基于水動力數(shù)值計算的城市設(shè)計洪水模擬研究

王 盼，何 洋，杜志水

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710065)

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，城市的規(guī)模、容量逐漸擴大，城市下墊面條件發(fā)生了較大改變，區(qū)域不透水面積所占比重增大[1-3]，改變了城市水循環(huán)過程，導致極端降水事件增多，徑流系數(shù)和徑流量增加，洪水特性發(fā)生改變，城市暴雨洪澇風險增大，面源污染情況加劇等。暴雨洪災對我國社會經(jīng)濟造成了嚴重影響，危及居民生命安全。因此，開展城市設(shè)計洪水研究，制定相應治理措施，對減少居民財產(chǎn)損失、保護居民生命安全和科學高效地抵御洪水災害具有重大意義。同時，流域和城市作為整體水文循環(huán)單位，其水環(huán)境治理及水資源調(diào)控當前也面臨巨大挑戰(zhàn)，城市設(shè)計洪水的研究對其進行水環(huán)境治理和水生態(tài)保護也具有重要意義[4-6]。

目前，深圳市大多數(shù)工程設(shè)計中，設(shè)計洪水計算方法采用地方水文手冊中推薦的綜合單位線法或推理公式法，但該方法不能很好地反映城市化后的洪水特性。隨著海綿城市建設(shè)理念的推廣，城市蓄滯、入滲、產(chǎn)流、匯流等水文過程對洪水特性的影響將越來越大，其模擬分析計算方法也越來越復雜，因此對城市水文學研究需求愈發(fā)迫切。

城市暴雨內(nèi)澇模型[7-10]的核心是城市水文、水動力學機制及其耦合模擬，精細模擬城市區(qū)域暴雨產(chǎn)、匯流過程是解析城市內(nèi)澇問題機制的科學基礎(chǔ)。

本研究選取深圳市寶安區(qū)沙井河片區(qū)為研究對象，采用MIKE軟件構(gòu)建MIKE11河道模型、MIKE URBAN管網(wǎng)模型、MIKE11與MIKE URBAN耦合模型，將所構(gòu)建的耦合模型應用于城市設(shè)計洪水模擬，對該區(qū)域的暴雨洪水內(nèi)澇問題及防洪、排澇進行研究。

1 研究區(qū)域概況

1.1 區(qū)位概況

寶安區(qū)位于深圳市西部海岸線，處在珠江口東岸發(fā)展軸上，是穗莞深港黃金走廊的重要節(jié)點，也是粵港澳大灣區(qū)的核心地帶，下轄新安、沙井、松崗等10個街道，土地面積397 km2，海岸線45 km，海域220 km2。本次研究區(qū)域位于沙井街道，地處深圳市西部中心，毗鄰中國特色社會主義先行示范區(qū)重點建設(shè)片區(qū)國際會展城、新橋智創(chuàng)城兩大區(qū)域。

寶安區(qū)所在流域?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛，多年平均降雨量約1 600 mm，降雨年內(nèi)分配極不均勻，汛期(4～9月份)降雨量大而集中，約占全年降雨總量的85%左右，且降雨強度大，多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成洪澇災害，夏季常受臺風侵襲，災害性天氣頻發(fā)。

寶安區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)的核心區(qū)，城市地位和重要性不斷提高，在水安全建設(shè)方面，防洪排澇安全首當其沖，它是保障區(qū)域社會經(jīng)濟安全和人民生命財產(chǎn)安全的基石。

1.2 流域概況

研究區(qū)域位于茅洲河流域，沙井片區(qū)河流有排澇河、沙井河、衙邊涌、共和涌、道生圍涌，均為茅洲河一級支流，排澇河和沙井河通過崗頭調(diào)節(jié)池相連，呈環(huán)狀水系，沙井河及排澇河總流域面積為67.47 km2；潭頭河和潭頭渠之間建有潭頭水閘(節(jié)制閘)，潭頭河洪水下泄至排澇河，潭頭渠洪水下泄至沙井河；橋頭片區(qū)潭頭河、新橋河、上寮河(含支流萬豐河)在崗頭調(diào)節(jié)池匯合后，由崗頭調(diào)節(jié)池下泄至排澇河，排澇河沿程匯入石巖渠后自流排入茅洲河；沙井河沿程有潭頭渠、東方七支渠、松崗河匯入，通過沙井河口泵站(設(shè)計流量170 m3/s)抽排至茅洲河，如圖1所示。

圖1 流域水系圖Fig.1 River network map of the watershed

2 城市水文學模型模擬

2.1 模型構(gòu)建

在城市防洪排澇模擬中，同時存在排水管網(wǎng)、城市河流水系、城市地面等要素，水流可以在降雨(洪水)過程中不斷流入或溢出排水系統(tǒng)，要精確而有效地模擬這種復雜水流情況，常采用耦合模型來計算。本研究采用的河道斷面為近兩年河道綜合整治中的設(shè)計斷面；同時，整理了近幾年雨污分流等工程管網(wǎng)資料用于模型構(gòu)建，由于管網(wǎng)涉及干支管，數(shù)據(jù)龐雜，主要整理管線數(shù)據(jù)及檢查井數(shù)據(jù)。

沙井片區(qū)設(shè)計洪水由上游水庫下泄洪水和區(qū)間洪水組成，其中上游水庫下泄洪水采用天然設(shè)計洪水經(jīng)水庫調(diào)洪后的下泄流量，區(qū)間洪水采用MOUSE管流模型計算結(jié)果。本次采用MIKE11構(gòu)建河網(wǎng)一維水動力模型，MIKE URBAN構(gòu)建區(qū)域管道水動力模型，MIKE FLOOD對其進行耦合，模擬各斷面的設(shè)計洪水與洪水位；模型驗證中，MIKE URBAN與MIKE21耦合，管網(wǎng)節(jié)點直接與地形網(wǎng)格連接，作為管道溢流，水在地表和管網(wǎng)中發(fā)生交互作用，得到澇水在地面的演進情況，耦合模型概化示意圖如圖2所示。

圖2 耦合模型概化示意圖Fig.2 Generalized schematic diagram of the coupled model

2.2 模型率定和驗證

2018年臺風“山竹”期間，流域降雨約5年一遇，赤灣站潮位約100年一遇。本研究采用“山竹”降雨、潮位邊界條件，模擬5年一遇1 h降雨情況下該區(qū)域的內(nèi)澇淹沒最大深度與范圍，結(jié)合“山竹”期間現(xiàn)場實際調(diào)查的澇點情況，與模型模擬的澇點進行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型計算內(nèi)澇點與實測內(nèi)澇點對比圖Fig.3 Comparison diagram of the waterlogging point calculated by model and measured

實測與模擬的淹沒水深對比，如表1所示。從表1可知，內(nèi)澇位置和淹沒水深基本吻合，誤差水深在25%以內(nèi)，說明模型可用于設(shè)計方案計算。

表1 實測、計算淹沒水深對比表Tab.1 Comparison table of measured and calculated submerged depth

2.3 計算方法及邊界條件

2.3.1計算方法

1) 對于天然下墊面，采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(2003年)中綜合單位線法計算上游設(shè)計洪水；城市下墊面洪水采用MOUSE管流模型計算，并采用MIKE11進行洪水演進模擬，最后采用MIKE FLOOD對其進行耦合，計算河口設(shè)計洪水。耦合區(qū)域下墊面解析如圖4所示。

圖4 耦合區(qū)域下墊面解析示意圖Fig.4 Analytical diagram of the underlying surface of the coupling region

2) 全流域采用綜合單位線法計算河口設(shè)計洪水。計算方法概化圖如圖5所示。

2.3.2上邊界條件

1) 流量邊界條件

MIKE URBAN邊界條件為20年一遇、50年一遇降雨過程；MIKE11上邊界為五指耙水庫、長流陂水庫下泄洪水過程。

2) 降雨邊界條件

本研究選取設(shè)計暴雨時，將石巖水庫雨量站實測雨量系列經(jīng)P-III型頻率曲線適線，并與《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(2003年)查算結(jié)果進行對比，從偏安全角度出發(fā)，采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》查圖結(jié)果。

2014年，華北水利水電大學開展《深圳市城市設(shè)計暴雨雨型分析研究》專題，根據(jù)深圳市連續(xù)52年(1962—2013年)實測降雨資料，采用“眾值定位”原則，確定雨峰位置；分析多場實測降雨雨型，統(tǒng)計各時段平均降雨量，綜合確定各時段降雨占24 h降雨量的比例(最小時間間隔5 min)。最終確定了深圳市“珠江三角洲、東江下游、粵東沿岸”三類地區(qū)的雨型及24 h歷時的設(shè)計暴雨雨型，為水利防洪、市政治澇提供了統(tǒng)一的降雨雨型，其結(jié)果如圖6所示。本研究區(qū)域位于珠江口，故采用珠江三角洲雨型。

圖6 深圳2015雨型分配示意圖Fig.6 Rain distribution diagram of 2015 of Shenzhen

采用上述設(shè)計暴雨結(jié)果和雨型分配過程，點面折算系數(shù)按照0.896考慮，計算用于MIKE URBAN水文模型的降雨過程邊界，得到設(shè)計暴雨過程線，如圖7所示。

圖7 設(shè)計暴雨過程線圖Fig.7 Designed rainstorm hydrograph

2.3.3下邊界條件

1) 設(shè)計潮位

茅洲河流域內(nèi)無實測潮位觀測資料，但流域南、北海岸線附近分別設(shè)有赤灣站、舢舨洲潮位站，可作為本次研究設(shè)計潮位的依據(jù)站。本次研究中，設(shè)計潮位復核采用《茅洲河界河整治工程(深圳部分)初步設(shè)計報告)》中的設(shè)計高潮位結(jié)果，如表2所示。

表2 茅洲河河口設(shè)計高潮位結(jié)果表Tab.2 Results of design high tide level of Maozhou River Estuary

2) 雨潮遭遇組合

根據(jù)《深圳市防洪潮(排澇)規(guī)劃(2021—2035)》中赤灣站實測風暴潮資料，按照與設(shè)計高潮位接近的原則，在赤灣站2008年6月23日08:00至25日20:00“黑格比”、2017年8月22日00:00至25日00:55“天鴿”、2018年9月5日00:00至19日00:00“山竹”三場臺風潮位過程中，選取最不利的潮位過程作為典型潮位過程線用于縮放。

綜合來看，“山竹”潮型對擋潮期間的排澇最為不利，因此選取“山竹”潮位過程作為設(shè)計潮型的典型潮位過程，按照變比例放大(主潮峰按同倍比放大，低潮位不變)原則，得到擋潮工況下設(shè)計潮位過程，如圖8所示。

圖8 設(shè)計潮位過程線圖Fig.8 Designed tide curve hydrograph

3 設(shè)計洪水結(jié)果分析

考慮到區(qū)域城市化后洪水過程較天然洪水峰高量大、峰現(xiàn)提前的特點，本研究中設(shè)計洪水的計算考慮水庫和城市兩類下墊面，水庫設(shè)計洪水采用調(diào)洪計算結(jié)果，城市下墊面洪水通過管網(wǎng)模型計算，河道匯流采用一維水流數(shù)學模型進行模擬，最終得到河道各斷面設(shè)計洪水。

MIKE URBAN中使用的水文模型有地表徑流模塊，包括時間面積模型、動力波動模型-非線性水庫、線性水庫模型、單位水文過程線模型，在對比分析的基礎(chǔ)上，本研究選用單位水文過程線模型。

此外，采用廣東省水電廳1991年頒發(fā)的《廣東省暴雨徑流查算圖表》(簡稱《查算圖表》)所介紹的綜合單位線法、推理公式法進行洪水的分析計算。根據(jù)《查算圖表》的要求，兩種方法計算結(jié)果誤差在20%以內(nèi)，最終采用綜合單位線結(jié)果。

根據(jù)上述兩種方法計算研究區(qū)域設(shè)計洪水，沙井河口和排澇河口設(shè)計洪峰結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計洪水結(jié)果表Tab.3 Design flood results table

從表3可看出，洪峰模數(shù)隨著流域面積增大而減小，且同一斷面的洪峰流量模數(shù)隨著頻率(P)的增加而降低，符合一般洪水的變化特性。但由于雨水管道過流能力不足及雨水并未完全排放至河道等原因，造成目前城市洪水耦合模型的設(shè)計洪水計算結(jié)果偏小。

4 結(jié) 語

以深圳市沙井河片區(qū)為研究區(qū)域，利用MIKE FLOOD平臺構(gòu)建暴雨洪水一維水動力與管道水流耦合模型，用于計算該地區(qū)城市設(shè)計洪水?？紤]到流域城市化后，其洪水過程較天然洪水的洪量加大、洪峰增高并提前，本次城市水文模擬研究中設(shè)計洪水計算分別考慮水庫和城市兩類下墊面，水庫設(shè)計洪水采用調(diào)洪計算結(jié)果，城市下墊面洪水采用管網(wǎng)模型進行計算，河道匯流采用一維水流數(shù)學模型進行模擬，最終得到河道各斷面設(shè)計結(jié)果。從計算結(jié)果來看，兩種方法相差不大，城市洪水耦合模型計算的設(shè)計洪水較綜合單位線法結(jié)果偏大，符合區(qū)域城市化后洪水變化的一般規(guī)律。下一步，將結(jié)合實測洪水資料進一步完善模型率定和驗證工作，保證設(shè)計洪水結(jié)果的可靠性及合理性。