基于MIKE URBAN的西安市中心城區(qū)雨洪過(guò)程模擬

張 旭， 李占斌， 何文虹， 霍春平， 時(shí) 鵬， 袁水龍

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；3.西安市水利水土保持工作總站， 陜西 西安 710016)

1 研究背景

近年來(lái)，受全球氣候變化影響，暴雨等極端天氣增加，再加上城市落后的地下排水系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前迅速擴(kuò)張的城市建設(shè)[1]，暴雨一旦來(lái)襲，極易造成內(nèi)澇災(zāi)害，給社會(huì)管理、城市運(yùn)行和人民群眾生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大影響。作為一座擁有三千多年歷史的古城，西安很多地區(qū)排水設(shè)施老化，排水能力不足，絕大多數(shù)排水管道暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期在0.5～1a，加上城市熱島效應(yīng)明顯，遭遇強(qiáng)降雨之后，內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了人民的生產(chǎn)生活。為了提高城市內(nèi)澇的應(yīng)對(duì)能力，國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)多年研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)逐步形成了眾多模擬城市內(nèi)澇的分析模型，并得到了廣泛應(yīng)用[2]。初祁等[3]應(yīng)用MIKE11和MIKE21模型分析了北京市大興區(qū)天堂河下游地區(qū)的洪澇災(zāi)害危險(xiǎn)性；欒慕等[4]通過(guò)SWMM-MIKE11耦合模型評(píng)估了桐廬縣管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力；侯燕等[5]基于GIS、MIKE軟件對(duì)開封市城市洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；黃琳煜等[6]以MIKE FLOOD為平臺(tái)搭建暴雨洪澇模型，評(píng)估了上海市浦東新區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)的排水能力，為相關(guān)部門提供對(duì)策依據(jù)。

本文以西安市中心城區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)地區(qū)的地形、降雨等數(shù)據(jù)，利用丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列模型[7-9]中的MIKE URBAN管網(wǎng)模型對(duì)西安市管網(wǎng)分布最密集的地區(qū)進(jìn)行排水能力的評(píng)估，根據(jù)管網(wǎng)水流狀態(tài)及溢流點(diǎn)的分布分析積水成因，為減小西安市主城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害提供新的思路和方法。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

將西安市城市區(qū)域排水管網(wǎng)和地理地形相結(jié)合，可以劃分出有明顯的地理、地形分水線的排水分區(qū)。本文以西安市中心城區(qū)的護(hù)城河排水分區(qū)為研究對(duì)象，其人口密集，交通便利，城市基礎(chǔ)設(shè)施均已建成，面積約為36.66 km2，地屬半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，市區(qū)多年平均降水量629.9mm，主要集中于夏秋兩季，夏季強(qiáng)降雨多，秋季多連陰雨。降雨時(shí)空分布不均的特點(diǎn)，使得西安市在夏季特別容易出現(xiàn)旱情和強(qiáng)降雨，導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)，主要自然災(zāi)害有干旱、低溫、冰雹、洪澇等[10-11]。另外，研究區(qū)排水管網(wǎng)分布較為密集，集水井?dāng)?shù)量較多，雨水大多排放到護(hù)城河內(nèi)，但依然存在排水管網(wǎng)管徑小、管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)滯后、新城區(qū)擴(kuò)建管道與老城區(qū)銜接不當(dāng)?shù)戎饕獑栴}[12]。目前，西安市城區(qū)排水管網(wǎng)普及率仍然很低，根據(jù)《西安市中心市區(qū)排水工程詳細(xì)規(guī)劃》，排水規(guī)劃充分考慮到滿足環(huán)境保護(hù)及雨水資源化要求，到2020年，雨水管網(wǎng)普及率要達(dá)到95%以上，以加強(qiáng)地下管網(wǎng)的排水能力[13]。

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)自市政規(guī)劃、水務(wù)局等部門提供的《西安市主城區(qū)雨水管網(wǎng)分布圖》，包括管道直徑、管道流向等信息，高程數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載的30 m精度DEM。其他數(shù)據(jù)如井底高程、管道高程、管線坡度等參考2016版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)擬定。

3 研究方法

城市管網(wǎng)模型MIKE URBAN基于GIS開發(fā)，使其可以提供強(qiáng)大的GIS功能，形成了較為完整的城市水模擬系統(tǒng)。其中，排水管網(wǎng)系統(tǒng)(CS)能夠有效地模擬雨水在管道中的流動(dòng)。本文主要應(yīng)用到其中的兩個(gè)模塊，即降雨徑流模塊與管流模塊。

為計(jì)算城市地表徑流，MIKE URBAN降雨徑流模塊提供了幾種不同的計(jì)算方式，分別為時(shí)間面積(T-A)模型、單位水文過(guò)程線模型、線性水庫(kù)模型以及非線性水庫(kù)-動(dòng)力波模型。本文使用最常用、最簡(jiǎn)單的T-A曲線模型，模塊中按照匯水面積的增長(zhǎng)方式給出了三種時(shí)間面積曲線[14](如圖1)。 其中矩形表示匯流面積隨時(shí)間均勻增加；正三角形代表隨時(shí)間的推移，匯流面積先以較快的速度增加，然后逐漸減慢并最終趨于穩(wěn)定，倒三角形則相反。

圖1 MIKE URBAN中3種時(shí)間-面積模型

MIKE URBAN CS管流模塊可以模擬排水管網(wǎng)中的水動(dòng)力情況，管流模塊建立在一維自由水面流的圣維南方程組來(lái)計(jì)算管網(wǎng)中的非恒定流，即連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒)和動(dòng)量方程(動(dòng)量守恒-牛頓第二定律)[15-16]。方程組應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值求解一維水流問題，為管網(wǎng)提供有效而準(zhǔn)確的解法。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)數(shù)資料采用率或百分比表示，兩組比較用卡方檢驗(yàn)。正態(tài)分布的計(jì)量資料描述采用兩組比較采用t檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的計(jì)量資料描述用中位數(shù)(M)和四分位數(shù)間距(P25-P75)表示，組間比較采用秩和檢驗(yàn)。多因素分析采用Logistic回歸分析，計(jì)算其OR值，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(2)

式中：Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m3；x為水流方向的距離，m；t為時(shí)間，s；S0為管道坡度；Sf為水力坡度；g為重力加速度，m/s2；h為管道水深，m。

4 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

MIKE URBAN基于GIS開發(fā)，能夠?qū)eodatabase格式數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入模型中，因此在GIS中根據(jù)《西安市主城區(qū)雨水管網(wǎng)分布圖》將排水管網(wǎng)矢量化，添加節(jié)點(diǎn)，手動(dòng)輸入管道直徑等數(shù)據(jù)，再批量導(dǎo)入模型中。

管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后，為保證導(dǎo)入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性，要對(duì)節(jié)點(diǎn)直徑、管線直徑、節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高、節(jié)點(diǎn)井底標(biāo)高等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查，找出導(dǎo)入的數(shù)據(jù)是否有缺失。若存在數(shù)據(jù)缺失，有必要對(duì)缺失的數(shù)據(jù)重新賦值，導(dǎo)入后的研究區(qū)管網(wǎng)模型見圖2。

4.2 模型的構(gòu)建與運(yùn)行

根據(jù)雨水進(jìn)入管網(wǎng)前的地表產(chǎn)匯流的水文過(guò)程，首先構(gòu)建降雨徑流模型生成降雨流量過(guò)程線，降雨流量過(guò)程線為管網(wǎng)水力模型提供了上游邊界條件。首先合成降雨過(guò)程，由于缺乏實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，且城區(qū)降雨多為短歷時(shí)強(qiáng)降雨，長(zhǎng)歷時(shí)降雨對(duì)城區(qū)影響不大，綜合考慮采用芝加哥雨型合成短歷時(shí)降雨。根據(jù)西安市暴雨強(qiáng)度公式(見公式3)[17]，降雨選取2018年7月26日9時(shí)至11時(shí)，歷時(shí)2 h，合成1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇的不同重現(xiàn)期的降雨過(guò)程，合成后的降雨過(guò)程線如圖3所示。

(3)

式中：i為暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

圖2 研究區(qū)管網(wǎng)模型

圖3 采用2018年7月26日降雨合成的不同重現(xiàn)期降雨過(guò)程線

接下來(lái)進(jìn)行集水區(qū)的劃分，為網(wǎng)管分配合理的匯水范圍。根據(jù)檢查井的位置及其分布將整個(gè)研究區(qū)劃分成了887個(gè)集水區(qū)，以便得到降雨過(guò)程中地表徑流與各個(gè)檢查井的雨量流動(dòng)過(guò)程。研究區(qū)集水區(qū)的劃分與連接見圖4。

最后設(shè)置集水區(qū)參數(shù)，包括產(chǎn)匯流模型的選取，以及下墊面不透水系數(shù)的設(shè)置，本文將研究區(qū)劃分為6種不同的下墊面類型，分別為建筑用地、廣場(chǎng)用地、道路、人工綠地、水域、其他。根據(jù)相關(guān)排水設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同下墊面類型的不透水率參數(shù)為：建筑用地95%、廣場(chǎng)用地75%、道路85%、人工綠地20%、水域0%、其他60%。

降雨徑流模型運(yùn)行完畢后，構(gòu)建管流模塊來(lái)客觀地描述管網(wǎng)內(nèi)的各種要素及水流流態(tài)，模擬時(shí)間設(shè)置為與降雨徑流模擬結(jié)果一致，并加載其生成的結(jié)果，即可開始模擬。

圖4 研究區(qū)集水區(qū)的劃分與連接

4.3 模型驗(yàn)證

5 結(jié)果分析與討論

5.1 不同重現(xiàn)期降水條件下集水區(qū)徑流過(guò)程分析

降雨徑流模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)了每個(gè)集水區(qū)的最大、最小徑流量、達(dá)到峰值流量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間及整個(gè)區(qū)域的總徑流量。在模型中以曲線圖的形式顯示集水區(qū)徑流累積量的變化過(guò)程(圖5)，同時(shí)還可以加載圖層來(lái)顯示并計(jì)算出每個(gè)集水區(qū)的徑流系數(shù)(圖6)。 由圖5、6可以看出，不同集水區(qū)因面積不同，相應(yīng)的徑流量也不同，達(dá)到峰值流量的時(shí)間略有差異；在同一集水區(qū)下，隨著重現(xiàn)期的增加，徑流量也隨之增加。

5.2 不同重現(xiàn)期降水條件下管流過(guò)程分析

管流模擬結(jié)束后同樣能生成結(jié)果報(bào)告，主要包括管道水位、管道流量、流速、壓力及節(jié)點(diǎn)水位、溢流情況等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，模型包含917段管線、887個(gè)檢查井和43個(gè)排水口。與降雨徑流結(jié)果查看方式一樣，可以生成檢查井與管道水位及流量的變化曲線，以檢查井231(Node 231)水位和管道339(Link 339)水位為例，不同重現(xiàn)期下的水位變化曲線如圖7所示，峰值水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、2所示；同時(shí)可以用圖層的方式展示，以1年一遇管道累積流量為例，結(jié)果如圖8所示。由圖7、8可看出，檢查井和管道水位隨著重現(xiàn)期的增加而增加，峰值水位增長(zhǎng)幅度趨于平緩，但由于降水量的增多，管網(wǎng)不能及時(shí)將雨水排出，導(dǎo)致峰值水位滯后時(shí)間延長(zhǎng)，在這段時(shí)間內(nèi)，地面就可能形成積水。

表1 檢查井231(Node 231)不同重現(xiàn)期下的峰值水位

表2 管道339(Link 339)不同重現(xiàn)期下的峰值水位

5.3 管網(wǎng)排水能力評(píng)估

由于城區(qū)降雨較為集中，匯流時(shí)間一般較短，通常不超過(guò)2 h，故使用1年一遇到5年一遇重現(xiàn)期的降雨來(lái)對(duì)城市排水系統(tǒng)的管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估[18]。根據(jù)模擬產(chǎn)生的管道充滿度及節(jié)點(diǎn)溢流結(jié)果可以顯示管道和節(jié)點(diǎn)在降雨過(guò)程中的狀態(tài)，從而進(jìn)一步評(píng)估現(xiàn)狀管道的排水能力，針對(duì)不滿足標(biāo)準(zhǔn)的管道提出有效的改造方案。管道充滿度及節(jié)點(diǎn)溢流度的計(jì)算方法見公式(4)、(5)[19]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9、10及表3、表4。

(4)

式中：F為管道充滿度；W為水位高程，m；P為管道底高程，m；P′為管道高度，m。當(dāng)F≤1.0時(shí)表示水位未超過(guò)管道頂部，即滿足管道排水設(shè)計(jì)能力，說(shuō)明其排水能力能夠滿足當(dāng)前排水需求；當(dāng)F>1.0時(shí)表示水位超過(guò)管道頂部，即超過(guò)管道排水設(shè)計(jì)能力，認(rèn)為其排水能力已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需求。

NF=W-G

(5)

式中：NF為節(jié)點(diǎn)溢流度，m；W為水位高程，m；G為節(jié)點(diǎn)地面高程，m。 當(dāng)NF≤0時(shí)表示該節(jié)點(diǎn)水位未超過(guò)地表高程，不會(huì)發(fā)生溢流；當(dāng)NF>0時(shí)表示該節(jié)點(diǎn)水位高出地表高程，可能產(chǎn)生積水。

圖5 不同集水區(qū)及不同重現(xiàn)期徑流量變化曲線

圖6 不同集水區(qū)徑流累積量及徑流系數(shù)分布

圖7 檢查井與管道在不同重現(xiàn)期下的水位變化曲線

圖81年一遇降雨研究區(qū)管道累積流量分布 圖91年一遇降雨研究區(qū)管道充滿度

圖101年一遇降雨研究區(qū)節(jié)點(diǎn)溢流度

表3 研究區(qū)管道充滿度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 研究區(qū)節(jié)點(diǎn)溢流度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)不同重現(xiàn)期下管道充滿度的分布情況，利用自動(dòng)建模與智能分析系統(tǒng)(AMIAS)對(duì)城市管道的排水能力按照不同的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，分析得出的結(jié)果見表5、圖11。

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在降雨過(guò)程中，研究區(qū)90%以上的管道處于滿流狀態(tài)，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，溢流井的個(gè)數(shù)也隨之增加，但增幅相對(duì)減緩。說(shuō)明隨著城市化進(jìn)程的加快，原始的地下排水系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前的排水標(biāo)準(zhǔn)。另外，研究區(qū)85.54%的排水管道排水能力不足1年一遇， 排水能力在5年一遇以上的管道僅占6.30%，這是由于傳統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低所致，也是中心城區(qū)頻繁產(chǎn)生積水，形成內(nèi)澇的主要原因。

表5 研究區(qū)管道排水能力分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖11 研究區(qū)管道排水能力分級(jí)

6 結(jié) 論

本文針對(duì)西安市近年來(lái)極端天氣和內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀問題，根據(jù)西安市地形及排水系統(tǒng)的分布選擇了比較具有代表性的護(hù)城河排水分區(qū)為研究對(duì)象，利用MIKE URBAN模型對(duì)研究區(qū)雨洪過(guò)程進(jìn)行模擬和分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)MIKE URBAN能夠較好地反映城市管網(wǎng)水位、流量變化及易澇點(diǎn)的分布情況。

(2)根據(jù)模型的模擬結(jié)果，在不同的降雨重現(xiàn)期下，研究區(qū)90%以上管道處于滿流狀態(tài)，60%以上的檢查井發(fā)生溢流，滿流管段數(shù)和溢流井個(gè)數(shù)會(huì)隨著降雨頻率的增加而增加，但增幅相對(duì)減少。

(3)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低、下墊面不透水率增大、地形等因素是導(dǎo)致地面積水的主要原因，而且研究區(qū)處于中心城區(qū)，且大部分均已建成，大面積改造管網(wǎng)設(shè)施不切實(shí)際，應(yīng)結(jié)合低影響開發(fā)措施從源頭加以控制，緩解當(dāng)前管網(wǎng)排水壓力，降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

(4)城市雨洪是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，具有很大的不確定性，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)城市復(fù)雜條件下數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)手段，在MIKE URBAN中加入不同的情景進(jìn)一步模擬，使得城市洪澇模擬模型的構(gòu)建和應(yīng)用更加精細(xì)化。