基于MIKE耦合模型的綠化率對(duì)城市內(nèi)澇影響研究

張 旭， 李占斌,2， 張 洋， 袁水龍， 李 鵬

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊陵 712100； 3.西安國際港務(wù)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水務(wù)局， 陜西 西安 710026)

1 研究背景

近年來，城市化建設(shè)規(guī)模逐漸增大且進(jìn)程不斷加快，下墊面不透水面積迅速增加，加上暴雨等極端天氣頻發(fā)，使得我國許多城市在遭遇強(qiáng)降雨之后極易形成內(nèi)澇災(zāi)害[1]，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。城市內(nèi)澇已經(jīng)成為許多國家和地區(qū)面臨的共同問題[2]。不透水率增加、排水系統(tǒng)老化以及管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低導(dǎo)致地面雨水不能及時(shí)排出，也是城市內(nèi)澇形成的直接原因[3]。

針對(duì)日益突出的城市內(nèi)澇問題，國內(nèi)外學(xué)者在城市洪水過程的模擬分析、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估等方面進(jìn)行了大量研究。Yin等[4]采用基于網(wǎng)格的地理信息系統(tǒng)(GIS)方法，對(duì)城市淹沒面積和淹沒深度進(jìn)行了模擬，并采用小規(guī)模綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Schmitt等[5]將城市洪水發(fā)生頻率定義為一個(gè)水力性能指標(biāo)，分析了城市排水系統(tǒng)中因附加的污水管道而引起的城市洪水現(xiàn)象，提出了建立城市雙排水系統(tǒng)模型的必要性；Li等[6]以海綿城市試驗(yàn)區(qū)為研究背景，通過建立MIKE FLOOD模型闡明了低影響開發(fā)措施對(duì)城市降雨徑流及污染物的影響規(guī)律。目前，我國在城市雨洪模型和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析方面的研究也取得了較好的成果，麻蓉等[7]利用MIKE 21模型模擬了某小區(qū)地面積水過程，為城市內(nèi)澇災(zāi)害的防治提供了技術(shù)支撐；黃紀(jì)萍[8]利用SWMM構(gòu)建城市排水管網(wǎng)模型，在城市內(nèi)澇模擬技術(shù)方面取得了較為理想的效果；沈黎達(dá)等[9]基于復(fù)雜的城市下墊面，提出了一種新的城市內(nèi)澇匯水區(qū)的劃分方法。此外，對(duì)城市內(nèi)澇與降雨時(shí)空分布的關(guān)系、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和防澇規(guī)劃等方面的研究也取得了良好的進(jìn)展[10-14]。

目前，城市雨洪模擬技術(shù)逐漸成熟，已開發(fā)了多種模型，如SWMM、STORM、Info-Works 、MIKE系列模型等[15]。從不同的條件下對(duì)城市內(nèi)澇模擬的可行性來看，MIKE系列模型非常適合于模擬不同情景下的的城市雨洪過程。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以西安市新城區(qū)為研究區(qū)域，利用MIKE FLOOD平臺(tái)模擬不同情景下城市地表淹沒水深、淹沒范圍、淹沒歷時(shí)等情況，并對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)做出系統(tǒng)評(píng)估。

2 研究區(qū)概況

西安市新城區(qū)位于陜西省西安市城區(qū)東北部，跨越城墻內(nèi)外，歷史悠久，交通便利，地理位置優(yōu)越，旅游資源豐富，具有深厚的文化積淀。該區(qū)域占地面積約30.22 km2，年降水量在560～630 mm之間，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下排水管網(wǎng)分布密集，布設(shè)了雨水、污水和雨污合流3種排水系統(tǒng)，雨水大多通過雨水管道排入護(hù)城河。新城區(qū)土地利用化程度高，城市化建設(shè)規(guī)模較大，用地特征明顯?，F(xiàn)狀土地利用類型大致分為7類，據(jù)統(tǒng)計(jì)，西安市城區(qū)總綠化率為33.90%，其中新城區(qū)綠化率僅為17.23%，遠(yuǎn)低于平均水平。當(dāng)遇到暴雨等極端天氣時(shí)，城區(qū)內(nèi)極易遭遇內(nèi)澇災(zāi)害。故本研究在現(xiàn)有土地利用的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)部分硬化地表和低矮城中村轉(zhuǎn)化為人工草地[16]，使研究區(qū)綠地面積比例分別增加至20%、25%、30%、35%，分析不同情景對(duì)地面淹沒情況的影響。研究區(qū)土地利用類型分布現(xiàn)狀及實(shí)測(cè)積水點(diǎn)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)土地利用類型分布現(xiàn)狀及實(shí)測(cè)積水點(diǎn)位置

3 研究方法

本文基于MIKE FLOOD洪水模型將城市地下管網(wǎng)模型(MIKE URBAN)與二維地表漫流模型(MIKE 21)耦合，彌補(bǔ)了單一模型計(jì)算的不足。一維排水管網(wǎng)模型包含降雨徑流和管流兩個(gè)模塊，其中降雨徑流模塊以不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨作為輸入條件，一維水流的計(jì)算通過隱式有限差分法進(jìn)行求解。利用圣維南方程組[17]來計(jì)算管流模塊管網(wǎng)中的水流狀態(tài)，圣維南方程組由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：Q為管道過水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；A為管道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；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。

MIKE 21模型用來模擬地表流場(chǎng)、流速和水位的變化[18]，應(yīng)用二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程組求解。其連續(xù)性方程可由公式(3)表示，公式(4)、(5)分別表示X和Y方向的動(dòng)量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：h為水深，m；ζ為地表高程，m；x、y為空間坐標(biāo)，m；p、q分別為x、y方向上的流通通量，即單寬流量，m3/(s·m)；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；g為重力加速度，m/s2；t為時(shí)間，s；τxx、τxy、τyy為有效剪切應(yīng)力分量，kg/m2；ρ為水的密度，g/m3；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω為科里奧利參數(shù)；f為風(fēng)阻力系數(shù)；pa為大氣壓強(qiáng)，Pa。

4 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

4.1 研究區(qū)管網(wǎng)模型建立

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，通過MIKE URBAN建立一維排水管網(wǎng)模型。管道直徑200～2 600 mm，檢查井直徑設(shè)置為1 m，根據(jù)檢查井的分布情況，采用泰森多邊形法劃分多個(gè)子集水區(qū)。模型包含435個(gè)管線、448個(gè)檢查井、6個(gè)排水口，概化后的管網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 研究區(qū)概化管網(wǎng)模型圖

構(gòu)建二維地表漫流模型的關(guān)鍵是數(shù)字高程模型(DEM)，DEM柵格精度直接影響到模型計(jì)算的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性[19]。采用分辨率為5 m的高精度DEM，將不同土地利用類型加載于DEM之上，形成完整的地形圖。最后，利用MIKE FLOOD耦合模擬平臺(tái)對(duì)管道內(nèi)的水流和地表水的性能進(jìn)行重新評(píng)估，模擬管道水流與地表水的相互作用。

4.2 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證通過輸入實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)來完成，由于內(nèi)澇點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，故只收集到兩場(chǎng)有效降雨數(shù)據(jù)，其中參數(shù)率定過程利用2016年7月24日實(shí)測(cè)降雨，總降雨量約為19.8 mm，持續(xù)時(shí)間304 min，降雨重現(xiàn)期接近1年一遇，選取太華路立交、朝陽門加油站、火車站下穿隧道等3個(gè)實(shí)測(cè)積水點(diǎn)(積水點(diǎn)位置見圖1)水深對(duì)結(jié)果進(jìn)行率定。模型基本數(shù)據(jù)輸入完成后需要多次調(diào)試參數(shù)，直至模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)內(nèi)澇點(diǎn)水深相吻合。由率定結(jié)果可知，下墊面不透水率與水文衰減系數(shù)對(duì)管網(wǎng)模型影響較大，而二維地表漫流模型的結(jié)果準(zhǔn)確性主要取決于網(wǎng)格的大小與模擬的時(shí)間步長。其他參數(shù)率定結(jié)果見表1。

表1 模型各參數(shù)率定結(jié)果

選取2016年6月23日實(shí)測(cè)降雨對(duì)應(yīng)的華清西路與二環(huán)東路十字與新城廣場(chǎng)皇城西路口兩處的實(shí)測(cè)積水點(diǎn)(積水點(diǎn)位置見圖1)水深對(duì)率定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該次降水的總降雨量為25.6 mm，歷時(shí)504 min，降雨重現(xiàn)期接近2年一遇，模型率定及驗(yàn)證結(jié)果見表2。 由表2可以看出，模擬結(jié)果均在積水點(diǎn)水深的實(shí)測(cè)范圍內(nèi)，表明模型各參數(shù)設(shè)定合理，模擬精度較高，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，可用于城市內(nèi)澇的模擬研究。

表2 積水點(diǎn)水深模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

4.3 雨型設(shè)計(jì)

為了研究不同頻率暴雨過程對(duì)研究區(qū)內(nèi)澇情況的影響，根據(jù)西安市降雨特點(diǎn)并結(jié)合西安市暴雨公式[20]合成短歷時(shí)降雨過程線，暴雨強(qiáng)度公式如下：

(6)

式中：q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。

城市地區(qū)降雨多為短歷時(shí)降雨，諸多學(xué)者對(duì)短歷時(shí)雨型進(jìn)行了不同程度的研究，其中芝加哥雨型在短歷時(shí)的設(shè)計(jì)降雨分布中得到了廣泛應(yīng)用。因此，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，利用芝加哥雨型計(jì)算設(shè)計(jì)降雨過程，根據(jù)畢旭等[21]的研究結(jié)果，雨峰系數(shù)取值為0.35。根據(jù)西安市暴雨強(qiáng)度公式和降雨分布過程，計(jì)算出3、5、10、20 a的高重現(xiàn)期短歷時(shí)(2 h)降雨量。設(shè)計(jì)雨量分別為39、46、56、67 mm。

5 結(jié)果與分析

5.1 不同水深下的淹沒范圍

根據(jù)研究區(qū)在MIKE FLOOD耦合平臺(tái)的模擬結(jié)果，比較了現(xiàn)狀及4種情景在不同降雨重現(xiàn)期下的淹沒深度及淹沒范圍大小。圖3顯示了在現(xiàn)狀土地利用下，研究區(qū)在不同重現(xiàn)期降雨時(shí)地面最大水深的分布情況。

圖3 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀下不同降雨重現(xiàn)期最大水深分布

圖3中的模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)在現(xiàn)狀土地利用下，不同重現(xiàn)期降雨的地面積水水深以0～0.05 m為主，其次為0.05～0.15 m；0.05 m以上深度的積水大多集中在道路及排水管道尺寸較小的區(qū)域，主要因?yàn)榉e水點(diǎn)的位置一般低于周邊地勢(shì)，而且管網(wǎng)分布較為密集的區(qū)域通常存在管徑小、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、排水系統(tǒng)老化等問題，導(dǎo)致雨水不能及時(shí)排放，形成內(nèi)澇災(zāi)害；淹沒面積隨著重現(xiàn)期的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，局部水深達(dá)到0.6 m以上的地區(qū)一般處于高密度住宅區(qū)附近，地勢(shì)較低，人口密集，地面多為不透水路面。從整體上來看，不同重現(xiàn)期下研究區(qū)水深的空間分布大體呈一致狀態(tài)。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)不同降雨重現(xiàn)期各情景各淹沒水深分級(jí)的淹沒面積，如表3所示，其中情景1～4分別代表研究區(qū)綠地面積比例為20%、25%、30%和35%的工況。

表3 研究區(qū)不同降雨重現(xiàn)期各情景各淹沒水深分級(jí)的淹沒面積統(tǒng)計(jì) hm2

由表3可看出，淹沒范圍、淹沒深度與設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期之間存在正相關(guān)關(guān)系；隨著淹沒深度級(jí)別的增大，其相應(yīng)的淹沒面積逐漸減小；增加綠化率會(huì)在一定程度上減小淹沒范圍，對(duì)城市洪水具有一定的調(diào)節(jié)作用，不同情景下綠地面積比例越高，則對(duì)地面積水的削減效果越好，綠地比例在35%時(shí)(情景4)的效果最為明顯，各重現(xiàn)期下分別比現(xiàn)狀總淹沒面積減少20.64%、20.83%、18.42%、18.40%。但也發(fā)現(xiàn)降雨重現(xiàn)期達(dá)到10年一遇時(shí)，這種削減效應(yīng)會(huì)開始有所減弱，原因可能是在高重現(xiàn)期降雨條件下，不同下墊面的入滲能力達(dá)到飽和，地表逐漸匯集超滲雨水，同時(shí)大部分排水管網(wǎng)也達(dá)到滿流狀態(tài)，部分地區(qū)的多余積水不能及時(shí)排出，短時(shí)間難以緩解內(nèi)澇壓力。

5.2 不同淹沒歷時(shí)的淹沒范圍

除淹沒深度外，淹沒歷時(shí)也是評(píng)價(jià)內(nèi)澇災(zāi)害的重要指標(biāo)。一般情況下，積水時(shí)間較長的區(qū)域往往積水深度較深，因?yàn)榉e水較深的區(qū)域一般地勢(shì)較低，很難在短時(shí)間內(nèi)排出聚集的雨水。通過統(tǒng)計(jì)不同情景和不同降雨重現(xiàn)期的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出淹沒水深在0.15 m以上以及淹沒歷時(shí)超過20 min的不同歷時(shí)的淹沒范圍，結(jié)果如表4所示。

表4 研究區(qū)不同降雨重現(xiàn)期各情景不同淹沒歷時(shí)的淹沒面積統(tǒng)計(jì) hm2

由表4可以看出，各情景淹沒歷時(shí)隨著降雨重現(xiàn)期的增大而延長；同一歷時(shí)時(shí)段的淹沒面積隨著研究區(qū)綠化率的增大而減小，但重現(xiàn)期在10年一遇以上時(shí)，淹沒面積的削減效果同樣呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)，這是因?yàn)楦咧噩F(xiàn)期降雨情況下進(jìn)入排水管道的流量也隨之增大，但管道的排水能力受管道尺寸大小的限制，存在排水時(shí)間隨重現(xiàn)期的增大而延長的現(xiàn)象。上述結(jié)果表明，在高重現(xiàn)期的降雨情況下，單靠增加下墊面透水率對(duì)緩解城市內(nèi)澇的效果并不明顯，除了重視綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以外，還應(yīng)從源頭防治，多措并舉，加強(qiáng)排水控制系統(tǒng)的管理，在保證城市水安全的前提下，解決超標(biāo)雨水的問題。

5.3 研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

城市地表積水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)綜合考慮淹沒水深和淹沒歷時(shí)兩個(gè)方面來進(jìn)行分析，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)強(qiáng)降雨對(duì)城市地區(qū)的影響。結(jié)合西安地區(qū)的內(nèi)澇研究[10], 對(duì)模型模擬結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，將內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)等級(jí)：(1)輕度積澇，即最大水深0.15～0.6 m且淹沒歷時(shí)15～30 min；(2)中度積澇，即最大水深0.15～0.6 m且淹沒歷時(shí)30～60 min；(3)重度積澇，即最大水深0.6 m以上且淹沒歷時(shí)60 min以上。按3個(gè)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算出相應(yīng)的淹沒區(qū)域面積，降雨重現(xiàn)期為3和20 a時(shí)，研究區(qū)現(xiàn)狀與情景4(綠化率為35%)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布如圖4所示，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相應(yīng)的淹沒面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

由圖4和表5可以看出，整個(gè)研究區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)主要來自道路，各內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相應(yīng)的道路淹沒面積占總淹沒面積的50%左右；隨著重現(xiàn)期的增加，各內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的淹沒面積也相應(yīng)增大，5個(gè)實(shí)測(cè)積水點(diǎn)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)從輕度積澇轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸确e澇；當(dāng)降雨重現(xiàn)期為3 a時(shí)，研究區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要以中度積澇為主，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為20 a時(shí)，研究區(qū)中度積澇風(fēng)險(xiǎn)的淹沒面積增大，少數(shù)地勢(shì)低洼地區(qū)會(huì)出現(xiàn)重度積澇現(xiàn)象；當(dāng)綠化面積增大到35%時(shí)(情景4)，各重現(xiàn)期內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)總淹沒面積比現(xiàn)狀分別減少了30.26%、23.98%、23.25%、23.07%，結(jié)合研究區(qū)布設(shè)較為密集的排水系統(tǒng)，能夠排出多余的水量，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)與現(xiàn)狀相比有所下降。

圖4 研究區(qū)現(xiàn)狀與情景4的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布(降雨重現(xiàn)期為3、20 a)

表5 研究區(qū)各內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相應(yīng)的淹沒面積統(tǒng)計(jì) hm2

6 結(jié) 論

建立了研究區(qū)水動(dòng)力學(xué)的MIKE FLOOD耦合模型，通過設(shè)定4種情景來分析不同降雨重現(xiàn)期下，改變綠地面積比例對(duì)城市洪水及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)MIKE模型能夠較好地模擬城市管網(wǎng)中的水動(dòng)力過程和地表積水情況，模型率定和驗(yàn)證的結(jié)果表明，模擬的積水點(diǎn)水深均在實(shí)測(cè)值的范圍內(nèi)，在實(shí)際的工程領(lǐng)域內(nèi)具有一定的可靠性和廣泛的應(yīng)用前景。

(2)綠化面積比例為35%時(shí)，淹沒面積削減效果最為明顯，在降雨重現(xiàn)期為3、5、10、20 a時(shí)，0.05 m以上水深的淹沒面積比現(xiàn)狀分別減少了20.64%、20.83%、18.42%、18.40%；積水歷時(shí)20 min以上的淹沒面積比現(xiàn)狀分別減少了31.18%、24.40%、24.55%、23.33%；各重現(xiàn)期內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)總淹沒面積比現(xiàn)狀分別減少了30.26%、23.98%、23.25%、23.07%，總體來看，增加綠地面積對(duì)城市地表水深、淹沒范圍和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)具有一定的控制作用，其中重現(xiàn)期在5年一遇及其以下的降雨控制效果較為顯著，隨著重現(xiàn)期的增大，控制效果會(huì)減弱，說明傳統(tǒng)的海綿城市措施已不能滿足高重現(xiàn)期降雨等極端天氣下的城市防洪排澇需求，應(yīng)制定一套切實(shí)可行的方案來應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨等突發(fā)事件。

(3)建議城市應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，同時(shí)加強(qiáng)雨水綜合利用，建立完善的城市雨洪管理體系；排水管網(wǎng)應(yīng)做好雨污分流，提高應(yīng)急排水能力；在源頭設(shè)置雨水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徑流總量源頭控制并保持排水管道的暢通。這種多措并舉、上下聯(lián)動(dòng)的協(xié)調(diào)機(jī)制有利于緩解洪水壓力，減少城市內(nèi)澇帶來的風(fēng)險(xiǎn)和損失。