基于Mike水力模型的城市防澇規(guī)劃風(fēng)險分析

靳帥國 馬立山 王立杰 楊國麗 張海平 李延博 馬寧寧

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410014)

0 引 言

由于受到全球氣候變暖和城市化等多方面因素的影響，城市內(nèi)澇災(zāi)害越來越嚴(yán)重.而城市在防御內(nèi)澇災(zāi)害方面尤為脆弱，因此城市內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)測與內(nèi)澇風(fēng)險的評估已經(jīng)成為城市內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)防治理研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1].安徽省Y市屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，年平均降水量為1094.3 mm，降水分配不勻，年最大降水量達(dá)到1742 mm，年最小降水量則為644 mm，最大值是最小值的2.7倍，并且Y市城區(qū)所在地為史河的灘地，地勢較低，澇災(zāi)較頻繁.據(jù)統(tǒng)計(jì)該區(qū)遭受較大的洪災(zāi)有40余次，平均約10年一次，而澇災(zāi)年年有，因此外洪內(nèi)澇是Y市典型的災(zāi)害類型.

本文以GIS地理信息系統(tǒng)為平臺，運(yùn)用MIKE模型構(gòu)建安徽省Y市在不同降雨條件下內(nèi)澇災(zāi)害仿真模型，對該城市管網(wǎng)排水能力及內(nèi)澇防治能力進(jìn)行風(fēng)險評估，并提出了易澇點(diǎn)緩解措施及解決方案.

1 水力模型介紹

本文采用Mike Urban城市排水系統(tǒng)模型、Mike21平面二維自由表面流模型及Mike Flood耦合模型，該模型應(yīng)用于城市排水與防洪、分流制管網(wǎng)的入流或滲流、合流制管網(wǎng)的溢流、受水影響以及管流監(jiān)控等方面.

Mike Urban水動力模塊主要用于計(jì)算管網(wǎng)中的非恒定流.計(jì)算方程為一維自由水面流的圣維南方程組.模型采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式格式有限差分?jǐn)?shù)值求解，此計(jì)算方法可以自動調(diào)整時間步長，并為分支或環(huán)型管網(wǎng)提供準(zhǔn)確而有效的解法.

Mike21的控制方程為基于Navier-Stokes方程沿水深平均的平面二維淺水方程.防止離散過程中可能發(fā)生的質(zhì)量失真、動量失真及能量失真，方程采用隱式交替格式(ADI)對模型連續(xù)方程和動量方程進(jìn)行離散，各微分項(xiàng)和重要系數(shù)均采用中心差分格式[2].Mike21受差分格式所限，需要采用結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格，與顯式格式相比，可取較大時間步長，計(jì)算效率較有限體積法高.

Mike Flood耦合模型綜合利用了Mike Urban一維排水管網(wǎng)模型、Mike 11一維河網(wǎng)模型和Mike 21二維地表漫流模型，能夠反應(yīng)城區(qū)中排出水流在管道、河流以及可能的地表積水的流態(tài)，改善了傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型的模擬性能，更準(zhǔn)確的反應(yīng)了城市排水管網(wǎng)中、河道中以及地表漫出的水流交匯與地表積水、退水等情況.

2 研究區(qū)域Mike模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建基礎(chǔ)工作

對研究區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析的基礎(chǔ)工作包括基礎(chǔ)資料計(jì)算、管網(wǎng)概化、地形網(wǎng)格劃分、集水區(qū)劃分、下墊面土地利用信息的提取、模型參數(shù)的確定等.模型率定是確定模擬結(jié)果是否可靠合理的重要依據(jù)[3].

2.1.1 計(jì)算基礎(chǔ)資料

(1)暴雨強(qiáng)度公式選擇

根據(jù)《Y市改革發(fā)展試驗(yàn)區(qū)排水專業(yè)規(guī)劃(2016-2030)》，暴雨強(qiáng)度計(jì)算如公式(2-1)所示：

(2-1)

式中： q為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，單位為L/(s·ha)

p為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，單位為a

t為設(shè)計(jì)降雨歷時，單位為min

(2)設(shè)計(jì)降雨量

1)短歷時降雨量：Y市區(qū)短歷時(5 min～120 min)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度及雨量，可根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算而得.

2)長歷時降雨量：依據(jù)《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖》查算，20年一遇設(shè)計(jì)降雨24 h降雨總量為210.6 mm，平均暴雨強(qiáng)度為0.146 mm/min.

(3)設(shè)計(jì)暴雨雨型

10 min、1 h的設(shè)計(jì)雨量根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，6 h、24 h設(shè)計(jì)雨量根據(jù)《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖》查算，20年一遇設(shè)計(jì)降雨根據(jù)“84年辦法”24 h凈雨雨型分配過程雨峰確定在第11 h.

2.1.2 管網(wǎng)概化

研究區(qū)域內(nèi)的排水設(shè)施不完善，部分排水設(shè)施也已年久失修，甚至已不能正常使用或被沖毀.由于該區(qū)域內(nèi)的排水渠道斷面偏小，當(dāng)遭遇暴雨時，極易引起排泄不暢，造成局部內(nèi)澇.此外，雖部分河道兩岸有排水管出口，但出口高程較低且無防護(hù)措施，因而在河道洪水期易發(fā)生洪水“倒灌”現(xiàn)象(水流通過排水管網(wǎng)倒流)，加重城市洪澇災(zāi)害.

本文通過GIS軟件對研究區(qū)域基礎(chǔ)信息進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)[4]，獲得管徑、管長、管道起止點(diǎn)、管道埋深、匯水區(qū)面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過GIS根據(jù)DEM數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法[5]獲得檢查井的地面高程、匯水區(qū)的坡度等屬性信息.根據(jù)現(xiàn)狀的排水分區(qū)進(jìn)行了管線的梳理以及概化，概化管道總長為33.10 km、管道類型為圓管、檢查井69個、排水口23個.如圖1所示：

圖1 Y市管網(wǎng)現(xiàn)狀概化圖

2.2 地形網(wǎng)格劃分

Y市城區(qū)采用MIKE 21結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格處理二維地形，綜合考慮該研究區(qū)域的房屋、道路和計(jì)算時間等因素，網(wǎng)格剖分采用規(guī)則16 m×16 m結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格，共剖得22.85萬個網(wǎng)格.

2.3 模型運(yùn)算結(jié)果與現(xiàn)狀內(nèi)澇情況對比分析

根據(jù)上述所得參數(shù)及數(shù)據(jù)，采用20年一遇降雨，運(yùn)用Mike flood耦合內(nèi)澇模型.將內(nèi)澇模型計(jì)算結(jié)果與Y市實(shí)際淹沒范圍及淹沒水深數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證內(nèi)澇模型計(jì)算結(jié)果是否與Y市城區(qū)內(nèi)澇實(shí)際情況相吻合.

降雨歷時2 h，柳新渠末端開始出現(xiàn)漫溢，淹沒水深約為0.3 m，京輝老街片區(qū)受到輕微影響；尤橋河與建萬河河道末端交匯處開始出現(xiàn)漫溢，淹沒水深約為0.5 m，其余城區(qū)暫時未受到影響，總的淹沒面積為0.25 km2，與實(shí)際情況相吻合.如圖2所示：

圖2 Y市降雨歷時2 h淹沒區(qū)域分布圖

降雨歷時6 h，柳新河漫溢段由河道末端逐漸向上游發(fā)展，且淹沒面積不斷擴(kuò)大，京輝老街片區(qū)影響不斷擴(kuò)大，淹沒水深約0.4 m，小南海片區(qū)小范圍區(qū)域出現(xiàn)內(nèi)澇點(diǎn)，受到輕微影響.尤橋河與建萬河漫溢段由河道末端交匯處不斷向各自河道上游發(fā)展，淹沒范圍不斷擴(kuò)大，淹沒水深約為0.6 m.西小河下游的西街片區(qū)開始出現(xiàn)漫溢，水深為0.3 m.二道河與卡子喬河開始出現(xiàn)漫溢.總的淹沒面積為0.71 km2.與實(shí)際情況相吻合.如圖3所示：

降雨歷時11 h，隨時間推移，Y市城區(qū)管網(wǎng)較密集的中至信片區(qū)和南方水泥廠片區(qū)均出現(xiàn)內(nèi)澇，大部分淹沒點(diǎn)水深約為0.4 m，其中南方水泥廠片區(qū)小范圍水深為1 m.未名湖水位不斷升高，逐漸向周邊漫溢，尤其是湖西北方向漫溢嚴(yán)重，水深約為1 m.11 h為設(shè)計(jì)降雨峰值點(diǎn)，造成最大淹沒面積6.68 km2，淹沒區(qū)域主要集中在京輝老街片區(qū)、南海片區(qū)、彭臺片區(qū)、高速公路片區(qū)和城區(qū)東北角中至信片區(qū)和南方水泥廠片區(qū).其中最大淹沒水深出現(xiàn)在高速公路片區(qū)，水深為4 m.與實(shí)際情況基本吻合.如圖4所示：

圖3 Y市降雨歷時6 h淹沒區(qū)域分布圖圖4 Y市降雨歷時11 h淹沒區(qū)域分布圖

綜上，20年一遇降雨模擬結(jié)果與Y市實(shí)際內(nèi)澇淹沒范圍、水深情況基本吻合，模擬結(jié)果可靠，說明管網(wǎng)概化、參數(shù)取值及計(jì)算基礎(chǔ)合理.

3 治澇方案及措施

根據(jù)澇區(qū)的水文特點(diǎn)、澇災(zāi)情況、治澇工程的現(xiàn)狀及存在的主要問題，結(jié)合澇區(qū)現(xiàn)有水系溝道和地形特點(diǎn)可知，Y市西部、南部、中部排水河渠數(shù)量較多，現(xiàn)有河渠基本可滿足排水要求，而北部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)主要依靠新華渠進(jìn)行排水，但新華渠僅延伸至緯三路，中至信及南方水泥廠積水均無法排出，東部(金葉大道以東)主要依靠堰埂河(含孟大堰溝、老堰埂溝2條支流)進(jìn)行排水，舒家莊、元東等區(qū)域暫無排水渠道，北部和東部又是未來城市發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域.因此，考慮在其范圍內(nèi)新建排水渠道，解決局部區(qū)域內(nèi)澇問題.

(1)新增建中至信排水渠，用于解決中至信及南方水泥廠片區(qū)內(nèi)澇問題.該渠道始于中至信家具廠北面，經(jīng)四路東側(cè)、緯四路北側(cè)向東至柳林大道，沿柳林大道向南，匯入新華渠，全長1.6 km.采用矩形渠道，深2.5 m，寬10 m，兩側(cè)采用重力式擋墻，渠道沿線共需建4處箱涵.

(2)新增建元東排水渠，用于解決高速公路以南，金葉大道以東排水問題.該渠道始于龍井社區(qū)，沿低洼地向南，于新華安置小區(qū)匯入堰埂河，全長1.36 km.渠道采用矩形斷面形式，深2 m，寬5 m，兩側(cè)采用重力式擋墻護(hù)砌.

規(guī)劃雨水管網(wǎng)模型概化，管道總長113.09 km、管道類型為圓管、檢查井個數(shù)為343個、排水口個數(shù)為100個.管網(wǎng)模型概化如圖5所示：

圖5 規(guī)劃管網(wǎng)概化圖

3.1 規(guī)劃方案內(nèi)澇風(fēng)險分析

降雨歷時2 h，堰埂河出現(xiàn)漫溢點(diǎn)，高速公路片區(qū)附近管道存在積水點(diǎn)且水深變大.總的淹沒面積為0.02 km2.如圖6所示：

降雨歷時6 h，堰埂河漫溢范圍無明顯增加，高速公路片區(qū)附近管道存在積水點(diǎn).總的淹沒面積為0.03 km2.如圖7所示：

降雨歷時11 h，為設(shè)計(jì)降雨峰值點(diǎn)，城區(qū)內(nèi)大部分管網(wǎng)均出現(xiàn)積水現(xiàn)象，積水深度大部分約為0.1 m，南方水泥廠片區(qū)小面積出現(xiàn)積水，深度約0.2 m.未名湖周邊出現(xiàn)積水，水深約為0.2 m.高速公路片區(qū)淹沒范圍較大，水深約為0.3 m.總的淹沒面積為3.01 km2.如圖8所示：

圖6 Y市規(guī)劃后降雨歷時2h淹沒區(qū)域分布圖圖7 Y市規(guī)劃后降雨歷時6h淹沒區(qū)域分布圖

圖8 Y市規(guī)劃后降雨歷時11 h淹沒區(qū)域分布圖

綜上，在20年一遇相同降雨條件下，降雨歷時2 h后，現(xiàn)狀淹沒區(qū)域面積為0.25 km2，規(guī)劃方案后的淹沒區(qū)域面積為0.02 km2，淹沒區(qū)域面積減少近92%；降雨歷時6 h后，現(xiàn)狀淹沒區(qū)域面積為0.71 km2，規(guī)劃方案后的淹沒區(qū)域范圍為0.03 km2，淹沒范圍減少近96%；降雨歷時11 h后，現(xiàn)狀淹沒區(qū)域面積為6.68 km2，規(guī)劃方案后的淹沒區(qū)域面積為3.01 km2，淹沒范圍減少近55%.結(jié)果表明：對Y市采取的治澇措施及方案經(jīng)模型評估驗(yàn)證淹沒區(qū)域面積明顯減小，達(dá)到該區(qū)域排水防澇設(shè)計(jì)要求，可作為該區(qū)域的防澇規(guī)劃方案.

4 結(jié) 語

通過Mike軟件，提取GIS數(shù)據(jù)庫中儲存分析生成的概化城市地下排水管網(wǎng)及匯水分區(qū)等數(shù)據(jù)，建立城市排水內(nèi)澇仿真計(jì)算模型，對城市內(nèi)澇洪水進(jìn)行模擬分析，得出城市內(nèi)澇的積水過程和退水過程及易澇點(diǎn)、淹沒區(qū)域面積、積水深度等信息.借助Mike水力模型驗(yàn)證能更有針對性的制定出更加合理的防澇規(guī)劃方案，對設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行評估，減少由于設(shè)計(jì)方案不完善而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，為該城市做出更為科學(xué)的內(nèi)澇風(fēng)險分析，為防澇減災(zāi)搶險預(yù)案的制定提供理論依據(jù).后續(xù)研究將生態(tài)系統(tǒng)對雨水的滲透、吸收、蓄滯等減少產(chǎn)流的措施輸入模型中，提高模型的精確度，為城市的防澇應(yīng)急預(yù)案提供支持.

[1]張杰.基于GIS及SWMM的鄭州市暴雨內(nèi)澇研究[D].鄭州大學(xué),2012

[2]苑希民,秦旭東,張曉鵬,等.石家莊市暴雨內(nèi)澇精細(xì)化水動力模型應(yīng)用[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2017(3):41～50

[3]趙燕霞.基于水力學(xué)模型的城市除澇方案分析研究[D].大連理工大學(xué),2014

[4]劉志生,李晶,崔凱,等.基于ArcGIS與InfoWorks的城市排水系統(tǒng)模擬研究[J].中國給水排水,2013,29(21):144～147

[5]陸露,趙冬泉,盛政,等.城市排水管網(wǎng)一維與二維模擬技術(shù)對比研究[J].給水排水,2015(s1):355～358

[6]陳小龍,趙冬泉,盛政,等.DigitalWater在城市排水防澇規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中國給水排水,2015(21):105～108

[7]Fengchang Xue,Minmin Huang,Wei Wang,Lin Zou,Gwo-Fong Lin.Numerical Simulation of Urban Waterlogging Based on FloodArea Model[J].Advances in Meteorology,2016,2016

[8]Wu S G,Zhou M T,Ma D D.Application of Imitated Ecosystems in Urban Waterlogging Prevention[J].Applied Mechanics & Materials,2014,587-589(587-589):501～504

[9]許文斌.MIKE FLOOD模型應(yīng)用于南昌排水防澇綜合規(guī)劃[J].中國給水排水,2015(9):132～134

[10]王嘉儀,趙連軍,張華,等.基于SWMM模型的城市排水管道優(yōu)化研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2017(4):41～44

[11]石赟赟,萬東輝,陳黎,等.基于GIS和SWMM的城市暴雨內(nèi)澇淹沒模擬分析[J].水電能源科學(xué),2014(6):57～60