基于水動(dòng)力模型的城市內(nèi)澇災(zāi)害研究
——以寧波市白鶴社區(qū)為例

張菲菲，譚琳珊，趙強(qiáng)強(qiáng)，吳燕娟，徐 羽，高 超,2

(1.寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211； 2.寧波大學(xué)可持續(xù)排水實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211)

城市內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響極其嚴(yán)重，有效的預(yù)防和治理城市內(nèi)澇災(zāi)害成為目前及未來(lái)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-3]。內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)，城市交通、網(wǎng)絡(luò)、通信等生命線工程系統(tǒng)癱瘓，其災(zāi)害造成建筑物破壞和室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失等[4]。

暴雨內(nèi)澇是城市自然災(zāi)害的主要形式之一，并長(zhǎng)期困擾國(guó)內(nèi)的許多城市[5]。研究城市暴雨災(zāi)害問題主要是從暴雨發(fā)生到洪水形成過程中發(fā)現(xiàn)暴雨的淹沒過程，關(guān)鍵是利用城市暴雨洪水模型進(jìn)行分析城市內(nèi)澇機(jī)理。城市內(nèi)澇災(zāi)害研究受廣泛關(guān)注，主要表現(xiàn)在：1)從致災(zāi)原因方面，由于城市下墊面不透水比例增加[6]、地面沉降日趨嚴(yán)重[7]、降水量和強(qiáng)降水事件增多[8]、城市規(guī)劃和排水管網(wǎng)建設(shè)滯后[9]、氣象服務(wù)體系不夠完善[10]等原因?qū)е鲁鞘袃?nèi)澇的產(chǎn)生。2)從模擬方法方面，采用水量水質(zhì)耦合模型[11]、SWMM模型[12]、MIKE-SWMM模型[13]、SCS[14]、InfoWorks CS[15]以及耦合二維水動(dòng)力學(xué)模型與SWMM模型等方法模擬城市內(nèi)澇災(zāi)害[16-17]。3)從研究?jī)?nèi)容方面，圍繞內(nèi)澇災(zāi)害時(shí)空分布特征[18]、排水能力與內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[19]、內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警[20]和內(nèi)澇災(zāi)害防控[21]等內(nèi)容進(jìn)行研究。

目前，在城市內(nèi)澇災(zāi)害分析中，采用水文模型與地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)、數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，模擬城市內(nèi)澇極端事件造成的城市淹沒程度[22]，城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)價(jià)大多是在大型城市進(jìn)行的，僅僅對(duì)主干道進(jìn)行評(píng)估，精度不是特別高。利用耦合模型對(duì)城市社區(qū)進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有效模擬社區(qū)內(nèi)部道路的內(nèi)澇狀況，精度比較高，可以有效模擬社區(qū)尺度的洪水過程及淹沒范圍，為業(yè)務(wù)部門快速?zèng)Q策提供科學(xué)依據(jù)，及時(shí)有效采取防范措施，最大限度地減少洪澇災(zāi)害所造成的損失。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧波市地處中國(guó)東南沿海，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，受臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)影響均很明顯，年平均降水量在 1 310～1 720 mm之間[23]。寧波市是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的城市之一，是“長(zhǎng)三角”經(jīng)濟(jì)中心之一，也是內(nèi)澇頻發(fā)、強(qiáng)發(fā)城市，尤其在每年臺(tái)風(fēng)季(7—9月)和梅雨季(5—7月)均會(huì)遭受嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。暴雨內(nèi)澇災(zāi)害已成為影響寧波經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展重要的因素之一。

白鶴社區(qū)位于寧波市鄞州區(qū)白鶴街道(圖1)，北臨賀丞路，東臨甬港南路，南臨興寧路，總面積約為22萬(wàn)m2，海拔約2～4.6 m。地勢(shì)較為低平，西高東低(圖2)，容易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害。白鶴社區(qū)始建于1988年，迄今為止已有30多年房齡，排水管網(wǎng)相對(duì)不夠完善。2013年受臺(tái)風(fēng)“菲特”影響，持續(xù)的強(qiáng)降雨導(dǎo)致社區(qū)多處出現(xiàn)積水，白鶴社區(qū)約有90多戶一樓住戶不同程度進(jìn)水，小區(qū)道路更是嚴(yán)重積水，居民們難以出行。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

圖2 白鶴社區(qū)基礎(chǔ)地形圖Fig.2 Basic topographic map of Baihe community

1.2 研究方法

MIKE FLOOD結(jié)合MIKE11、MIKE URBAN和二維模型MIKE21的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的耦合模型系統(tǒng)，適用于管網(wǎng)、河道、明渠以及坡面水流模擬，同時(shí)也適用于流域和城市內(nèi)澇的模擬預(yù)測(cè)[24]。

1.2.1 MIKE URBAN的創(chuàng)建

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。選定建立模型后，搜集數(shù)據(jù)，需要得到：1)該區(qū)域的地形圖，包括高程點(diǎn)、位置坐標(biāo)、雨水排水管網(wǎng)位置等；2)雨水排水信息表格，包括人孔位置、人孔材質(zhì)、人孔地面高程、人孔形狀及尺寸、人孔井底高程等，利用這些數(shù)據(jù)可以建立管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系；3)降雨數(shù)據(jù)資料，查找當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式，短時(shí)降雨的雨型；4)下墊面數(shù)據(jù)，包括土地利用分布圖。

(2)排水管網(wǎng)概化。利用原始數(shù)據(jù)建立檢查井與排水管網(wǎng)管段對(duì)應(yīng)的空間拓?fù)潢P(guān)系，如管道水流流向、管底高程、管長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。

(3)集水區(qū)的劃分。集水區(qū)是水文學(xué)模型的基礎(chǔ)，集水區(qū)的劃分是建立數(shù)值雨洪模型的重要步驟，按照真實(shí)地形地貌及其水流現(xiàn)狀，將地表徑流分配到其對(duì)應(yīng)檢查井中。在MIKE URBAN中，一個(gè)集水區(qū)的地理范圍由集水區(qū)多邊形劃定，利用GIS技術(shù)，依托其空間分析能力，自動(dòng)劃分出較為準(zhǔn)確合理的集水區(qū)[25]，集水區(qū)的劃分見圖3。

圖3 研究區(qū)集水區(qū)的劃分與連接Fig.3 Division and connection of catchment areas in the study area

(4)降雨邊界文件。由于缺乏短歷時(shí)實(shí)測(cè)降雨過程資料，無(wú)法將實(shí)測(cè)雨型與設(shè)計(jì)規(guī)定重現(xiàn)期的降雨進(jìn)行對(duì)比，此處采用芝加哥雨型的降雨模式[26]，芝加哥雨型法是在暴雨強(qiáng)度公式基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)綜合雨峰位置系數(shù)確定，包括對(duì)綜合雨峰位置系數(shù)及芝加哥降雨過程模型的確定。

暴雨強(qiáng)度公式為:

(1)

式中:i為降水強(qiáng)度(mm/min) ;t為暴雨歷時(shí)(min);P為重現(xiàn)期(a)。

根據(jù)所選研究區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式[27]，確定上述參數(shù)，利用芝加哥雨型設(shè)計(jì)工具生成模式降雨。需確定的雨型參數(shù)有暴雨歷時(shí)、重現(xiàn)期、時(shí)間步長(zhǎng)、雨峰系數(shù)等，其中雨峰系數(shù)取0.3～0.5，雨峰系數(shù)與洪峰出現(xiàn)時(shí)間有關(guān)，雨峰系數(shù)愈大，洪峰出現(xiàn)時(shí)間愈遲[28]，發(fā)生洪澇災(zāi)害出現(xiàn)愈晚。根據(jù)寧波市降雨規(guī)律，將雨峰系數(shù)設(shè)置為0.3。根據(jù)鄞州區(qū)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行設(shè)計(jì)凈雨，分別計(jì)算出重現(xiàn)期1年、5年、10年和20年的暴雨強(qiáng)度，如圖4可以看出不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度不同，相同的降雨歷時(shí)情況下，重現(xiàn)期越大，降雨量越多。針對(duì)暴雨重現(xiàn)期來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析重現(xiàn)期和風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。

1.2.2 MIKE 21模型參數(shù)設(shè)置

基本參數(shù)設(shè)置：模塊選擇(Module Selection)，選擇水動(dòng)力模塊(Hydrodynamic Only)；地形設(shè)置(Bathymetry)，選擇冷啟動(dòng)方式，加載已經(jīng)做好的二維地形文件；邊界條件(Boundary)和源匯項(xiàng)設(shè)置(Source and Sink)無(wú)需定義；對(duì)集束(Mass Budget)保留默認(rèn)值即可；干水深(Drying depth)取0.002 m，淹沒水深(Flooding depth)取0.003 m；模擬時(shí)間步長(zhǎng)取0.5 s，時(shí)間步長(zhǎng)越短，代表精度越高。

1.2.3 耦合模型的建立

MIKE FLOOD耦合模型的建立就是將MIKE URBAN模型與MIKE 21模型耦合，反映城市地表水流與排水管網(wǎng)中水流的交互過程，模擬地面積水退水等情況。耦合模型建立的前提條件是之前建立的MIKE URBAN模型與MIKE 21模型都能夠單獨(dú)的運(yùn)行成功。否則，耦合模型一定不能運(yùn)行成功。

MIKE FLOOD模型提供的城市管網(wǎng)耦合工具會(huì)自動(dòng)將MIKE URBAN與MIKE 21通過人孔連接起來(lái)，如圖5所示。

2 結(jié)果與驗(yàn)證

2.1 結(jié)果分析

為模擬寧波市白鶴社區(qū)內(nèi)澇的淹沒范圍、淹沒水深及淹沒歷時(shí)等情況，基于MIKE FLOOD模型將MIKE URBAN模型和MIKE 21模型進(jìn)行耦合。MIKE URBAN模型中產(chǎn)生溢流的節(jié)點(diǎn)通過耦合的方式在MIKE 21模型順著地形產(chǎn)生漫流，因此在地勢(shì)低洼處易形成積水。將不同重現(xiàn)期的降雨情景進(jìn)行模擬，對(duì)比四個(gè)情景下的城市內(nèi)澇積水分布圖，得到暴雨積水深度、積水范圍與設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期呈現(xiàn)正相關(guān)性(如圖6)。下表1給出1年、5年、10年及20年一遇暴雨不同水深等級(jí)的淹沒范圍，根據(jù)積水歷時(shí)和積水水深，將白鶴社區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)等級(jí)：輕度內(nèi)澇、中度內(nèi)澇及重度內(nèi)澇。在《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中一般把小于15 cm暴雨積水認(rèn)為不造成交通或者其他影響。模擬結(jié)果表明，中度內(nèi)澇及重度內(nèi)澇區(qū)域主要集中位于研究區(qū)的東部區(qū)域；綜合4種降雨情景，研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)以中度內(nèi)澇為主，積水深度為15～50 cm。從表1得出1年一遇的總淹沒面積有33 865.13 m2，其中15 cm以上的積水占總淹沒面積的7%，5年、10年及20年一遇大于 15 cm的積水面積占比分別為12%、14%和16%，說明隨著降雨重現(xiàn)期的增大造成內(nèi)澇影響也加劇。

圖6 不同情景最大水深分布Fig.6 The maximum water depth distribution in different scenarios

表1 不同情境降雨的淹沒面積Table1 Submerged area of rain in different scenarios

根據(jù)前面建立的寧波市白鶴社區(qū)MIKE FLOOD模型，模擬重現(xiàn)期為20年一遇降雨過程，分別列出降雨發(fā)生后不同時(shí)刻的積水分布情況(如圖7)。在降雨發(fā)生30 min后由于大部分管道內(nèi)水流為重力排水并非滿流的狀態(tài)，此時(shí)管道排水能力能大于地表徑流量，社區(qū)內(nèi)路段產(chǎn)生少許積水；在降雨發(fā)生42 min后由于降雨強(qiáng)度的增加，此時(shí)管道的排水能力小于地表徑流量，白鶴社區(qū)積水越來(lái)越多，尤其在地勢(shì)低洼處更加嚴(yán)重，此時(shí)積水大部分分布在道路，對(duì)白鶴社區(qū)的出行交通造成嚴(yán)重影響。在降雨發(fā)生60 min后，雖然暴雨的降雨強(qiáng)度已經(jīng)開始減弱，但是由于之前降雨積累的雨水還沒有完全的排出，白鶴社區(qū)的雨水管網(wǎng)還處于滿流狀態(tài)，導(dǎo)致地表積水無(wú)法順利的排入雨水系統(tǒng)中，致使地面積水越過道路沿向地勢(shì)低洼處蔓延，即造成下圖中在60 min地面積水會(huì)比42 min更多的現(xiàn)象。在降雨發(fā)生120 min后，此時(shí)降雨停止，排水系統(tǒng)能力也逐漸恢復(fù)，但是在雨水管網(wǎng)布置較少的區(qū)域由于排水通道的不足，致使地面積水無(wú)法在雨水管網(wǎng)中排除，這部分積水順著地面往低洼處漫流。

圖7 20年一遇積水過程圖Fig.7 Water accumulation process once in 20 years

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)測(cè)各場(chǎng)暴雨的詳細(xì)地面淹沒情況資料，所以對(duì)于模型的驗(yàn)證方面進(jìn)行定量分析，即合理性分析[29]。耦合模型模擬結(jié)果是否合理，根據(jù)白鶴社區(qū)歷次暴雨淹沒情況來(lái)驗(yàn)證。根據(jù)降雨實(shí)測(cè)資料，實(shí)測(cè)出實(shí)際的淹沒水深的數(shù)據(jù)，耦合模型模擬所得是管道正常情況下的內(nèi)澇情況，假設(shè)管道規(guī)格正常、沒有斷管和淤積等情況下。結(jié)合對(duì)當(dāng)?shù)厝罕姷脑L問調(diào)查及暴雨淹沒痕跡推斷，發(fā)現(xiàn)易澇區(qū)域共6處，這些區(qū)域?qū)崪y(cè)積水分布與模型模擬出的易澇點(diǎn)分布位置基本一致(圖8)，積水點(diǎn)在模型網(wǎng)格中的坐標(biāo)為A(4，62)，B(161，132)，C(193，93)，D(283，32)，E(195，5)和F(261，105)，由模型模擬得出的積水過程線如圖9所示，選取有實(shí)測(cè)資料的內(nèi)澇點(diǎn)與模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的內(nèi)澇點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析(表2)。

圖8 社區(qū)內(nèi)澇積水點(diǎn)分布圖Fig.8 Distribution map of waterlogging points in the community

圖9 內(nèi)澇點(diǎn)積水過程線圖Fig.9 Process diagram of waterlogging point

表2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表Table2 Comparison table of simulated results and measured results

模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的淹沒水深誤差都控制在20%以內(nèi)，可見耦合模型模擬的結(jié)果比較合理，說明建立的白鶴社區(qū)城市內(nèi)澇模型是基本合理的，在一定程度上反映白鶴社區(qū)在遭受極端降雨時(shí)的淹沒情況。但也存在一定的誤差，造成誤差的原因有：

(1)數(shù)據(jù)原因

研究所采用的降雨數(shù)據(jù)是根據(jù)芝加哥雨型進(jìn)行計(jì)算的，與實(shí)際降雨會(huì)存在差異。在對(duì)地形數(shù)據(jù)的處理過程中，與實(shí)際的地形存在一定誤差。

(2)模型原因

模型是對(duì)實(shí)際情況的概化，在模型概化過程中，存在一定的誤差[30]。如對(duì)白鶴社區(qū)下墊面處理中，只分為道路、建筑和其他3種類型。還有對(duì)于一些長(zhǎng)度較短、管徑較小的管網(wǎng)都進(jìn)行概化處理。

模擬結(jié)果和驗(yàn)證結(jié)果基本相符，初步說明模型模擬具有合理性。為加強(qiáng)對(duì)突發(fā)性強(qiáng)暴雨洪水事件作出快速反應(yīng)和應(yīng)急處理，以模型應(yīng)用等技術(shù)為先導(dǎo)，研究突發(fā)性暴雨洪水形成機(jī)理，預(yù)報(bào)和模擬城市洪水是防洪措施中必不可少的非工程措施之一。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

對(duì)城市內(nèi)澇模型的研究，尤其是耦合模型的研究，國(guó)內(nèi)目前還處于初期階段。文章對(duì)于極端降雨條件下城市內(nèi)澇的研究進(jìn)行初步探討，受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究技術(shù)，尚存在很多不足之處，希望以后在以下幾方面深入：

(1)在內(nèi)澇模擬效率方面，SWMM模型需要手動(dòng)輸入管網(wǎng)模型參數(shù)，模型參數(shù)相對(duì)較多, 適于小型雨水管網(wǎng)排水防澇系統(tǒng)的模擬[31]；而MIKE FLOOD模型可實(shí)現(xiàn)批量輸入模型參數(shù)，模型參數(shù)較少, 適于較大雨水排水防澇系統(tǒng)的模擬，效率相對(duì)較高。

(2)受數(shù)據(jù)資料的限制，所研究的耦合模型僅僅是一維排水管網(wǎng)模型與二維地表漫流模型的耦合，并沒有考慮一維河網(wǎng)模型。希望在后期有足夠河網(wǎng)資料的情況下，繼續(xù)深入研究。研究區(qū)地形復(fù)雜，由于相關(guān)城市地形、道路、市政設(shè)計(jì)文件搜集困難，很多資料是根據(jù)實(shí)地調(diào)查方式獲得，研究區(qū)地形處理中，只分為道路、建筑和其他3種類型。所以對(duì)于構(gòu)建的一維排水管網(wǎng)模型和二維地表漫流模型都做概化處理。

3.2 結(jié)論

利用MIKE FLOOD模型建立白鶴社區(qū)的一、二維耦合模型，根據(jù)耦合模型模擬不同重現(xiàn)期下白鶴社區(qū)積水情況，并以20年一遇為例分析白鶴社區(qū)在遭遇暴雨時(shí)的淹沒情況。主要結(jié)論如下：

(1)利用芝加哥雨型進(jìn)行模擬，首先通過市政部門暴雨公式進(jìn)行詳細(xì)的分析，根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式得出降雨歷時(shí)越短，降雨強(qiáng)度越大，降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，降雨量越大。

(2)根據(jù)積水歷時(shí)和積水水深，將白鶴社區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)等級(jí)：輕度內(nèi)澇、中度內(nèi)澇及重度內(nèi)澇。模擬結(jié)果表明，中度及重度積澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中位于研究區(qū)的東部區(qū)域，即地勢(shì)低洼區(qū)域；積水風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于道路，各內(nèi)澇級(jí)別對(duì)應(yīng)的道路淹沒面積均占到總淹沒面積的50%以上；5年一遇，10年一遇和20年一遇降雨情景下，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)以中度積澇為主，即積水深度為15～50 cm。

(3)由模型模擬得到的降雨后城區(qū)地面的積水動(dòng)態(tài)變化過程可知，白鶴社區(qū)遭遇20年一遇極端暴雨時(shí)，30 min左右城區(qū)開始輕微積水，隨著降雨的持續(xù)，積水水深逐漸增加，60 min左右水深達(dá)到峰值，之后增幅減少，水深保持穩(wěn)定，最后對(duì)模型模擬得到的易澇區(qū)進(jìn)行定性驗(yàn)證，經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證得到耦合模型結(jié)果具有可靠性。