基于MIKE URBAN模型的管道排水能力評(píng)估

李保建，王 林，余 俊

(中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌 330096)

近年來，伴隨著城市化節(jié)奏不斷加快，熱島效應(yīng)聚集，城市內(nèi)澇災(zāi)害也日趨嚴(yán)重。為了更好解決這一棘手的問題，應(yīng)運(yùn)而生各種水文水利模擬軟件，其中，應(yīng)用比較廣泛的有美國環(huán)保署推出的SWMM軟件、美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SWAT軟件以及丹麥DHI公司的MIKE系列軟件等[1-3]。盡管這些軟件在算法公式、建模方案及功能實(shí)現(xiàn)上不盡相同，但通過大量學(xué)界的驗(yàn)證和工程考量，證明其具有較高可信度，而MIKE軟件憑借人性化的用戶界面、便捷的操作方式和強(qiáng)大的前后處理功能，得到了廣泛應(yīng)用[4-7]。

2016年2月，住建部發(fā)布《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》局部修訂版，該規(guī)范提高雨水管道的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，增添積水深度和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，并提到“本次修訂提倡較大匯水范圍運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬”[8]。隨后，陳睿星等[9]運(yùn)用SWMM模型對(duì)龍巖市中心城區(qū)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力進(jìn)行分析，并提出了管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；薛偲琦等[10]通過SWMM對(duì)南京市秦淮河中段雨水管渠系統(tǒng)進(jìn)行了分析，為城市雨水管渠改進(jìn)提供了借鑒；顧瀟等[11]通過GIS與InfoWorks聯(lián)用的方式對(duì)上海市某片區(qū)排水系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)照模擬，為該地區(qū)地下管網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案提供了技術(shù)指導(dǎo)。本文以MIKE URBAN模型為技術(shù)手段，以鷹潭市月湖新區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)其龐雜的地下雨水管網(wǎng)、豐富的下墊面類型和獨(dú)特的地形地勢(shì)，通過完整可靠的數(shù)據(jù)建立研究區(qū)的數(shù)值模型，從宏觀角度展示內(nèi)澇災(zāi)害形成的機(jī)制與發(fā)展過程，為月湖新區(qū)城市雨水系統(tǒng)提供規(guī)劃和建設(shè)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)及邊界數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)為江西省鷹潭市月湖新區(qū)部分區(qū)域，面積約為2.4 km2，年均降雨量為1 817.2 mm，降雨期主要集中在4月—10月，區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)雖覆蓋度達(dá)90%以上，但設(shè)施陳舊，多為20世紀(jì)所建，且采用污廢合流制。研究區(qū)域?yàn)橐?guī)劃區(qū)，故下墊面情況根據(jù)道路用地、居民用地、教育用地、商業(yè)用地、綠化用地、公共設(shè)施用地、湖泊河流及其他用地確定，研究區(qū)用地性質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 月湖新區(qū)概化圖Fig.1 Generalized Map of Yuehu New District

1.2 邊界及數(shù)據(jù)

1.2.1 降雨數(shù)據(jù)

研究區(qū)域暴雨強(qiáng)度計(jì)算如式(1)。

q=5 020(1+0.694lgP)/(t+19.7)0.915

(1)

其中：q——暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；

P——降雨重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí)，min。

本文研究區(qū)域雨型選擇芝加哥雨型，采用短歷時(shí)降雨2 h，設(shè)置時(shí)間步長為1 min，峰值比例值為0.4，得到4個(gè)重現(xiàn)期(1、2、3、5 a)下各設(shè)計(jì)降雨歷程，如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期降雨過程Fig.2 Process of Rainfall in Different Return Periods

1.2.2 下墊面及參數(shù)確定

由于規(guī)劃部門提供研究區(qū)域圖紙有限，缺少部分建筑圖層數(shù)據(jù)，為最大程度吻合實(shí)際徑流流量，本次研究提取了7種類型下墊面。子匯水區(qū)不滲透系數(shù)由資料圖概化的7種不同類型下墊面按不同比例組成。MIKE軟件根據(jù)面積比例及綜合徑流系數(shù)自動(dòng)計(jì)算不滲透率，并根據(jù)金牧青[12]研究及《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2016)，確定不同類型下墊面相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2 建立模型

2.1 模型理論

MIKE URBAN會(huì)將管網(wǎng)視作一維模型，采用六點(diǎn)Abbott-Ionesco隱式有限差分格式和動(dòng)量守恒方程推算的圣維南方程組聯(lián)用方式，并結(jié)合MIKE URBAN中的MOUSE計(jì)算引擎模塊[13]，以實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的計(jì)算，評(píng)估管網(wǎng)的排水能力，得出溢流節(jié)點(diǎn)的位置、溢流量和超載管道，客觀地描述管網(wǎng)內(nèi)各種構(gòu)成要素以及水流的流態(tài)，如檢查井、水流調(diào)節(jié)構(gòu)件、橫截面形狀以及集水區(qū)的各種水頭損失等。

表1 不同類型下墊面參數(shù)Tab.1 Different Types of Underlying Surface Parameters

2.2 建立降雨模型

對(duì)于城市雨水管網(wǎng)，因城區(qū)內(nèi)匯水時(shí)間較短，一般情況下不超過2 h，2場(chǎng)暴雨之間不會(huì)有較大影響。因此，管道排水能力的評(píng)估采用重現(xiàn)期為1～5 a的短歷時(shí)降雨模型較為合理。前期已結(jié)合鷹潭市暴雨強(qiáng)度公式，并利用芝加哥雨型合成器分別生成了1、2、3、5 a重現(xiàn)期下降雨數(shù)據(jù)。此時(shí)，則需要使用MIKE ZERO建立時(shí)間系列的文件，合理設(shè)置降雨歷時(shí)、步長后將不同重現(xiàn)期下降雨數(shù)據(jù)導(dǎo)入，生成dfs0格式降雨模型。此處展示以1 a一遇降雨、降雨歷時(shí)為120 min為例，考慮研究區(qū)域不同徑流系數(shù)下墊面，所建立的不同類型下墊面降雨徑流模型，如圖3所示。

圖3 不同類型下墊面降雨徑流模型Fig.3 Different Types of Rainfall Runoff Models on Underlying Surface

2.3 建立一維排水模型

排水模型建立之前，首先對(duì)研究區(qū)域排水系統(tǒng)完成概化，其中包含雨水管道、節(jié)點(diǎn)和各類下墊面的設(shè)置。節(jié)點(diǎn)包括檢查井及排水口。研究區(qū)域的管道和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及不同用地性質(zhì)的地塊均來自規(guī)劃部門所提供的CAD圖紙，其包含檢查井直徑、井底標(biāo)高、管道底標(biāo)高、管道斷面及尺寸。研究區(qū)管道形狀均為圓管，最大直徑為2 500 mm，最小為600 mm。研究區(qū)域排水系統(tǒng)經(jīng)概化后節(jié)點(diǎn)共258個(gè)，其中包含25個(gè)排水口，共有231條管道連接，管網(wǎng)總計(jì)長度為74.28 km。將管道和節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE URBAN后，建立研究區(qū)排水系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)將降雨數(shù)據(jù)等邊界條件導(dǎo)入模型，如圖4所示。

2.4 子匯水區(qū)的劃分與連接

子匯水區(qū)劃分對(duì)結(jié)果精度有著明顯影響，是建立模型重要的步驟之一。基于研究區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)系統(tǒng)分區(qū)及各類用地性質(zhì)布局，對(duì)月湖新區(qū)進(jìn)行子匯水區(qū)劃分。劃分均是采用道路用地、居民用地、教育用地、商業(yè)用地等7種用地類型面積比例，計(jì)算出滲透率，然后利用系統(tǒng)自有的泰森多邊形法將匯水區(qū)劃分成256個(gè)面積為1.0～18.9 m2的子匯水區(qū)，劃分連接結(jié)果如圖5所示。

圖4 月湖新區(qū)一維排水模型Fig.4 One-Dimensional Drainage Model of Yuehu New District

圖5 月湖新區(qū)子匯水區(qū)劃分Fig.5 Sub Catchment Area Division of Yuehu New District

2.5 模型率定

本次研究選用2019年5月23日實(shí)測(cè)降雨，采用蒙特卡羅方法進(jìn)行模型率定，并用納什效率系數(shù)來評(píng)價(jià)模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的吻合程度(圖6)。計(jì)算得出徑流納什系數(shù)為0.82，高于0.7，故本模型在水文模型上是可信的。

圖6 月湖新區(qū)徑流模擬-實(shí)測(cè)圖Fig.6 Runoff Simulation-Measured Map of Yuehu New District

3 評(píng)估方法與結(jié)果分析

3.1 評(píng)估方法

內(nèi)澇潛在風(fēng)險(xiǎn)性可由管道超負(fù)荷運(yùn)行情況間接反映。本研究以管道最大充滿度作為其中一種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估指標(biāo)為管道充滿度的模擬值，計(jì)算如式(2)。

其中：F——管道充滿度；

Wlevel——水位高度，m；

Hinertlevel——管道底標(biāo)高，m；

Hheight——管道高度，m。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：F>1.0表示水位超過管道頂部，即超過管道排水設(shè)計(jì)能力；F≤1.0表示水位未超過管道頂部，即滿足管道排水設(shè)計(jì)能力。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果分析

模型建立完畢后，載入不同邊界條件，利用MIKE URBAN中RUN MOUSE功能得到模型動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，選取其中水位變化較為典型的管段提取其管道水位變化，結(jié)果如圖7所示。

選取管段從20 min后水位開始逐漸上升，管道內(nèi)為重力非滿流狀態(tài)排水。降雨48 min處于設(shè)計(jì)降雨峰值期間；由于上游管段疏水能力的作用，該管段滿流時(shí)間點(diǎn)稍有延遲，使得在50 min時(shí)管道剛達(dá)到滿流狀態(tài)，此時(shí)動(dòng)態(tài)水面線急劇上升，壓力水頭不斷增大；在60 min時(shí)，壓力水頭達(dá)最大值，隨后降雨峰值時(shí)期結(jié)束，動(dòng)態(tài)水面線緩慢下降，水位隨之下降；直到110 min時(shí)，水位基本穩(wěn)定，水流狀態(tài)由有壓恢復(fù)為無壓，不再產(chǎn)生溢流。

圖7 月湖新區(qū)某管段水位變化Fig.7 Water Level Changes of Pipe Section in Yuehu New District

3.2.2 靜態(tài)模擬結(jié)果分析

采用4種不同重現(xiàn)期下芝加哥雨型設(shè)計(jì)的降雨模型，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖8所示(以5 a一遇為例)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2～表3所示。

圖8 月湖新區(qū)井溢流情況及管道充滿度分布(以5 a一遇為例)Fig.8 Well Overflow Situation and Pipeline Fullness Distribution in Yuehu New District (Case of 5 a)

表2 不同重現(xiàn)期下管道充滿度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Pipeline Fullness Statistics under Different Recurrence Periods

表3 月湖新區(qū)管道排水能力劃分與統(tǒng)計(jì)Tab.3 Division and Statistics of Pipeline Drainage Capacity in Yuehu New District

本文用管道充滿度來表示管網(wǎng)的狀態(tài)，當(dāng)F≤1時(shí),管網(wǎng)處于正常狀態(tài)；當(dāng)12時(shí)，管道由于自身排水能力的不足造成過載。由表2～表3可知，在月湖新區(qū)總長度為74.28 km的排水管道中，排水能力不滿足1 a重現(xiàn)期的管段有59.58 km，占總管長的80.20%；滿足1～5 a重現(xiàn)期的管段僅有8.58 km，占比為11.56%，而其中多數(shù)由于下游排水能力不足的原因造成該段出現(xiàn)過載現(xiàn)象。達(dá)到5 a重現(xiàn)期以上的管段有6.12 km，占8.24%，雖所占比例不低，但數(shù)量較少，且大多為一些尺寸較大的主干管?？傮w上，月湖新區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力整體處于較差水平，絕大部分管道會(huì)由于下游管道過流能力抑或是自身排水能力的不足造成過載，能滿足排水要求的管段少之又少，造成這一現(xiàn)象的主要原因是設(shè)計(jì)時(shí)排水管網(wǎng)要求標(biāo)準(zhǔn)較低，各管段在末端管徑和高度銜接時(shí)還存在不盡合理之處，鑒于此種情況，有必要盡快提高排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)改造排水能力較差的管段。

綜合上述不同重現(xiàn)期下的管道充滿度情況，對(duì)研究區(qū)域管道排水能力進(jìn)行劃分并統(tǒng)計(jì)匯總，如圖9和表4所示。

圖9 月湖新區(qū)管道排水能力劃分Fig.9 Pipeline Drainage Capacity Division of Yuehu New District

由表4可知，月湖新區(qū)258個(gè)檢查井中，在降雨強(qiáng)度不大的條件下，溢流井?dāng)?shù)量相對(duì)較少。隨著降雨重現(xiàn)期連續(xù)增加，發(fā)生溢流的檢查井也隨之增多，但增長幅度相對(duì)降低。因此，在小重現(xiàn)期降雨下，可以通過進(jìn)一步精細(xì)化滲濾路面，改變透水地面的材料種類和孔隙率等系列參數(shù)，改變徑流系數(shù)，提高城市管網(wǎng)排水能力，減少檢查井溢流情況；但在較大重現(xiàn)期降雨下，徑流系數(shù)在一定范圍內(nèi)逐漸穩(wěn)定，優(yōu)化下墊面意義已不大，此時(shí)通過對(duì)雨水管網(wǎng)進(jìn)行改造，以加強(qiáng)城市排水能力才是最根本的措施。

表4 不同重現(xiàn)期下井溢流情況統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of Downhole Overflow in Different Recurrence Periods

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)雨水管網(wǎng)整體排水能力較弱，絕大部分管段不能滿足1 a暴雨重現(xiàn)期要求，小部分管段雖能滿足5 a重現(xiàn)期，但也僅為部分雨水主干管，難以抵御強(qiáng)降雨威脅，易形成內(nèi)澇點(diǎn)，城市雨水管網(wǎng)亟待改造。

(2)為了重建管道網(wǎng)絡(luò)，不需要通過模擬結(jié)果重構(gòu)月湖新地區(qū)80%以上的管道，該地區(qū)的建筑密集，大規(guī)模管道網(wǎng)絡(luò)重建的可能性不大。應(yīng)在相應(yīng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)首先運(yùn)行管道模型，并根據(jù)重構(gòu)的管道和是否有地面積水來綜合確定，這樣的方法經(jīng)濟(jì)且可行。

(3)本文模擬結(jié)果較符合研究區(qū)主要積水點(diǎn)調(diào)查分布，為后期的管網(wǎng)改造提供技術(shù)支持，用于后期管網(wǎng)校核、水力計(jì)算等工作。