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文章编号：10.1111/jfr3.12309

采用城市淹没模型研究地下蓄水效果

Dongwoo Ko, Department of Civil and Earth Resources Engineering, Kyoto University, Yoko-oji, Fushimi, Kyoto 612-8235, Japan

Ko Dongwoo，土木工程署京都地球资源工程大学，大江洋子，福岛，京都612-8235，日本

摘要：最近，暴雨导致的城市洪水灾害已经是世界上许多国家都面临的严重问题。为了减轻城市的破坏，采取了各种结构策略来应对洪水，其中之一是与污水系统相连的地下储存库的创建。在这一策略中，将下水道内的部分雨水分流到一侧的储存室。这个储藏室的功能是管理雨水径流方向，使之流向一个已开放的地点，以防止洪水聚集。这是为过量雨水提供临时储存区，是必不可少的。在这项研究中不同的存储室的城市洪水模型受降雨类型、堰况等几个条件的变化影响，不同的区域安装位置各有特征，并根据变化对存储量进行校验。最后，通过评估淹没损失成本确定了合适的安装地点。结果表明，在这些条件下可以预测缓解程度的临界值。

关键字：流量系数;高压流;侧堰;地下储存室。

Field application studies of the effect of an underground storage chamber using an urban inundation model

D. Ko1, H. Nakagawa2 and K. Kawaike2

1 Department of Civil and Earth Resources Engineering, Kyoto University, Kyoto, Japan

2 Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University, Kyoto, Japan

Abstract：Recently, urban inundation disasters resulting from torrential rain have led to serious problems in many countries worldwide. To mitigate the damage of urban inundation, various structural strategies have been carried out, one of which is the creation of underground storage chambers attached to sewerage systems. In this strategy, part of the storm water within a sewer pipe is diverted over the side weir into the storage chamber. The function of this storage chamber is to manage the storm water runoff at a developed site to prevent flooding, and it is essential for providing a temporary storage area for excess storm water. In this study, the differences in the effects of the storage chamber using an urban inundation model due to several conditions such as the rainfall type, changes in the weir shape, installation locations that have different areal features, and changes in the storage capacity volume are verified. Lastly, a suitable installation site is verified via assessments of the inundation damage costs. The results show that the cri- teria for the degree of mitigation that can be expected in these conditions.

Key words：Discharge coefficient; pressurised flow; side weir; underground storage chamber.

1 介绍

近年来，发生了大洪水，包括由于缺乏排水能力和排水泵系统而导致的内陆洪水，以及由于城镇化导致径流增加而导致的蓄水不足。排水系统相对完善，但城市洪水仍时有发生。这意味着在暴雨期间，下水道中的流量要大得多，可以达到最大容量。日本东京、大阪等大都市和中心城区也不例外，与这些地区相关的地下空间也发生了洪水灾害。这是非常危险的，可能导致灾难。下水道的设计标准通常是10年的降雨概率，相当于整个日本大约50毫米/小时，但最近降雨强度经常超过这一水平。

为了及时排除雨水，必须维护排水系统和泵站，以提高污水处理能力的效率。但是，进行此维护需要非常大的成本和时间。因此，地下雨水储存室是理想的安装，以便临时收集和储存径流在一个大的空间。

这些系统提供了洪峰径流控制，储存的雨水可以在以后排放回环境中，使这些系统成为高度城市化地区的理想选择。因此，这些系统有助于维持新开发场地的开发前径流条件。然而，由于预算原因和不确定性的影响，雨水储存系统并不普遍。

在这项研究中，我们考虑了一个侧堰将污水管中的部分雨水分流到蓄水池中，并使用一个综合的城市淹没模型来描述这个分流过程，该模型考虑了加压水流条件下矩形侧堰的溢流流量方程系数。图1显示了污水管内侧堰分流部分的示意图。最后，验证了该系统对内河洪水的削减率。

图1 下水管侧堰改道部分示意图(来源:Kawaike et al.，2015)

2 田间应用面积与城市淹没模型

大阪的中山町地区是目标地区，位于大阪市东部，内川以北。大约90%的城市地区容易被暴雨淹没，雨水必须通过水泵排出。此外，由于城市路面比例高，大部分雨水无法渗入地面。因此，防洪是排水系统最重要的作用之一，许多地下设施已经安装在这个研究领域。

该污水处理区面积18.1平方公里，总体地势由西向东倾斜。这个地区在2011年8月27日的一场暴雨中遭受了洪水的破坏。每小时最大降水量为77.5毫米，持续约3小时，这是有记录以来的最大值。

开展地下储水室、二维地面和一维污水管网模型的实际现场应用研究（Kawaike等人。，在Lee等人（2014）开发的综合洪水分析模型中，利用该模型再现了内陆洪水和暴雨排水过程。利用GID软件对地面进行了非结构化网格划分，考虑了建筑物和道路的影响。网格高程数据由5mtimes;5m数字高程模型生成，如图2所示。调整网格高程，以人工诱导从建筑群流向道路（Lee等人，2015）。

图2 目标区域的地面标高

他们共获得3026条污水管道、2903个检修孔和4个泵站的污水系统数据。图3显示了泵站和污水管网。红圈和蓝线分别表示泵站和污水管道。

污水管中的雨水根据一维槽模型计算（Chaudhry，1979）。侧堰上的溢流流量通过De Marchi方程（De Marchi，1934）计算，其中Cd值通过与堰高和长度相关的方程计算（Ko等人，2015）。德马尔奇的方程式如下：

其中qout为侧堰单位长度的流量，qout为溢流流量，L为侧堰上游端测量的沿侧堰的距离，g为重力加速度，p为侧堰高度，h为L段水深，Cd为侧堰泄荷系数。

3 地下储藏室效果评估

如果在Nakahama地区安装了虚拟地下储藏室，则必须使用前面提到的综合模型来考虑减少淹没破坏量。考虑了三个具有不同区域特征的安装地点：A是低地，B是中部，C是Nakahama地区的上游部分，如图4（A）所示。图4（b）–（d）详细显示了区域A、b和C中的六个安装位置。此外，储存室的容量为50000m3，这是安装在内亚加瓦盆地的储存室的最大容量。此外，假设存储室将不再运行，如果此容量变满。计算时间为降雨开始后10小时。淹没区用于评估缓解效果。然而，淹没区域和整个目标区域之间的比较是不合适的，因为储存室的影响会局部影响安装区域。因此，假设比较半径为500m的淹没区。

图3抽水站及污水管网

图4 (a)安装区域(整体)。(b)安装区A. (c)安装区b . (d)安装区c .

4 降雨类型和堰况

相同强度的降雨对贮仓的影响不同。因此，我们提供了三个水文图作为虚拟降雨模型，其中使用了50年的降雨概率。持续时间为3小时，相当于2011年在中山地区记录的实际降雨周期。使用公共工程研究所的AMEDAS降雨概率计算程序计算降雨量，其中50年概率下的3小时总降雨量计算为168 mm，区分为前、中、后强度降雨，如图5所示。

图5 前、中、后强降雨。

侧堰的溢流流量因堰形而异。如果堰高较低或堰长较长，溢流开始较早。因此，根据堰的形状，预计洪水影响的减少和下水道容量的峰值有所不同。

在这项研究中，调查了四个堰高和两个堰长（共八种情况），如表1所示。每个堰的长度和高度分别比原来的长度和高度减少50%和20%。

表1各降雨类型及堰况的个案

Table 1 Cases for each rainfall type and weir condition