基于MIKE模型的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與整治方案效果研究

卓小燕，孫 翔

(1.深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3. 南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；4. 深圳市睿洋水務(wù)科技有限公司，廣東 深圳 518000)

近幾年，由于城市化進(jìn)程的加快，熱島現(xiàn)象和“雨島”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成了降雨的頻次和強(qiáng)度增加；建造房屋、鋪設(shè)馬路等人類活動(dòng)導(dǎo)致不透水率增加；城市排水系統(tǒng)建設(shè)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相適應(yīng)等，都是造成城市積水的原因[1-3]。其發(fā)生不僅會(huì)給人們的日常生活帶來不便，而且還會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)人們的生命安全構(gòu)成威脅[4-5]。如何有效解決城市內(nèi)澇問題是當(dāng)今社會(huì)最關(guān)注的話題之一。

城市雨洪模擬技術(shù)研究方面，發(fā)達(dá)國(guó)家從60年代起開始研制滿足城市排水、防洪、環(huán)境治理、交通運(yùn)輸、工程管理等各方面要求的城市雨洪管理模型，目前在這方面取得較大進(jìn)展，許多模型已廣泛應(yīng)用于雨水管道及排澇系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理。例如，Delft3D、SMS和Fluent多用于模擬河道中局部水動(dòng)力流態(tài)[6-7]，適用于小尺度精細(xì)模擬；HEC-RAS、SWMM及DHI-MIKE適用于大尺度河網(wǎng)水系建模[8-9]。根據(jù)本研究的特點(diǎn)，需結(jié)合河流、地形和管網(wǎng)建立一二維耦合模型，從以上模型的使用經(jīng)驗(yàn)來看，DHI的MIKE系列軟件適用性較好[10-11]。所以，選取DHI-Mike系列數(shù)值模擬軟件作為本次建模的方式。

因此，本研究以廣州市黃埔區(qū)二中(蘇元校區(qū))后山及周邊片區(qū)為例，基于MIKE模型構(gòu)建城市內(nèi)澇模型，分析研究區(qū)的內(nèi)澇淹沒情況以及不同工況下的緩解情況，最后確定何種方案對(duì)內(nèi)澇的削減效果最好，以期為其他區(qū)域改善城市內(nèi)澇情況提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

廣州市是廣東省省會(huì)，地處珠江三角洲。黃埔區(qū)位于廣州市東部，地處北回歸線以南。黃埔區(qū)年降雨量基本介于1750～1900mm之間，空間分布上呈現(xiàn)向北部防汛和西南方向逐漸增加的趨勢(shì)，高值區(qū)集中在北部和西南部，低值區(qū)主要位于中部[12]。

如圖1所示，本研究的模擬范圍為二中(蘇元校區(qū))后山及周邊片區(qū)，在黃埔區(qū)水西路的西側(cè)，西靠暹崗大山，南側(cè)出口為烏涌河支流，東側(cè)出口為南崗河支流，總匯水面積為120.38hm2。2019年“522”暴雨，受山洪沖擊及下游河道頂托的影響，且部分排水管渠標(biāo)準(zhǔn)偏低，造成雨水收集和轉(zhuǎn)輸能力不足，降雨時(shí)不能及時(shí)將徑流轉(zhuǎn)輸進(jìn)下游河道，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的內(nèi)澇。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1設(shè)計(jì)降雨

設(shè)計(jì)暴雨短歷時(shí)根據(jù)《廣州市番禺區(qū)暴雨公式及計(jì)算圖表》(廣州市水務(wù)局、廣東省氣候中心，2014年3月)中的番禺區(qū)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算：

(1)

式中，q—暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；t—匯水時(shí)間，min；t=t1+t2，t1—地面集水時(shí)間，按距離長(zhǎng)短、地形坡度和地面鋪蓋情況，本研究取定t1=15min；t2—管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間。1年一遇、2年一遇、5年一遇和10年一遇設(shè)計(jì)降雨為1h短歷時(shí)降雨；20年一遇和50年一遇設(shè)計(jì)降雨為長(zhǎng)歷時(shí)24h降雨。

1.2.2地形數(shù)據(jù)

根據(jù)城區(qū)1∶2000CAD地形圖，提取地形地貌信息，坐標(biāo)系采用WGS1984坐標(biāo)，高程采用廣州本地高程系統(tǒng)。為較好地模擬城市街道細(xì)微地形，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行剖分，網(wǎng)格大小為5m×5m，網(wǎng)格單元722×542個(gè)。為反映建筑物的阻水作用，對(duì)所有建筑物高程均拔高5m。

1.2.3排水管網(wǎng)

根據(jù)《黃埔區(qū)市政專項(xiàng)規(guī)劃》(2015—2017)，本研究區(qū)域雨水排水分區(qū)屬烏涌流域的科學(xué)城中部分區(qū)。根據(jù)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)的排向，區(qū)域內(nèi)的雨水有兩個(gè)排向，分別為南崗河和烏涌左支涌。

利用研究區(qū)域的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，主要包括：管網(wǎng)和檢查井的空間位置(x、y坐標(biāo))、節(jié)點(diǎn)高程/進(jìn)出口管底高程、管長(zhǎng)、管徑、流向、材質(zhì)等屬性數(shù)據(jù)。本次僅對(duì)功能性突出、與干支流直接相連的主干管進(jìn)行研究，所以首先根據(jù)區(qū)域地形以及管網(wǎng)圖對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，提取有效信息。現(xiàn)狀排水管網(wǎng)及地形如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀管網(wǎng)(a)及地形高程(b)

2 研究方法

2.1 模型搭建

2.1.1一維模型搭建

MIKE URBAN水動(dòng)力學(xué)模塊可以準(zhǔn)確地描述管網(wǎng)中各種水流現(xiàn)象，其中的排水管網(wǎng)系統(tǒng)分為產(chǎn)匯流模塊和管網(wǎng)模塊。通過求解圣維南方程組，即質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，準(zhǔn)確的解析管網(wǎng)中的水流狀態(tài)[13]。

連續(xù)方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

式中，Q—管道流量，m3/s；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；h—水位，m；g—重力加速度，m/s2；S0—管道坡底；Sf—阻力坡降。

以管道檢查井溢流作為評(píng)估指標(biāo)(即管道水頭線是否超過地面線)，對(duì)管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估，如公式：

δ=H-W#

(4)

式中，H—管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭，m；W—地面高程，m；當(dāng)δ≤0時(shí)，則表示管道排水能力滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期要求；當(dāng)δ>0時(shí)，則表示管道排水能力不滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期要求。

根據(jù)研究區(qū)土地利用規(guī)劃，將土地利用類型分為建筑、道路、綠地、河流和其他，加載進(jìn)MIKE URBAN中。因本次產(chǎn)匯流模型采用T-A模型，不透水系數(shù)的設(shè)置采用根據(jù)不同類型的下墊面類型設(shè)置，見表1。

表1 不同下墊面類型的不透水系數(shù)

2.1.2二維地表漫流模型搭建

MIKE21用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。MIKE 21常用的計(jì)算內(nèi)核有兩種模式，一是本研究使用的矩形計(jì)算網(wǎng)格的MIKE 21，采用隱式差分法求解二維圣維南方程組；二是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的MIKE 21FM，采用有限體積法對(duì)二維圣維南方程組進(jìn)行數(shù)值求解，為顯示時(shí)間積分[13]?？刂品匠淌嵌S非恒定流方程，由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

(5)

(6)

式中，h—水深，m；n—糙率；Z—水位，m；g—重力加速度，m/s2；u、v—x、y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；q—源匯項(xiàng)，m/s。

2.1.3模型耦合

在MIKE Flood中采用側(cè)向連接的方式將管網(wǎng)和二維網(wǎng)格連接起來，當(dāng)超過管道過流能力時(shí)，水流將通過一二維連接口溢流至二維地表，通過二維不同網(wǎng)格的高程值從低處往高處漫流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇區(qū)的模擬[14]。

2.2 模型參數(shù)驗(yàn)證

2.2.1降雨過程

模型驗(yàn)證降雨采用2020年5月21日20時(shí)00分至22日07時(shí)25分暴雨資料，由芝加哥雨型法統(tǒng)一得到暴雨過程。本次采用區(qū)域記錄總降雨量256mm，接近100年一遇標(biāo)準(zhǔn)(1h113mm，24h322mm)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.2內(nèi)澇情況

根據(jù)廣州市水旱災(zāi)害防御中心統(tǒng)計(jì)黃埔、多地出現(xiàn)大面積洪澇，達(dá)180處。模擬范圍所在區(qū)域受南崗河及其支涌的水位頂托作用，沿線南崗街道、云埔街道、東區(qū)路口等區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。對(duì)照當(dāng)?shù)氐谋┯暾{(diào)查水賬計(jì)算結(jié)果，以及本研究模型演算內(nèi)澇點(diǎn)分布情況(如圖3所示)，可見主要內(nèi)澇位置及淹沒深度一致，認(rèn)為模型可以用于設(shè)計(jì)暴雨淹沒分析。

圖3 實(shí)際內(nèi)澇點(diǎn)(a)與模擬內(nèi)澇點(diǎn)(b)

2.3 模擬情景設(shè)計(jì)

2.3.1不同工況布設(shè)

根據(jù)二中(蘇元校區(qū))防洪綜合治理工程對(duì)二中(蘇元校區(qū))及周邊區(qū)域的排水情況進(jìn)行調(diào)查分析，針對(duì)暹崗大山北側(cè)現(xiàn)狀水溝下游被管道替代導(dǎo)致過流能力嚴(yán)重不足的問題，本研究擬建調(diào)蓄塘3座(規(guī)模分別為97000、6800、17200m3)，擴(kuò)建調(diào)蓄塘4座(規(guī)模分別為940、5300、5600、2800m3)，起到對(duì)匯流的雨水儲(chǔ)存削峰的作用，且添加部分管道，有助于洪水的排放。分為以下3種工況進(jìn)行布設(shè)(如圖4所示)。

圖4 工況1(a)、工況2(b)及工況3(c)

2.3.2調(diào)蓄塘調(diào)洪演算

調(diào)蓄塘調(diào)洪計(jì)算依據(jù)水量平衡方程，計(jì)算式采用有限差形式表達(dá)：

(7)

式中，Qi-Qi-1—入庫(kù)流量，m3/s；qi-qi-1—下泄流量，m3/s；Vi-Vi-1—水庫(kù)庫(kù)容，m3；Δt—計(jì)算時(shí)段，h。

2.4 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)當(dāng)?shù)貎?nèi)澇治理方案，按照不同的淹沒深度和淹沒時(shí)長(zhǎng)劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見表2。

表2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

3 結(jié)果分析與討論

3.1 現(xiàn)狀情境下的內(nèi)澇情況

3.1.1管網(wǎng)過流能力分析

如圖5所示，見表3，采用1年一遇、2年一遇、5年一遇及10年一遇短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨復(fù)核管道過流能力，可見蘿崗片區(qū)60%以上的管網(wǎng)過流能力不足1年一遇，香雪大道局部在創(chuàng)業(yè)公園調(diào)蓄的影響下達(dá)到大于5年一遇的標(biāo)準(zhǔn)；另外開創(chuàng)大道沿線管道建設(shè)時(shí)序較晚，可以滿足2年一遇至10年一遇暴雨過流。

表3 管網(wǎng)過流能力占比

圖5 管網(wǎng)過流能力

3.1.2不同情境下的淹沒分析

根據(jù)短歷時(shí)1年一遇、2年一遇、5年一遇及長(zhǎng)歷時(shí)10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨情境下的內(nèi)澇模擬，現(xiàn)狀除下游片區(qū)匯入南崗河前繞城高速段有淹沒外，主要的淹沒區(qū)為廣州二中區(qū)域。在20年一遇、50年一遇工況下，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)3級(jí)，淹沒深度局部達(dá)到1m以上，淹沒時(shí)間長(zhǎng)于45min。另外創(chuàng)業(yè)公園那側(cè)，香雪大道沿線因地勢(shì)及管道過流能力問題有淹沒。如圖6所示，造成蘿崗中心片區(qū)淹沒的主要原因?yàn)楣艿肋^流能力不足及局部地勢(shì)低洼。

圖6 研究區(qū)淹沒分布圖

統(tǒng)計(jì)分析各降雨情境下，研究區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比，如圖7所示。1年一遇、2年一遇、5年一遇及長(zhǎng)歷時(shí)10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別為1.75、1.94、2.37、2.68、3.85和4.88×105m2?？梢钥闯觯S著降雨強(qiáng)度的增加，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)總面積也在逐漸增加，尤其是4級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加最多。

圖7 研究區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比

3.2 不同工況下的內(nèi)澇情況

3.2.1調(diào)蓄塘調(diào)洪結(jié)果分析

經(jīng)過調(diào)洪后，50年一遇出庫(kù)洪峰流量下降至3.0m3/s，削峰流量達(dá)19.80m3/s，削峰效果好，同時(shí)72h洪水總量控制了7.64萬m3，占來水總量17.48萬m3的43.8%，有效地緩解了下游的防洪壓力。經(jīng)6#山塘調(diào)洪后該山溝出庫(kù)洪峰為5.87m3/s，出庫(kù)三日洪水總量19.87萬m3，洪水將排至下游7#塘處再進(jìn)行調(diào)蓄；經(jīng)7#山塘調(diào)洪后該山溝出庫(kù)洪峰為4.64m3/s，出庫(kù)三日洪水總量12.17萬m3，溢流洪水將排至下游排水管網(wǎng)，滿足下游排水管網(wǎng)的計(jì)算現(xiàn)狀過流能力。調(diào)蓄塘調(diào)洪結(jié)果見表4。

表4 調(diào)蓄塘調(diào)洪結(jié)果

3.2.2各工況的淹沒分析

如圖8所示，工況1基本消除了高頻暴雨的淹沒災(zāi)害，在10年一遇以上的暴雨時(shí)可以保證二中區(qū)域不受淹，但香雪大道西和繞城高速段仍有局部淹沒；工況2同工況1一樣基本消除了高頻暴雨的淹沒災(zāi)害，但在10年一遇以上的暴雨時(shí)香雪大道西和繞城高速段仍有局部淹沒；工況3淹沒深度及范圍在工況1及工況2之間。

圖8 各工況淹沒情況

工況1、2、3經(jīng)歷1年一遇和10年一遇短歷時(shí)和50年一遇長(zhǎng)歷時(shí)暴雨洪水，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別為0.63、1.23、2.96×105m2；1.16、2.04、3.62×105m2；1.09、1.99、3.55×105m2。由模擬結(jié)果看出，相較于現(xiàn)狀情況的淹沒面積，在相同的重現(xiàn)期暴雨情況下，工況1淹沒面積最小，工況3次之。根據(jù)圖9，在不同重現(xiàn)期暴雨條件下，對(duì)比現(xiàn)狀情況，工況2淹沒面積減少了18.8%～33.28%，工況3淹沒面積減少了19.94%～37.82%。而工況1實(shí)施效果更為顯著，工況實(shí)施后，可使內(nèi)澇淹沒面積減少33.53%～64.06%，大大的緩解了蘿崗中心片區(qū)的內(nèi)澇問題。

圖9 各工況風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積占比

4 結(jié)論

本研究分析了不同重現(xiàn)期下現(xiàn)狀管網(wǎng)的過流能力與不同工況下的研究區(qū)淹沒情況與內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化，對(duì)比分析不同工況的效果得出以下結(jié)論。

(1)蘿崗中心片區(qū)管網(wǎng)排水能力較差，超過60%的管網(wǎng)(d400～d600)未能夠滿足1年一遇，超過28%的管網(wǎng)排水能力滿足10年一遇，管網(wǎng)改造是緩解城市內(nèi)澇的重要手段。

(2)現(xiàn)狀內(nèi)澇主要集中在廣州二中附近，暴雨強(qiáng)度也大，等級(jí)越高；各工況而言，在相同的重現(xiàn)期暴雨情況下，工況1通過打通下游排水瓶頸，其淹沒面積最小，工況3與工況2相近；且隨著暴雨強(qiáng)度的增加，內(nèi)澇淹沒面積也隨之增加。

(3)經(jīng)過經(jīng)濟(jì)可行性對(duì)比，工況3有優(yōu)勢(shì)，但并無較大的差異；再結(jié)合方案的可行性進(jìn)行分析，方案1的預(yù)計(jì)實(shí)施效果要優(yōu)于工況2、3。耦合水動(dòng)力模型雖然對(duì)基礎(chǔ)資料要求較高，可以較為清晰的展示造成內(nèi)澇的排水瓶頸，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析有效的支撐工程決策及方案確定。