基于MIKE FLOOD耦合模型的城市內(nèi)澇模擬

欒震宇，金 秋,，趙思遠(yuǎn)，蔣 姣，盧 翔

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098； 3.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410007)

由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力致使城市產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象，稱之為城市內(nèi)澇[1-3]。近年來我國城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，城市化與極端暴雨事件矛盾日益加深，城市水文學(xué)面臨巨大挑戰(zhàn)[4-5]。據(jù)住建部調(diào)研數(shù)據(jù)，2008—2010年全國有231個城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇，占調(diào)查城市的62%，其中有137個城市一年內(nèi)澇次數(shù)超過3次[6]。城市內(nèi)澇給居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大威脅，已經(jīng)成為影響城市健康發(fā)展的重癥之一。關(guān)于城市內(nèi)澇問題的研究也逐漸增加，研究熱點(diǎn)主要集中在城市內(nèi)澇過程仿真與模擬、城市內(nèi)澇應(yīng)對管理、城市防洪排澇體系建設(shè)等方面。目前，國內(nèi)外比較成熟的城市內(nèi)澇仿真模型主要有SWMM、MIKE等。曾照洋等[7]利用SWMM一維管網(wǎng)模型及LISFLOOD-FP二維水動力模型進(jìn)行耦合，模擬了東莞市典型區(qū)域暴雨內(nèi)澇情況，實(shí)現(xiàn)了暴雨區(qū)淹沒范圍和淹沒水深的模擬；欒慕等[8]通過SWMM-MIKE11耦合模型評估了桐廬縣城市管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力并繪制了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖；李品良等[9]應(yīng)用MIKE URBAN對成都市老城區(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；黃琳煜等[10]基于MIKE FLOOD平臺搭建了暴雨洪澇模型，對上海市浦東新區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行評估，為排澇減災(zāi)提供對策依據(jù)。

針對城市的排水設(shè)施，構(gòu)建基于一維排水管網(wǎng)模型及二維地表漫流模型的耦合數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模擬結(jié)果對內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估分析，可為城市內(nèi)澇防治工作提供一定的技術(shù)支撐。本文基于MIKE FLOOD平臺，根據(jù)應(yīng)用情境，將MIKE URBAN和MIKE 21模型進(jìn)行動態(tài)耦合，從而建立城市內(nèi)澇模型。選擇湖南省新化縣的典型區(qū)域，模擬城市內(nèi)澇的演變過程，從地表淹沒范圍、易澇點(diǎn)的淹沒情況及各排水管網(wǎng)過流能力等方面分析城市內(nèi)澇形成原因，并提出相應(yīng)對策，以期為揭示城市內(nèi)澇形成機(jī)理、查詢城區(qū)內(nèi)澇易發(fā)區(qū)、分析關(guān)鍵因素對洪水過程的影響提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

新化縣地處湖南省中部偏西，資江中游，雪峰山東南麓，地處北緯27°31′～28°14′、東經(jīng)110°45′～111°41′，東南與漣源、冷水江市交界，西南與新邵、隆回縣為鄰，西北與溆浦縣接壤，北與安化縣毗連。新化縣行政區(qū)域總面積為3 619.93 km2，縣轄19個鎮(zhèn)、7個鄉(xiāng)上渡辦事處和大熊山林場、古臺山林場2個林場。根據(jù)第六次全國人口普查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年11月1日新化縣域總?cè)丝跒?38.77萬人。

新化縣城位于資江中游河畔，資江從冷水江市的浪石灘流入境內(nèi)，略呈“Z”字形貫穿城區(qū)，把城區(qū)分成城東區(qū)和城西區(qū)兩部分。本次研究范圍為新化縣城西片區(qū)(圖1)。城區(qū)資江干流長度為11.67 km，河道平均坡降0.25‰。老城區(qū)為雨污合流制，河?xùn)|片區(qū)大部分為雨污合流制，部分新建管道為雨污分流制。根據(jù)《新化縣城區(qū)排水防澇設(shè)施普查報(bào)告》(2014年9月)，新化縣城區(qū)排水管涵長度共計(jì)89.825 km，其中合流制管道70.803 km，雨水管道12.725 km，污水管道6.297 km。排水管道主要分布于上梅西路、上梅東路、天華北路、城西北路等。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1排水管網(wǎng)

完善管道和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性及類型，篩選出錯誤和不合理的數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行一定的修正。對于管線點(diǎn)，主要為連接各管道的節(jié)點(diǎn)，其主要信息包括：管線點(diǎn)編號、管線點(diǎn)類別(檢查井、污篦、進(jìn)水口、排水口等)、平面坐標(biāo)、地面高程、底部高程等。對于管線，即主要排水通道，其主要信息包括：管線起點(diǎn)編號、管線連接點(diǎn)編號、管線材料(混凝土、塑料等)、管線埋設(shè)方式(方溝、管埋等)、管徑或斷面尺寸(圓管為直徑、方溝為長和寬)等。根據(jù)新化縣2014年9月完成的城區(qū)排水設(shè)施普查工作結(jié)果，處理后的城區(qū)管網(wǎng)和管線點(diǎn)的分布見圖2。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2.2土地利用類型和高程

從原始地形圖中篩選出水系、房屋和街道圖層信息作為土地利用類型(圖3(a))。提取CAD數(shù)據(jù)中的高程散點(diǎn)，通過ArcGIS對提取的高程散點(diǎn)進(jìn)行插值，考慮道路寬度大概為5 m，取柵格單元尺寸 5 m×5 m，生成Raster柵格數(shù)據(jù)文件，再將此文件轉(zhuǎn)為ASC Ⅱ格式數(shù)據(jù)(圖3(b))。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

1.3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

利用ArcGIS、Excel、MATLAB等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE URBAN軟件中，構(gòu)建雨洪綜合模型。數(shù)據(jù)包括：DEM地形數(shù)據(jù)、檢查井(Manhole)數(shù)據(jù)(井底標(biāo)高、井蓋高程、井直徑等)、管道(Link)數(shù)據(jù)(管道長度、管道材料、管道斷面形狀及尺寸、坡度、高程等)、土地利用類型(房屋、道路、河道和湖泊等)、面狀水體數(shù)據(jù)(水體的位置、形狀、底寬、深度、邊坡等)。

1.3.2暴雨強(qiáng)度公式

根據(jù)新化縣氣象站1983—2013年的雨量資料編制新化縣暴雨強(qiáng)度公式，按GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議，確定暴雨強(qiáng)度公式為

(a) 管線點(diǎn)

(a) 土地利用類型

(1)

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

1.3.3設(shè)計(jì)暴雨推求

根據(jù)SL 723—2016《治澇標(biāo)準(zhǔn)》和《新化縣排水防澇綜合規(guī)劃》，新化縣城西片的治澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)和澇水排除時(shí)間采用24 h降雨在24 h內(nèi)排除。本次新化縣城西片模型現(xiàn)狀計(jì)算采用此標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)最高內(nèi)澇水位控制在設(shè)計(jì)水位以下，遠(yuǎn)期標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇暴雨、24 h降雨在 24 h內(nèi)排除。

為模擬市政排水管網(wǎng)在不同降雨情境下的狀態(tài)，擬采用芝加哥雨型模型生成降雨過程。該模型以雨強(qiáng)-歷時(shí)關(guān)系為基礎(chǔ)，在表示同頻率最大平均強(qiáng)度規(guī)律的降雨強(qiáng)度計(jì)算模式中，引入降雨強(qiáng)度過程的平均形態(tài)和強(qiáng)度高峰位置，獲得綜合降雨平均強(qiáng)度、最強(qiáng)時(shí)段強(qiáng)度及強(qiáng)度過程的瞬時(shí)降雨強(qiáng)度，而由該瞬時(shí)降雨強(qiáng)度描述的降雨模式概括了強(qiáng)度先大后小和先小后大等特殊雨型，形成更為全面反映降雨各種特征的雨型[11]。芝加哥雨型模型基于暴雨強(qiáng)度公式和雨峰系數(shù)，將國內(nèi)普遍使用的暴雨強(qiáng)度公式根據(jù)設(shè)計(jì)頻率生成動態(tài)的降雨過程[12]。

按照上述方法，推求出10年一遇和20年一遇24 h歷時(shí)的降雨峰值分別為4.207 mm/min和 5.506 mm/min、總降水量分別為248.8 mm和 294.8 mm，繪制24 h設(shè)計(jì)暴雨過程如圖4所示。

2 城市內(nèi)澇模型

2.1 MIKE URBAN模型

MIKE URBAN主要包括兩部分[13]：①降雨徑流模擬，即對于降雨和集水區(qū)匯流過程的模擬；②管網(wǎng)水力學(xué)模擬，即對于雨水匯流入管道后對水流流態(tài)和水質(zhì)等的模擬。

(a) 10年一遇

2.1.1降雨徑流模擬

降雨徑流模擬的目的是生成降雨流量過程線(入流流量-時(shí)間曲線)，為后續(xù)的管網(wǎng)水力模擬提供邊界條件，在降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過城市集水區(qū)的劃分和徑流系數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，來模擬降雨、產(chǎn)流、匯流等一系列城市地表匯流過程。模擬過程中，將推求的設(shè)計(jì)暴雨過程作為降雨徑流模型計(jì)算的邊界條件；根據(jù)收集到檢查井(雨篦子)的位置，按照就近排水和大致均勻分配集水區(qū)面積的原則下，劃分各個進(jìn)水口的集水區(qū)693個。集水區(qū)劃分情況如圖5所示。

本次計(jì)算，匯流模型采用較為傳統(tǒng)的時(shí)間-面積模型，可以同時(shí)滿足模型計(jì)算的精度和效率；不透水率根據(jù)圖層的土地類型進(jìn)行設(shè)置，將建筑物圖層、道路圖層、磚鋪地面、綠地圖層加載到圖層列中，選擇不透水率分別為0.95、0.85、0.60和0.35；加載降雨邊界條件，采用降雨徑流模型進(jìn)行計(jì)算，將得到的徑流模擬結(jié)果(主要包括各個集水區(qū)的匯流時(shí)間序列及徑流累積量)作為后續(xù)管網(wǎng)水力模型的邊界條件。

2.1.2管網(wǎng)水力模擬

MIKE URBAN管網(wǎng)水力模型能夠較為準(zhǔn)確客觀地描述管網(wǎng)內(nèi)的各種要素及水流流態(tài)，如橫截面形狀、水流調(diào)節(jié)構(gòu)件、檢查井以及集水區(qū)的各種水頭損失等。導(dǎo)入降雨徑流模擬的結(jié)果，選用管網(wǎng)水力模型重新計(jì)算，可得到設(shè)計(jì)暴雨條件下的管網(wǎng)水力情況。

圖5 集水區(qū)劃分情況

2.2 MIKE 21模型

MIKE 21模型，即二維地表漫流模塊，采用水深平均的二維淺水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組，選擇交替方向隱格式(ADI格式)的有限差分格式進(jìn)行求解計(jì)算[14]。本文利用MIKE 21模型，模擬當(dāng)管網(wǎng)檢查井發(fā)生溢流時(shí)引起的地表水淹沒范圍、淹沒時(shí)間等。建立地表漫流模型的關(guān)鍵步驟是地形處理和網(wǎng)格剖分，進(jìn)而建立地表高程模型并設(shè)置邊界條件以及初始條件等。

2.2.1地形處理和網(wǎng)格剖分

城市內(nèi)澇發(fā)生時(shí)，假定澇水會繞過房屋所在地，在建模時(shí)，房屋所在處的高程拔高至較高值(澇水淹沒不到)；城市的路面相較周邊要低 0.1～0.2 m，道路所在區(qū)域的高程在原高程上降低0.1～0.2 m。二維地表漫流的地形設(shè)置見圖6，網(wǎng)格精度為5 m；房屋高程統(tǒng)一設(shè)置為290 m(紅色區(qū)域)，且不允許水流通過；道路高程相較周圍地面低0.15 m。

2.2.2初始條件和邊界條件

對于道路、房屋和綠地等區(qū)域，設(shè)定初始水深和流量為0，初始流速恒為0。計(jì)算區(qū)域南部管網(wǎng)較少，區(qū)域的產(chǎn)匯流采取直接降雨法，降雨直接進(jìn)入該區(qū)域，流動由二維水動力學(xué)模型進(jìn)行直接模擬。管網(wǎng)匯入內(nèi)河，通過涵、閘等水利工程與外江連接，內(nèi)河水位設(shè)置為邊界。計(jì)算區(qū)域北部主要為居民區(qū)，而南部主要為農(nóng)田和湖泊，根據(jù)相關(guān)水動力學(xué)模型手冊選定糙率范圍為1/30～1/35。

圖6 二維地表漫流的地形設(shè)置

2.3 耦合模型

在MIKE FlOOD耦合模擬平臺上連接閘泵調(diào)度嵌入一維排水管網(wǎng)模型MIKE URBAN和二維地表漫流模型 MIKE 21，能夠反映城區(qū)中排水流態(tài)在管道及可能的地表積水的表現(xiàn)，這拓展了傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型的模擬能力，能更準(zhǔn)確地反映城市排水管網(wǎng)中的水流和地表漫出的水流的交互，模擬地表積水以及退水等情況。MIKE URBAN和MIKE 21通過管網(wǎng)和地形耦合連接，具體見圖7。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表漫流

通過模擬研究區(qū)域10年一遇和20年一遇24 h降雨歷時(shí)暴雨條件下地面淹沒水深，可以清晰地體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的最大淹沒水深變化，結(jié)果見圖8。

(a) 10年一遇

3.2 易澇點(diǎn)

易澇點(diǎn)是內(nèi)澇積水的敏感點(diǎn)，也是城市排水防澇工作的重點(diǎn)研究對象。結(jié)合模擬結(jié)果和實(shí)際情況，本次研究區(qū)域內(nèi)共有5處易澇點(diǎn)，分別為永興街易澇點(diǎn)、立新橋易澇點(diǎn)、濱江北路易澇點(diǎn)、向東街易澇點(diǎn)及工農(nóng)河路易澇點(diǎn)。在5處易澇點(diǎn)選取特征點(diǎn)進(jìn)行觀測，其水深變化過程如圖9所示。由圖9可見，5處易澇點(diǎn)均存在一定程度上的積水，且當(dāng)20年一遇降雨來臨的時(shí)候，積水深度更大。在24 h歷時(shí)的降雨條件下，5處易澇點(diǎn)反映出了不同的規(guī)律，即于永興街、向東街和工農(nóng)河路在降雨過程中很快達(dá)到水深峰值，然后緩緩下降，濱江北路在降雨峰值過后，水深仍不斷增加，但立新橋在降雨過程中，出現(xiàn)了一定程度的下降。各易澇點(diǎn)的最大淹沒水深見表1，可見，兩種降雨重現(xiàn)期的情況下，5處易澇點(diǎn)的最大淹沒水深具有相同的變化規(guī)律，在20年一遇降雨強(qiáng)度條件，易澇點(diǎn)最大水深為1.594 m(濱海北路)，大于10年一遇降雨條件下的最大水深1.285 m。

圖7 耦合模型示意圖

(a) 10年一遇

表1 易澇點(diǎn)最大淹沒水深

3.3 管道排水能力

根據(jù)模擬得到的管道最大充滿度及其長度可以顯示管道在降雨過程中的狀態(tài)，從而進(jìn)一步評估現(xiàn)狀管道的排水能力。各管道最大充滿度如圖10所示。各最大充滿度區(qū)間的管道總長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由圖10和表2可見，在兩種暴雨重現(xiàn)期條件下，絕大多數(shù)管道(10年一遇82%、20年一遇80%)的最大充滿度都小于4，說明這些管道在排水過程中，基本能滿足排水需求。但仍有一部分管道(10年一遇5%、20年一遇8%)的最大充滿度大于6，管道內(nèi)部壓力較大。并且，相較于10年一遇的暴雨，20年一遇的管道平均充滿度要略高。選取兩條典型管道，管道a位于天華北路西側(cè)、管道b位于城西北路西側(cè)，兩條典型管道的最高水位統(tǒng)計(jì)如圖11和12所示，可見城中大多數(shù)管道基本能滿足城市排水的需求。

3.4 討論

新化縣作為山區(qū)城市，外河洪水陡漲陡落，與半山半湖地區(qū)類似，主要采取撇洪和泵站相結(jié)合的辦法來排澇。通過以上對現(xiàn)狀的排水系統(tǒng)的模型計(jì)算和分析，可以發(fā)現(xiàn)：①由于已經(jīng)建成城市管網(wǎng)存在一些不合理的管段，如管徑設(shè)置不合理、坡降不合理等，致使城市內(nèi)的水量不足以立即排入資江或花山漁場，使得新化縣老城區(qū)的整體排水能力受到很大影響，部分區(qū)域達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)劃的排水標(biāo)準(zhǔn)。②城內(nèi)主要的調(diào)蓄湖泊及暗渠均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)20年一遇暴雨來臨時(shí)，城市內(nèi)主要湖泊和暗渠水位均在限制水位以下，基本沒有洪水風(fēng)險(xiǎn)；特別是工農(nóng)河暗渠，4.5 m×2 m的過流斷面能滿足城市排水的需要，只需要對其進(jìn)行相應(yīng)的疏浚和維護(hù)。③城市內(nèi)現(xiàn)有的泵站系統(tǒng)能滿足排水的需要，造成計(jì)算區(qū)域易澇點(diǎn)最大水深大于0.8 m的原因大多是因?yàn)楣芫€設(shè)置不合理及地勢較低，僅僅依靠擴(kuò)容泵站系統(tǒng)，不能從根本上改變上述5處易澇點(diǎn)的現(xiàn)狀。④針對不同的易澇點(diǎn)，需要采用不同的處理方案，針對立新橋和濱海北路，重點(diǎn)應(yīng)該在于對周邊的雨水管線進(jìn)行疏通、改造和升級，使得上游來水能順利排入資水；針對工農(nóng)河、永興街和向東街，應(yīng)該增設(shè)雨水篦、雨水管道，及時(shí)清理路面，讓雨水能迅速進(jìn)入下水管道，從而輸送至調(diào)蓄水體。

表2 管網(wǎng)最大充滿度區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

4 結(jié) 論

a. 基于MIKE FLOOD平臺，將MIKE URBAN和二維模型MIKE 21耦合，建立城市排澇數(shù)學(xué)模型。選取新化縣城的部分區(qū)域，運(yùn)用城市內(nèi)澇模型，對城市內(nèi)澇情景進(jìn)行模擬分析。驗(yàn)證結(jié)果顯示，模擬效果較好，結(jié)果與實(shí)際發(fā)生及調(diào)查情況基本吻合，耦合模型適用于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估管理。評價(jià)結(jié)果顯示，新化縣部分地下管網(wǎng)設(shè)置不合理，城市內(nèi)的水量不足以立即排入資江或花山漁場，部分區(qū)域達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)劃的排水標(biāo)準(zhǔn)；城內(nèi)主要的調(diào)蓄湖泊及暗渠均能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；城市內(nèi)現(xiàn)有的泵站系統(tǒng)能滿足排水的需要。

b. 城市內(nèi)澇的主要原因并非完全因?yàn)樽匀粸?zāi)害，在很大程度上是不科學(xué)的城市開發(fā)行為造成的。城市開發(fā)不能過分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益而忽略了社會和生態(tài)環(huán)境效益，在設(shè)計(jì)排澇工程總體布局時(shí)，需合理劃定排澇區(qū)，論證自排的概率與可能性，根據(jù)不同區(qū)域的水系、地形排澇需求等，擬定不同的治理措施。可按照因地制宜、分區(qū)治理、統(tǒng)籌兼顧、蓄排結(jié)合、防洪安全的原則，制定城市內(nèi)澇保障方案和工程體系，采取“滲、滯、蓄、排、管”措施，把河湖水系規(guī)劃、治澇工程建設(shè)、排水管網(wǎng)建設(shè)和雨水利用、洪水削減結(jié)合起來。采用強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)精細(xì)化管理，科學(xué)合理規(guī)劃建設(shè)時(shí)序，并協(xié)調(diào)多部門的力量提高綜合應(yīng)急能力。根據(jù)當(dāng)?shù)爻鞘袃?nèi)澇調(diào)研的現(xiàn)狀及存在的問題分析，結(jié)合地形等具體條件，按“分片排澇、等高截流；留湖蓄澇、排蓄結(jié)合；自排為主、輔以抽排；排滲蓄滯、綜合治理”的原則合理確定排澇工程。根據(jù)實(shí)際情況提出工程主要控制指標(biāo)，如調(diào)蓄水面率、承泄區(qū)控制水位等參數(shù)。同時(shí)加強(qiáng)預(yù)警和應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)以及相關(guān)法律法規(guī)的完善。