝分区的排水能力通过目前各分区排涝标准对应的排涝水量，扣除已搜集管网的排涝能力估算得到。

对一维模型精度影响较大的参数主要为河道糙率，根据水文站实测资料及已有研究成果分析初选。参考《水工设计手册》［11］、《郑州市城市防洪规划（修编）》《郑州市内河治理报告》等相关资料，初选郑州市各河段糙率为0.020 ～0.035。 二维水动力模型需要率定的参数是地表糙率，考虑到研究区域内线状工程与地物种类多且分布零散，根据土地利用类型分别设置糙率。 结合《洪水风险图编制导则》，参考类似地区的糙率取值情况，选取郑州市区地表糙率，见图3。

图3 郑州市区地表糙率取值示意

 

采用2011 年7 月26 日14 时30 分—27 日2 时30分实测暴雨洪水过程进行模型参数率定，采用2015 年7 月22 日17 时—23 日5 时暴雨洪水过程开展模型验证。 率定、验证结果见表3 和表4。 由两表可见，对于有实测资料的积水区域，模型计算与实测积水情况相似。

表3 2011 年7 月模型计算淹没水深和实际水深对比

 

表4 2015 年7 月模型计算淹没水深和实际水深对比

 

2021 年7 月17—22 日，河南省出现历史罕见的极端强降雨过程，强降雨中心位于郑州、鹤壁、新乡、安阳等地。 该场降雨持续时间长，覆盖面积、雨强、降水总量均较大，多站小时雨量、日雨量突破历史极值。 采用7 月19 日8 时—22 日0 时实测暴雨过程及上游水库出库洪水过程，结合实地调查内涝点最大水深，再次验证模型的合理性。 调查内涝点模型计算淹没水深和调查水深对比见表5，可见模型计算结果与实测结果相差不大，水位差基本在0.20 m 以内。

表5 《郑州城市暴雨强度公式》中综合径流系数取值表5 2021 年7 月模型计算淹没水深和实际水深对比

 

综上，说明构建的郑州市洪涝模拟耦合模型及选用的参数是合理的。

1）基于MIKE 系列软件，采用MIKE11、MIKE21和MIKE URBAN 构建了河道一维、地面二维和地下管网模型，并采用MIKE FLOOD 进行耦合，构建了集城区地面、内河、湖泊和地下管网于一体的郑州市洪涝模拟模型。

2）利用2011 年7 月、2015 年7 月及2021 年7 月实测暴雨洪水过程进行模型率定、验证，结果显示模型计算结果与实际发生及调查情况基本吻合，模拟效果较好，可用于郑州市洪涝模拟评估。

3）构建的郑州市洪涝模拟模型可作为郑州市科学应对洪涝的工具，也可为其他城市洪涝预测提供参考。 但是，模型中对于部分参数的选取以及建筑物等均进行了概化处理，会对模型的精度产生影响，未来应结合实际情况研究出更普适、更精准的洪涝模型。