基于MIKE FLOOD耦合模型的城市中心片區(qū)內(nèi)澇分析

范慶元 程定譜

摘要：本文通過建立MIKE FLOOD耦合模型，得到內(nèi)澇淹沒深度、淹沒范圍、淹沒時間等關(guān)鍵信息，分析內(nèi)澇嚴重程度;并結(jié)合治理方案驗證內(nèi)澇治理效果，最后得出MIKE FLOOD耦合模型能夠為內(nèi)澇治理提供理論支撐的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：MIKE FLOOD耦合模型;內(nèi)澇治理;淹沒

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的日趨完善，城市下墊面情況逐漸發(fā)生變化，混凝土等不透水面積逐年增加，導(dǎo)致雨水徑流增大，城市內(nèi)澇日益嚴重。李品良等指出，目前我國各地城市排水標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，應(yīng)當(dāng)對其運行能力進行評估，找出管網(wǎng)中存在溢流情況的節(jié)點進行改造，已成為城市防洪排澇的關(guān)鍵所在[1]。而通過擴增雨水管網(wǎng)，利用雨水管網(wǎng)將上游場地的積水輸送至下游，雖然解決了場地積水的問題，但在匯流過程中產(chǎn)生的洪峰流量能在河道中不斷地迅速疊加，從而將雨洪壓力轉(zhuǎn)嫁到下游[2]城市下游河道洪峰流量增加、水位增高必將導(dǎo)致雨水管網(wǎng)頂托排水不暢，進一步加大內(nèi)澇風(fēng)險。

本研究以深圳某片區(qū)為例，通過構(gòu)建城市河流水系模型（MIKE11）、雨水管網(wǎng)模型（MIKE URBAN）、城市二維地形模型（MIKE21），利用MIKE FLOOD模型平臺進行耦合，分析100年一遇降雨下城市積水點，結(jié)合內(nèi)澇嚴重程度，提出管網(wǎng)擴建、空間調(diào)蓄、海綿城市建設(shè)等綜合措施解決城市內(nèi)澇問題。

1.模型建立

MIKE11模型由河網(wǎng)文件、斷面文件、參數(shù)文件、邊界文件、模擬文件等主要部分組成，如下圖所示。模型建立時輸入主要邊界包括匯水區(qū)參數(shù)、降雨、下游水位、河道基礎(chǔ)參數(shù)等，得到城市河流暴雨洪峰水流模型。

MIKE Urban模型主要利用研究區(qū)域的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息搭建流域內(nèi)給排水管網(wǎng)模型。本次根據(jù)實測1：1000地形圖、雨水管網(wǎng)物探資料，以排口為單位劃分匯水分區(qū)，并制作成矢量文件導(dǎo)入MIKE Urban中，使用集水區(qū)自動劃分工具進行子集水區(qū)的劃分。

MIKE21模型主要為二維地形處理，利用1：1000地形圖提取地形地貌信息等。

利用MIKE FLOOD模型平臺在同一個地理坐標(biāo)系統(tǒng)下加載MIKE11文件、MIKE21文件、MIKE Urban文件，形成動態(tài)耦合模型系統(tǒng)，分析片區(qū)100年一遇降雨下城市內(nèi)澇情況。

本次所采用的MIKE系列軟件因各模塊的研究范圍、研究目的和所需資料等各不相同，故對各模塊單獨進行率定和驗證。通過與周邊已有河流模型數(shù)據(jù)比較，本次模型模擬的成果與現(xiàn)有成果趨勢、峰現(xiàn)時間、洪峰及總量基本一致，因此認為模型成果可用。

2.內(nèi)澇分析

根據(jù)《深圳市內(nèi)澇防治完善規(guī)劃》中內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)要求：近期（至2025年）：城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為50年，重點地區(qū)內(nèi)澇防治重現(xiàn)期為100年;遠期（至2035年）：城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為100年。本次研究片區(qū)位于深圳市中心區(qū)，屬于重點地區(qū)，且為城市密集建成區(qū)，內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為100年。

本次研究片區(qū)，面積0.95平方千米，其中建成區(qū)約0.81平方千米，綠地等生態(tài)區(qū)域面積約0.14平方千米。片區(qū)高程在4.3～9.0m之間，通過地形分析可知，北側(cè)地勢較高，中東部地勢較低，東側(cè)和南側(cè)的地形為明顯低洼點，平均低于中西部匯水區(qū)域0.5-1m，且區(qū)域內(nèi)局部有低洼點。片區(qū)現(xiàn)狀管渠系統(tǒng)建設(shè)較為完善，主干道兩側(cè)均鋪設(shè)有兩條雨水管道，小區(qū)支路大部分均有一條雨水管，片區(qū)雨水管管徑DN300～DN2000及雨水箱涵1.3m×1.5m等，根據(jù)排口溯源，該區(qū)域共包含4處匯水分區(qū)。

100年一遇暴雨排口對應(yīng)全流域模型的河道水位工況下，通過MIKE FLOOD耦合模型，得出片區(qū)現(xiàn)狀洪水淹沒水深圖，如下圖。其中A處最大淹沒深度0.43m，淹沒面積3375m2;B處最大淹沒深度0.45m，淹沒面積3000m2;C處最大淹沒深度0.86m，淹沒面積3560m2;D處最大淹沒深度0.638m，淹沒面積3175m2。

按照不同的淹沒深度和淹沒時長劃分風(fēng)險等級：淹沒水深大于0.15m且淹沒時長超過30分鐘為風(fēng)險等級1;淹沒水深大于0.3m且淹沒時長超過30分鐘為風(fēng)險等級2;淹沒水深大于0.5m且淹沒時長超過30分鐘為風(fēng)險等級3;淹沒水深大于0.75m且淹沒時長超過30分鐘為風(fēng)險等級4。通過下圖風(fēng)險圖可知，該片區(qū)存在兩個3級以上風(fēng)險積水點：C處與D處，如下圖。

3.治理方案及效果評估

由于該片區(qū)為密集建成區(qū)，實施大范圍工程措施難度較大，因此本次治理方案將范圍內(nèi)雨水管渠按10年一遇標(biāo)準(zhǔn)進行復(fù)核設(shè)計，并將小區(qū)及道路兩旁綠化帶進行海綿化改造，在可利用的小區(qū)公園等空地建設(shè)空間調(diào)蓄設(shè)施。

通過以上措施，再次利用Mike flood耦合模型進行模擬，得出洪水淹沒水深圖，通過措施實施前后對比圖可知，該片區(qū)通過防治措施內(nèi)澇風(fēng)險絕大部分得到解決。但C處局部仍存在低風(fēng)險，主要由于該處地勢較低，且周邊為密集建成區(qū)，可采取的工程措施較少，建議該區(qū)域通過建設(shè)排澇泵站解決該處內(nèi)澇風(fēng)險。

4結(jié)論

Mike flood耦合模型能夠通過對河流、管網(wǎng)、地形地貌系統(tǒng)分析找出城市內(nèi)澇原因，并得出淹沒深度、淹沒范圍、淹沒時間等信息，為內(nèi)澇治理提供理論支撐。通過研究，該片區(qū)內(nèi)澇原因主要為地勢低洼及管網(wǎng)過流能力不足，通過擴管、海綿城市改造及增加空間調(diào)蓄等措施可以有效解決內(nèi)澇風(fēng)險。

參考文獻：

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作者簡介：范慶元（1991-）男，籍貫：河北邢臺，研究生，土木工程（給水排水工程）專業(yè)。