基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐廬縣內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

欒　慕,袁文秀,劉　俊,周雁潭,庫(kù)勒江·多斯江

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇 南京　210029)

基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐廬縣內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

欒慕1,袁文秀2,劉俊1,周雁潭1,庫(kù)勒江·多斯江1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇 南京210029)

摘要：通過(guò)構(gòu)建SWMM-MIKE11耦合模型評(píng)估現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力,預(yù)測(cè)桐廬縣遭遇5年、10年、20年一遇暴雨時(shí)的城市內(nèi)澇情況并依此繪制內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖。結(jié)果表明:桐廬縣發(fā)生城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)較高;SWMM-MIKE11耦合模型在桐廬縣具有良好的適用性,在城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SWMM模型;MIKE11模型;城市內(nèi)澇;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;桐廬縣

近年來(lái),受全球氣候變化的影響,暴雨等極端天氣事件頻發(fā),對(duì)社會(huì)管理、城市運(yùn)行和人民群眾生產(chǎn)生活造成了巨大影響,加之部分城市排水防澇等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后,調(diào)蓄雨洪和應(yīng)急管理能力不足,出現(xiàn)了嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。桐廬縣地處浙西丘陵區(qū),位于富春江和分水江交匯處,同時(shí)面臨著城市內(nèi)部澇水、富春江江潮頂托和縣城東南部山洪的三重威脅。針對(duì)桐廬縣水安全特點(diǎn),筆者采用SWMM水文模型和MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)桐廬縣降雨產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流與防洪排澇過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)水系狀況與下墊面特征確定各計(jì)算分區(qū),再通過(guò)建立SWMM水文模型對(duì)各個(gè)分區(qū)逐一進(jìn)行降雨產(chǎn)流和管網(wǎng)匯流計(jì)算,最后依托MIKE11軟件構(gòu)建桐廬縣一維河網(wǎng)模型,將各分區(qū)的管道出流過(guò)程作為一維河網(wǎng)模型的入流過(guò)程,使之成為一維河網(wǎng)模型的流量邊界條件,實(shí)現(xiàn)降雨產(chǎn)流—管網(wǎng)匯流模型與河網(wǎng)水動(dòng)力模型之間的耦合,從而模擬桐廬縣降雨徑流及防洪排澇情況,并且在對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上繪制桐廬縣內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖。

1SWMM-MIKE11耦合模型

1.1SWMM水文模型

SWMM水文模型是一個(gè)主要用于模擬城市化地區(qū)單次或連續(xù)降雨事件的降雨徑流模型,它可以模擬城市中水質(zhì)和水量的變化。模型的模擬計(jì)算過(guò)程可分為地表產(chǎn)流、地表匯流以及排水管道流量演算3個(gè)部分,可用于排水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析,并對(duì)其進(jìn)行全面的仿真模擬。通過(guò)對(duì)城區(qū)排水管網(wǎng)、河道等進(jìn)行概化,選定有關(guān)參數(shù),即可對(duì)城市地區(qū)雨洪事件進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)。該模型在北京、上海、天津等地區(qū)的應(yīng)用都取得了較好的結(jié)果[1]。

SWMM水文模型由5個(gè)子模塊組成,其中1個(gè)子模塊為處理模塊,其余4個(gè)子模塊分別為徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)充輸送模塊和儲(chǔ)存/處理模塊,它們可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)中地表坡面徑流、排水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送和污染物質(zhì)處理單元的仿真模擬[2]。

1.2MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型

MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型是以一維非恒定水流基本運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,即圣維南方程組。在計(jì)算方法上,MIKE11軟件采用六點(diǎn)隱式差分格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散求解。在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并非同時(shí)求解水位和流量,而是按上下游順序交替計(jì)算水位或流量[3]。由于這種離散求解格式是無(wú)條件維持穩(wěn)定的,因而可以把計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)適當(dāng)加長(zhǎng)以節(jié)約計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。

1.3耦合方式

將整個(gè)研究區(qū)域依照下墊面性質(zhì)差異和不同的水文特征劃分成多個(gè)子匯水區(qū)。以桐廬縣水系布局為基礎(chǔ),通過(guò)MIKE11軟件概化得到桐廬縣一維河網(wǎng)模型,運(yùn)用SWMM水文模型對(duì)各分區(qū)進(jìn)行降雨產(chǎn)流和管網(wǎng)匯流計(jì)算,再將各分區(qū)的管道出流過(guò)程作為一維河網(wǎng)模型的入流過(guò)程,使之成為一維河網(wǎng)模型的流量上邊界,從而實(shí)現(xiàn)降雨產(chǎn)流—管網(wǎng)匯流模型與一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型之間的耦合。

2SWMM-MIKE11耦合模型的建立和應(yīng)用

2.1研究區(qū)域概況

桐廬縣位于浙江省西北部,地處錢塘江上游,東連浦江、諸暨,南接建德,西臨淳安,北靠富陽(yáng)與臨安,屬浙西中低山丘陵區(qū)。境內(nèi)富春江自南而北縱貫縣境東部,次第接納較大的支流有蘆茨溪、雙源溪、清渚港等。由于近年來(lái)桐廬縣城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大,城市化程度不斷提高,加之山丘區(qū)河道流速較快,富春江亦是感潮河道,發(fā)生內(nèi)澇、山洪、江潮“三碰頭”的概率較大,城市受災(zāi)后果日益嚴(yán)重[4]。因此有必要采用SWMM—MIKE11耦合模型針對(duì)該地區(qū)進(jìn)行研究。

2.2研究區(qū)域概化

2.2.1子匯水區(qū)域概化

本次排水防澇模擬計(jì)算主要涉及桐廬縣整個(gè)城區(qū),根據(jù)桐廬縣管網(wǎng)布局、土地利用、地形地貌,結(jié)合GIS軟件提取相關(guān)信息,在盡可能滿足地面徑流就近入河的基礎(chǔ)上進(jìn)行子匯水區(qū)的劃分[5],將中心城區(qū)概化為693個(gè)子匯水區(qū),總概化面積為68 km2。

2.2.2管網(wǎng)系統(tǒng)概化

根據(jù)相關(guān)資料,從已有CAD文件中提取出管網(wǎng)數(shù)據(jù)。綜合考慮雨水管網(wǎng)集水范圍和下墊面的具體情況,將研究區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)概化為651個(gè)節(jié)點(diǎn),635個(gè)管段[6]。管道要素主要有空間位置、坡度、長(zhǎng)度、流向、管徑以及雨水口的地面高程等信息,這些重要信息可通過(guò)有關(guān)單位提供的資料輸入到模型中[7]。

2.2.3河網(wǎng)概化

對(duì)天然河網(wǎng)需要進(jìn)行概化以簡(jiǎn)化計(jì)算的復(fù)雜程度,其基本原則是概化河網(wǎng)要能夠反映天然河網(wǎng)重要的水力學(xué)特性,使得概化河網(wǎng)、湖泊對(duì)水的輸送、調(diào)蓄能力必須與現(xiàn)實(shí)中的河網(wǎng)、湖泊接近或一致。因此必須確定概化的河網(wǎng)及其控制斷面參數(shù),然后考慮除概化河網(wǎng)以外的水體的調(diào)蓄作用,最后將基本的河道信息輸入河道水動(dòng)力模型中。

運(yùn)用MIKE11水動(dòng)力模型進(jìn)行河道模擬,需要構(gòu)建4個(gè)必備文件:描繪河道空間分布的河網(wǎng)文件、描繪河道垂直斷面形狀的斷面數(shù)據(jù)、給出計(jì)算邊界的邊界條件文件以及確定各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的模型參數(shù)文件。根據(jù)河網(wǎng)概化的基本原則和已有河道資料制作上述4個(gè)文件,從而完成對(duì)研究區(qū)域河網(wǎng)的概化。

2.3主要參數(shù)選取

2.3.1子匯水區(qū)參數(shù)

① 子匯水區(qū)域指由于地形和排水系統(tǒng)的各要素作用使得模型區(qū)域內(nèi)地表徑流向同一點(diǎn)匯集的水文單元。桐廬縣子匯水區(qū)概化綜合考慮雨水管道集水范圍、下墊面土地類型和河網(wǎng)水系匯流等因素劃分。②不透水面積指直接排向雨水輸送系統(tǒng)的不透水面積,對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大。本次研究根據(jù)有關(guān)土地利用類型分布的資料,按面積加權(quán)法確定各子流域不透水面積比。③漫流寬度反映了子匯水區(qū)域調(diào)蓄能力的大小,敏感性較強(qiáng),需要結(jié)合實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)確定。④洼蓄表示降雨初期未能產(chǎn)流的雨量。對(duì)于不透水區(qū)洼蓄取1 mm,透水區(qū)洼蓄取5 mm。⑤子流域不透水面積可分為無(wú)洼蓄和有洼蓄的兩類,本次研究的無(wú)洼蓄不透水面積百分比按經(jīng)驗(yàn)采用25%。⑥根據(jù)文獻(xiàn)[8]并結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),不透水區(qū)糙率取0.015;透水區(qū)糙率取0.2。⑦子流域坡度依照桐廬縣中心城區(qū)實(shí)際地形取值。

2.3.2Horton下滲公式參數(shù)

Horton下滲公式主要參數(shù)包括最大下滲率、最小下滲率及衰減系數(shù)。最大下滲率取決于土壤類型、覆蓋植被和土壤含水量。根據(jù)桐廬縣土壤類型及模型用戶手冊(cè),最大下滲率裸土取25.4 mm/h、覆蓋草皮的取50.8 mm/h。穩(wěn)定下滲率則根據(jù)桐廬縣土壤條件,取2.54 mm/h。Horton曲線下滲速率衰減系數(shù)表征了飽和土壤到完全干燥土壤需要的時(shí)間,通常情況下,典型時(shí)間為2～14 d,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取7 d,得衰減系數(shù)為3 h-1[9]。

2.3.3節(jié)點(diǎn)參數(shù)

節(jié)點(diǎn)參數(shù)的選擇可分為兩類,一類是普通節(jié)點(diǎn)如管道節(jié)點(diǎn),其底高程是以實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn),部分中間點(diǎn)通過(guò)線性內(nèi)插獲得。最大深度為節(jié)點(diǎn)底部至地面的高度。另一類是排水口。排水口是排水管網(wǎng)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn),是動(dòng)力波徑流方程演算的下游邊界,對(duì)于SWMM水文模型而言,只能有一個(gè)管線直接連接到排水口,動(dòng)力波演算模式下必須有一個(gè)以上的排水口。

2.3.4管網(wǎng)與河網(wǎng)參數(shù)

管道首節(jié)點(diǎn)、末節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)度、斷面和偏移量按照管網(wǎng)資料設(shè)置。管道糙率依據(jù)相關(guān)資料取0.013,排洪溝及排水箱涵糙率取0.03。管道形狀為密閉圓形。

考慮到各河道岸壁為防洪墻,且為寬度基本相等的規(guī)則河道,故河道糙率應(yīng)適當(dāng)降低,因此河道糙率取0.02。河道橫斷面采用實(shí)測(cè)成果,直接輸入MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型中。

2.4計(jì)算工況

2.4.1設(shè)計(jì)暴雨

肖嶺站屬于國(guó)家基本站,觀測(cè)資料較為可靠,因此選用肖嶺站作為桐廬縣雨量代表站來(lái)計(jì)算24 h設(shè)計(jì)暴雨。設(shè)計(jì)暴雨所采用的降雨資料系列較長(zhǎng)(1961—2009年),資料的代表性及穩(wěn)定性均比較好,符合本區(qū)域的暴雨分布規(guī)律,計(jì)算成果基本合理,能夠體現(xiàn)桐廬縣的實(shí)際情況。5年、10年、20年一遇的24 h設(shè)計(jì)暴雨量分別為148 mm、196 mm、243 mm。

根據(jù)暴雨分析并參考本流域及相近流域有關(guān)資料[10],對(duì)24 h設(shè)計(jì)暴雨量進(jìn)行時(shí)程分配,如圖1所示。

圖1　設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配

2.4.2上下游邊界條件

本次計(jì)算涉及桐廬縣境內(nèi)富春南渠、西橋頭溪、新喬林溪、梅林溪、黃潦溪、大源溪,其中西橋頭溪、新喬林溪為防山洪河道,不參與排水計(jì)算。黃潦溪、梅林溪上游入流邊界采用與城區(qū)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算,計(jì)算得出的設(shè)計(jì)洪水作為中心城區(qū)排水防澇模擬計(jì)算的上游入流邊界條件,下游排放口設(shè)計(jì)洪水位采用富春江潮位邊界控制。富春南渠西入口和東出口以有關(guān)資料規(guī)定的入口和出口流量為控制。中心城區(qū)暴雨徑流采用SWMM水文模型演算后通過(guò)排水管網(wǎng)排入河網(wǎng)中,再由MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1管網(wǎng)排水能力校核

由于城市的發(fā)展使徑流量增大、徑流匯流時(shí)間減少、高峰徑流量增大,長(zhǎng)期沿用至今的排水管網(wǎng)計(jì)算方法沒(méi)有考慮城市化引起的水文變化;且市政管網(wǎng)是分片區(qū)設(shè)計(jì)的,沒(méi)有考慮到管網(wǎng)排水之間的相互影響以及排水分區(qū)之間的關(guān)系,有必要使用水利模型計(jì)算管道的實(shí)際排水能力。與此同時(shí),對(duì)比計(jì)算結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際內(nèi)澇情況,也可以對(duì)所建立的耦合模型進(jìn)行率定。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的規(guī)定,中等城市和小城市的雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,中心城區(qū)和非中心城區(qū)均為2～3 a,中心城區(qū)的重要地區(qū)為3～5 a,中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場(chǎng)等為10～20 a。依據(jù)要求,利用模型計(jì)算模擬了管網(wǎng)排水能力。結(jié)果表明,管道實(shí)際排水能力大于等于1年一遇的管道占管道總長(zhǎng)度的55.8%,比管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)百分比低25.08%,出現(xiàn)積水的地區(qū)基本與實(shí)際情況相符。

3.2內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是內(nèi)澇防治的依據(jù),為有效進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)管理,需要了解洪澇災(zāi)害的影響范圍和程度,即繪制內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖。內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容包含城市地面積水的地點(diǎn)、積水深度、積水時(shí)間、內(nèi)澇開(kāi)始時(shí)間、內(nèi)澇持續(xù)時(shí)間、內(nèi)澇檢查井最大深度、管段流量峰值等評(píng)估指標(biāo)。在城市內(nèi)澇研究中一般使用城市地面積水的地點(diǎn)和內(nèi)澇積水深度對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)桐廬縣土地利用條件和排水管網(wǎng),由設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程、相應(yīng)的上游邊界流量過(guò)程,下游河口邊界水文條件,利用模型模擬5年一遇、10年一遇、20年一遇3種不同降雨重現(xiàn)期,并以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)繪制桐廬縣中心城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖,如圖2～4所示。

圖2　5年一遇情況下的積水深度與積水時(shí)間分布

圖3　10年一遇情況下的積水深度與積水時(shí)間分布

圖4　20年一遇情況下的積水深度與積水時(shí)間分布

由圖2～4可知,隨著暴雨重現(xiàn)期的增大,城市內(nèi)澇的積水面積不斷擴(kuò)大,積水深度、積水時(shí)間也在增加。內(nèi)澇地區(qū)主要集中在迎春小區(qū)、康樂(lè)小區(qū)、漁民村、城北綜合市場(chǎng)、巖橋村、仁智村等地。

在20年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下,上述部分內(nèi)澇地區(qū)積水深度較深,遠(yuǎn)大于15 cm,有些地勢(shì)較低處積水深度甚至超過(guò)了50 cm,且積水面積較大,積水時(shí)間較長(zhǎng),無(wú)法滿足桐廬縣內(nèi)澇防治目標(biāo)。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行分析,造成這種現(xiàn)象的主要原因是:

a. 早期設(shè)計(jì)的雨水管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)較低。部分新建區(qū)的雨、污水就近排入舊城區(qū)排水管網(wǎng),加大了舊城區(qū)排水管網(wǎng)負(fù)荷,造成舊城區(qū)管道排水能力不足,內(nèi)澇受淹。

b. 管道鋪設(shè)不合理。部分上游管道的直徑大于下游管道。在降雨重現(xiàn)期較低時(shí),對(duì)管道排水影響不大。但是在遭遇高重現(xiàn)期的降水時(shí),由于下游管道直徑偏小,排水能力受限,致使上游管道排水不暢,產(chǎn)生管道超載或漫溢。

c. 河水倒灌的影響。雨水通過(guò)管道就近自流排入河道,如果管道出口管底高程低于水位,受水體水位頂托,使管道內(nèi)水流流速減小,管道排水能力降低,導(dǎo)致城區(qū)低洼地段長(zhǎng)時(shí)間積水。

d. 下游管渠未完全修建,雨水出水口系統(tǒng)不完善。由于路網(wǎng)建設(shè)先后不一,部分雨水排放系統(tǒng)下游排放口未能同期建成,雨水出水口系統(tǒng)不完善。

e. 部分地區(qū)地勢(shì)低洼。個(gè)別低洼地區(qū)現(xiàn)狀沒(méi)有管道,或者是現(xiàn)狀低洼區(qū)排洪溝尺寸較小,一降雨就產(chǎn)生積水。一些有管道的低洼地區(qū),因可能承受周邊地區(qū)的匯水而加大了排水壓力,超過(guò)了管道的排水能力,因而產(chǎn)生積水。

4結(jié)論

a. 桐廬縣城區(qū)管道實(shí)際排水能力大于等于1年一遇的管道占管道總長(zhǎng)度的比例不高,現(xiàn)有管網(wǎng)排水能力明顯不足。

b. 隨著暴雨重現(xiàn)期的逐步增大,城市內(nèi)澇的積水面積也不斷擴(kuò)大,積水深度與時(shí)長(zhǎng)也在增加。特別地,在20年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下,部分內(nèi)澇地區(qū)積水深度遠(yuǎn)大于15 cm,且積水面積大、積水時(shí)間長(zhǎng),對(duì)桐廬縣造成了較為嚴(yán)重的內(nèi)澇威脅。

c. 本文計(jì)算結(jié)果較為合理可靠,說(shuō)明本文采用的SWMM-MIKE11耦合模型對(duì)城市地區(qū)開(kāi)展防洪排澇工作具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Risk assessment of waterlogging in Tonglu County based on SWMM-MIKE11 coupled model

LUAN Mu1, YUAN Wenxiu2, LIU Jun1, ZHOU Yantan1, Kulejiang Duosijiang1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.WaterResourcesPlanningBureauofJiangsuProvince,Nanjing210029,China)

Abstract：This study was carried out in the urban area of Tonglu County. The SWMM-MIKE11 coupled model was established to assess the drainage capacity of the existing pipeline system, and the urban waterlogging in the cases of the storms that occurred every five years, ten years, and twenty years, respectively, was predicted. On this basis, waterlogging risk charts were drawn. The results show that there is a fairly high risk of waterlogging in Tonglu County, and the SWMM-MIKE11 coupled model has strong applicability in Tonglu County and can be used in urban waterlogging risk assessment.

Key words：SWMM model; MIKE11 model; urban waterlogging; risk assessment; Tonglu County

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.012

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(41471015)

作者簡(jiǎn)介:欒慕(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槌鞘蟹篮榕艥撑c水資源配置。E-mail:shepardluan@163.com 通信作者:劉俊,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:lj@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TV122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0057-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)