基于MIKE FLOOD的巢湖市主城區現狀排水能力與內澇風險評估

劉興坡，夏澄非，柴耀智，王天宇，賈仁勇，王靈華

(1.上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海海事大學海洋環境與生態模擬研究中心，上海 201306；3.上海市城市建設設計研究總院，上海 200125；4.巢湖市住房和城鄉建設局，安徽巢湖 238001)

城市內澇是當前我國城市面臨的主要水問題。2013年，國務院辦公廳印發的《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》(國辦發[2013] 23號)文件指出，各城市要在摸清管網現狀的基礎上，編制完成城市排水防澇設施建設規劃，用10年左右的時間建成較為完善的城市排水防澇工程體系。2017年，住房城鄉建設部辦公廳與國家發展改革委辦公廳聯合發布的《關于做好城市排水防澇補短板建設的通知》(建辦城函[2017] 43號)文件指出，各地既要為全面完善排水防澇工程體系建設做好基礎，又要著重解決當前對居民生活生產影響較大的內澇積水問題。在此背景下，我國開始啟動城市排水(雨水)防澇綜合規劃的編制工作，以構建完善的城市排水防澇工程體系[1-3]。

巢湖市地處安徽省中部，毗鄰巢湖，城市內澇災害風險大。特別是2016年7月上旬，巢湖市遭遇暴雨突襲，城區各地普遍降雨達到200 mm以上，僅7月1日的最大雨量就達到291 mm，帶來了嚴重的經濟損失。為此，巢湖市提出了編制城市排水(雨水)防澇綜合規劃的工作。其中，城市排水防澇系統排水能力和內澇風險評估是規劃編制的前提和基礎，本文對此開展探討。

1 研究區域及數據準備

1.1 研究區域

巢湖市隸屬安徽省，市區內主要河流為裕溪河水系，是長江支流。巢湖市圍繞巢湖水系，經過市區流入巢湖的支流眾多。其中，裕溪河西連巢湖東接長江，市區南部河段自西向東貫穿，枝杈流主要為西河、抱書河以及清溪河等，直接匯入長江的河流主要為德勝河、太陽河等。南部地區的羅倡河和柯坦河分別流經白蕩湖和菜籽湖匯到長江干流，城北的滁河流經位于江蘇省的六合縣地區最終匯入長江[4][圖1(a)]。

巢湖市區位于江淮丘陵以南，三面環山，整體地形為中間較低，南北側地勢較高。市域中部被長江、巢湖兩個沖積平原貫穿，南北側分別為山丘崗地，山體自東北向西南走向。南北部分用地有東北至西南方向的山脈斷續相連，形成了沿江水網圩、沿湖碟形圩、波狀平原和低山丘陵4種地貌。市區近郊山丘海拔為200～300 m，市區主要坐落在一、二級階地上，海拔高為6～40 m(黃海高程，下同)，其中最高處臥牛山頂海拔為48 m。舊城區北部為山丘，其余西、南、東三面均是湖漫灘改造而成的圩田，平均海拔為8 m左右。

當前巢湖市的排澇設施現狀如下。(1) 城區排水系統不完善，缺乏統一規劃。目前，僅中心區內有一些排水管道及排澇箱涵，但這些排澇設施未經過統一規劃，大多隨道路建設修建而成，任意性大，且至今沒有確切的布置圖。(2) 排澇站標準低，裝機不足且老化嚴重。巢湖市現有15座排澇泵站(不含漕橋農排站和賈塘圩南農排站)，總排澇流量為119.22 m3/s，總裝機容量約為3 182 kW。其中丁家崗站等6座為70年代以前建成，運行年代久遠，目前基本超過允許使用年限，老化損壞十分嚴重。另外，除城防站外，其余站原來大都是按農田排水標準設計，排澇規模僅為0.7～1.1 m3/s/km2。若按照城市雨水公式計算，同時考慮溝塘調蓄及管道坡降等因素后，這些現有的排澇站標準偏低，裝機嚴重不足，遠不能滿足城區排澇要求。各泵站的具體位置分布如圖1(a)所示。

根據當前巢湖市的用地布局、地形特點、水系情況，本著“高水高排、低水泵排、就近排放”的原則，將巢湖市分為14個雨水防澇系統：巢北區、小王莊區、老城區、賈塘圩區、伍賈圩區、官圩區、東安圩區、巢南區、義城圩區、半湯新區、花山工業園區、半湯溫泉度假村區、民營經濟園區以及放王崗區。其中，巢南區、小王莊區、半湯溫泉度假村區及放王崗區均為高排區，其余分區全部或局部為低排區(圖2)。

基于上述對巢湖市區地理信息和管網現狀的描述，本文利用MIKE FLOOD軟件，對巢湖市市區的排水管網系統進行了建模研究，包括對地下雨水管網與地表漫流模型的建模。另外，考慮到巢湖城區位于巢湖流域的中心，穿過裕溪河、雙橋河、抱書河等多條河道水系，因此，對河網也進行建模。該研究區域的總面積為22.66 km2，西起湖光路，東至裕溪路，北起金山路，南至前進路[圖1(b)]。

圖1 區域位置：(a) 巢湖市城區除澇工程布置圖；(b) 巢湖市建模區域示意圖Fig.1 Area of the Study: (a) Layout of Waterlogging Control Project in Chaohu City;(b) Downtown Area of Chaohu City

圖2 雨水防澇分區示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Rainwater Flood Control Zoning

1.2 排水管網和地形數據

現有的雨水管線和測繪數據、數字高程模型(DEM)信息和地形圖由巢湖市住建局提供。主要包括CAD格式的排水管網竣工資料和數字高程模型。

1.3 短歷時設計暴雨雨型

鑒于巢湖市目前無自編的暴雨強度公式，故本文采用氣候氣象類似的合肥市最新修編的暴雨強度公式[5]及K.C法(芝加哥法)生成所需降雨歷時曲線[6]。計算重現期分別為1、2、3、5、10 a，降雨歷時2 h，雨峰系數取值為0.4的5種不同的典型降雨情景，如圖3所示。

圖3 設計降雨過程Fig.3 Design Rainfall Process

1.4 長歷時設計降雨雨型

為了實現巢湖市城區內澇風險等級的評估與區劃，需要設計長歷時降雨雨型。城市排水防澇工程的長歷時設計暴雨應當選擇降雨歷時為24 h，步長為5 min，且利用典型年雨型分配法，生成重現期分別為20、50 a的2種不同的典型長歷時降雨情景，巢湖市20年一遇和50年一遇24 h設計暴雨分配過程線如圖4～圖5所示。

2 排水防澇系統現狀排水能力評估

2.1 現狀排水能力評估

2.1.1 排水防澇計算機模型建立

一般的城市排水管網系統模擬軟件僅能對管網內部的一維水流過程進行模擬，但不能模擬出發生內澇時的城市地表積水情況與過程，因而，難以進一步評價內澇對城市地表產生的影響。MIKE FLOOD軟件與一般的城市排水管網系統建模軟件不同，它集成了一維管網系統的模塊(MIKE URBAN CS)、一維城市水系模塊(MIKE 11)以及二維地表漫流的模塊(MIKE 21)，能夠將城市地下排水管網和地表漫流的水流過程耦合起來，從而更全面地反映城市的內澇情況，為防澇體系的構建提供技術支持。

圖4 20年一遇24 h設計暴雨過程線Fig.4 Rain Type of Once 20 Years 24 h Storm

圖5 50年一遇24 h設計暴雨Fig.5 Rain Type of Once 50 Years 24 h Storm

基于MIKE FLOOD模型，結合巢湖市的各種基礎數據資料，實現了對巢湖市城區的模型搭建，其中主城區徑流系數取0.60。徑流模擬初始損失為0.6 mm，折減系數為0.90。平均不透水系數取55%。同時，必須保證研究區內各地降雨強度一致。該系統具體包括子集水區236個，檢查井4 051個，排水管段3 776根，且管道總長度為114.69 km，集水區的面積為22.66 km2，如圖6所示。

圖6 巢湖市排水管網概化Fig.6 Generalization of Drainage Network in Chaohu City

2.1.2 模型參數的率定

在模型搭建的基礎上，需要設置模型參數。主要包括滲透表面選取Horton滲透模型，徑流模擬中采用時間面積曲線模型(T-A Curve)。巢湖市除老城區屬城市中心區徑流系數取0.60以外，其余規劃區均按一般規劃區考慮，徑流系數取0.50，集中公共綠地的徑流系數取0.30。

考慮到巢湖市沒有直接的排水管網系統監測數據，本文采用內澇點的宏觀校準方法對模型參數進行率定，即檢驗排水管網模型溢流點與巢湖市現狀積澇點是否大體一致。

圖7 降雨邊界條件Fig.7 Rainfall Boundary Condition

本文利用巢湖市2016/7/1 12∶00至2016/7/3 12∶00共計48 h的降雨過程作為模型邊界條件(圖7)，將其載入巢湖市雨洪模型中，得到了城市內澇結果分布圖。圖8顯示了整個城區積水點的深度和分布情況，其中巢湖中路和健康中路交叉口以北積水最深，最大積水深度為1.09 m。

圖8 巢湖市積水深度空間分布Fig.8 Spatial Distribution of Water Depth in Chaohu City

表1 模擬結果內澇點與實際內澇點個數對比Tab.1 Comparison of Simulated Results with Actual Waterlogging Points

將模擬結果與巢湖市2016年7月1日暴雨下實際統計的城市內澇分布點對比。如表2所示，模擬得到的內澇點與巢湖市住建局提供的內澇點吻合比為83.3%。這表明基于MIKE FLOOD構建的城市雨洪模型基本可靠，能夠大體反映實際積水情況。

2.1.3 模型結果分析

我國排水系統設計時雨水管道內流態按滿管均勻流考慮，在重力管渠中，可將形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災的水力狀態定義為“超載”，一般當出現超載狀態時，可認為管段流量超過設計能力。因此，在模擬結果中，若某段管道出現超載狀態，則視為該段雨水管道的排水能力不滿足相應的重現期標準。本文采用“管道平均過載倍數”指標對巢湖市現狀排水能力進行評估，對于平均過載倍數(峰值)大于1的雨水和合流制管道，均視為能力不足。現狀排水能力評估如下。

在1年一遇的設計降雨工況下，巢湖主城區過載管道總長為31.95 km，占27.86%，濱湖大道、健康中路、人民路、官圩路、牡丹路、湖光路、銀屏路、向陽南路雨水管道負荷較重，管道過載情況嚴重；長江西路、東風路以及裕溪路部分路段的排水管道過載。2年一遇設計降雨工況下，過載管道長為41.42 km，占比36.06%，新增過載管道主要位于裕溪路。3年一遇設計降雨工況下，過載管道長為42.71 km，占比37.18%；5年一遇設計降雨工況下，過載管道長為44.58 km，占比38.81%；10年一遇設計降雨工況下，過載管道長為46.14 km，占比40.17%。其中健康西路湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路等區域屬于內澇高風險區域，如圖9和表2所示。

2.2 內澇風險等級評估與區劃

基于MIKE FLOOD軟件建立了巢湖市城區排水防澇模型。以該市現狀雨水管網數據、地形數據和河道數據為基礎，分別建立城市排水管道模型、地表漫流模型和河網模型，并進行耦合[7-11]。巢湖市內澇防治標準設計重現期為20年一遇，且采用50年一遇進行校核。針對50年一遇長歷時降雨情景進行動態模擬，基于模擬結果，本文采用情景模擬評估法對區域進行內澇風險評估與區劃[12]，如圖4～圖5所示。通過模擬，獲得雨水徑流的水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，采用積水深度與積水流速指標疊加，綜合評估了城市內澇災害的危險性；并結合巢湖市不同區域的重要性和敏感性，對城市進行了內澇風險等級劃分。具體計算如式(1)[13]。

圖9 雨水管道過載空間分布圖Fig.9 Spatial Distribution of Rainwater Pipeline Overload

表2 現狀排水管渠排水能力評估Tab.2 Existing Drainage Capacity Evaluation

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d——積水深度，m；

V——流速，m/s；

Df——水深危害參數，d≤0.15 m，Df=0.5；d>0.15 m，Df=1.0。

根據計算的內澇危險指數，城市內澇風險等級劃分如下：

①當HR<0.75時，為內澇低風險區；

②當0.75≤HR<1.25時，為內澇中風險；

③當HR≥1.25時，為內澇高風險區。

老城區內澇風險評估的結果包括：內澇中風險區為0.13 km2，占比2.6%，位于團結路(臥牛路至巢湖路段)，巢湖路(健康中路至人民路段)，東風路與臥牛路交叉口；內澇高風險區為0.01 km2，占比0.2%，位于團結路臥牛路交叉口。其余路面均屬于低風險區，如表3所示。

表3 老城區中、高風險區域HR指數Tab.3 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Old Urban Area

對于主城區內澇風險區劃，其中，健康西路靠近湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等區域均屬于內澇高風險區域，如表4和圖10所示。

表4 主城區中、高風險區域HR指數Tab.4 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Main Urban Area

圖10 城區內澇風險區劃圖Fig.10 Risk Zoning Map of Urban Waterlogging

3 結論

為了構建巢湖市完善的城市排水防澇工程體系，編制《巢湖市城市排水(雨水)防澇綜合規劃(2015—2030)》。本文基于MIKE FLOOD軟件，構建了巢湖市排水系統模型，且設計了不同重現期的降雨情景。該模型實現了對巢湖市主城區現狀排水能力與內澇風險的評估，主要結論如下。

(1)利用MIKE FLOOD和情景模擬評估方法可為城市排水(雨水)防澇綜合規劃編制提供技術支撐。

(2)當前巢湖市主城區約61.13%的管網的現狀排水能力能夠滿足5年一遇的排澇設計要求，但仍有27.86%的管網的現狀排水能力未能夠達到1年一遇的排澇設計要求(2015年)。

(3)《巢湖市城市排水(雨水)防澇綜合規劃(2015-2030)》能夠滿足50年一遇設計暴雨的排水防澇要求。

(4)通過對50年一遇的長歷時(24 h)降雨情景進行動態分析，結果表明，健康西路靠近湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等區域屬于內澇高風險區域。