不同暴雨条件下城市排水口与建筑物处理对城市内涝模拟的影响

《Hydrology》：Effect of Urban Drainage Inlet and Building Treatment on Urban Waterlogging Simulation Under Different Storms

　　

内涝模拟是洪水风险管理的重要非工程措施，但城市表面异质性使得可靠模拟变得困难。城市排水口和建筑物强烈影响径流路径，然而替代性建模处理的影响仍不确定。本研究评估了三种排水口处理（UDIT）和三种建筑物处理方法（BTM）在不同暴雨条件下对城市内涝模拟的影响。结果表明：(1)在降雨模式1下，格栅式排水口（grate inlet）产生的峰值排水量比侧入式（curb-opening）处理高4%–5.8%，且在敏感水力位置点尺度水位差达到0.49 m。与屋顶-排水连接方法（roof-to-drainage method）相比，屋顶-地表排放方法（roof-to-surface discharge method）使洪水体积、淹没面积和平均水深分别增加43.5%、21.3%和15.6%。(2)两种表示类型的影响对降雨特征响应不同。排水口排序强烈依赖于降雨：在100年重现期降雨模式2下，层级反转，下凹式侧入式排水口（depressed curb-opening inlet）略优于格栅式排水口（0.6%）。相比之下，建筑物处理方法（BTM）的排序在所有降雨情景中保持一致，无论降雨模式或重现期如何，屋顶-地表排放方法产生的洪水体积和范围最大。总体而言，本研究将城市排水口和建筑物表示识别为结构不确定性的重要来源，为城市洪水模拟和排水规划提供了实用指导。

论文解读文章

**研究背景与问题**
随着快速城市化和气候变化，城市洪水频率、强度和影响显著增加。极端降水和洪水事件在全球加剧，中国频繁的洪涝灾害已造成巨大社会经济损失（年均超5800万人受灾，直接经济损失超2100亿元）。计算洪水模型作为城市水管理的关键决策支持工具，可动态模拟淹没过程以优化排水系统设计和加强预警机制。然而，城市表面复杂，准确表示关键城市特征仍是挑战。城市排水口作为地表径流与地下排水系统的水力界面，其类型和几何参数影响局部排水效率，但不同排水口表示对流域尺度洪水模拟的影响尚不明确。建筑物作为不透水面和物理障碍，影响入渗和流动过程，但屋顶降雨贡献在不同建筑物处理方法中的系统考虑仍然缺乏。现有研究多独立探讨排水口或建筑物，缺乏对两者在变化降雨条件下结构性不确定性的系统评估。因此，本研究旨在系统评估三种排水口处理（UDIT）和三种建筑物处理方法（BTM）在不同降雨条件下对城市内涝模拟的影响，并分析这些影响如何受降雨特征调节。论文发表在《Hydrology》。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员以中国佛山市三山围低洼河岛为研究区，采用FLO-2D二维洪水模拟模型，结合Copernicus DSM（30 m分辨率）和无人机DEM（1 m分辨率）等地形数据，以及ESA World Cover 2023土地利用数据，构建了20 m网格系统。通过设计20个“假设”情景，组合两种降雨模式（RP1和RP2）和两种重现期（30年和100年），分别模拟三种UDIT（路缘侧入式、下凹式侧入式、格栅式）和三种BTM（屋顶-排水连接BTM1、建筑物块体BTM2、屋顶-地表排放BTM3）的效果。主要结论：(1)在基准RP1情景下，UDIT效应在流域尺度适中但局部重要：格栅式排水口产生最高峰值排水量（26.2 m³/s），比侧入式处理高4.0%–5.8%，并减少洪水体积5.9%–6.0%；点尺度水位差在敏感位置达0.49 m，但50%监测点差异低于20 mm。(2)所有情景下BTM效应比UDIT更显著：BTM3相比BTM1使洪水体积、淹没面积和平均水深分别增加43.5%、21.3%和15.6%；BTM2居中。(3)两种表示类型对降雨特征响应不同：UDIT排序强烈依赖情景（100年RP2下UDIT2略优于UDIT3），而BTM排序（BTM3 > BTM2 > BTM1）在所有降雨情景中保持不变。这些发现表明，UDIT和BTM选择引入实际显著的结构不确定性，建模设置应依据目标、降雨特征和应用空间尺度。

**关键技术方法**（不超过250字）
研究采用的主要关键技术方法包括：(1)三种城市排水口处理（UDIT）：基于堰流和孔流方程，分别表示路缘侧入式（UDIT1）、下凹式侧入式（UDIT2）和格栅式（UDIT3）排水口，有效堰长计算不同。(2)三种建筑物处理方法（BTM）：BTM1（屋顶-排水连接，采用面积折减因子ARF）、BTM2（建筑物块体，将DEM抬高至屋顶高度）、BTM3（屋顶-地表排放，屋顶径流直接排至相邻地表网格）。(3)FLO-2D模型：基于浅水方程的二维洪水模拟模型，耦合一维排水管网，支持灵活实现UDIT和BTM。(4)模拟场景设计：采用单因素轮换（OFAT）敏感性分析，组合两种降雨模式（RP1基于当地设计暴雨手册，RP2为广东省最常见模式）和两种重现期（30年和100年），共20个“假设”情景。研究区为佛山市三山围，人口密集，不透水面超70%，数据来源包括Copernicus DSM、无人机DEM、CBRA建筑屋顶数据集、OpenStreetMap和Amap API街道网络、ESA World Cover 2023土地利用。

**研究结果**
**3.1 模型行为合理性评估**
通过建立20 m网格系统，比较模拟淹没范围与历史已知内涝点位置，显示合理的空间一致性。模拟淹没过程与降雨强度曲线紧密跟踪，峰值滞后约1小时。淹没深度分布显示75.4%区域水深<0.50 m，退水曲线符合指数函数（R²=0.994）。不同地表类型观测站水位变化显示，上升时间与峰值时间基本一致，退水速率与渗透性排序一致。
**3.2 不同UDIT和BTM对内涝过程的敏感性**
**3.2.1 不同UDIT的影响**
在RP1 30年情景下，总排水流量与降雨强度正相关，峰值时格栅式排水口（UDIT3）流量最高（26.2 m³/s），UDIT2低4.0%，UDIT1低5.8%。淹没面积变化小于1%，但UDIT1和UDIT2洪水体积比UDIT3分别增加5.9%和6.0%，平均水深增加约5.6%–5.8%。表明排水口排水能力越大，平均水深越低。
**3.2.2 不同BTM的影响**
BTM3淹没面积开始显著增加时间比BTM1早约4小时，峰值淹没面积BTM3比BTM1大21.3%，BTM2大9.0%。洪水体积BTM3比BTM1增加43.5%，BTM2增加19.5%；平均水深BTM3增加15.6%，BTM2增加8.9%。深度区间分布显示，BTM2和BTM3中浅水区比例降低，超过1 m的深水区比例增加（BTM1为4.3%，BTM2为7.7%，BTM3为12.1%）。点尺度水位变化显示，建筑物密集区对BTM最敏感，BTM3可提前水位上升、延长淹没时间。
**3.3 不同处理影响对降雨模式和强度的敏感性**
**3.3.1 UDIT效应的敏感性**
不同降雨模式下UDIT水力行为差异显著。RP2下各UDIT流量响应更一致，最大差异小于1.4%；RP1下峰值时差异放大，UDIT3在100年重现期比UDIT1高6.0%。动态层级反转出现在RP2下100年重现期：UDIT2略优于UDIT3（Δ=0.6%）。点尺度水位分析显示，16个低洼点中，最敏感位置瞬时水位差达492 mm（30年）和472 mm（100年），而50%点差异小于20 mm，表明UDIT效应集中在局部水力瓶颈区。
**3.3.2 BTM效应的敏感性**
所有BTM的变异系数（Cv）随重现期增加而系统下降（如RP2下BTM1下降7.1%）。RP1下淹没面积排序始终为BTM3 > BTM2 > BTM1，Cv差异稳定（3.1%–3.3%）。RP2下层级不稳定：100年重现期BTM2与BTM3的Cv几乎相等，表明极端降雨下建筑物块体方法可能产生与屋顶-地表排放相似的空间变异性。

**讨论与结论**
**讨论总结**：不同UDIT的排水效率强烈依赖于降雨特征，而非存在普遍优越排序。格栅式排水口在RP1下表现最佳，但在100年RP2下下凹式侧入式排水口略优，这与延长积水可能降低格栅式水力优势有关。UDIT效应高度局部化，流域尺度指标可能低估其实际重要性。不同BTM中，BTM3始终产生最大淹没面积和平均水深，与屋顶径流快速注入地表直接相关；深水区中BTM3的优势随重现期增加而减弱，出现“饱和效应”。BTM2的建筑物块体法可能引入“冲突效应”，通过人工高程梯度改变局部流路。总体而言，降雨特征和排水管网容量仍是主要物理控制，但UDIT和BTM选择引入的结构不确定性不可忽略，模型复杂度应与建模目标匹配。**研究结论翻译**：本研究系统评估了三种城市排水口处理和三种建筑物处理方法在不同降雨条件下对流域尺度城市内涝模拟的影响，得出以下结论：(1)在基准RP1情景下，UDIT效应在流域尺度适中但局部重要。UDIT3产生最高峰值排水量（26.2 m³/s），超过UDIT2和UDIT1分别4.0%和5.8%，并使洪水体积相对于侧入式处理减少5.9%–6.0%。尽管流域聚合UDIT差异较小，但点尺度水位差在敏感水力位置达到0.49 m，而50%监测点差异低于20 mm。(2)在所有情景中，BTM效应比UDIT更显著。与BTM1相比，BTM3产生最严重内涝条件，使洪水体积、淹没面积和平均水深分别增加43.5%、21.3%和15.6%。BTM2效应居中，洪水体积和淹没面积分别增加19.5%和9.0%。(3)两种表示类型对降雨特征响应不同。UDIT排序强烈依赖情景：在100年RP2情景下，UDIT2略优于UDIT3，逆转了RP1下的层级。UDIT差异在RP1下始终大于RP2。相比之下，BTM排序（BTM3 > BTM2 > BTM1）在所有降雨情景中保持不变。变异系数在100年RP2事件下BTM2与BTM3之间出现轻微收敛，但未改变基本层级。这些发现表明，UDIT和BTM选择在城市内涝模拟中引入实际显著的结构不确定性。因此，建模设置应依据建模目标、降雨特征和应用空间尺度进行指导，因为流域聚合指标可能低估内涝敏感位置的结构敏感性。