基于MIKE FLOOD耦合模型的城市內(nèi)澇模擬

欒震宇，金 秋,，趙思遠(yuǎn)，蔣 姣，盧 翔

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098； 3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力致使城市產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象，稱之為城市內(nèi)澇[1-3]。近年來我國城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，城市化與極端暴雨事件矛盾日益加深，城市水文學(xué)面臨巨大挑戰(zhàn)[4-5]。據(jù)住建部調(diào)研數(shù)據(jù)，2008—2010年全國有231個(gè)城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇，占調(diào)查城市的62%，其中有137個(gè)城市一年內(nèi)澇次數(shù)超過3次[6]。城市內(nèi)澇給居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大威脅，已經(jīng)成為影響城市健康發(fā)展的重癥之一。關(guān)于城市內(nèi)澇問題的研究也逐漸增加，研究熱點(diǎn)主要集中在城市內(nèi)澇過程仿真與模擬、城市內(nèi)澇應(yīng)對(duì)管理、城市防洪排澇體系建設(shè)等方面。目前，國內(nèi)外比較成熟的城市內(nèi)澇仿真模型主要有SWMM、MIKE等。曾照洋等[7]利用SWMM一維管網(wǎng)模型及LISFLOOD-FP二維水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合，模擬了東莞市典型區(qū)域暴雨內(nèi)澇情況，實(shí)現(xiàn)了暴雨區(qū)淹沒范圍和淹沒水深的模擬；欒慕等[8]通過SWMM-MIKE11耦合模型評(píng)估了桐廬縣城市管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力并繪制了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖；李品良等[9]應(yīng)用MIKE URBAN對(duì)成都市老城區(qū)的排水管網(wǎng)在不同降雨強(qiáng)度下承壓運(yùn)行情況及管點(diǎn)溢流情況進(jìn)行模擬，并通過設(shè)置小型調(diào)蓄池和擴(kuò)增管徑兩種途徑改善城市內(nèi)澇狀況；黃琳煜等[10]基于MIKE FLOOD平臺(tái)搭建了暴雨洪澇模型，對(duì)上海市浦東新區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行評(píng)估，為排澇減災(zāi)提供對(duì)策依據(jù)。

針對(duì)城市的排水設(shè)施，構(gòu)建基于一維排水管網(wǎng)模型及二維地表漫流模型的耦合數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分析，可為城市內(nèi)澇防治工作提供一定的技術(shù)支撐。本文基于MIKE FLOOD平臺(tái)，根據(jù)應(yīng)用情境，將MIKE URBAN和MIKE 21模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，從而建立城市內(nèi)澇模型。選擇湖南省新化縣的典型區(qū)域，模擬城市內(nèi)澇的演變過程，從地表淹沒范圍、易澇點(diǎn)的淹沒情況及各排水管網(wǎng)過流能力等方面分析城市內(nèi)澇形成原因，并提出相應(yīng)對(duì)策，以期為揭示城市內(nèi)澇形成機(jī)理、查詢城區(qū)內(nèi)澇易發(fā)區(qū)、分析關(guān)鍵因素對(duì)洪水過程的影響提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

新化縣地處湖南省中部偏西，資江中游，雪峰山東南麓，地處北緯27°31′～28°14′、東經(jīng)110°45′～111°41′，東南與漣源、冷水江市交界，西南與新邵、隆回縣為鄰，西北與溆浦縣接壤，北與安化縣毗連。新化縣行政區(qū)域總面積為3 619.93 km2，縣轄19個(gè)鎮(zhèn)、7個(gè)鄉(xiāng)上渡辦事處和大熊山林場(chǎng)、古臺(tái)山林場(chǎng)2個(gè)林場(chǎng)。根據(jù)第六次全國人口普查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年11月1日新化縣域總?cè)丝跒?38.77萬人。

新化縣城位于資江中游河畔，資江從冷水江市的浪石灘流入境內(nèi)，略呈“Z”字形貫穿城區(qū)，把城區(qū)分成城東區(qū)和城西區(qū)兩部分。本次研究范圍為新化縣城西片區(qū)(圖1)。城區(qū)資江干流長(zhǎng)度為11.67 km，河道平均坡降0.25‰。老城區(qū)為雨污合流制，河?xùn)|片區(qū)大部分為雨污合流制，部分新建管道為雨污分流制。根據(jù)《新化縣城區(qū)排水防澇設(shè)施普查報(bào)告》(2014年9月)，新化縣城區(qū)排水管涵長(zhǎng)度共計(jì)89.825 km，其中合流制管道70.803 km，雨水管道12.725 km，污水管道6.297 km。排水管道主要分布于上梅西路、上梅東路、天華北路、城西北路等。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1排水管網(wǎng)

完善管道和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性及類型，篩選出錯(cuò)誤和不合理的數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行一定的修正。對(duì)于管線點(diǎn)，主要為連接各管道的節(jié)點(diǎn)，其主要信息包括：管線點(diǎn)編號(hào)、管線點(diǎn)類別(檢查井、污篦、進(jìn)水口、排水口等)、平面坐標(biāo)、地面高程、底部高程等。對(duì)于管線，即主要排水通道，其主要信息包括：管線起點(diǎn)編號(hào)、管線連接點(diǎn)編號(hào)、管線材料(混凝土、塑料等)、管線埋設(shè)方式(方溝、管埋等)、管徑或斷面尺寸(圓管為直徑、方溝為長(zhǎng)和寬)等。根據(jù)新化縣2014年9月完成的城區(qū)排水設(shè)施普查工作結(jié)果，處理后的城區(qū)管網(wǎng)和管線點(diǎn)的分布見圖2。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2.2土地利用類型和高程

從原始地形圖中篩選出水系、房屋和街道圖層信息作為土地利用類型(圖3(a))。提取CAD數(shù)據(jù)中的高程散點(diǎn)，通過ArcGIS對(duì)提取的高程散點(diǎn)進(jìn)行插值，考慮道路寬度大概為5 m，取柵格單元尺寸 5 m×5 m，生成Raster柵格數(shù)據(jù)文件，再將此文件轉(zhuǎn)為ASC Ⅱ格式數(shù)據(jù)(圖3(b))。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

1.3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

利用ArcGIS、Excel、MATLAB等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE URBAN軟件中，構(gòu)建雨洪綜合模型。數(shù)據(jù)包括：DEM地形數(shù)據(jù)、檢查井(Manhole)數(shù)據(jù)(井底標(biāo)高、井蓋高程、井直徑等)、管道(Link)數(shù)據(jù)(管道長(zhǎng)度、管道材料、管道斷面形狀及尺寸、坡度、高程等)、土地利用類型(房屋、道路、河道和湖泊等)、面狀水體數(shù)據(jù)(水體的位置、形狀、底寬、深度、邊坡等)。

1.3.2暴雨強(qiáng)度公式

根據(jù)新化縣氣象站1983—2013年的雨量資料編制新化縣暴雨強(qiáng)度公式，按GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議，確定暴雨強(qiáng)度公式為

(a) 管線點(diǎn)

(a) 土地利用類型

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

1.3.3設(shè)計(jì)暴雨推求

根據(jù)SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》和《新化縣排水防澇綜合規(guī)劃》，新化縣城西片的治澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)和澇水排除時(shí)間采用24 h降雨在24 h內(nèi)排除。本次新化縣城西片模型現(xiàn)狀計(jì)算采用此標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)最高內(nèi)澇水位控制在設(shè)計(jì)水位以下，遠(yuǎn)期標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇暴雨、24 h降雨在 24 h內(nèi)排除。

為模擬市政排水管網(wǎng)在不同降雨情境下的狀態(tài)，擬采用芝加哥雨型模型生成降雨過程。該模型以雨強(qiáng)-歷時(shí)關(guān)系為基礎(chǔ)，在表示同頻率最大平均強(qiáng)度規(guī)律的降雨強(qiáng)度計(jì)算模式中，引入降雨強(qiáng)度過程的平均形態(tài)和強(qiáng)度高峰位置，獲得綜合降雨平均強(qiáng)度、最強(qiáng)時(shí)段強(qiáng)度及強(qiáng)度過程的瞬時(shí)降雨強(qiáng)度，而由該瞬時(shí)降雨強(qiáng)度描述的降雨模式概括了強(qiáng)度先大后小和先小后大等特殊雨型，形成更為全面反映降雨各種特征的雨型[11]。芝加哥雨型模型基于暴雨強(qiáng)度公式和雨峰系數(shù)，將國內(nèi)普遍使用的暴雨強(qiáng)度公式根據(jù)設(shè)計(jì)頻率生成動(dòng)態(tài)的降雨過程[12]。

按照上述方法，推求出10年一遇和20年一遇24 h歷時(shí)的降雨峰值分別為4.207 mm/min和 5.506 mm/min、總降水量分別為248.8 mm和 294.8 mm，繪制24 h設(shè)計(jì)暴雨過程如圖4所示。

2 城市內(nèi)澇模型

2.1 MIKE URBAN模型

MIKE URBAN主要包括兩部分[13]：①降雨徑流模擬，即對(duì)于降雨和集水區(qū)匯流過程的模擬；②管網(wǎng)水力學(xué)模擬，即對(duì)于雨水匯流入管道后對(duì)水流流態(tài)和水質(zhì)等的模擬。

(a) 10年一遇

2.1.1降雨徑流模擬

降雨徑流模擬的目的是生成降雨流量過程線(入流流量-時(shí)間曲線)，為后續(xù)的管網(wǎng)水力模擬提供邊界條件，在降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過城市集水區(qū)的劃分和徑流系數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，來模擬降雨、產(chǎn)流、匯流等一系列城市地表匯流過程。模擬過程中，將推求的設(shè)計(jì)暴雨過程作為降雨徑流模型計(jì)算的邊界條件；根據(jù)收集到檢查井(雨篦子)的位置，按照就近排水和大致均勻分配集水區(qū)面積的原則下，劃分各個(gè)進(jìn)水口的集水區(qū)693個(gè)。集水區(qū)劃分情況如圖5所示。

本次計(jì)算，匯流模型采用較為傳統(tǒng)的時(shí)間-面積模型，可以同時(shí)滿足模型計(jì)算的精度和效率；不透水率根據(jù)圖層的土地類型進(jìn)行設(shè)置，將建筑物圖層、道路圖層、磚鋪地面、綠地圖層加載到圖層列中，選擇不透水率分別為0.95、0.85、0.60和0.35；加載降雨邊界條件，采用降雨徑流模型進(jìn)行計(jì)算，將得到的徑流模擬結(jié)果(主要包括各個(gè)集水區(qū)的匯流時(shí)間序列及徑流累積量)作為后續(xù)管網(wǎng)水力模型的邊界條件。

2.1.2管網(wǎng)水力模擬

MIKE URBAN管網(wǎng)水力模型能夠較為準(zhǔn)確客觀地描述管網(wǎng)內(nèi)的各種要素及水流流態(tài)，如橫截面形狀、水流調(diào)節(jié)構(gòu)件、檢查井以及集水區(qū)的各種水頭損失等。導(dǎo)入降雨徑流模擬的結(jié)果，選用管網(wǎng)水力模型重新計(jì)算，可得到設(shè)計(jì)暴雨條件下的管網(wǎng)水力情況。

圖5 集水區(qū)劃分情況

2.2 MIKE 21模型

MIKE 21模型，即二維地表漫流模塊，采用水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組，選擇交替方向隱格式(ADI格式)的有限差分格式進(jìn)行求解計(jì)算[14]。本文利用MIKE 21模型，模擬當(dāng)管網(wǎng)檢查井發(fā)生溢流時(shí)引起的地表水淹沒范圍、淹沒時(shí)間等。建立地表漫流模型的關(guān)鍵步驟是地形處理和網(wǎng)格剖分，進(jìn)而建立地表高程模型并設(shè)置邊界條件以及初始條件等。

2.2.1地形處理和網(wǎng)格剖分

城市內(nèi)澇發(fā)生時(shí)，假定澇水會(huì)繞過房屋所在地，在建模時(shí)，房屋所在處的高程拔高至較高值(澇水淹沒不到)；城市的路面相較周邊要低 0.1～0.2 m，道路所在區(qū)域的高程在原高程上降低0.1～0.2 m。二維地表漫流的地形設(shè)置見圖6，網(wǎng)格精度為5 m；房屋高程統(tǒng)一設(shè)置為290 m(紅色區(qū)域)，且不允許水流通過；道路高程相較周圍地面低0.15 m。

2.2.2初始條件和邊界條件

對(duì)于道路、房屋和綠地等區(qū)域，設(shè)定初始水深和流量為0，初始流速恒為0。計(jì)算區(qū)域南部管網(wǎng)較少，區(qū)域的產(chǎn)匯流采取直接降雨法，降雨直接進(jìn)入該區(qū)域，流動(dòng)由二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行直接模擬。管網(wǎng)匯入內(nèi)河，通過涵、閘等水利工程與外江連接，內(nèi)河水位設(shè)置為邊界。計(jì)算區(qū)域北部主要為居民區(qū)，而南部主要為農(nóng)田和湖泊，根據(jù)相關(guān)水動(dòng)力學(xué)模型手冊(cè)選定糙率范圍為1/30～1/35。

圖6 二維地表漫流的地形設(shè)置

2.3 耦合模型

在MIKE FlOOD耦合模擬平臺(tái)上連接閘泵調(diào)度嵌入一維排水管網(wǎng)模型MIKE URBAN和二維地表漫流模型 MIKE 21，能夠反映城區(qū)中排水流態(tài)在管道及可能的地表積水的表現(xiàn)，這拓展了傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型的模擬能力，能更準(zhǔn)確地反映城市排水管網(wǎng)中的水流和地表漫出的水流的交互，模擬地表積水以及退水等情況。MIKE URBAN和MIKE 21通過管網(wǎng)和地形耦合連接，具體見圖7。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表漫流

通過模擬研究區(qū)域10年一遇和20年一遇24 h降雨歷時(shí)暴雨條件下地面淹沒水深，可以清晰地體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的最大淹沒水深變化，結(jié)果見圖8。

(a) 10年一遇

3.2 易澇點(diǎn)

易澇點(diǎn)是內(nèi)澇積水的敏感點(diǎn)，也是城市排水防澇工作的重點(diǎn)研究對(duì)象。結(jié)合模擬結(jié)果和實(shí)際情況，本次研究區(qū)域內(nèi)共有5處易澇點(diǎn)，分別為永興街易澇點(diǎn)、立新橋易澇點(diǎn)、濱江北路易澇點(diǎn)、向東街易澇點(diǎn)及工農(nóng)河路易澇點(diǎn)。在5處易澇點(diǎn)選取特征點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，其水深變化過程如圖9所示。由圖9可見，5處易澇點(diǎn)均存在一定程度上的積水，且當(dāng)20年一遇降雨來臨的時(shí)候，積水深度更大。在24 h歷時(shí)的降雨條件下，5處易澇點(diǎn)反映出了不同的規(guī)律，即于永興街、向東街和工農(nóng)河路在降雨過程中很快達(dá)到水深峰值，然后緩緩下降，濱江北路在降雨峰值過后，水深仍不斷增加，但立新橋在降雨過程中，出現(xiàn)了一定程度的下降。各易澇點(diǎn)的最大淹沒水深見表1，可見，兩種降雨重現(xiàn)期的情況下，5處易澇點(diǎn)的最大淹沒水深具有相同的變化規(guī)律，在20年一遇降雨強(qiáng)度條件，易澇點(diǎn)最大水深為1.594 m(濱海北路)，大于10年一遇降雨條件下的最大水深1.285 m。

圖7 耦合模型示意圖

(a) 10年一遇

表1 易澇點(diǎn)最大淹沒水深

3.3 管道排水能力

根據(jù)模擬得到的管道最大充滿度及其長(zhǎng)度可以顯示管道在降雨過程中的狀態(tài)，從而進(jìn)一步評(píng)估現(xiàn)狀管道的排水能力。各管道最大充滿度如圖10所示。各最大充滿度區(qū)間的管道總長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由圖10和表2可見，在兩種暴雨重現(xiàn)期條件下，絕大多數(shù)管道(10年一遇82%、20年一遇80%)的最大充滿度都小于4，說明這些管道在排水過程中，基本能滿足排水需求。但仍有一部分管道(10年一遇5%、20年一遇8%)的最大充滿度大于6，管道內(nèi)部壓力較大。并且，相較于10年一遇的暴雨，20年一遇的管道平均充滿度要略高。選取兩條典型管道，管道a位于天華北路西側(cè)、管道b位于城西北路西側(cè)，兩條典型管道的最高水位統(tǒng)計(jì)如圖11和12所示，可見城中大多數(shù)管道基本能滿足城市排水的需求。

3.4 討論

新化縣作為山區(qū)城市，外河洪水陡漲陡落，與半山半湖地區(qū)類似，主要采取撇洪和泵站相結(jié)合的辦法來排澇。通過以上對(duì)現(xiàn)狀的排水系統(tǒng)的模型計(jì)算和分析，可以發(fā)現(xiàn)：①由于已經(jīng)建成城市管網(wǎng)存在一些不合理的管段，如管徑設(shè)置不合理、坡降不合理等，致使城市內(nèi)的水量不足以立即排入資江或花山漁場(chǎng)，使得新化縣老城區(qū)的整體排水能力受到很大影響，部分區(qū)域達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)劃的排水標(biāo)準(zhǔn)。②城內(nèi)主要的調(diào)蓄湖泊及暗渠均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)20年一遇暴雨來臨時(shí)，城市內(nèi)主要湖泊和暗渠水位均在限制水位以下，基本沒有洪水風(fēng)險(xiǎn)；特別是工農(nóng)河暗渠，4.5 m×2 m的過流斷面能滿足城市排水的需要，只需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的疏浚和維護(hù)。③城市內(nèi)現(xiàn)有的泵站系統(tǒng)能滿足排水的需要，造成計(jì)算區(qū)域易澇點(diǎn)最大水深大于0.8 m的原因大多是因?yàn)楣芫€設(shè)置不合理及地勢(shì)較低，僅僅依靠擴(kuò)容泵站系統(tǒng)，不能從根本上改變上述5處易澇點(diǎn)的現(xiàn)狀。④針對(duì)不同的易澇點(diǎn)，需要采用不同的處理方案，針對(duì)立新橋和濱海北路，重點(diǎn)應(yīng)該在于對(duì)周邊的雨水管線進(jìn)行疏通、改造和升級(jí)，使得上游來水能順利排入資水；針對(duì)工農(nóng)河、永興街和向東街，應(yīng)該增設(shè)雨水篦、雨水管道，及時(shí)清理路面，讓雨水能迅速進(jìn)入下水管道，從而輸送至調(diào)蓄水體。

表2 管網(wǎng)最大充滿度區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

4 結(jié) 論

a. 基于MIKE FLOOD平臺(tái)，將MIKE URBAN和二維模型MIKE 21耦合，建立城市排澇數(shù)學(xué)模型。選取新化縣城的部分區(qū)域，運(yùn)用城市內(nèi)澇模型，對(duì)城市內(nèi)澇情景進(jìn)行模擬分析。驗(yàn)證結(jié)果顯示，模擬效果較好，結(jié)果與實(shí)際發(fā)生及調(diào)查情況基本吻合，耦合模型適用于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，新化縣部分地下管網(wǎng)設(shè)置不合理，城市內(nèi)的水量不足以立即排入資江或花山漁場(chǎng)，部分區(qū)域達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)劃的排水標(biāo)準(zhǔn)；城內(nèi)主要的調(diào)蓄湖泊及暗渠均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；城市內(nèi)現(xiàn)有的泵站系統(tǒng)能滿足排水的需要。

b. 城市內(nèi)澇的主要原因并非完全因?yàn)樽匀粸?zāi)害，在很大程度上是不科學(xué)的城市開發(fā)行為造成的。城市開發(fā)不能過分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益而忽略了社會(huì)和生態(tài)環(huán)境效益，在設(shè)計(jì)排澇工程總體布局時(shí)，需合理劃定排澇區(qū)，論證自排的概率與可能性，根據(jù)不同區(qū)域的水系、地形排澇需求等，擬定不同的治理措施?？砂凑找虻刂埔恕⒎謪^(qū)治理、統(tǒng)籌兼顧、蓄排結(jié)合、防洪安全的原則，制定城市內(nèi)澇保障方案和工程體系，采取“滲、滯、蓄、排、管”措施，把河湖水系規(guī)劃、治澇工程建設(shè)、排水管網(wǎng)建設(shè)和雨水利用、洪水削減結(jié)合起來。采用強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)精細(xì)化管理，科學(xué)合理規(guī)劃建設(shè)時(shí)序，并協(xié)調(diào)多部門的力量提高綜合應(yīng)急能力。根據(jù)當(dāng)?shù)爻鞘袃?nèi)澇調(diào)研的現(xiàn)狀及存在的問題分析，結(jié)合地形等具體條件，按“分片排澇、等高截流；留湖蓄澇、排蓄結(jié)合；自排為主、輔以抽排；排滲蓄滯、綜合治理”的原則合理確定排澇工程。根據(jù)實(shí)際情況提出工程主要控制指標(biāo)，如調(diào)蓄水面率、承泄區(qū)控制水位等參數(shù)。同時(shí)加強(qiáng)預(yù)警和應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)以及相關(guān)法律法規(guī)的完善。