基于MIKE水動力模型研究內(nèi)澇風險及治理方案效果

梁文芝 東莞市水務(wù)工程建設(shè)運營中心

1.引言

城鎮(zhèn)內(nèi)澇是影響城市發(fā)展的一個重要因素，洪澇嚴重時將造成嚴重的經(jīng)濟損失甚至是人員傷亡，后果嚴重。合理分析城鎮(zhèn)內(nèi)澇原因，采取針對性的措施是緩解城鎮(zhèn)內(nèi)澇的有效方法。水動力模型是水文、水利工程研究中常用的方法，其具備建模簡便，計算速度快、結(jié)果準確等優(yōu)勢。在工程實踐中取得了良好的效果。

東莞大坪村現(xiàn)狀內(nèi)澇現(xiàn)象較為嚴重，城鎮(zhèn)洪澇排水難度高，易積水，嚴重影響到居民的正常生活，不利于當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。因此，亟需采取相關(guān)治理措施，緩解內(nèi)澇頻發(fā)的現(xiàn)象。

2.水動力模型建立

管網(wǎng)水動力模型的參數(shù)設(shè)置，決定了模型模擬的準確性。在一維管網(wǎng)水動力模型中，主要涉及的參數(shù)有：平均坡面流速，模擬時間步長，管道曼寧數(shù)，檢查井局部水頭損失。這些參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 水動力模型中的參數(shù)設(shè)置

將以管網(wǎng)普測中的Excel數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE URBAN，經(jīng)過管網(wǎng)梳理簡化后，建立易澇點的排水管網(wǎng)模型。

在大坪村現(xiàn)狀管網(wǎng)模型中：包含562個子匯水區(qū)、總面積204.13ha，檢查井512個、排口4個、圓管507根、涵管5根，總長15.79km，檢查井的地面標高最高標高為56.68m，最低地面標高為34.46m。所有檢查井的地面標高在合理的范圍之內(nèi)，變化幅度不大。通過統(tǒng)計分析，圓管最小的尺寸為DN200，最大為DN2000，方涵尺寸在200×300～2000×2000之間。

采用MIKE21軟件建立地面漫流子模型，在1：1000的地形處理基礎(chǔ)上模擬地表坡面流的水力學(xué)過程。二維地面漫流子模型中，曼寧系數(shù)根據(jù)不同用地類型設(shè)置，設(shè)置網(wǎng)格計算水深小于0.02m為干水深，超過0.03m為濕水深，即當水深小于干水深時，這部分水量不計入水力計算，超過濕水深的積水才會進行二維地表漫流水力計算。

3.大坪村易澇點現(xiàn)狀內(nèi)澇模擬結(jié)果評估

3.1 現(xiàn)狀內(nèi)澇模擬

在5年一遇設(shè)計降雨工況下，使用現(xiàn)狀內(nèi)澇模型評估大坪村研究區(qū)域的城市內(nèi)澇積水情況。通過數(shù)值模型法得最大積水深度和積水時間對城市內(nèi)澇風險進行評估。經(jīng)模型結(jié)果統(tǒng)計分析大坪村現(xiàn)狀5年一遇設(shè)計降雨工況下平均最大積水深度圖如圖3所示。研究區(qū)域的最大積水深度為0.6m，積水面積為0.05km2。

圖1 大坪村研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)模型圖

圖2 大坪村地面漫流子模型地形數(shù)據(jù)

圖3 大坪村現(xiàn)狀最大積水深度圖

依照內(nèi)澇風險等級劃分標準對5年一遇設(shè)計降雨的城市內(nèi)澇進行現(xiàn)狀內(nèi)澇風險分析，內(nèi)澇風險的結(jié)果如圖4所示。其中，低風險區(qū)域面積為0.024km2，中風險區(qū)域面積為0.016k m2，高風險區(qū)域面積為0.016km2。

圖4 大坪村現(xiàn)狀5年一遇設(shè)計降雨工況下內(nèi)澇風險圖

3.2 現(xiàn)狀內(nèi)澇結(jié)果分析

大坪村易澇點位于四黎南路以西、林坪路以北區(qū)域，通過現(xiàn)狀模擬分析可知，易澇點在5年一遇設(shè)計降雨情況下，存在大范圍積水的風險，并且積水深度深、時間長、不易退去。以下針對該工況下的現(xiàn)狀模擬情況，分析易澇點區(qū)域積水的主要原因。

表2 大坪村管網(wǎng)匯流模塊統(tǒng)計表

①管道排水能力不足。易澇點附近管道排水能力不足為造成易澇點內(nèi)澇的主要原因之一。坪園路上的兩根DN400雨水管，管徑偏小。在雨峰期間，管網(wǎng)系統(tǒng)無法及時排水，管道中的最高水頭線超過了地面線，因此坪園路的管道會發(fā)生短時間雨水溢流至地面的情況。坪園路以北為城中村，土地硬化程度大，易澇點附近綜合徑流系數(shù)達到70%，產(chǎn)流量增大，增大了管道排水壓力。

②地形影響。5年一遇降雨下，排水來不及導(dǎo)致管網(wǎng)溢流，積水在地面上通過地表漫流，流向并匯集在地勢相對低洼處，而本次大坪村歷史易澇點位于四黎南路以西、林坪路以北區(qū)域，通過易澇點與地形圖的對比發(fā)現(xiàn)，易澇點地勢相較于周邊地勢較低，從四周管網(wǎng)內(nèi)溢流出來的雨水容易在交叉口處匯集并形成積水風險，并且由于該段區(qū)域以道路為主，硬化程度大，最終造成區(qū)域積水且長時間不易退去。

4.方案治理效果分析

4.1 方案設(shè)計

為改善大坪村的內(nèi)澇現(xiàn)狀，擬新建雨水管道，起于坪園路，由西向東約170m，管徑為1m；到四黎南路后管徑擴大為1.2m，倒虹穿過四黎南路，再沿內(nèi)部村道由西北向東南敷設(shè)約160m；接入現(xiàn)狀雨水溝后，管徑擴大為1.5m，由北向南敷設(shè)約133m；接入現(xiàn)狀雨水明渠后，管徑擴大為1.65m，由南向北敷設(shè)約375m，最終接入堅朗地塊雨水箱涵。

堅朗箱涵晴天現(xiàn)狀水位是33.93m，作為方案新增的外界水位邊界條件。降雨邊界條件與現(xiàn)狀內(nèi)澇模型保持一致，地表漫流模型不變。

4.2 方案內(nèi)澇模擬結(jié)果評估

在5年一遇設(shè)計降雨工況下，使用內(nèi)澇模型評估大坪村研究區(qū)域的城市內(nèi)澇積水情況。通過數(shù)值模型法得最大積水深度和積水時間對城市內(nèi)澇風險進行評估。經(jīng)模型結(jié)果統(tǒng)計分析大坪村現(xiàn)狀5年一遇設(shè)計降雨工況下平均最大積水深度圖如圖6所示。在方案下，積水情況顯著消除，研究區(qū)域的平均最大積水深度為0.25m，積水面積為0.0441km2。

圖5 治理方案管網(wǎng)模型圖

圖6 大坪村方案下最大積水深度圖

依照內(nèi)澇風險等級劃分標準對5年一遇設(shè)計降雨的城市內(nèi)澇進行方案內(nèi)澇風險分析，內(nèi)澇風險的結(jié)果如圖7所示。其中，低風險區(qū)域面積為0.0212km2，中風險區(qū)域面積為0.0126km2，高風險區(qū)域面積為0.0099km2。

圖7 大坪村方案5年一遇設(shè)計降雨工況下內(nèi)澇風險圖

圖8 大坪村現(xiàn)狀、方案易澇點積水情況對比圖

圖9 大坪村現(xiàn)狀、方案內(nèi)澇風險情況對比圖

易澇點工況對比。大坪村現(xiàn)狀、方案針對易澇點的內(nèi)澇模擬結(jié)果總結(jié)見表3和表4。

表3 5年一遇降雨條件下各工況易澇點內(nèi)澇情況總結(jié)表

表4 5年一遇降雨條件下各工況易澇點內(nèi)澇風險評估結(jié)果總結(jié)表

5.結(jié)論

通過模型模擬分析，現(xiàn)狀大坪村易澇點附近管網(wǎng)排水能力不暢導(dǎo)致管網(wǎng)溢流以及易澇點地勢低洼是造成內(nèi)澇的主要原因。利用模型模擬驗證設(shè)計方案，從易澇點處開始增設(shè)雨水管道，起于坪園路，最終接入堅朗地塊雨水箱涵，管徑依次為1m、1.2m、1.5m和1.65m，可以有效緩解易澇點內(nèi)澇積水情況。