基于MIKE模型的城市排水防澇分析

王若卿 高中秋

1. 中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710000

2. 中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北 武漢 430010

隨著全球氣候變暖和熱島效應(yīng)等影響，城市面臨各種極端天氣災(zāi)害的侵襲頻率及面積均在增加。區(qū)域暴雨中心逐步向城市核心地區(qū)轉(zhuǎn)移，城市建成區(qū)的高強(qiáng)度暴雨已經(jīng)越來越常見。城市建設(shè)規(guī)模越大，工程活動越多，滲流地域越小，生態(tài)韌性越來越差，抵抗暴雨災(zāi)害的能力越來越脆弱。防治城市內(nèi)澇災(zāi)害，已經(jīng)成為城市建設(shè)和管理亟待解決的問題。

1 城市內(nèi)澇的主要原因

1.1 天氣變化

全球氣候變暖，異常氣候、極端天氣現(xiàn)象增多，我國的降水在年內(nèi)分配不均，大多發(fā)生在6-9 月，在時空分布上較為集中，極易引發(fā)旱澇災(zāi)害，歷時短、強(qiáng)度大的災(zāi)害性暴雨頻繁發(fā)生。

1.2 下墊面變化

我國的城鎮(zhèn)化加劇了下墊面的變化，水泥、瀝青硬化路面、硬化屋頂?shù)让娣e加大、被封閉，滲流地域大量減少，雨水滲透率降低，徑流量明顯增加，城市道路及低洼地區(qū)，在暴雨來臨時容易積水。此外，原有的綠地、農(nóng)田、洼地、湖泊等天然蓄水空間也被逐步侵占，城市內(nèi)澇問題逐漸嚴(yán)重[1]。

1.3 城市排水系統(tǒng)不完善

隨著城市建設(shè)的高速擴(kuò)張，對城市的排水能力也提出了更高的要求。但是部分地區(qū)排水設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)沒有跟上城市規(guī)模的發(fā)展，缺少有效的排水管網(wǎng)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，排水與防洪相對獨(dú)立，缺少統(tǒng)籌考慮等，造成排水系統(tǒng)不合理，從而大大影響城市排澇能力。

1.4 排水設(shè)施缺乏有效管理

城市排水設(shè)施的維護(hù)管理不到位，防洪設(shè)施年久失修，排水管內(nèi)淤泥堆積，管道滲漏嚴(yán)重，雨污混流等，導(dǎo)致雨水管道無法充分發(fā)揮原有設(shè)計(jì)能力，影響城市雨水排除，產(chǎn)生內(nèi)澇。

2 我國城市內(nèi)澇的主要特點(diǎn)

2.1 城市受災(zāi)面積較大

由于我國地理位置處于亞歐大陸，受到季節(jié)性氣候的影響相對較大，具有降雨量較大且持續(xù)時間長的特點(diǎn)。若發(fā)生強(qiáng)降雨的情況，會在短時間內(nèi)產(chǎn)生上百毫米的降雨量，超出了城市排水設(shè)施的能力。另外，在我國城市化腳步不斷加快的背景下，城市化進(jìn)程的加快侵占了部分原有綠地，不透水區(qū)域面積增加，蓄洪能力降低，降水時地表匯流速度加快，排水管網(wǎng)壓力較大，形成洪澇災(zāi)害[2]。

2.2 救援難度大，救援現(xiàn)場復(fù)雜

強(qiáng)降雨天氣在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量積水，造成城市交通癱瘓，交通事故、交通堵塞頻發(fā)，給救援工作帶來了嚴(yán)重阻礙。若降雨時間過長，會進(jìn)一步擴(kuò)大城市內(nèi)澇面積，加重災(zāi)情，延誤救援時機(jī)。

2.3 引發(fā)安全事故

城市內(nèi)澇會導(dǎo)致雨水滲入小區(qū)地下停車場，造成車輛被淹，對居民的日常出行和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)造成了損失。質(zhì)量較差或者使用壽命較長的建筑物受到暴雨影響會出現(xiàn)房屋倒塌的情況，嚴(yán)重危及建筑物及居民的生命安全。發(fā)生內(nèi)澇后雨水是良好的導(dǎo)電體，若電線、電器等帶電體接觸到雨水，容易發(fā)生觸電事故，造成區(qū)域內(nèi)的人員傷亡。例如，在廣州的特大暴雨中就發(fā)生過由于觸電原因?qū)е碌娜藛T傷亡現(xiàn)象。

3 MIKE 模型構(gòu)建

3.1 MIKE URBAN模型

Mike Flood由著名的DHI公司獨(dú)立開發(fā)，它是將Mike urban、Mike 21、Mike 11這幾個一維、二維的模型整合而成，用以模擬研究城市洪水、流域洪水。它的模擬過程是動態(tài)的，實(shí)時的，并可以發(fā)揮一維、二維模型各自的優(yōu)勢，使得模擬過程更趨近真實(shí)水流情況。該排水模型廣泛應(yīng)用于城市排澇防洪、分流制及合流制管網(wǎng)的水流模擬、還有排水泵站及涵洞等水工構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)。

本次模擬中，首先確定了模擬目標(biāo)，分析不同降雨重現(xiàn)期下的管網(wǎng)排水能力，并得出現(xiàn)狀能力評估圖。此外還分析了城市內(nèi)澇情況的時空分布情況，在此基礎(chǔ)上對區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了充分的評估，并提出多種解決方案。方案著重解決雨水管網(wǎng)的主要問題，并為將來的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理提供建議。

本文選擇陜西省某地區(qū)作為研究對象，該區(qū)域?yàn)橐?guī)劃區(qū)域，現(xiàn)狀無雨水管道，但已有雨水專項(xiàng)規(guī)劃。筆者通過軟件對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行模擬，研究區(qū)域可能產(chǎn)生的內(nèi)澇情況。

3.2 研究區(qū)域降雨雨型

根據(jù)該區(qū)域雨水專項(xiàng)規(guī)劃，確定雨水暴雨強(qiáng)度公式為：

式中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(s.hm2)]；

P—重現(xiàn)期（a），P=3a；

t—降雨歷時（min）。

3.3 下墊面

人類的建設(shè)活動導(dǎo)致了原有下墊面的性質(zhì)改變，城市能源消耗和人為釋放熱量變大，城市下墊面的熱力學(xué)、動力學(xué)及水循環(huán)特征被根本性的改變，城市氣候隨之變化。在城市建成區(qū)內(nèi)，下墊面已經(jīng)被逐步人為改變，地表徑流的特征也隨時空變化而變得復(fù)雜。因此，對城市典型區(qū)域的下墊面空間進(jìn)行深入定量的研究，并尋求最佳的下墊面空間構(gòu)型，對城市降水蓄滲能力的提升意義重大。

城市地表類型不同，地面滲透性不同。根據(jù)地面透水特性，依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014-2021）確定各種地面的徑流系數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)整合

對包括管網(wǎng)、河道、二維地面在內(nèi)的現(xiàn)狀城市排水系統(tǒng)的各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)的合理性、一致性，建立實(shí)時、智能的綜合數(shù)據(jù)信息庫，盡可能完整的反應(yīng)實(shí)際的物理信息。

為了對城市水文模型進(jìn)行綜合模擬，本次模型所需數(shù)據(jù)主要包括：

(1)降雨雨型

通過對所研究區(qū)域多年的氣象降雨資料進(jìn)行整理和分析， 從而得到模型構(gòu)建的邊界條件：即在不同降雨重現(xiàn)期下各種典型的降雨情況。

(2)管網(wǎng)及排水設(shè)施

收集雨水管網(wǎng)普查勘探數(shù)據(jù)以及運(yùn)營單位提供的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。包括排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外的管道、節(jié)點(diǎn)、匯水區(qū)等各個要素的參數(shù)：管道類型、管網(wǎng)的上下游標(biāo)高、管道材質(zhì)、管道尺寸、管道坡度及長度等；泵站信息主要包括位置、設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)流量、服務(wù)范圍、啟泵/停泵水位等[3]。

(3)下墊面類型

根據(jù)下墊面解析結(jié)果，設(shè)置不同下墊面的不透水率，分別為道路85%、綠地15%、裸土30%、屋面90%、鋪裝70%、水體0%。

(4)河道

從河道的整治規(guī)劃資料中收集河道典型橫截面的位置和形狀作為河道模型制作的基礎(chǔ)。此外，河道的相關(guān)數(shù)據(jù)還包括河道上的水工建筑物信息、調(diào)度規(guī)則、以及上下游水體的水位邊界信息。

3.5 模擬結(jié)果及分析

基于MIKE URBAN模型，分別利用3年，5年，10年重現(xiàn)期的降雨對規(guī)劃雨水管網(wǎng)進(jìn)行評估。模擬結(jié)果顯示：當(dāng)重現(xiàn)期為3年時，區(qū)域不產(chǎn)生積水；重現(xiàn)期為5年時，部分區(qū)域有少量積水；重現(xiàn)期為10年時，積水區(qū)域面積和深度均有所增加，管道處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 （左：區(qū)域排水管道排水能力評估圖（3a）；中：區(qū)域排水管道排水能力評估圖（10a）；右：規(guī)劃區(qū)域積水情況（10a））

通過對該區(qū)域地面標(biāo)高、雨水管道管徑及走向等情況的分析，該區(qū)域積水的主要原因?yàn)榈缆肪植康屯?，路面起伏，雨水排放困難，無法開辟地表徑流通道。部分管道的管徑不足，不能將超標(biāo)雨水輸送至下游，造成局部瓶頸。

4 內(nèi)澇解決措施

(1)提高排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我過城鎮(zhèn)雨水管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國家相比偏低。比如《日本下水道設(shè)計(jì)指南》規(guī)定10年內(nèi)應(yīng)將雨水管道重現(xiàn)期提高至10-15年。我國不少城市在發(fā)展初期“重地上、輕地下”，城市排水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)普遍偏低，部分城市的管網(wǎng)、箱涵等排水系統(tǒng)按照“一年一遇”的標(biāo)準(zhǔn)修建[4]。所以，應(yīng)加強(qiáng)對城市地下管網(wǎng)的建設(shè)投資，雖然早期投資可能較大，但效益明顯。

但是提高標(biāo)準(zhǔn)并不是一味的增加設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，如果要求絕大多數(shù)城市地下管網(wǎng)達(dá)到“50年一遇”甚至更高的標(biāo)準(zhǔn)，投資巨大，管道長期沒有水，空間浪費(fèi)。因此，各地區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形、地貌、降雨頻率、經(jīng)濟(jì)情況、人口情況綜合分析，確定合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)調(diào)整道路豎向標(biāo)高，增加地面行泄通道

城鎮(zhèn)排水防洪的規(guī)劃設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮城鎮(zhèn)總體規(guī)劃與道路規(guī)劃的相關(guān)指標(biāo)要求。部分城鎮(zhèn)的道路豎向標(biāo)高在規(guī)劃時并未考慮排水防洪的需要，導(dǎo)致道路產(chǎn)生“洼地”，無法形成有效的雨水行泄通道，極大的限制了路面雨水的排除。因此，在做專項(xiàng)規(guī)劃時，各專業(yè)間應(yīng)加強(qiáng)交流，統(tǒng)籌兼顧，保障雨水順利排出。

雨水排水原則應(yīng)為盡量保留利用天然的原始排澇路徑，優(yōu)先保證地面徑流設(shè)施，按相關(guān)規(guī)范和地方特點(diǎn)、合理設(shè)計(jì)排水通道的縱斷面、橫斷面，將地表滯蓄系統(tǒng)與洪水排放系統(tǒng)良好銜接，利于超過城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨水通過通暢的路徑順利進(jìn)入受納水體。

(3)優(yōu)化管道管徑

下圖為研究區(qū)域積水路段管道調(diào)整前后管道內(nèi)水位高程對比圖。從圖中可以看出，增加下游管道管徑，可以有效降低管道內(nèi)水位。說明通過優(yōu)化管徑可以達(dá)到減少地面積水的目的。

但是增大管徑會導(dǎo)致投資增大，小雨時管道充滿度低，造成空間浪費(fèi)。因此不能一味通過增加管道管徑解決內(nèi)澇問題。應(yīng)針對每處積水點(diǎn)具體分析內(nèi)澇原因，尋找合適的解決辦法。

圖2 （左：調(diào)整管徑前水位情況；右：調(diào)整管徑后水位情況）

(4)新建地面或地下滯蓄設(shè)施

土地利用加劇、社會經(jīng)濟(jì)活動密集，城市除少量綠地外，不透水面積比遠(yuǎn)郊區(qū)大，大部分地面面積構(gòu)成為道路、廣場、建筑物，降雨到洪峰形成的時間縮短，流量增加，城市防洪壓力大。在未來的城市開發(fā)建設(shè)和規(guī)劃管理中，應(yīng)逐步減少城市硬化面積，控制不透水面積的大幅增加，盡量保護(hù)原有的林地、草地、牧場、水塘、洼地、湖泊等天然生態(tài)環(huán)境，大力推廣透水鋪裝、透水混凝土等透水性硬化，加大城市透水面積，以利雨水的蓄滯、存儲和凈化。在新建項(xiàng)目中，如城市公園、新建住宅小區(qū)、新建企業(yè)中，應(yīng)鼓勵因地制宜的建設(shè)濕地公園、植草溝、雨水花園等海綿城市設(shè)施，加大雨水的下滲，延緩洪峰形成時間，降低防洪壓力[5]。

此外，還可因地制宜建設(shè)部分雨水調(diào)蓄設(shè)施，將降水時的高峰流量暫時貯存，降雨量下降或洪峰過后，再將收集的雨水回用至道路澆灑、植被澆灌等方面，補(bǔ)充城市用水，多余的雨水排至城市河道。這樣既可以降低洪峰流量，降低雨水管渠的排水壓力，提高城市的扛洪澇災(zāi)害能力；還可以對雨水進(jìn)行資源利用。

(5)加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施日常管理

優(yōu)化城市排水相關(guān)部門的日常管理和配合模式，加強(qiáng)部門間綜合統(tǒng)籌。及時關(guān)注氣象信息，提前制定完善的暴雨應(yīng)急機(jī)制，在特大暴雨來臨前根據(jù)既定的應(yīng)急預(yù)案，高效、果斷的騰出庫容，預(yù)降水位，降雨時蓄積雨水，降雨較少時再釋放庫容。保證城市排水按照雨天蓄水、旱天放水這一可持續(xù)的良好模式運(yùn)行，最大限度減少管網(wǎng)、泵站的壓力，全面提升城市排水能力。加強(qiáng)對城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的日常巡檢，保證各設(shè)施及時有效運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文從內(nèi)澇的成因和內(nèi)澇的特點(diǎn)出發(fā)，通過對MIKE URBAN耦合模型的分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域在規(guī)劃條件下，雨水規(guī)劃管道可以滿足3年一遇降雨排水要求，遭遇10年一遇降雨時，區(qū)域存在部分積水，但積水量不大。最后針對內(nèi)澇成因提出了城市內(nèi)澇防治的應(yīng)對策略，以期對城鎮(zhèn)的內(nèi)澇防治提供一些解決思路。