基于DHI MIKE模型的城市內(nèi)澇模型應(yīng)用研究

樊書銘，馬立山，楊國麗，馬寧寧

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國積水深大于50 cm的城市有261個(gè)，積水時(shí)常大于12 h的城市有56個(gè)[1]。唐明等[2]利用耦合模型模擬了南昌市青山湖排澇片區(qū)的暴雨內(nèi)澇情況，確定了復(fù)合雨型法；陳安麗等[3]通過耦合協(xié)調(diào)度模型評估了福州市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級，繪制了風(fēng)險(xiǎn)等級表；徐雷等[4]基于SWMM構(gòu)建了路段明渠與管段壓力耦合的排澇模型，設(shè)計(jì)了行泄通道方案；田福昌等[5]利用MIKE FLOOD 耦合模型模擬了區(qū)域淹沒范圍及溢流過程。

結(jié)合岳陽樓區(qū)實(shí)際地貌及降雨特征，通過MIKE 模型模擬管網(wǎng)降雨和輸水過程，結(jié)合耦合模型來分析完善管網(wǎng)的運(yùn)行，為岳陽樓區(qū)防澇防洪提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

岳陽市為湖南省第二大經(jīng)濟(jì)體，是一座有著2 500多年悠久歷史的文化名城。研究區(qū)域?yàn)樵狸柺性狸枠菂^(qū)青年東路附近，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均降雨量為1 289.8～1 556.2 mm，最大降雨量達(dá)2 336.5 mm，最小降雨量為750.9 mm。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

通過資料收集所得數(shù)據(jù)，包括建筑資料、數(shù)字高程、路線分布、排水管網(wǎng)資料、降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)字高程來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，降水?dāng)?shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，研究區(qū)域建筑物、排水管網(wǎng)、道路分布數(shù)據(jù)來自于中南勘察設(shè)計(jì)研究院。

1.2.2 雨型設(shè)計(jì)

經(jīng)岳陽樓區(qū)提供的1984—2013年的降雨數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式[6]：

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(L/s·hm2)；P為暴雨重現(xiàn)期(年)P≥2；t為降雨歷時(shí)(min)。

采用降雨歷時(shí)120 min，設(shè)計(jì)降雨采用芝加哥模式，雨峰系數(shù)選用0.3，重現(xiàn)期為 2、3、5、10年的降雨，4種重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度的柱狀圖如圖1所示，降雨峰值為9∶41。

圖1 降雨重現(xiàn)期雨型分布Fig.1 Rainfall pattern distribution during the return period of rainfall

1.2.3 排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

采用Geodatabase方法，其具有智能化功能，可精確高效體現(xiàn)模擬物的特征與流動(dòng)[7]。憑借一體化功能，可便捷管理音視頻、動(dòng)靜態(tài)等，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)導(dǎo)出中[8]。將收集得到的資料轉(zhuǎn)換為Excel格式，驗(yàn)證無誤后將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并分類表示。

1.2.4 地形文件預(yù)處理

通過ArcGIS對地形文件處理，導(dǎo)入高程點(diǎn)進(jìn)行柵格插值[9]，獲得ASCII類型，實(shí)現(xiàn)在GIS中的轉(zhuǎn)化步驟，構(gòu)建二維地形。

2 城市內(nèi)澇模型

通過模擬降雨流動(dòng)制成降雨流量流動(dòng)線，從而提供水力模擬所需數(shù)據(jù)，考慮降雨的時(shí)間序列劃分集水區(qū)，邊界條件設(shè)為暴雨過程，集水區(qū)劃分如圖2所示。劃分按照就近原則和等份分配原則[10]，采用T-A模型匯流，道路圖層不透水率0.90，建筑物圖層不透水率取0.80，其余取0.60不透水率。

圖2 集水區(qū)連接與劃分Fig.2 Watershed connection and division

2.1 一維模型

一維模型MIKE URBAN作為研究管網(wǎng)的非恒定模型，依照地貌及管道布局并結(jié)合MIKE 21耦合，實(shí)現(xiàn)對降雨及徑流流態(tài)的模擬全程。該模型可精確描述水流流動(dòng)狀態(tài)及各階段水頭損失等[11]。設(shè)計(jì)暴雨條件求得的結(jié)果即處理后的徑流模擬結(jié)果。

2.2 二維模型

二維模型MIKE 21為二維地表漫流[12]，采用有限差分計(jì)算二維淺水方程，用來模擬檢查井溢流造成的地表水淹沒的范圍和時(shí)間等。網(wǎng)格劃分是MIKE 21的關(guān)鍵步驟[13]，結(jié)合實(shí)際情況，水流遇實(shí)體繞流，故添加道路和建筑，建筑加高25 m，道路降低0.15 m，陸地值定為100 m，達(dá)到網(wǎng)格水不淹沒陸地要求且邊界為全閉合。研究區(qū)三維地形如圖3所示。

圖3 三維地形示意圖Fig.3 3D topographic map

道路和建筑初始的流量和水深定為0 m，起始流速為0 ms-1。查閱2013—2014年度洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，選定徑流系數(shù)與糙率參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 徑流系數(shù)取值表Tab.1 Values of runoff coefficient

表2 二維模型糙率參數(shù)選值表Tab.2 Roughness parameter selection values of two-dimensional model

2.3 耦合模型

將MIKE UEBAN和MIKE 21進(jìn)行耦合[14]，形成耦合模型MIKE FLOOD。該耦合模型吸取一維模型和二維模型的優(yōu)點(diǎn)，可同步模擬管網(wǎng)、徑流和構(gòu)筑物等，直觀顯示模擬過程與積水水深和范圍等結(jié)果，適用范圍更大，適用性更強(qiáng)。耦合方式采用人孔連接，其主要用來分析管網(wǎng)改造與優(yōu)化。

3 結(jié)果與分析

4種重現(xiàn)期降雨匯流量結(jié)果如圖4所示，可知匯流量與重現(xiàn)期呈正相關(guān)趨勢。

圖4 重現(xiàn)期的地面匯流量結(jié)果Fig.4 Surface runoff results in return period

3.1 管網(wǎng)現(xiàn)狀排水能力

管道充滿度以2年重現(xiàn)期結(jié)果為例，取0 min、35 min、60 min和120 min 4個(gè)降雨時(shí)間段并劃分0～0.5、0.5～1、1～2和2～max 4個(gè)區(qū)間，管道充滿情況如圖5所示。結(jié)果顯示：0 min管道充滿度均低于0.5；35 min達(dá)峰值時(shí)刻，大部分管道充滿度為2max，滿管超60%；60 min管道水位降低，滿管現(xiàn)象緩解；120 min降雨停止，滿管只占15%，管道載水壓力大幅度緩解。

評價(jià)指標(biāo)為各充滿度的管道長度，不同時(shí)刻管道充滿度等級劃分如表3所示。

圖5 管道充滿度情況Fig.5 Pipeline fullness

表3 不同時(shí)刻管道充滿度等級劃分Tab.3 Classification of pipe filling at different times

3.2 內(nèi)澇區(qū)域確定

通過耦合模型計(jì)算得4種降雨積水情況。積水區(qū)域集中在滿管與節(jié)點(diǎn)溢流位置，積水原因?yàn)楣艿莱錆M度造成的溢流。最大積水深度分布如圖6所示，圖a、b、c、d對應(yīng)2年、3年、5年和10年降雨重現(xiàn)期最大積水深度分布情況。

圖6 最大積水深度分布圖Fig.6 Maximum water depth distribution

結(jié)果顯示：平均最大積水深度值在2年、3年、5年、10年分別為0.457 m、0.461 m、0.461 m、0.465 m。積水深度最大值在2年、3年、5年、10年分別為4.868 m、5.104 m、5.346 m、6.611 m，結(jié)果均高于地面積水標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

針對岳陽樓區(qū)的降雨及排水現(xiàn)狀，利用MIKE模型對積水進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：基于DHI MIKE建立岳陽樓區(qū)內(nèi)澇模型，采用一維模型MIKE URBAN實(shí)現(xiàn)對降雨及徑流流態(tài)的模擬全程，二維漫流模型MIKE 21模擬檢查井溢流造成的地表水淹沒的范圍和時(shí)間，耦合模型MIKE FLOOD模擬地面匯流及排水結(jié)果，直觀顯示模擬過程與積水水深和范圍等結(jié)果，模型模擬與真實(shí)情況貼合。降雨重現(xiàn)期為2年時(shí)，管道非充滿態(tài)僅占比37%，輸水能力差，結(jié)果表明岳陽樓研究區(qū)未達(dá)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。積水原因?yàn)楣艿酪缌?，其中劃分積水的區(qū)域大部分為中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。針對內(nèi)澇積水問題，建議部分管道加大管徑，使其符合排水標(biāo)準(zhǔn)，建立系統(tǒng)的監(jiān)測排水預(yù)防系統(tǒng)，通過本模型模擬結(jié)果可制定有效的防澇防溢流方案。