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平台与AI · 灌区与水利 · 市场观察 · 2026-06-29

为什么排水数字孪生必须包含地面-地下-河道耦合

排水数字孪生正在成为城市水管理的重要工具。它的目标是在虚拟空间中建立一个与真实排水系统同步运行、能够实时推演和辅助决策的模型。但实践中经常出现一个现象:模型显示安全,实地却已出现积水或倒灌。造成这种偏差的一个关键原因,是模型把地面、管网和河道当作三个各自独立的部分来处理,忽略了它们之间真实存在的水力互动。要构建真正可靠的排水数字孪生,就必须实现这三者之间的双向动态耦合。

一、地面与管网之间的双向水流,不是单向汇入

传统的排水计算往往采用径流系数法,把落到地面的雨水按一定比例直接分配给管网节点。这种方式假定水流只从地面进入管道,是一个单向过程。但在强降雨条件下,地下管网超负荷运行时,检查井会发生溢流,水流从管道重新涌出地表,沿街道流动,并可能在下游通过雨水口再次进入管网。这种“溢出—回流”循环是典型的双向交换,必须在模型中实时体现。

城市水文学将这种关系概括为“小排水系统”和“大排水系统”的协同运作。

前者是地下管网,后者是由道路、广场、地表通道构成的漫流网络。

Chang 等人(2015)的研究强调,只有将两者耦合建模,才能准确模拟超标准降雨下的积水演化过程。更早的对比研究(Leandro et al., 2009)发现,采用简化的单向耦合或一维地表概化,会系统性地低估最大淹没深度和积水范围,且随着雨强增大,误差也更为显著。

因此,如果数字孪生不包含地面-管网的双向耦合,就难以捕捉内涝的真实触发时机和蔓延路径,预警和调度也就失去了可靠的依据。

二、管网与河道的动态边界,决定排水能力

城市排水管道末端的排口多数处于河道常水位以下。管道内的水能否顺利排出,取决于管网水头与河道水位之间的压力差。

当河道水位上涨时,会对排水口形成顶托,减小有效出流压差,严重时甚至会导致河道水倒灌入管网。这是一种随着河道水位实时变化而变化的边界条件,不是恒定值可以替代的。

Hsu 等人(2000)在早期的淹水模拟研究中已经指出,忽略管网与受纳河道的动态耦合,会造成排水流量计算偏差超过30%。近年来发生的极端暴雨事件也反复证实,外河洪水顶托和倒灌是加剧城市内涝的重要因素(参见张建云等,2021)。

因此,排水数字孪生中的管网模型,必须将河道水位作为动态边界条件同步解算,同时管网出流情况也实时反馈给河道模型。这样,系统才能准确预判排涝口何时会受到顶托、何时出现倒灌风险,并据此提出泵闸启闭等调度建议。

三、河道洪水漫溢与地表积水是连续过程

在沿河或平原河网城市,河道洪水一旦漫堤或溃堤,会直接涌向城区地表,与当地暴雨内涝的水流汇合。

随后这些水又可能顺着地势回归下游河道,构成地表与河道之间的直接交换。

这个过程是连续的、路径非线性的,不能简单地用一张预先设定的分洪路线图来替代。

张大伟等人(2010)构建了河道-管网-地表耦合模型,研究表明,只有采用全耦合方案,才能自然地模拟洪水从河道漫溢到地面、再由地面汇入河道的完整过程。如果数字孪生把地面二维模型和河道模型分开运行,只通过固定的溃口流量进行衔接,便无法再现洪水在地面的真实演进路径,进而导致内涝风险图和外洪风险图只能机械叠加,可能掩盖关键致灾区域的实际情况。

四、全耦合是实时决策的基本技术要求

排水数字孪生不仅用于事后复盘,更重要的功能是事前预演和实时控制。

现代排水系统配备了闸门、泵站、调蓄池等可控设施,这些设施的最优调度依赖于对全系统水力状态的准确预报。

如果模型缺少地面-管网耦合,就无法预测检查井溢流引起的闸前水位快速变化;如果没有管网-河道耦合,就难以判断何时必须关闭排涝闸、启动强排泵以防止倒灌。这些信息缺口会直接影响实时控制策略的有效性。

哥本哈根等城市的实践经验已经表明,以概率预报和在线优化调度为目标的排水数字孪生,必须将地表二维水动力、管网一维水动力、河道水动力以及各类连接界面纳入统一的耦合模型,并依靠实时数据同化驱动(Pedersen et al., 2021)。地面-地下-河道的全耦合,并非模型复杂度的简单增加,而是数字孪生从可视化展示走向辅助决策的基本功能要求。

结语

城市排水过程是连续的:雨水落到地面、进入管网、排入河道,当负荷超限时,三者之间出现相互溢流、顶托、倒灌和漫溢。

如果在数字孪生中将地面、管网和河道切分为独立模块,仅通过设定的边界条件传递水量,相当于在连续的水力过程中强行划出断点,由此产生的系统偏差会沿着模拟链路累积放大。

因此,建立地面-地下-河道的双向动态耦合模型,不是一项可有可无的技术选项,而是保证排水数字孪生预测可靠、控制有效的必要条件。

主要参考文献:

这篇文章原发自公众号「智慧水务与传感器」

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