市政道路排水管网数字化建模与内涝风险评估技术

引言

城市市政道路作为交通网络的核心载体，其排水系统的通畅性直接关系到城市正常运行与民生安全。近年来，极端天气事件频发，加之部分城市排水管网老化、规划滞后，内涝问题日益突出 —— 强降雨时道路积水不仅导致交通瘫痪，还可能引发管网溢流、设施损毁等连锁反应，造成显著的经济损失与社会影响。据《中国城市内涝防治发展报告》显示，2023 年全国 297 个地级及以上城市中，超 80% 曾因内涝影响道路通行，其中 30% 的严重内涝事件与排水管网水力性能不足直接相关。

一、市政道路排水管网数字化建模理论与技术基础

1.1 排水管网系统特性分析

城市道路排水管网是内涝防治对象之一，采用拓扑网状形式，节点、管段、雨水口通过对应关系，形成有序层级，其中节点对应汇水、分流，管段是输水通道，雨水口的间距要与道路汇水流量相适应。水力上属于重力流，输水流速和管道坡度、管径呈正相关，与管道的糙率呈负相关，当降雨量大于管道输水量时将产生溢流现象。道路场景下，地形因素引起纵向与横向的坡度形成了汇流，道路公交站点等对于积水具有敏感性要求精确排空。管网与周边环境动态交互，下游水位过高会形成顶托效应，地下管线交叉可能存在渗漏风险，这些均需在建模中考虑。

1.2 数字化建模关键技术

GIS、BIM 及水力模型是数字建模的三大技术。GIS 技术通过存储管网的坐标、拓扑等空间数据，支持多图层叠加，可以为模型提供空间支撑。BIM 技术通过参数化建模，构建包括几何、材质等信息在内的三维模型，实现排水管网与道路结构层的关联，可视化支持施工和维护。水力模型根据圣维南方程组推演出不同降雨情况下管网的水位等结果。

1.3 数据采集与处理技术

数据源信息包含空间数据、属性数据、动态监测数据。空间数据为建模提供模型空间框架，属性数据为水力计算提供输入，动态数据为模型提供校正。数据采集根据数据类型分别确定，传统的方法有图形化处理和现场实测，新型的数据采集有激光扫描、无人机遥感航测等。数据动态监测手段有：传感器网络，直接感应设备监测数据；数据处理和集成有：进行数据格式统一处理、格式转换，转换为模型可接受的格式；异常值处理，对不合理的数据进行修正或剔除；数据融合处理，道路数据和管网数据相互关联，雨水数据和运行数据的同步。

二、市政道路排水管网数字化建模流程与实现

2.1 模型构建框架设计

首先要建立层次结构，确定目标、边界，合理范围，建立“数据层—模型层—应用层”的模型，数据层即数据管理和多源数据融合，模型层是完成数据转为参数，应用层结果表示与分析。数据融合是重点，通过在 GIS 基础上建立空间数据集，结合管网、地形等数据建立空间数据融合集，建立属性集存储数据管网等，通过唯一编号关联空间数据和属性数据，留接口方便数据更新。建立模型规则，指定各个部分工作及相互关系，保证数据信息完备、精度达到要求、参数统一、输出可行。

2.2 拓扑结构与参数建模

要素关联即拓扑建模，正确描述要素连接关系，基于 GIS 建立节点—管段拓扑，构造连接矩阵以保证水流方向，建立雨水口—节点关联，计算汇水面积并分配水量。关键参数即参数建模，关键参数主要来自图纸和勘测数据，管道参数主要包括管道长度、直径和坡度，可按图件和勘测数据获取，并将管道材料代入，赋值管道材质特征参数：粗糙系数以管材特征确定。泵站等设施配置运行参数确保模型模拟精度。模拟参数赋值除考虑参数准确性外，还要考虑能否实用和便捷，部分缺失参数参考同类型管道获取，关键参数结合现场测井结果调整，还应根据道路特征配置完善模型，尽可能贴近实际道路。

2.3 模型率定与验证

模型率定过程中通过改变参数使模拟结果尽量匹配实测数据，选用与管道水位等易敏感指标相关的变量调控误差。采用分步优化方式，即先粗拟定参数模拟确定偏差区域，再局部调整参数，最后做全局优化确定参数及其协同优化。模型验证独立于实测数据，在不同降雨情景下检验模型稳定性，即合格标准为各情景下误差均在允许范围之内且积水模拟与实际情况相一致。

2.4 模型可视化与动态模拟

可视化利用三维渲染将数据信息转化为空间模型，利用 BIM 与 GIS 的融合平台，建立包括道路、管网等的三维模型，注解参数与叠加积水色斑图，能够帮助判别高危区域。动态模拟利用时间轴进行操作，模拟管网运行过程，显示管道水位等变化，可交互，实现任意位置的不同时刻的水力参数查看。两者的配合为管理提供分析工具，可识别空间冲突、追踪内涝路径、预见改造方案效果。

三、基于数字化模型的内涝风险评估技术

3.1 内涝风险评估指标体系构建

利用致灾因子、承灾体脆弱性和综合防控能力作为风险评估指标。致灾因子选择降雨量、积水深度和积水时间等，其中，积水深度、时间是主指标；承灾体脆弱性指标选择道路等级、交通强度等，高等级道路、密集人流聚集场所脆弱性强。风险等级通过对指标进行赋权计算后最终确定，采用AHP 法确定指标权重，根据指标对评估风险的影响，由专家确定各项指标权重系数，依据权重评分值划分低、中、高风险等级（对应下文影响情景）。

3.2 风险评估模型与方法

模型法依据模型模拟不同情景下的内涝状况，设置不同情景按降雨重现期进行，依据指标体系计算风险等级，包括典型雨型情景。耦合法通过融合各参数，将水动力模型模拟结果与承灾体脆弱性结果融合，通过空间叠加的方式计算综合风险指数。实时模型法在模型和实时监控数据耦合的基础上，当降雨超出阈值自动触发模型进行模拟，并通过调节评估结果，并将结果推送到风险等级，形成应对机制。

3.3 内涝风险模拟与结果分析

内涝风险模拟基于水力计算结果，生成风险分布图谱，先输出基础数据，再计算单因子和综合风险值，确定风险等级。结果分析从空间和时间维度展开，空间上识别高风险区域，分析与管网布局的关系；时间上分析不同降雨阶段风险变化，为防控提供依据。风险成因需结合管网自身和外部环境，明确防控重点方向，如管网问题优先改造，外部问题侧重源头减排。

3.4 风险评估成果可视化

成果可视化以地图和图表展示，空间上生成风险等级分布图，用色表示风险大小，叠加道路和设施标注；生成积水等值线图，表示严重等级。图表以风险的统计特征显示，如等级占例如饼图等，适应用户需求，可以交互，可提高应用的价值。

结语

市政道路排水管网数字化建模与内涝风险评估技术的整合，为内涝防治提供系统方案。通过构建数字化模型实现排水系统精准模拟，基于模型的风险评估量化风险分布，为决策提供依据。实践中需平衡模型精度与效率，加强成果与工程实践衔接。未来融入数字孪生等技术，将推动其向实时化、智能化发展，提升城市内涝应对能力，保障道路畅通与市民安全。

参考文献

[1] 姚京裕 , 张福荣 . 市政工程道路排水管网智能化建设质量管理路径分析[J]. 中国标准化 ,2025,(10):190-193.

[2] 胡凡 , 王小飞 , 樊文文 . 市政道路工程排水管网设计与施工技术研究 [J].城市开发 ,2025,(07):151-153.

[3] 周 伟 . 市 政 道 路 排 水 管 网 工 程 施 工 及 技 术 研 究 [J]. 大 众 标 准化 ,2024,(13):39-41.