摘 要：
近年来，在高速城市化和气候变化的共同作用下，区域极端降雨造成城市内涝频繁发生，引起了道路积水、交通拥堵等诸多不利影响，及时开展城市内涝预警管理非常必要，而数值模拟则是科学分析内涝特征的重要技术手段。以珠海市香洲区吉大—拱北街区为研究区，基于管网数据和实测积水数据构建了Mike Urban区域排水管网模型；以此为工具，模拟了不同重现期条件下研究区排水管网的溢流情况，在解析易涝路段数量及其积水深度的基础上评价了区域的内涝程度；同时应用速度衰减曲线模型得出不同积水深度下的行车速度衰减程度，进而评价得出区域易涝路段中交通拥堵的高风险区域和受影响的公交线路。研究成果可为城市市政管理部门在强降雨情况下完善公交调度和发布道路行车预警提供技术支撑和决策参考。
关键词：
Mike Urban;节点溢流;行车速度;城市内涝评估;
作者简介：
张爽(1985—),女,硕士研究生,主要从事城市水文学研究。E-mail:zhangshuang-scu@163.com;
*邵薇薇(1981—),女,正高级工程师,博士,主要从事水文学与水资源研究。E-mail:shaoww@iwhr.com;
基金：
国家重点研发计划(2018YFC1508203);
河北省重点研发计划项目(20375401D);
国家自然科学基金(51979285);
引用：
张爽，杨翠巧，邵薇薇，等．基于Mike Urban的高度城市化地区内涝交通风险分析[J]. 水利水电技术（中英文), 2021, 52 (11)：10-18.
ZHANG Shuang , YANG Cuiqiao, SHAO Weiwei, etal. Analysiso of waterlogging traffic risk in highly urbanized areas based on Mike Urban [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52, (11) :10-18.
0 引 言
近年来，我国已进入城镇化的快速发展阶段。根据国家统计局发布的2019年国民经济和社会发展统计公报，截止2019年，国内常住人口城镇化率已经达到60.60%。城市化规模的不断扩大影响了区域水文循环过程，使城市内涝事件频繁发生。由于城市区域具有人口密度大、经济活动多样、交通流密集等特点，使得内涝造成的经济和时间损失格外惨重，其中由积水引发的道路堵塞、中断等给城市居民出行带来的影响最为显著,成为舆论关注的焦点。因此，解析城市降雨径流过程，预测不同情景下内涝积水范围及其给交通造成的影响，对于城市暴雨内涝应急管理具有重要意义。
目前，采用水文模型模拟城市区域的产汇流和管网排水过程是预测和评估城市内涝积水分布及其影响的常用方法。比较成熟的城市水文模型主要有Mike Urban, InfoWorks ICM,SWMM等。其中Mike Urban软件具有完整的排水管网模拟系统和雨洪计算模块，适用于各类城市尺度排水管道系统模型的构建和评估,在国外广泛应用于城市内涝的影响评估。童旭等构建了不同重现期和雨型的设计暴雨条件下成都某小区的管网模型，对排水管网的溢流总量、易涝雨水井溢流时间变化情况和管网溢流空间分布变化情况进行了分析；张旭等应用Mike Urban模型对西安市中心城区的排水管网能力进行了评估；朱颖蕾等将调蓄设施和强排泵站纳入Mike Urban和MIKE 21耦合模型中，分析了岳阳市在不同重现期和不同历时暴雨等多种情景下的内涝情况。然而，以上研究主要集中于评估不同设计降雨情景下的管网排水能力，鲜有针对内涝过程中，对城市生活影响最大的积水造成交通拥堵风险的评估研究。
本文以广东省珠海市香洲区的拱北—吉大街区为研究区，基于区域Mike Urban管网模拟的降雨径流过程，分析易涝路段及其积水情况，从交通拥堵和公交延误程度两个方面评价了城市内涝对市民出行的影响，可为市政主管部门在城市暴雨过程中及时发布交通预警信息提供技术支撑。
1 研究区域概况
珠海市位于广东省南部，属亚热带季风气候，雨量充沛且集中，多为强度大、历时短的暴雨，冬夏季风交替明显，平均气温22.1～22.4 ℃,多年平均蒸发量约为1 650 mm, 多年平均降水量约为2 065.0 mm。
结合珠海市香洲区的区域排水管网和实地地形，选取香洲区拱北—吉大排水分区为研究区，面积约为25.88 km2,该区域是一个典型的高度城市化区域，吉大街区属于市级商圈，是珠海目前的消费中心，拱北街区是全国第二大口岸重地，每年经拱北口岸进出境的海内外旅客达4 000多万人次，是珠海市人流量最大的地区。研究区位置如图1所示。
图1 研究区位置
2 模型的构建与验证
2.1 模型的构建
模型构建涉及的管径、排水方向，井底高程、管道高程及管线坡度等排水管网信息，均由珠海市市政规划及水务等部门提供；涉及的30 m精度DEM高程数据由地理空间数据云网站下载。结合研究区土地利用现状分布，将下垫面概化为建筑物、道路、绿地、水体及其他类型，涉及数据从Open Street Map影像网站下载并结合研究区实际踏勘情况进行校准。
将AutoCAD 格式的排水管网原始数据导入ArcGIS中并转化为检查井和管道的.shp文件，经拓扑检查后与下垫面文件等一起导入Mike Urban中，以检查井为中心，按照泰森多边形原则划分子汇水区并就近连接检查井。模型构建完成后包含子汇水区1 778个，检查井1 777个，排水口61个，雨水管道总长度67.10 km。研究区子汇水划分如图2所示。
图2 研究区子汇水划分示意
2.2 基于 Mike Urban的产汇流模拟方法
Mike Urban 具有所需数据少、建模与运行简单、模拟精准等优点，模拟过程分为径流模拟和管网模拟两部分。参考以往研究,同时基于区域实际情况，本研究选用较为简单常用的时间-面积曲线模型来模拟降雨径流过程。此过程需要确定的参数主要有下垫面的不透水率、降雨初损、水文衰减系数(后损)、地面径流平均流速和管道曼宁系数。管网模拟过程将降雨径流模拟得出的流量过程线作为边界条件，应用隐式有限差分法来求解一维自由水面流的圣维南方程组。
2.3 模型的率定与验证
2020年5月30日，珠海市普降暴雨，造成城区多处内涝积水；同年9月29日也有短时降雨发生，同样形成了不同程度的积水。本研究选取“2020.5.30”(简称“5.30”)和“2020.9.29”(简称“9.29”)两场实测降雨径流过程(见图3)分别用于模型参数的率定和验证。其中，“5.30”降雨资料从珠海市前山水厂雨量监测站获得，“9.29”降雨资料由Watchdog2000气象站在研究区定点观测取得，该小型气象站测量范围为0.25 mm/斗，记录精度为±2%。两场降雨的积水水深从当地水利部门的记录资料和现场测量获得。
图3 实测降雨过程
应用典型点最大积水深法作为模型率定和验证的方法。在模拟“5.30”暴雨径流过程中不断调整待率定的参数，使得典型积水点深的模拟值与实测值的相对误差(见表1)在《室外排水设计规范》允许范围内(-20%～10%),认为该模型率定通过。最终率定后的建筑、道路、绿地、水面及其他类型下垫面的不透水系数为85%、80%、20%、10%和60%,降雨初损值为0.4 mm, 水文衰减系数(后损)为0.8,地面径流平均流速为0.3 m/s, 管道曼宁系数为0.013。
选用上述参数对“9.29”降雨过程进行模拟，得出的积水水深模拟结果的相对误差分别为-8%、-11%和5.8%(见表1),精度同样符合《室外排水设计规范》要求，因此认为该模型可用来模拟研究区的降雨径流过程。
2.4 设计降雨
截止2019年，珠海市常住人口为202.37万，根据《室外排水设计规范》对城市规模的划分标准，珠海市的城市规模为大城市，市政管网的排水设计重现期一般为1～5 a, 研究选择3 a一遇和5 a一遇的设计降雨评估未超过排水管网的排水能力情况下道路积水特征，选择10 a一遇和20 a一遇的设计降雨分析常见超标准降雨情况下道路积水特征，具有一定的代表性。
选用珠海市气象局和广东省气候中心发布的《珠海市暴雨强度公式及计算图表》(2015.04)中提供的暴雨强度设计公式
式中，q为设计降雨强度(mm/min);P为设计降雨重现期(a);t为设计降雨历时(min)。
因珠海市的降雨存在强度大、历时短的特点,选用设计雨型为2 h短历时降雨进行模拟，雨峰系数为0.521,时间步长为1 min, 通过公式(1)计算得到重现期为3 a、5 a、10 a和20 a的设计降雨过程。
3 模拟结果与影响分析
以设计降雨文件作为边界条件，模型参数设置为率定后的数值，运行区域模型，得出不同重现期下研究区的径流模拟结果，包括不同情景下的溢流点数量、溢流时间和溢流点水位等。
3.1 易涝点分布及内涝程度分析
通过对研究区的实地踏勘，同时参考研究区的检查井直径、数量及分布等相关数据，将降雨峰值时溢流水位高出地面0.5 m的检查井数量出现较多的区域选定为易涝路段。由模拟结果可知(见图4),研究区包括8个易涝路段，具体为：(1)兰埔路的中心医院段、(2)九州大道的白莲洞公园段、(3)景山路的海滨公园段、(4)九州大道东的交通银行段、(5)九州大道东的珠海大厦段、(6)情侣南路的九州花园段、(7)情侣南路中段和(8)粤海东路等。总体上而言，(1)—(5)易涝路段均居于北部溢流区，(2)—(6)、(8)易涝点集中于主干路上。
图4 易涝路段分布示意
由溢流点水量、溢流路段长度、路段高程等数据可计算得出易涝路段的平均积水深度，具体数值如图5所示。我国路缘石设计高度一般为15 cm, 当积水深度超过15 cm将影响司机对路况的判断，《城镇内涝防治技术标准规范》中亦有“行车道路积水深度超过15 cm将对行车安全造成影响”的规定，故将15 cm作为重度内涝的临界值。其他等级参考候精明等对城市内涝风险等级的划分标准和研究区的实际情况，将易涝路段的内涝程度按照积水深度的不同划分，共分为四个等级，如表2所列。以此为依据，对图5结果进行内涝风险划分。
图5 易涝路段平均积水深度(单位：cm)
由表2和图5可知，随着重现期的增加，各个易涝路段的积水深度也随之增加，内涝风险上升。
3 a一遇暴雨条件下，(1)兰埔路的中心医院段、(2)九州大道的白莲洞公园段、(3)景山路海滨公园段、(6)情侣南路的九州花园段和(7)情侣南路中段存在内涝风险，其中(3)景山路海滨公园段的积水深度达到中度内涝，(7)情侣南路中段、(6)情侣南路的九州花园段、(1)兰埔路的中心医院段和(2)九州大道白莲洞公园段为轻度内涝，内涝程度依次增加，其他路段无内涝风险。
5 a一遇暴雨条件下，(2)九州大道的白莲洞公园段为重度内涝，(3)景山路海滨和(1)兰埔路中心医院段公园段为中度内涝，(4)九州大道东的交通银行段、(5)九州大道东的珠海大厦段、(6)情侣南路的九州花园段和(7)情侣南路中段为轻度内涝，内涝程度依次增加，(8)粤海东路无内涝风险。
10 a一遇暴雨条件下，(2)九州大道白莲洞公园段、(3)景山路海滨公园段和(1)兰埔路中心医院段为重度内涝，(7)情侣南路中段为中度内涝，(8)粤海东路、(6)情侣南路九州花园段、(5)九州大道东的珠海大厦段和(4)九州大道东的交通银行段为轻度内涝，且内涝程度依次增加。
20 a一遇暴雨条件下，除(8)粤海东路为轻度内涝外，其他地段均为重度内涝，内涝程度按照(5)九州大道东的珠海大厦段、(4)九州大道东的交通银行段、(7)情侣南路中段、(6)情侣南路的九州花园段、(1)兰埔路的中心医院段、(3)景山路的海滨公园段和(2)九州大道的白莲洞公园段逐渐增加。
综上，不同重现期下(1)兰埔路的中心医院段、(2)九州大道的白莲洞公园段和(3)景山路海滨公园段相较其他路段内涝程度均较大，可认为内涝风险较高，而(8)粤海东路的内涝风险较低。
3.2 易涝路段对交通影响分析
3.2.1 易涝路段对行车速度的影响
本研究通过建立行车速度对积水深度的衰减模型来预估易涝路段行车速度受积水深度的影响情况。该衰减模型中受积水深度影响的车速变化关系式为
式中，V为实际行车速度(km/h);V0为路段设计车速(km/h);x为积水深度(cm);a为使车辆停滞的临界积水深度的中值(cm);b为衰减弹性系数，表示车速随水深衰减的速率，一般取3～5,b的取值越小则速度衰减越快。
根据本研究的内涝等级划分规则，取a=15 cm。由公式(2)得不同积水深度下设计速度V0的保留系数(V/V0),如图6所示。
图6 易涝路段设计速度保留系数
城市交通运行状况评价规范中将路段交通运行状况按照路段平均行程速度(即公式2中实际行车速度)与自由流速度(即公式2中设计车速)的关系划分为五个等级，如表3所列。以此为依据，对设计速度保留系数计算结果进行道路拥堵风险等级划分，如图6所示。
由表3、图5和图6可以看出，研究区北部的(1)—(3)易涝路段的交通运行情况受积水的影响较大，路段平均速度随重现期变化下降较快。3 a一遇情况下各路段的行车畅通，基本不受积水影响，5 a一遇情况下(2)九州大道白莲洞公园段出现轻度拥堵；(1)兰埔路中心医院段和(3)景山路海滨公园段基本畅通；10 a一遇情况下(3)景山路海滨公园、(1)兰埔路中心医院段和(2)九州大道白莲洞公园段为严重拥堵且拥堵程度依次增加，20 a一遇情况下除(8)粤海东路为畅通，(5)九州大道珠海大厦段为中度拥堵外，其他路段均为严重拥堵。
综上，路段(1)兰埔路中心医院段、(2)九州大道白莲洞公园段和(3)景山路海滨公园段在5 a情景下已经出现不同程度的行车缓慢，可认为是交通拥堵的高风险区域；而剩余(4)—(8)路段在3 a、5 a和10 a情景下仍处于畅通状态，其中(4)九州大道东的交通银行段、(6)情侣南路的九州花园段和(7)情侣南路中段仅在20 a情景下出现严重拥堵，(5)九州大道东珠海大厦段出现中度拥堵。
3.2.2 易涝路段对公交行车的影响
由易涝路段的平均积水深度计算结果可知，研究区最大积水深度出现在20 a一遇降雨情况下的九州大道白莲洞公园段，为25.10 cm, 基于公交车辆的设计特殊性，该深度积水不会对公交行车造成影响。然而，我国的公交站台一般设置在人行道上，高出行车路面约15 cm, 若路面积水超出15 cm则会使上下车时间增加。因此道路积水给公交车的影响主要为道路拥堵造成的行车速度降低和上下客时间增加导致的延误风险。
综合现场调研、百度地图公开数据及珠海市公交车线路图等资料，取得了经由易涝路段的具体公交车线路，如表4所列。
依据图5、图6确定的易涝路段的内涝积水风险、交通拥堵风险等级，结合表4对比分析可知，3 a一遇情况下各易涝路段的交通拥堵风险较低，对公交车的行车基本上无影响。5 a一遇情况下仅易涝路段(2)九州大道白莲洞公园段出现轻度拥堵，可认为行经该路段的13条公交线路出现轻度延误。10 a一遇情况下易涝路段为(3)景山路海滨公园、(1)兰埔路中心医院段和(2)九州大道白莲洞公园段，出现严重拥堵，可认为行经该3个路段共18条公交线路出现重度延误。20 a一遇情况下，(5)九州大道珠海大厦段为中度拥堵，(1)兰埔路的中心医院段、(2)九州大道的白莲洞公园段、(3)景山路的海滨公园段、(4)九州大道东的交通银行段、(6)情侣南路的九州花园段、(7)情侣南路中段为重度拥堵，由表4可知，行经(5)九州大道珠海大厦段的公交车线路同时经过其他重度拥堵路段，因此认为在20 a一遇降雨情况下经过以上路段的22条公交线路为重度延误。不同重现期下受影响公交线路及延误程度如表5所列。
由表5可知，遭遇5 a一遇以上降雨情况时，应重点关注“2路，3路，3A路，4路，12路，13路，20路，21路，22路，23路，25路，26路，60路，69路，202路，603路，605路，992路，B2路，B8路，43路，99路”等22条公交线路行车情况。
4 结论与展望
本文以珠海市香洲区吉大—拱北街道为研究区，应用Mike Urban模型模拟了研究区不同重现期设计暴雨条件下3 a, 5 a, 10 a, 20 a情景下的管网溢流情况，根据模拟结果得出研究区的易涝路段，同时以积水深度为标准将其划分为四个内涝等级，对各路段的内涝程度做出评估，另外，采用行车速度对积水深度的衰减模型分析了易涝路段行车速度受积水深度的影响情况，得出各路段因积水造成的拥堵等级，进而分析了途经易涝路段的公交车线路行车受积水影响的程度，得出以下结论：
(1)研究区存在8个易涝路段，大多分布在北部溢流区和主干路上。其中，兰埔路中心医院段，九州大道白莲洞公园段、景山路海滨公园段为内涝高风险路段。
(2)公交路线延误风险评价表明，如遭遇5a以上极端降雨时，市政水利部门应重点关注途径兰埔路中心医院段，九州大道白莲洞公园段、景山路海滨公园段的典型公交车线路的行车状况，采取发布积水预警、绕行提示、抽排雨水等措施确保行车畅通。
因资料受限，本文仅对易涝路段的交通风险进行了分析，未来可进一步收集补充数据，耦合Mike Urban模型和MIKE 21模型，在MIKE FLOOD平台进行地表漫流模拟，得出研究区其他区域的积水情况，为市政管理部门发布更精准的出行预警提供参考。
水利水电技术（中英文）
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