基于Mike Urban的雨水管網(wǎng)模型分析

任柯瑋 馬立山 楊國麗 張海平 郭林虎

(河北建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，由于城市的快速擴(kuò)張和老舊城區(qū)規(guī)劃的落后，使得老舊城區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)，現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)不能滿足城市建設(shè)和居民生活[1].內(nèi)澇災(zāi)害是城市化進(jìn)程中急需解決的水問題之一，其根本原因是暴雨，而暴雨的強(qiáng)度、歷時(shí)和過程分配都會(huì)對(duì)城市排水有重要影響[2].水文模型分析是研究城市內(nèi)澇的一個(gè)重要方法，由于水文現(xiàn)象的復(fù)雜性，建立水文模型成為認(rèn)識(shí)和理解水文現(xiàn)象的重要依據(jù)[3].因此老舊城區(qū)管網(wǎng)改造和減少城市內(nèi)澇災(zāi)害經(jīng)常采用雨水管網(wǎng)模型分析.

目前國內(nèi)外對(duì)城市暴雨內(nèi)澇機(jī)理與成因分析的研究主要是基于水文、水動(dòng)力的方法，其中應(yīng)用較廣泛的有SWMM模型、Wall-ingford模型和MIKE模型[4-5].本文以謝崗鎮(zhèn)內(nèi)澇嚴(yán)重的老城區(qū)(中心區(qū))為研究區(qū)域，基于ArcGIS平臺(tái)建立了Mike Urban雨水管網(wǎng)模型，模擬不同雨峰系數(shù)和不同降雨重現(xiàn)期下雨水管網(wǎng)的排水過程，分析不同降雨對(duì)管網(wǎng)的影響并評(píng)估其排水能力，通過增加雨水調(diào)蓄池提高排水能力，為減少謝崗鎮(zhèn)城市內(nèi)澇提供依據(jù).

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

謝崗鎮(zhèn)位于東莞市東部，屬于平原丘陵區(qū)，丘陵山地占全鎮(zhèn)面積40%，平原占60%.受山地洪水匯流較快和平原埔田排水較慢的影響，洪澇災(zāi)害常有發(fā)生.暴雨持續(xù)時(shí)間以一日為主，從降水量及過程特征分析，造成局部地區(qū)洪澇災(zāi)害的降水主要為短歷時(shí)暴雨.謝崗鎮(zhèn)屬于濕潤(rùn)地區(qū)，一般為蓄滿產(chǎn)流，當(dāng)雨強(qiáng)大于5 mm/h即產(chǎn)流，而且由于河涌坡降較陡，匯流較快.

本文收集資料主要為CAD地理高程數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)圖和土地利用圖等，統(tǒng)計(jì)謝崗鎮(zhèn)往年內(nèi)澇資料，主要易澇區(qū)有15個(gè)，大部分集中在謝崗鎮(zhèn)老城區(qū)(中心區(qū))交通要道沿線.根據(jù)《東莞謝崗鎮(zhèn)總體規(guī)劃修改(2016～2020年)》，中心區(qū)現(xiàn)狀城市建設(shè)用地以工業(yè)和居住為主，建設(shè)密度大、硬質(zhì)化程度高且缺乏公共綠地.本文以中心區(qū)為研究對(duì)象建立Mike Urban排水管網(wǎng)模型，有280個(gè)檢查井、281根雨水管道和73個(gè)出水口，根據(jù)檢查井的泰森多邊形位置關(guān)系劃分子匯水區(qū)后的Mike Urban雨水管網(wǎng)模型如圖1所示.

圖1 Mike Urban排水管網(wǎng)模型

2 研究方法

Mike Urban管網(wǎng)內(nèi)澇模型主要分為降雨徑流模擬和管流模擬兩個(gè)階段，在第一階段的降雨徑流模型有時(shí)間面積曲線模型、單位水文過程線模型、線性水庫模型和非線性水庫模型四種模型，本文采用簡(jiǎn)單常用的時(shí)間面積曲線模型(T—A曲線模型)模擬降雨徑流過程.

第二階段的管流模擬中的水動(dòng)力模型將管網(wǎng)中的水流視為非恒定流，用一維圣維南方程組來計(jì)算，并利用Abbott六點(diǎn)隱式差分交替格式求解方程組的數(shù)值解[7].一維圣維南方程組是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：Q為管道流量(m3/s)；A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；x為管道長(zhǎng)度(m)；t為時(shí)間(s)；g為重力加速度(m/s2)；h為管道水位深度(m)；S0為管道坡度；Sf為水力坡度.

3 模型參數(shù)確定與驗(yàn)證

利用Mike Urban將地形數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合排水節(jié)點(diǎn)的泰森多邊形位置關(guān)系概化出280個(gè)子匯水區(qū)，子匯水區(qū)的不透水率計(jì)算結(jié)合《室外排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)(2016年版)和謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)實(shí)際情況，分解的五種下墊面不透水率參數(shù)設(shè)置如下：屋頂與鋪裝(90%)、道路(80%)、綠地(20%)、裸地(10%)和水體(0%).Mike Urban降雨徑流模型中結(jié)合謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)下墊面硬質(zhì)鋪裝較多的實(shí)際情況和前期調(diào)研成果，確定模型參數(shù)如下：降雨初期損失為0.5 mm，流域產(chǎn)流后的水文衰減系數(shù)為0.9，匯流時(shí)間為5～15 min，模擬降雨時(shí)間為24 h，Mike Urban管網(wǎng)模型采用動(dòng)力波方程計(jì)算.

為了保證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，本研究選擇謝崗鎮(zhèn)2015年5月6日和2015年5月20日兩場(chǎng)實(shí)際降雨對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證分別得到9個(gè)易澇點(diǎn)和2個(gè)易澇點(diǎn)(如圖2所示).將模擬得到的內(nèi)澇點(diǎn)和謝崗鎮(zhèn)歷史內(nèi)澇點(diǎn)分布情況進(jìn)行比較，模擬出現(xiàn)的積水區(qū)域與中心區(qū)內(nèi)澇點(diǎn)分布基本吻合，模型可用于中心區(qū)內(nèi)澇問題的研究.

圖2 易澇點(diǎn)分布情況

4 降雨雨型設(shè)計(jì)

降雨條件直接影響Mike Urban模型中降雨徑流模型產(chǎn)匯流的水文過程，從而影響著整個(gè)排水系統(tǒng)的模擬過程.本文通過往年實(shí)測(cè)降雨資料與暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合的方式設(shè)計(jì)出不同雨峰系數(shù)和不同重現(xiàn)期下謝崗鎮(zhèn)24 h降雨過程.采用謝崗鎮(zhèn)雨量資料(1978年～2008年)，將實(shí)測(cè)歷年最大日暴雨量乘以1.1換算為最大24 h暴雨量，按P—Ⅲ型曲線進(jìn)行適線分析，得謝崗鎮(zhèn)多年平均最大24 h降雨量為150 mm，CV=0.4，CS/CV=3.5.計(jì)算得頻率P=2%、5%最大24 h暴雨量分別為312.4 mm、266.3 mm.

設(shè)計(jì)雨型基于東莞市暴雨強(qiáng)度公式并采用廣泛運(yùn)用的芝加哥雨型進(jìn)行過程分配，參考國內(nèi)外大部分地區(qū)的雨峰系數(shù)r值并結(jié)合謝崗鎮(zhèn)往年降雨資料，設(shè)計(jì)雨峰系數(shù)r為0.2、0.35、0.5和重現(xiàn)期T為2 a、5 a、10 a、20 a的降雨歷時(shí)24 h下的芝加哥雨型降雨過程線.雨量計(jì)算采用東莞市暴雨強(qiáng)度公式：

(3)

式中：q為暴雨強(qiáng)度(mm/min)；P為重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(shí)(min).

設(shè)計(jì)P=5%降雨過程線如圖3所示，對(duì)比實(shí)測(cè)資料成果與設(shè)計(jì)降雨過程線成果，實(shí)測(cè)成果較大，根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式推算的降雨量為262.55 mm，比P—Ⅲ型曲線推算的降雨量小1.4%，誤差很小，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式推算值可靠.

圖3 P=5%時(shí)三種r值的芝加哥暴雨過程線

5 模擬結(jié)果分析

5.1 降雨徑流分析

通過降雨徑流模型模擬集水區(qū)徑流過程，能夠得到每個(gè)集水區(qū)產(chǎn)匯流在每個(gè)時(shí)刻的流量速度分布情況，并統(tǒng)計(jì)出每個(gè)集水區(qū)的累積流量.Mike Urban降雨徑流模型通過加權(quán)平均計(jì)算出每個(gè)集水區(qū)的降雨徑流系數(shù)，如圖4所示，可以看出中心區(qū)徑流系數(shù)較大的區(qū)域主要分布在中部.對(duì)比區(qū)域下墊面分布情況，中部區(qū)域建筑小區(qū)密集，地面以不透水鋪裝為主，自然水循環(huán)能力弱，主要是通過雨水管道將降雨徑流排出集水區(qū)；對(duì)比歷史易澇點(diǎn)，中部區(qū)域也是內(nèi)澇頻發(fā)的區(qū)域.

圖4 集水區(qū)徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)

5.2 現(xiàn)狀管網(wǎng)分析

Mike Urban管網(wǎng)模型將不同降雨重現(xiàn)期和雨峰系數(shù)下的降雨徑流結(jié)果作為管流模型的邊界條件輸入，可以得到管道水流在每個(gè)時(shí)刻的水位、流量和速度分布情況.本文通過模擬12場(chǎng)降雨條件下的管道水流情況分析不同降雨雨峰系數(shù)和降雨重現(xiàn)期對(duì)城市內(nèi)澇的影響情況，以不同降雨條件下都能良好運(yùn)行的檢查井Node_173為例分析水位變化.降雨重現(xiàn)期為2a時(shí)不同雨峰系數(shù)r的水位變化如圖5所示，不同r值下峰值水位的變化很小，隨著r值增大只有略微增長(zhǎng)；雨峰系數(shù)r為0.35時(shí)不同降雨重現(xiàn)期T的水位變化如圖6所示，降雨重現(xiàn)期T對(duì)峰值水位的影響很大，隨著降雨重現(xiàn)期的增大峰值水位也明顯增大.

圖5 T為2a時(shí)不同r值下水位變化

圖6 r為0.35時(shí)不同T值下水位變化

由于雨峰系數(shù)對(duì)管道水位變化的影響很小，本文主要考慮不同降雨重現(xiàn)期下的管網(wǎng)易澇情況對(duì)管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估.通過Mike Urban統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀管網(wǎng)在雨峰系數(shù)0.35時(shí)的不同降雨重現(xiàn)期下內(nèi)澇積水深度，將雨水井積水深度NF分為五種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：無風(fēng)險(xiǎn)(積水深度小于0 m)、較低風(fēng)險(xiǎn)(0～0.2 m)、中等風(fēng)險(xiǎn)(0.2～0.5 m)、較高風(fēng)險(xiǎn)(0.5～1 m)和高風(fēng)險(xiǎn)(大于1 m)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.同時(shí)統(tǒng)計(jì)各管道充滿度PF，當(dāng)PF小于等于1時(shí)認(rèn)為管網(wǎng)無需改造，當(dāng)PF大于1時(shí)即認(rèn)為管道排水能力不足，可以進(jìn)行改造，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)雨水管網(wǎng)排水能力在降雨重現(xiàn)期為2 a時(shí)不會(huì)有高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，但是在10 a到20 a時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域迅速增加，極易引發(fā)城市內(nèi)澇，而造成雨水管道溢流的主要原因是管徑偏小和匯水面積較大.

表1 不同重現(xiàn)期下積水深度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 管道充滿度PF統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5.3 改造措施分析

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)勉強(qiáng)能滿足降雨重現(xiàn)期為2a時(shí)的排水能力，為了改善現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力，使雨水管網(wǎng)能滿足10年一遇降雨情形，現(xiàn)提出改造措施，增加4座小型地下調(diào)蓄池如表3所示，分布情況如圖7所示.

表3 規(guī)劃雨水調(diào)蓄池表

圖7 管網(wǎng)改造措施分布

模擬降雨重現(xiàn)期為10 a和20 a下改造前后的排水管網(wǎng)運(yùn)行情況，如圖9所示可以發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域在10年一遇的降雨條件下已經(jīng)沒有了，即使遭遇20年一遇的降雨排水系統(tǒng)也只有兩個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，和改造前下相比大大降低了高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的出現(xiàn).因此改造措施效果良好，能將雨水管網(wǎng)排水能力提高到10年一遇降雨情形，在應(yīng)對(duì)更高強(qiáng)度降雨時(shí)仍然能較好運(yùn)行，能大大降低城市內(nèi)澇形成的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)的雨水管網(wǎng)改造有很好的指導(dǎo)作用.

降雨重現(xiàn)期10a下管道易澇點(diǎn)改造前后對(duì)比

降雨重現(xiàn)期20a下管道易澇點(diǎn)改造前后對(duì)比

通過查看增加雨水調(diào)蓄池前后管道水位變化圖，分析增加調(diào)蓄池對(duì)管道水流的具體影響，以10年一遇降雨條件下3#調(diào)蓄池下游管道Link_180和檢查井Node_225為例，如圖9所示.增加調(diào)蓄池后管道峰值水位有明顯下降，但下降在一個(gè)時(shí)刻趨勢(shì)突然減緩，此時(shí)認(rèn)為調(diào)蓄池儲(chǔ)存的雨水開始向管道釋放減緩了管道水位下降的趨勢(shì)；檢查井水位差值變化在開始處有個(gè)小的向下波折，此時(shí)認(rèn)為調(diào)蓄池剛有水流流入，此后的向下波折時(shí)開始蓄水，向上的波折時(shí)開始排水，峰值水位減小接近0.06 m.由此證明調(diào)蓄池可以調(diào)節(jié)管道流速，降低排水系統(tǒng)的負(fù)荷，但調(diào)蓄池只能緩解管道排水壓力，要想從根本上解決城市內(nèi)澇問題還需要從源頭控制徑流量.因此要解決內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)多采用LID措施來恢復(fù)水自然循環(huán)能力.

圖9 增加調(diào)蓄池前后管道水位和檢查井水位差值變化

6 結(jié) 論

謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)為典型的老城區(qū)，雨水系統(tǒng)較為落后，本文使用Mike Urban模擬謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)在不同降雨重現(xiàn)期和不同雨峰系數(shù)下的雨水管網(wǎng)模型，分析降雨對(duì)排水系統(tǒng)的影響，評(píng)估現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行改造使其滿足10年一遇降雨情形的排水能力，并分析改造措施對(duì)排水管道的影響，為老城區(qū)的排水管網(wǎng)改造提供一定借鑒.分析結(jié)論如下：

(1)謝崗鎮(zhèn)中心區(qū)中部區(qū)域建筑小區(qū)密集，地面以不透水鋪裝為主，導(dǎo)致徑流系數(shù)較大，不有利于水自然循環(huán)，降雨時(shí)排水管網(wǎng)負(fù)荷較大.

(2)雨峰系數(shù)r值對(duì)峰值水位的影響很小，隨著r值增大只有略微增長(zhǎng)；降雨重現(xiàn)期對(duì)峰值水位的影響很大，隨著降雨重現(xiàn)期的增大峰值水位也增大.

(3)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力勉強(qiáng)滿足2年一遇的降雨排水，對(duì)更高強(qiáng)度的降雨排水能力不足，尤其遭遇20年一遇的暴雨極易引發(fā)城市內(nèi)澇災(zāi)害，分析易澇原因主要是管徑較小和匯水面積較大.

(4)本文通過增加雨水調(diào)蓄池能有效改善排水系統(tǒng)的排水能力，將排水能力提高到10年一遇降雨重現(xiàn)期，但想從根本上解決內(nèi)澇問題還需增加LID措施從源頭控制，恢復(fù)水的自然循環(huán).

(5)Mike軟件在城市防澇規(guī)劃中有廣泛應(yīng)用但是城市排水是個(gè)很復(fù)雜的過程，地表的影響很大，本文未考慮河流對(duì)產(chǎn)匯流的影響以及出水口對(duì)河流的影響，在未來還需加強(qiáng)在復(fù)雜地形環(huán)境的研究，使模型模擬效果更準(zhǔn)確，為管網(wǎng)改造提供更好的方案.