基于MIKE FLOOD模型的城市洪澇災(zāi)害場(chǎng)景推演研究

查 斌，劉成帥，楊 帆，，姚依晨，馬炳焱，胡彩虹

（1.洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

自然災(zāi)害給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的生命威脅和巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］，洪澇災(zāi)害是全球發(fā)生次數(shù)最多、影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然災(zāi)害［2－3］。隨著城市化進(jìn)程加快、人口密度和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值提高，城市洪澇災(zāi)害逐漸成為關(guān)注和研究的熱點(diǎn)［4－5］。在城市建設(shè)過(guò)程中，城市主城區(qū)及周邊的自然及生態(tài)系統(tǒng)均發(fā)生了改變［6］，致使水文過(guò)程更加復(fù)雜［7－8］。作為評(píng)估及預(yù)防城市暴雨災(zāi)害的重要方法，數(shù)值模型可以為防洪排澇提供重要的技術(shù)支撐［9］。

城市洪澇場(chǎng)景推演是城市防洪排澇工作的基礎(chǔ)。自1986年MIKE系列模型建立，因其推演功能強(qiáng)大而得到了廣泛的應(yīng)用。欒震宇等［10］耦合MIKE URBAN和MIKE 21模型構(gòu)建了湖南省新化縣的城市內(nèi)澇數(shù)值模型，科學(xué)評(píng)估了新化縣的排水能力；李品良等［11］應(yīng)用MIKE URBAN對(duì)成都市老城區(qū)的排水管網(wǎng)在不同降雨強(qiáng)度下承壓運(yùn)行情況及管點(diǎn)溢流情況進(jìn)行模擬，并通過(guò)設(shè)置小型調(diào)蓄池和擴(kuò)增管徑兩種途徑改善城市內(nèi)澇狀況；任梅芳等［12］基于MIKE URBAN和MIKE 21模型對(duì)濟(jì)南市歷下區(qū)立交橋區(qū)域進(jìn)行暴雨內(nèi)澇積水模擬；黃琳煜等［13］基于MIKE FLOOD平臺(tái)搭建了暴雨洪澇模型，對(duì)上海市浦東新區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行了評(píng)估。以上研究表明，MIKE URBAN、MIKE 21耦合MIKE FLOOD可以模擬考慮城市管網(wǎng)排水條件下的內(nèi)澇情況，然而城市洪澇往往是城市排水管網(wǎng)內(nèi)澇與河網(wǎng)洪水綜合作用的結(jié)果［14］，因此如何構(gòu)建城市區(qū)域內(nèi)既考慮城市內(nèi)河的排水作用又考慮管網(wǎng)排水漫溢的模型就顯得非常重要。

洛陽(yáng)市建成區(qū)面積不斷增大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但隨之而來(lái)的“城市看?！爆F(xiàn)象也日益增多。本研究以洛陽(yáng)市中心城區(qū)為研究區(qū)，以MIKE FLOOD為平臺(tái)，基于MIKE 11、MIKE URBAN和MIKE 21構(gòu)建一維河道、一維管網(wǎng)和二維地表的城市洪澇模擬模型，在不同降雨歷時(shí)和不同重現(xiàn)期下進(jìn)行場(chǎng)景推演，分析洛陽(yáng)市不同降雨條件下的淹沒(méi)情況，為洛陽(yáng)市城市防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況和資料獲取

洛陽(yáng)市位于河南省西部，其中心城區(qū)位于北緯34°29′06″—34°45′47″，東經(jīng)112°15′44″—112°41′57″，是一個(gè)高度城市化的地區(qū)，其不透水區(qū)域覆蓋率達(dá)到72%，同時(shí)，區(qū)域內(nèi)有伊河、洛河兩條大河干流穿城而過(guò)。該區(qū)域年平均氣溫為14.6℃，年平均降水量為600.2 mm，其中6—9月降雨量占全年的63.3%。

本次研究收集整理了洛陽(yáng)市中心城區(qū)管網(wǎng)、土地利用、河道斷面、地形數(shù)據(jù)以及水文數(shù)據(jù)。其中，管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括3 610條管道，概化4 792個(gè)雨水井、161個(gè)排水口、1 006個(gè)子匯水區(qū)；土地利用數(shù)據(jù)采用谷歌地圖高清影像目視解譯結(jié)果，分為水體、農(nóng)田、綠地、居住用地、道路廣場(chǎng)、公共設(shè)施和工業(yè)用地7類(lèi)；河道斷面數(shù)據(jù)包括伊河、洛河、瀍河、澗河及甘水河共195個(gè)斷面（見(jiàn)表1）；地形數(shù)據(jù)選用地理空間數(shù)據(jù)云90 m×90 m的DEM數(shù)據(jù)。

表1 河道斷面數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)是模型的輸入數(shù)據(jù)，收集整理了12個(gè)雨量站及白馬寺和龍門(mén)水文站的雨量和流量過(guò)程數(shù)據(jù)，雨量站分布及所劃分的泰森多邊形見(jiàn)圖1，圖2為12個(gè)雨量站的兩場(chǎng)典型降雨過(guò)程。

圖1 研究區(qū)水系示意

圖2 典型降雨過(guò)程

1.2 研究方法

1.2.1 設(shè)計(jì)降雨

采用機(jī)械工業(yè)部第四設(shè)計(jì)研究院編制的洛陽(yáng)市暴雨強(qiáng)度公式［15］計(jì)算設(shè)計(jì)降雨，洛陽(yáng)市暴雨強(qiáng)度公式為

式中：q為暴雨強(qiáng)度，mm／min；p為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

本研究取60、120、360、720 min4個(gè)降雨歷時(shí)，對(duì)應(yīng)的降雨重現(xiàn)期分別取1、2、5、10、20、50、100 a，共28場(chǎng)設(shè)計(jì)降雨；雨峰系數(shù)為0.4。各場(chǎng)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程如圖3所示。

圖3 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨過(guò)程

1.2.2 模擬方法

MIKE FLOOD由DHI Water＆Environment＆Health獨(dú)立開(kāi)發(fā)［16］，它將一維模型MIKE URBAN或MIKE 11和二維模型MIKE 21整合［17］，是一個(gè)動(dòng)態(tài)耦合的模型系統(tǒng)，可以同時(shí)模擬排水管網(wǎng)、明渠，排水河道、各種水工建筑物以及二維坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等的模擬研究［18］。

本文采用MIKE FLOOD耦合MIKE 11河道模型、MIKE URBAN管網(wǎng)模型、MIKE 21地表模型構(gòu)建研究區(qū)的暴雨洪澇模型。MIKE 11模擬一維河道洪水演進(jìn)，MIKE URBAN模擬一維排水管網(wǎng)水流演進(jìn)，MIKE 21模擬二維地表漫流淹沒(méi)，MIKE11和MIKE21采用側(cè)向連接［19］，MIKE URBAN和MIKE 21采用雨水井連接［10］，MIKE 11和MIKE URBAN采用排水口連接［20］，模型耦合方法見(jiàn)圖4。

圖4 模型耦合方法

MIKE 11模型模塊：MIKE 11模型是丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE FLOOD洪水模擬組件的重要板塊。根據(jù)城市水系、水文資料，MIKE 11可構(gòu)建一維河網(wǎng)模型，用于城市河道水量模擬，具有節(jié)約人力、計(jì)算準(zhǔn)確和結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算原理是一維水動(dòng)力學(xué)，包括連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，采用有限差分法進(jìn)行離散，差分格式為6點(diǎn)中心Abbott－Ionescu格式，離散方程求解采用追趕法［22］。

MIKE URBAN模型：主要用于模擬城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)，分為降雨徑流模擬和管網(wǎng)模擬兩部分，其中降雨徑流模擬的結(jié)果是管網(wǎng)模擬的邊界條件，模型計(jì)算原理主要是一維水流連續(xù)方程和水流動(dòng)力方程，模型采用六點(diǎn)隱式差分法求解計(jì)算［23］。

MIKE 21 Flow Model水動(dòng)力模型：是一個(gè)基于結(jié)構(gòu)化地表網(wǎng)格的模擬系統(tǒng)，模型采用二維淺水方程，采用ADI逐行法對(duì)二維模型的連續(xù)和動(dòng)量方程分別進(jìn)行時(shí)空上的積分，離散方程求解用追趕法［2］。

1.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)應(yīng)20190804、20190806兩場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取和實(shí)地調(diào)研得到積水深，以此對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證，并選用絕對(duì)誤差（AE）、相對(duì)誤差（RE）、復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）、合格率（PR）和納什系數(shù)（NSE）4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模型評(píng)價(jià)。其中，NSE取值范圍（－∞，1］，NSE越接近1，模擬效果越好［2］。

式中：Si為第i個(gè)積水點(diǎn)的模擬水深，m；Oi為第i個(gè)積水點(diǎn)的調(diào)研水深，m；為模擬水深均值，m；為調(diào)研水深均值，m；n為積水點(diǎn)總數(shù)，n＝16。

式中：yi和y′i分別為觀測(cè)流量和模擬流量，m3／s；i為時(shí)刻序號(hào)；為觀測(cè)流量均值，m3／s。

2 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

耦合后的模型有不透水率、河段糙率和地表糙率3個(gè)參數(shù)，根據(jù)洛陽(yáng)市區(qū)的實(shí)際情況，具體取值見(jiàn)表2。

表2 模型參數(shù)取值

采用調(diào)研積水深、實(shí)測(cè)河道流量對(duì)耦合模型進(jìn)行綜合校準(zhǔn)驗(yàn)證。MIKE模型是分布式物理水文模型，模型參數(shù)具有物理意義，參數(shù)校準(zhǔn)只需要調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)保證模型迭代計(jì)算不發(fā)散即可［11］，這也是MIKE模型的優(yōu)勢(shì)所在。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，時(shí)間計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為2 s。

根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則（試行）》要求，城區(qū)70%的暴雨積水點(diǎn)最高水位的誤差控制在20 cm以下視為合格。耦合模型積水點(diǎn)校準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模型校準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，20190804場(chǎng)次水深模擬平均絕對(duì)誤差為14 cm，相對(duì)誤差為21.2%，經(jīng)過(guò)模擬—實(shí)測(cè)水深線性相關(guān)分析，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.786 7（見(jiàn)圖5（a））；20190806場(chǎng)次水深模擬平均絕對(duì)誤差為7 cm，相對(duì)誤差為16.0%，R2為0.943 9（見(jiàn)圖5（b））。

圖5 20190804、20190806場(chǎng)次洪澇模型積水點(diǎn)水深校準(zhǔn)驗(yàn)證結(jié)果

模擬和實(shí)測(cè)流量過(guò)程對(duì)比見(jiàn)圖6。20190804場(chǎng)次白馬寺站、龍門(mén)站流量模擬校準(zhǔn)期NSE分別為0.79、0.94，20190806場(chǎng)次白馬寺站、龍門(mén)站流量模擬驗(yàn)證期NSE分別為0.96、0.91，可見(jiàn)模型模擬與實(shí)測(cè)過(guò)程比較吻合，所構(gòu)建模型具有較高的模擬能力。

圖6 20190804、20190806場(chǎng)次暴雨模擬和實(shí)測(cè)流量對(duì)比

3 城市洪澇場(chǎng)景推演

根據(jù)28場(chǎng)設(shè)計(jì)降雨，對(duì)洛陽(yáng)市中心城區(qū)進(jìn)行雨洪淹沒(méi)模擬。結(jié)果表明，研究區(qū)河流均未發(fā)生漫溢，淹沒(méi)主要為暴雨內(nèi)澇，淹沒(méi)分布狀況見(jiàn)圖7。

圖7 不同降雨歷時(shí)、不同重現(xiàn)期條件下暴雨洪澇淹沒(méi)空間分布

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，4種降雨歷時(shí)條件下的淹沒(méi)面積分別為14.532 3～23.968 8 km2、16.788 6～26.190 9 km2、24.116 4～35.785 8 km2和4.779 7～36.821 7 km2。這說(shuō)明降雨歷時(shí)和降雨量越大，淹沒(méi)面積越大。結(jié)合淹沒(méi)空間分布和重現(xiàn)期條件，重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，淹沒(méi)面積明顯增大。因此，當(dāng)重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，要提前做好城市防洪措施，可以適當(dāng)提高防洪減災(zāi)級(jí)別。

降雨歷時(shí)60、120、360、720 min的淹沒(méi)水量分別在1 804 911.66～24 064 675.2 m3、2 091 859.56～31 751 228.07 m3、3 943 031.4～44 463 856.5 m3和3 875 545.08～54 559 375.68 m3范圍內(nèi)，可根據(jù)不同情景的淹沒(méi)水量合理安排不同的排澇設(shè)備和人員。隨著降雨歷時(shí)的增加，各場(chǎng)次降雨均有不同程度的淹沒(méi)發(fā)生，在重現(xiàn)期為1～2 a時(shí)，城市淹沒(méi)也有發(fā)生，說(shuō)明現(xiàn)有城市排水能力嚴(yán)重不足，這也是造成城市積水的直接原因之一［27］，合理規(guī)劃排水系統(tǒng)是城市建設(shè)必不可少的環(huán)節(jié)。

在所設(shè)計(jì)的降雨情景中，雖然都有淹沒(méi)發(fā)生，但是淹沒(méi)程度和空間分布差異明顯。即使相同重現(xiàn)期條件下，降雨歷時(shí)不同，淹沒(méi)程度也不盡相同，通常來(lái)說(shuō)，“短歷時(shí)強(qiáng)降雨造成城市淹沒(méi)”是不可否認(rèn)的事實(shí)［28－29］，但從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，4種降雨歷時(shí)條件下的平均淹沒(méi)水深分別在0.124 2～1.004 0 m、0.124 6～1.212 3 m、0.163 5～1.242 5 m和0.156 4～1.481 7 m范圍內(nèi)。降雨歷時(shí)在120 min以?xún)?nèi)時(shí)，1、2、5、10 a一遇降雨的淹沒(méi)水深為0.1 m左右，對(duì)行人車(chē)輛影響不大；20、50、100 a一遇降雨的淹沒(méi)水深大于0.2 m，可淹沒(méi)至道路沿石，嚴(yán)重影響人車(chē)通行。降雨歷時(shí)大于360 min時(shí)，不同重現(xiàn)期條件下均有大于0.2 m的淹沒(méi)發(fā)生。降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，淹沒(méi)狀況越嚴(yán)重，這與設(shè)計(jì)降雨雨型有關(guān)。降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，降雨量越集中于雨峰位置，這就造成了降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，雨峰雨量越集中，淹沒(méi)也越嚴(yán)重。因此，要做好極端降雨條件下的防洪減災(zāi)準(zhǔn)備工作。

淹沒(méi)水量、淹沒(méi)水深以及淹沒(méi)面積和重現(xiàn)期的關(guān)系表明（見(jiàn)圖8），淹沒(méi)水量和淹沒(méi)水深與重現(xiàn)期為正相關(guān)線性關(guān)系，重現(xiàn)期越大，淹沒(méi)水量和淹沒(méi)水深越大；重現(xiàn)期小于10 a時(shí)，淹沒(méi)面積隨著重現(xiàn)期增大明顯增大；重現(xiàn)期大于10 a時(shí)，淹沒(méi)面積增長(zhǎng)趨于平緩，這可能與地形因素有關(guān)，針對(duì)地形低洼地區(qū)，可以適當(dāng)建設(shè)一些防洪排澇工程措施。

圖8 淹沒(méi)水量、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)面積與降雨重現(xiàn)期的關(guān)系

針對(duì)洛陽(yáng)市中心城區(qū)構(gòu)建的MIKE FLOOD耦合模型經(jīng)過(guò)積水點(diǎn)、河道流量雙重校準(zhǔn)檢驗(yàn)，具有良好的可靠性和模擬精度，表明耦合模型具有較強(qiáng)的洪水推演能力。

4 結(jié) 論

（1）綜合考慮城市復(fù)雜下墊面條件，構(gòu)建基于MIKE FLOOD平臺(tái)的一維河道－一維管網(wǎng)－二維地表的耦合城市洪澇仿真模型，利用兩場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨洪水資料對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證，結(jié)果表明MIKE FLOOD模型在城市雨洪淹沒(méi)模擬中具有較好的精度和可靠性。

（2）相同降雨歷時(shí)條件下，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期小于20 a時(shí)，暴雨所產(chǎn)生的淹沒(méi)范圍較小，多集中在中心城區(qū)；設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，暴雨所產(chǎn)生的淹沒(méi)范圍較大，淹沒(méi)范圍擴(kuò)展到郊區(qū)。因此，當(dāng)重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，要提前做好城市防洪措施。

（3）兩場(chǎng)洪水中洛陽(yáng)市中心城區(qū)無(wú)河道漫溢情況發(fā)生，淹沒(méi)主要由暴雨內(nèi)澇引起，在重現(xiàn)期為1～2 a時(shí)，城市淹沒(méi)也有發(fā)生，表明現(xiàn)有城市排水能力嚴(yán)重不足。

本研究成功構(gòu)建了一維河道－一維管網(wǎng)－二維地表的耦合城市洪澇仿真模型，研究成果對(duì)城市防洪救災(zāi)和海綿城市建設(shè)工作具有指導(dǎo)意義，但是仍然存在不足，譬如沒(méi)有考慮城市中的地下空間，由于地下管網(wǎng)資料不齊全，因此僅能采用概化方式處理，城市洪水對(duì)暴雨的響應(yīng)機(jī)理和災(zāi)后損失評(píng)估也有待進(jìn)一步研究。