基于MIKE21和MIKE Urban耦合的湖區平原城市內澇模擬應用研究

朱穎蕾，于永強，俞芳琴，劉 俊，朱世云，花 培

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014； 3.南京市浦口區水務局，南京 211800)

近年來，隨著城市化進程加快，城市內澇災害日益加劇。通過數值模擬技術，建立城市內澇模型，進行動態分析，可以得到考慮空間差異及多目標影響下的逐時段演進的分析成果，用于評估現狀城市排水系統能力，預測地表可能產生內澇災害的區域，對解決城市內澇問題具有重要意義[1,2]。國內外學者對此展開了深入的研究。歐美發達國家在城市雨洪模型發面研究較為成熟。2010年，Wallingford公司將InfoWorksCS模型升級為InfoWorksICM軟件[3]，加入了水質模塊，同時提高了模型穩定性和計算效率。同年，丹麥DHI公司開發了MIKE URBAN軟件[4]。2011年，加拿大水力計算研究所推出了含有二維模塊和水質模塊的PCSWMM軟件[5]。我國城市暴雨內澇模型的研究起步較晚，但結合了我國的區域性開發出適合的水力學模型。2014年，黃紀萍[6]開發了深圳民治內澇預警系統。2015年張靈敏[7]開發了海口市暴雨預警系統。在我國，湖區平原城市內澇作為一種典型的城市內澇情況，在利用數值模擬技術解決內澇問題方面值得探討研究。論文以位于長江中下游兩湖平原的岳陽市為例，根據研究區獨特的自然地理特征，制定基于情景分析的城市內澇方案，通過可靠翔實的資料建立能夠用于湖區平原城市研究的數值模型，從本質上揭示內澇災害的形成機理與發展過程，指導湖區平原城市的相關城市建設和規劃。

1 模型與方法

1.1 MIKE21模型

丹麥水力研究所(DHI)研發了用于水模擬的系列數值模型，即MIKE模型，屬于商業軟件。其中MIKE21模型是基于網格的平面二維自由表面模型[8]，模型給出了結構化矩形網格MIKE21、非結構化網格MIKE21 FM和正交曲面線網格MIKE21 C三種網格形式。MIKE Flood耦合計算中可以識別MIKE21和MIKE21 FM兩種。

MIKE21和MIKE21 FM都是采用二維圣維南方程作為控制方程，兩者的區別在于，MIKE21 FM在選擇二階精度時，計算速度將大幅度降低，但守恒性質較好[9]。MIKE21采用ADI隱式格式，可以允許較大步長，在精度要求不高時可以大幅度減少計算時間。在MIKE Flood耦合時，如果采用MIKE21 FM，不僅位置指定復雜且容錯率低，有細微誤差將導致耦合運算崩潰；而MIKE21模塊耦合時每一個與管網節點連接的二維網格單元只需要一個坐標即可描述其位置，并且不容易產生誤差導致運算崩潰[10]。因此本次研究模型耦合計算可以優先選用MIKE21模塊，以簡化建模過程，保證模擬方法的穩健性，減少模擬計算成本。

1.2 MIKE Urban模型

Mike Urban 是基于地理信息系統(GIS)基礎上開發出來用于模擬城市給水排水管網系統的模擬軟件[11]。Mike Urban 是應用隱式有限差分法對一維水流問題進行求解，模型中不對水流沿管道橫斷面變化進行考慮。其中，排水管網模擬模塊能夠有效地對雨水在管道中的流動進行模擬。Mike Urban 是應用隱式有限差分法對一維水流問題進行求解，模型中不對水流沿管道橫斷面變化進行考慮[4]。排水管網模型主要由3部分組成，第一部分是降雨徑流模型，第二部分是管網水力模型，第三部分是排水管網系統模型的校核和運行[12]。

1.3 論文研究方法

論文選擇MIKE21-MIKE Urban耦合模型來描述城市地面自由水流與雨水管渠之間的相互影響，負責完成模型耦合過程中的數據交互，當管網節點溢出時水量進入二維漫流模型演算淹沒情況，當滿管流流態結束時二維模型水量回歸管網中運算。運行得到的淹沒情況直接由地形資料決定，而不是簡單以水位～淹沒面積曲線描述，這樣得到的地面淹沒情況就有了更切實的依據，更為可信、具體，并且可以得到每個計算單元中的淹沒特征值，便于研究分析。

2 模型建立

2.1 研究區概況

岳陽市位于長江中下游兩湖平原的洞庭湖平原，處于湖南省東北部，環抱洞庭，瀕臨長江，城區位于洞庭湖出口與長江交匯帶，鎖江流、扼湖口、控京廣鐵路，素有“湘北門戶”之稱[13]。岳陽市擁有得天獨厚的地理條件，水陸交通便利，物流、旅游、加工業發達，社會經濟發展順利。河流水系眾多，西臨東洞庭湖，內湖面積1.42 萬hm2，中心城區南部有南湖，西北部有東風湖，城區外圍有吉家湖、雷公湖、琵琶湖和月形湖等內湖[14]，是一個典型的湖區城市。降雨量年內分布和年際分布都不均勻，春夏季降雨量占年均降水量70%[15]。

本次研究區為岳陽市中心城區，研究范圍涵蓋中心城區岳陽樓區、南湖風景開發區和國家經濟開發區。岳陽市中心城區暴雨時程上分配相對集中，七里山站實測資料顯示最大6 h暴雨約占最大24 h暴雨的80%，而城區現狀排澇標準低，短歷時暴雨引起的內澇明顯。加之近年來隨著岳陽市城區建設開發，路面硬化和降雨異常導致暴雨內澇影響大大增加。而研究區內泵站能力普遍偏低，管理養護不及時，高程規劃不合理。當下游邊界頂托雨水管渠時，理應24 h內排除的澇水常常需要數天才能完全強排消除。近年來，城區暴雨內澇災害頻發，造成的直接經濟損失巨大。尤其是2010年暴雨災害，造成受災人口12.85萬人，淹沒房屋0.17萬。直接經濟損失2.88億元。

岳陽市內澇一般集中發生在4～7月雨季。近年來內澇出現頻率增高，平均2～3年發生一次，有時一年爆發多次。由于建成區擴大，受損范圍增大，以前澇災主要限于內湖周邊的濱水區，現已擴大至地勢較低的居民小區、地下停車場、街道等，波及范圍及經濟損失也隨之增加。

2.2 研究區概化

論文選用岳陽市大比例尺地形圖(1:500)進行研究，中心城區地面二維模型采用結構化規則網格，作為一個計算分區納入內澇雨洪模型考慮，網格尺寸16 m×16 m，范圍684×599網格(即409 716個網格，共104.9 km2)。地下管網總長150.87 km。

中心城區地下管網連接復雜，收集到岳陽市中心城區排水防澇設施普查資料，對地下雨水管渠格局和連接進行復核，并利用地下管網模型對地下雨水管渠分布和參數進行概化。岳陽市現狀共6個雨水分區，模型構建根據管網走向及出口分布，建立中心城區的整體模型。概化后的管網模型包含節點數共2091個，其中排水口45個，管段總長150.87 km。管網模型概化情況見圖1。

圖1 岳陽市地下管網模型概化示意圖

2.3 計算工況

(1)設計暴雨。中心城區的暴雨計算采用經審查批準的《岳陽市中心城區排水(雨水)防澇綜合規劃(2015-2030)》中岳陽市最新暴雨強度公式計算的成果。各設計頻率暴雨見表1。

暴雨雨型根據最新的湖南省暴雨洪水查算手冊結合暴雨公式推求，各頻率設計暴雨過程(以3、5、10年一遇6 h暴雨過程為例)見圖2～圖4。

表1 岳陽市中心城區各頻率設計暴雨成果表

圖2 岳陽市中心城區P=33.3%設計6 h暴雨過程

圖4 岳陽市中心城區P=10%設計6 h暴雨過程

岳陽市內澇雨洪模型根據岳陽市暴雨公式推求出各時段設計暴雨，考慮不同重現期情況下的內澇情形，對岳陽市中心城區設定12個模擬情景方案，見表2。

Urban與21的耦合方式選用城市連接，可以利用Flood中的自動連接按投影坐標快速建立耦合連接。孔口出流方式將水流交換過程看作水流進出標準孔口，具有模擬精度高，所需參數少的優點[16]，因此選則孔口出流公式來求得地下管網與二維地面間產生溝通的雨水流行情況。

(2)邊界條件。對于暴雨內澇，由于各排水分區雨水主要排入城市中各個內湖，通過內湖的調蓄和與東洞庭湖的水力溝通排除澇水。洪水組合需考慮排口各頻率暴雨遭遇內湖設計水位。根據《岳陽市中心城區排水(雨水)防澇綜合規劃(2015-2030)》，各主要內湖水位采用最高控制水位。岳陽市城區主要內湖控制情況如表3所示。

表2 內澇雨洪模型模擬情景方案

表3 岳陽市主要內湖控制水位一覽表 m

3 計算結果與分析

從地理分布上看，暴雨內澇點主要位于洞庭大道楓橋湖自北向南至南湖大橋北端一帶、城區西側沿京廣鐵路自楓橋路向南至南津港一帶、南湖街道天燈社區、三眼橋街道李家沖以及通海路管理處北港片、楓橋湖街道一片、鯉魚嘴社區等。模型計算成果與岳陽市城市防汛應急預案中城區主要易漬點調查統計分布基本一致。

根據徑流模型計算結果，岳陽市暴雨地表徑流量具體情況見表4。

各頻率暴雨積水區平均淹沒水深見表5。以6 h暴雨為例，根據內澇計算成果，岳陽市3年、5年、10年、20年一遇6 h暴雨，積水區平均淹沒水深在0.2～0.3 m左右。

表4 各頻率暴雨地表徑流量模擬結果

以3年一遇和5年一遇6 h內澇雨洪模型計算成果為例，3年一遇與5年一遇6h暴雨積水及各不同時刻淹沒水深樣圖5～6如下。

表5 各暴雨內澇方案淹沒統計成果表

圖5 3年一遇6 h暴雨淹沒水深示意圖

圖6 5年一遇6 h暴雨淹沒水深示意圖

各頻率暴雨積水區范圍變化情況見表6和圖7。由成果可以得出以下兩點結論：①隨著暴雨歷時的增加，內澇積水面積逐漸加大，在3 h左右達到最大，對比設計暴雨的時程分配，二者基本相應，雨峰過后，內澇積水面積逐漸減小。②由于管網現狀排水能力不足，隨著暴雨標準的提高，中心城區淹沒范圍逐漸加大，積水點增多。

4 結 論

岳陽市位于洞庭湖濱，由于城區排水標準較低，遇暴雨、特大暴雨，城市內澇明顯。本文通過模擬12種不同重現期不同歷時暴雨產生的內澇，主要結論如下：

(1)內澇模擬中管網資料主要影響內澇點分布，二維網格主要影響淹沒特征值。由于城市排水防澇標準普遍偏低，加之湖區平原城市發展迅速，城市化效應明顯，導致內澇威脅嚴重。

表6 岳陽市中心城區6 h設計暴雨內澇積水面積表

圖7 岳陽市中心城區6 h設計暴雨內澇積水面積圖

(2)在岳陽市內湖調蓄消解下，岳陽市內澇平均淹沒水深0.175～0.218 m，局部微地形最大淹沒水深達3 m以上。暴雨內澇積水區主要位于洞庭大道楓橋湖自北向南至南湖大橋北端一帶、城區西側沿京廣鐵路自楓橋路向南至南津港一帶、楓橋湖街道一片、通海路管理處北港片以及南湖街道天燈社區、三眼橋街道李家沖、鯉魚嘴社區等。與研究區主要積水點調查分布情況基本一致。

(3)本文研究結果合理可靠，可為湖區平原城市內澇防治工作提供參考。表明MIKE21和MIKE Urban耦合模型在湖區平原城市的內澇模擬中具有一定應用價值。

□