基于MIKE模型對學校場地雨水系統(tǒng)內(nèi)澇風險評估的案例分析

邵 遲，呂偉婭

(南京工業(yè)大學城市建設(shè)學院，南京 210003)

目前,我國正處于城鎮(zhèn)化建設(shè)高速發(fā)展期，硬質(zhì)鋪裝的大面積使用改變了城市原有的水文特征和土地自然狀態(tài)，一旦遭遇強降雨，短時間內(nèi)形成地表徑流，極大增加內(nèi)澇風險[1]。建設(shè)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，可以在一定程度上緩解城市內(nèi)澇問題。2015年7月住建部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法(試行)》(以下簡稱《辦法》)，將海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標分成了六項，即水環(huán)境、水安全、水生態(tài)、水資源、制度建設(shè)及執(zhí)行情況和顯示度?！掇k法》將城市暴雨內(nèi)澇災害防治作為水安全中一個重點評價內(nèi)容，要求城市內(nèi)澇達到《室外排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的標準，歷史積水點徹底消除或明顯減少，或者在同等降雨條件下積水程度顯著減輕，同時鼓勵借助模型模擬，作為輔助工具判斷管道排水能力及內(nèi)澇風險。以DHI MIKE為代表的數(shù)字模型軟件，在對內(nèi)澇風險的模擬與分析、雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期的校核中表現(xiàn)良好，已經(jīng)成為海綿城市建設(shè)中的熱點，在國內(nèi)外規(guī)劃設(shè)計中得到了廣泛的推廣與應用[2]，并取得較好效果。

國外對內(nèi)澇模型的研究始于20世紀60年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了如SWMM、STORM、DHI MIKE等在內(nèi)的應用價值較高的專業(yè)模型軟件[3]。我國在這方面起步較晚，相關(guān)專家學者研究方向主要為：一是在國外相對成熟的模型基礎(chǔ)上進行本土化的改良，如清華大學規(guī)劃研究院在GIS技術(shù)和SWMM模型的基礎(chǔ)上開發(fā)出Digital Water模型；二是借助先進的模型軟件對實際工程進行分析模擬[4]。如吳思等[5]借助DHI MIKE軟件評估武漢雨水運行情況等，王乾勛等[6]借助MIKE URBAN模塊評估深圳市沙頭角片區(qū)進行內(nèi)澇分析。筆者擬借助MIKE軟件的相關(guān)模塊，對蘇州市某學校開展內(nèi)澇模擬分析。

1 MIKE模型介紹

1.1 模擬軟件構(gòu)成

MIKE軟件是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的產(chǎn)品。軟件模塊眾多，其中MIKE URBAN主要用于城市排水管網(wǎng)的模擬，實現(xiàn)雨、污水泵站優(yōu)化調(diào)度、排水管網(wǎng)現(xiàn)狀評估、排水管網(wǎng)溢流分析、城市降雨徑流過程分析等，MIKE URBAN還可以與MIKE21耦合對城市內(nèi)澇分析與管理[7]。針對本次內(nèi)澇模擬，選用MIKE模型的三個模塊，分別是MIKE URBAN、MIKE 21和MIKE FLOOD。

1.2 內(nèi)澇模擬過程

MIKE URBAN模型對內(nèi)澇的模擬過程大致分為三個階段。第一階段是產(chǎn)流過程，即統(tǒng)計集水區(qū)的凈雨量，具體操作為：模型按照不同下墊面對應的徑流系數(shù)自動計算集水區(qū)的綜合徑流系數(shù)，用總降雨量減去下滲量和徑流過程的初損量就是對應集水區(qū)上的凈雨量，此過程的計算將用到水文模塊，集水區(qū)的匯流時間與降雨量之間的關(guān)系曲線也將同時生成；第二階段是匯流過程，即模擬水流在管網(wǎng)中的運行狀態(tài)。重點是控制雨水井的收水能力，具體操作是利用第一階段的產(chǎn)流結(jié)果來設(shè)置最大入流量參數(shù)，此過程的計算將用到水動力模塊；第三階段是地表的漫流過程：將MIKE URBAN模型與MIKE 21模型置于MIKE FLOOD平臺上耦合，精確地模擬雨水的溢流和回水，當?shù)孛鏄烁叩陀谄涔?jié)點水頭時，水就會漫流到二維地形中，當?shù)孛鏄烁吒哂谄涔?jié)點水頭時，節(jié)點處的積水流入管網(wǎng)中并從排水口中排出，此過程的計算將用到模型的水動力模塊[6]。

1.3 建模及注意事項

在基本信息處理和模型搭建的過程中，有以下幾點細節(jié)需要特別注意。

(1)首先要從整體上對CAD的數(shù)據(jù)進行判斷和熟悉，這是數(shù)據(jù)的前處理階段必不可少的。這種問題直接影響到數(shù)據(jù)的準確性，一旦出現(xiàn)不合格的數(shù)據(jù)就會導致返工，影響整體進度，嚴重的還會影響規(guī)劃方案的制定，這是建模工作的最關(guān)鍵的階段。

(2)要結(jié)合地形圖對模型匯水區(qū)進行合理的修改和劃分，且不能完全依賴MIKE URBAN軟件中的匯水區(qū)自動劃分工具。在實際操作過程中要根據(jù)流域和出水口的服務范圍人為調(diào)整，使每一根管道都盡量符合實際，盡可能細化匯水區(qū)，保證模型高效穩(wěn)定運行[9]。

(3)在不影響結(jié)果的前提下，管道概化模擬要根據(jù)設(shè)計層面的不同、匯水面積的大小而做出相應的改變，得到最理想的概化長度，從而提高模型運行效率，避免軟件運行中出現(xiàn)錯誤。

(4)整個模擬過程只能定義唯一的坐標系。無論是前期在ArcGIS中對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，還是在導入MIKE URBAN里的新文件，都必須只能定義一個相同的坐標系，且坐標系一旦定義不可更改，否則會導致導入之后的檢查井界面與用地界面不匹配，模型搭建只能從頭再來。

2 基于MIKE軟件的內(nèi)澇模擬

2.1 模型準確性驗證

對于已建地塊的內(nèi)澇模擬準確性驗證，可以通過實測數(shù)據(jù)與歷史內(nèi)澇調(diào)研狀況進行比對，根據(jù)比對結(jié)果對模型參數(shù)進行率定，提高模型精度。對于新建地塊的評估模擬，無法獲取實測數(shù)據(jù)，因而不能直接驗證模型的準確性。唯一的方法是相似區(qū)域或同類地塊先進行內(nèi)澇模擬，根據(jù)已有數(shù)據(jù)進行驗證，來保證模型可靠性，然后將驗證后的模型應用于新建地塊的模擬。鑒于本次模擬為新建校園，對模型準確性驗證通過對地理位置、氣候、降雨、土壤等條件都極為相似的常州市武進區(qū)某地塊內(nèi)澇模擬分析，并通過歷史數(shù)據(jù)加以對比分析。

武進區(qū)與蘇州市在地理位置上相隔不遠，都位于江蘇省南部，瀕長江，臨太湖，兩地境內(nèi)地勢低平、水系發(fā)達，氣候相同，多年平均降雨量都在1 100 mm左右，地層同屬第四系長江三角洲沖積層，土壤構(gòu)成相同。模擬區(qū)域占地1.1 km2，各下墊面比例與規(guī)劃校園類似，如表1所示。

表1 模擬地塊下墊面統(tǒng)計Tab.1 Statistics of Underlying Surface of Simulated Plot

注：1 ha=104m2

圖1 模型模擬積水狀況Fig.1 Condition of Simulated Waterlogging by the Model

通過MIKE模型模擬20年一遇降雨條件下地塊積水狀況，如圖1所示，與本地塊歷史易澇點的比較，如圖2所示。由此可知，現(xiàn)有模型較為準確地反映了當?shù)貎?nèi)澇狀況，使用模型對新建校園的模擬是較為可靠、可行。

2.2 研究區(qū)域概況

本次研究對象為一所學校，分為幼兒園、小學、初中三個部分，學?？傉嫉孛娣e為72 294 m2，總建筑面積為61 450 m2，建筑密度為25.72%，綠地率為35.01%。學校東、南、西三側(cè)均為市政道路，北側(cè)為一條東西走向的人工河，雨水管網(wǎng)匯集地塊雨水后排入此河，場地內(nèi)采用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等多種綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施。在學校東北處設(shè)置雨水回用池，容積為45 m3，主要用地小區(qū)道路澆灑、綠化灌溉，在學校西南處設(shè)置一處雨水花園，占地為473 m2，籃球場及足球場南端的雨水由雨水管收集后排入雨水花園，經(jīng)調(diào)蓄、凈化后排出至雨水干管。建成后場地綜合徑流系數(shù)如表2所示。

圖2歷史易澇點描述區(qū)域Fig.2 Historical Points Description Area

表2 建成后地塊徑流系數(shù)計算Tab.2 Runoff Coefficient Calculation after Construction

學校為保障校園內(nèi)水安全，一是通過結(jié)合相關(guān)城市雨水排水規(guī)劃，劃分內(nèi)部排水片區(qū)，確定各片區(qū)排水方向；二是校核場地高程，提出超限雨水排水通道，確保雨水導流順暢，排水系統(tǒng)安全；三是設(shè)置綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，滯留、蓄存雨水，達到削峰錯峰的目的,如圖3、圖4所示。

2.3 內(nèi)澇模擬

2.3.1 區(qū)域信息模型化

根據(jù)校園設(shè)計的CAD、文本描述等信息，經(jīng)模型處理后如圖5所示，此時模型已包含匯水區(qū)面積，雨水口位置，檢查井的地面標高、井底標高、直徑，雨水管的數(shù)量、管徑、管長、上下游管內(nèi)底標高，雨水收集池的位置、容積、占地面積，雨水花園的面積，深度等必需數(shù)據(jù)，此時一維排水管網(wǎng)模型已搭建完畢，在此基礎(chǔ)上加入20年一遇24 h的降雨文件。

2.3.2 管網(wǎng)模型與地形文件耦合

在MIKE FLOOD平臺上加載預處理地形文件，然后剪裁成與用地邊界一致。將模擬片區(qū)形成一個閉合的空間，對區(qū)域內(nèi)建筑整體拔高，道路整體降低標高，然后加載管道和檢查井信息，實現(xiàn)一維排水管網(wǎng)模型與二維地表漫流模型的耦合。

圖3 超限雨水排放通道示意Fig.3 Schematic Diagram of Excessive Rainwater Discharge Channel

圖4 雨水匯集與排放分區(qū)示意Fig.4 Schematic Diagram of Rainwater Collection and Discharge Zoning

圖5 研究區(qū)域模型界面Fig.5 Study Area Shown in the Model

2.3.3 雨型選擇及參數(shù)設(shè)置

由于本地實測降雨數(shù)據(jù)的缺乏，因此采用模式降雨雨型，主要有芝加哥雨型、均勻雨型、Huff雨型、三角雨型等雨型。所以本次模擬采用國內(nèi)普遍使用的雨峰系數(shù)為0.4的芝加哥雨型，參照蘇州市暴雨強度公式，降雨歷時取120 min。對于雨水花園下滲類型、下滲率、孔隙度、初始水位等水文參數(shù)，本案例選用Horton下滲模型來模擬雨水花園的下滲過程[8]。

2.4 模擬結(jié)果與分析

2.4.1 雨水管網(wǎng)排水能力分析

根據(jù)項目資料顯示，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期按2年一遇設(shè)計。故在選定好雨型及確定各參數(shù)，暴雨重現(xiàn)期分別取2年～5年，通過建立MIKE URBAN模型來模擬計算該地區(qū)管網(wǎng)排水能力。并依據(jù)管流模擬結(jié)果文件計算溢流水位值(node flood)、充滿度(pipe filling)，導出結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 重現(xiàn)期為2年時排水能力分析Fig.6 Analysis of Drainage Capacity of Two Years’ Return Period

圖7 重現(xiàn)期為5年時排水能力分析Fig.7 Analysis of Drainage Capacity of Five Years’ Return Period

由管流模擬可知，在遭遇2年一遇至5年一遇的降雨時，雨水管道均出現(xiàn)不同程度的滿管流現(xiàn)象，但最高水位線仍低于地面標高，未出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。由此可知，園區(qū)匯水分區(qū)通過合理劃分，并輔以綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，有效地滯留、調(diào)蓄雨水，提高了雨水管渠的排水能力，在不提高雨水管道造價的基礎(chǔ)上降低了產(chǎn)生地面積水的風險。

2.4.2 內(nèi)澇模擬分析

根據(jù)項目資料顯示，內(nèi)澇設(shè)計重現(xiàn)期為20年一遇，對地塊采用20年一遇24 h最大降雨量數(shù)據(jù)進行模擬，并生成最大積水風險圖，如圖8所示。

圖8 最大積水風險圖Fig.8 Map of Waterlogging Risks

通過對地塊一維排水管網(wǎng)與二維地表漫流的耦合模擬，結(jié)果表明在遭遇20年一遇24 h最大暴雨條件下，校園內(nèi)基本不產(chǎn)生內(nèi)澇危險，超標雨水通過校園主干道排至校園東北處，沿行泄通道排至附近人工河，校園內(nèi)豎向標高及匯水片區(qū)設(shè)計合理。

3 結(jié)論

通過對校園內(nèi)管道排水能力和二維地表漫流的模擬，結(jié)果表明地塊豎向標高設(shè)計以及匯水區(qū)劃分較為合理，校園足可以保證在遭遇20年一遇的降雨時不產(chǎn)生內(nèi)澇，且通過設(shè)置綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，使雨水管網(wǎng)排水能力提高到5年以上。

4 展望

(1)對于綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，目前還是以國外的研究成果為主，缺少本土化的研究，致使模擬結(jié)果會出現(xiàn)一定的偏差。

(2)要讓模型軟件這一先進技術(shù)支撐海綿城市建設(shè)，前提是要正確地使用模型軟件，也對從事相關(guān)專業(yè)的人員的專業(yè)素養(yǎng)提了很高要求，從業(yè)者的專業(yè)素養(yǎng)往往決定模型結(jié)果的質(zhì)量，也直接影響著城市內(nèi)澇治理方案的可靠性。

(3)近年來海綿城市發(fā)展迅速，模型軟件在城市暴雨內(nèi)澇災害防治中的作用日益顯著，合理的選擇模型軟件來模擬城市內(nèi)澇，參與城市暴雨內(nèi)澇的治理，既符合《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法》的要求，也是當今海綿城市發(fā)展的需要。