Page 36 - 水利学报2021年第52卷第6期

管网-地表的竖向耦合：竖向耦合方法与侧向耦合类似，即通过“互相提供边界”的方式计算管
网-地表的交换流量，再进一步对模型状态进行更新。
（7）边界条件及耦合过程。“城市海绵-小排水-大排水”耦合水文水动力模型中，首先进行水文模
型计算，即将流域产汇流区域分为山区坡面产汇流及城区产汇流，以降雨过程为边界条件，山区坡
面产汇流计算得到的流量过程作为水库入库或河道无控断面上游流量边界，城区产汇流计算得到的
流量过程作为雨水井的输入流量；其次，以水文模型的流量计算过程为边界条件，并结合外江潮位
过程、闸泵调度规则等边界条件，进行河道-地表-管网的耦合计算。
（8）洪涝治理工程概化方法。洪涝治理工程主要包括水库挖潜、河道整治、湿地公园、坑塘利
用、蓄滞设施、场坪抬高、泵站等。其中，水库挖潜通过修正水库水位-库容曲线、特征水位、调度
规则等进行模型概化；河道清淤、拓宽、堤防加高等通过修正河道断面地形及堤防节点高程等进行
模型概化；湿地公园、坑塘利用、蓄滞设施等通过修正水文计算中下渗率、洼地蓄水深度等参数进
行模型概化；场坪抬高通过修正二维模型网格节点高程进行概化。
4.2 数值求解方法 采用一维有限体积法和汊点水位预测-校正法进行河网模型求解 ［24］ ，该方法实现
了河网内各河段、河段内各断面的完全数值解耦，计算稳定性好；采用二维有限体积法进行地表洪
水演进模型求解 ［25］ ，并结合 GPU 并行计算技术实现了模型快速计算 ［26］ ；通过构造并求解 Riemann 问
题实现河道-地表模型的侧向耦合 ［27］ ，有效克服了基于堰流公式的传统方法难以适用于不规则溃口、
堰流公式中流量系数选取存在不确定性等缺点；基于 SWMM 开源模型代码实现管网模型求解及城市
海绵措施模拟，并通过开发数据接口实现自主研发模型与 SWMM 模型的耦合计算。相关求解方法可
参考前述文献，本文在此不再赘述。

5 案例分析

5.1 研究区域概况 研究区域上游为高丘陵区，属侵蚀台地丘陵，地势较高，雨水借助地势汇入河
涌，山丘、田野、村落、工厂错落分布。下游为冲积平原，地势平坦，地面高程在 5.4～8.7 m 左右
（广州城建高程，下同），河涌众多。干流全长 18.5 km，流域面积为 56.7 km ，干流上游建有小（I）型
2
水库一座，总库容 730 万 m ，流域范围及水系分布见图 3。流域内干流及部分支流已按规划 20 年一遇
3
标准进行达标整治，支流 2 和支流 4 未整治；排水
管网达到 5 年一遇标准约 72 km，占比约 50%，其
余基本为 1 ~ 2 年一遇。根据《室外排水设计规范》
（GB 50014-2006，2016 版本）3.2.4 条，流域中下游
城市中心城区的规划内涝防治设计重现期为 100
年。
该区域属于高度城市化地区，内涝标准从 20
年一遇提升到 100 年一遇，必须充分考虑经济合理
性原则和约束性原则。城市土地空间有限，寸土
寸金，河道、管网提升空间明显不足，在有限的
土地空间进行防洪排涝的工程布局，洪涝的精细
化模拟是个关键问题。以往城市洪涝防治对策研
究 工 作 中 采 用 的 综 合 单 位 线 法 推 求 设 计 洪 水 过 图例
水系
程，该方法忽略了管网汇流、城市下垫面水文物 流域分界线
高程/m
理性质和产汇流格局等城市化地区特有的产汇流 378
0.4
影响因素，计算相对过于简化，不能满足高密度
城市化地区洪涝防治工程布局的要求。本文构建
“ 城 市 海 绵 -小 排 水 -大 排 水 ”耦 合 水 文 水 动 力 模 图 3 流域范围及水系分布示意

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