基于MIKE FLOOD耦合模型的新建城區防洪排澇模擬研究

張譯心，郝 敏，方 晴，陸寶宏，王 劍，裴 穎

（1.河海大學水文水資源學院，南京210098；2.北京市水利規劃設計研究院，北京100048；3.黃河水文水資源科學研究院，鄭州450004）

0 引 言

根據2006-2017年國家防汛抗旱總指揮部和水利部公布的《中國水旱災害公報》［1］，我國平均每年有148 個縣級以上城市受到洪澇災害影響，年均受災人口1.2 億人，年均直接經濟總損失2012 億元。由此可見，暴雨洪水災害已嚴重制約了我國城市的可持續發展，城市暴雨內澇研究迫在眉睫。

對城市的水文過程進行全面而準確的模擬是城市內澇災害防治的關鍵，在充分考慮下墊面空間變異性的同時也要兼顧到道路、河網以及排水管網之間復雜的水力聯系［2］。大量研究也基于MIKE、SWMM 等模型展開，如曹宇航等［3］基于MIKE11對平原感潮河網城市防洪規劃展開了研究；侯精明等［4］就設計暴雨的雨型對城市內澇的影響進行了分析；曾照洋等［5］耦合SWMM 和LISFLOOD 模型，對珠三角典型區域進行暴雨內澇模擬；欒震宇等［6］基于MIKE FLOOD 平臺構建了城市內澇模型，對湖南省新化縣典型區域的排澇情景進行模擬。SWMM 模型使用方法簡單，效果較好，但需要大量的數據和前期處理工作；MIKE 系列模型發展成熟，功能全面，且所需參數少，在大量實際應用中受到廣泛認可。

本次研究基于MIKE FLOOD 平臺展開，研究對象為山地環境中的新建城區產業園，其防洪排澇形勢不僅具有城鎮雨洪的一般特點，亦涉及周邊的山洪災害，區域內河涌、道路、排水管網間的水力聯系復雜。本次研究耦合地表漫流二維模型、河道一維模型、地下管網一維模型，形成區域的防洪排澇模型，在缺乏實測資料的情況下，對研究區防洪形勢進行了量化分析，并基于模型進行LID 措施的組合布設，分析措施前后區域的防洪排澇情勢，為同類型山地城區的防災減災工作和可持續發展提供參考。

1 概 況

本次研究區位于廣東省潮州市東山湖現代園，地屬內洋水系，東距韓江西溪約11 km，西距榕江約8 km，北距忠離溪約7 km，與其之間均有地勢較高的低丘崗地阻隔，故不受上述外河洪水影響。研究區為山谷地帶，群山環繞，東側為高速公路，見圖1（比例尺從小到大依次為1∶10 000 000、1∶2 500 000、1∶40 000）。土地利用概況見圖2。區內地勢西北高、東南低，道路均為城市型水泥砼路面，道路兩側適當預留綠化帶，并布置雨水口。

圖1 研究區域位置及高程分布圖Fig.1 Location and elevationof study area

圖2 研究區土地利用示意圖Fig.2 Land use in study area

園區防洪標準為50年一遇，研究區內有一河涌，為一條山洪溝，按20年一遇洪水標準設計。區域內的雨水管網按照分散出流、就近排放的原則布置，沿道路鋪設，雨水管管徑范圍為D600～D1600，最小設計坡度約0.1%，排入下游的水塘和低洼地。

研究區西側為山體，而南側地勢較低，加之受南亞熱帶季風氣候的影響，該區域夏季較長且降雨充沛，容易誘發暴雨洪水災害，威脅園區安全。隨著產業基地的發展，園區建筑物逐漸增多，將進一步改變產匯流特性。

綜上，該區域洪澇來源既包括區域內的降雨匯流，又含有周邊山區的山洪。而排洪溝偏低的設計標準（20年一遇）給區域的防洪排澇安全帶來風險。

2 研究方法

2.1 模型原理

MIKE11 HD（水動力）模塊是MIKE11 的核心模塊，可用來模擬明渠河網中的非恒定流，其結果是關于水位和流量的時間過程。

MIKE21 模型為平面二維自由表面流模型，忽略了垂向水流加速度，可模擬計算海洋、湖泊、河道、蓄滯洪區的流速、水位等變化［7］。包含有3 個模塊，在使用MIKE FLOOD 耦合時較多使用MIKE21 模塊，其每個與管網節點相連的二維網格僅需一個坐標即能描述位置，且不易因產生細微誤差而使模型耦合運算崩潰。

Mike Urban 基于地理信息系統，操作方便靈活，可用來模擬城市中的給排水管網，能夠準確反映復雜的自由流水面和管道壓力流。模型包括兩個部分，降雨徑流模擬和管網水動力模擬，其中前者的結果文件是后者的邊界條件。

MIKE FLOOD 是將二維模型（MIKE21）與一維模型（MIKE11或MIKE Urban）連接并進行動態耦合的模型系統。耦合模型本身不進行水力計算，只是通過耦合方式、位置及相關參數設置，使一二維模型實時交換數據、協同工作、靈活并穩定計算［8］。具備了一、二維模型的長處，同時可防止采用單一模型時的精度和準確性問題。

2.2 降雨條件

2.2.1 匯水區域劃分

參照研究區現狀Opencycle 等高線地圖，根據山體地勢變化和高程坐標，勾勒西側山地的分水嶺，東側以研究區域場地邊線為界，劃分出了研究區外圍的匯水區域。根據位置分布和匯水特性將山洪匯水區域劃分為A、B 兩個子區域，兩區域之間有箱涵連接，見圖3。

圖3 匯水區域劃分Fig.3 Division of catchment area

2.2.2 設計暴雨計算

根據園區的防洪標準，推求所需的設計50年一遇最大24 h降雨過程。本次計算根據《廣東省暴雨徑流查算圖表》［9］獲得，利用當地多年平均最大24 h點雨量推求50年一遇降雨量，再結合適用于該地區的粵東沿海地區雨型分配，從而獲得設計降雨過程。同時選取鄰近研究區的汕頭站、惠來站、汕尾站降雨數據，基于距園區距離進行權重平均，得出50年一遇頻率下降雨過程，見表1。比較結果可知，本文計算的設計降雨過程與之基本一致，峰值略大，相對誤差為9.7%。綜合分析，從流域設計暴雨空間特性及偏安全角度［10］等方面考慮，本次選用查算圖表設計成果。

表1 設計暴雨過程Tab.1 Process of design rainstorm

2.2.3 設計山洪計算

排洪溝是適用于小匯水面積的排水構筑物，由于山區河溝流域面積小，平時水量少甚至干枯，僅在降雨期水量激增且集流快，幾十分鐘時間即可匯集到被保護區，故排洪溝洪水計算以推求洪峰流量為主，對洪水總量和過程線不作研究［11］。但山區小匯水面積一般無實測河川流量資料，所需的設計洪峰流量一般采用暴雨資料來間接推求，并假定暴雨與其產生的洪水同頻率［11］。

按照《廣東省暴雨徑流使用手冊》［12］，小面積山坡洪水流量計算方法中，對集雨面積小于10 km2的河流，可采用廣東省洪峰流量經驗公式法。該方法反映了流域的地理特征和暴雨特征，對于集雨面積小于10 km2的河流使用效果較好［13］。研究區匯水面積僅1.4 km2，缺少當地實測流量資料，因此，結合實際情況，廣東省洪峰流量經驗公式是最適合推算研究區河涌洪峰流量的方法之一，故采用該方法計算洪峰流量，并按照降雨過程等比例縮放的方法生成山洪過程，見圖4。同時，將鄰近集水面積相近的山區小河流同頻率下的洪峰流量，與本次計算洪峰流量對比，二者相對誤差為13.8%。但由于山洪流量受暴雨特征、流域特性影響顯著，而不同區域的上述特性不盡相同，故作為參考，說明本次計算結果較合理。

圖4 設計山洪流量過程Fig.4 Process of design flash flood flow

2.3 模型構建

根據研究區域實際情況，洪水除了通過管網進行外排以外，河涌也承擔著重要的泄洪任務。為準確描述區域的防洪排澇情況，需要建立耦合模型，同時對地表二維漫流、地下管網排水和河道洪水演進進行模擬。

一維河道洪水演進模擬范圍為研究區的河涌，A 區域的山洪流量設置為上邊界入流，B區域的山洪流量按旁側入流考慮，下邊界以受納水塘堤高作為邊界水位。計算初始狀態取為0.05 m 水深。根據園區的規劃資料［14］，河涌糙率參考其設計糙率，設置為0.033。

二維地表漫流模擬范圍根據區域實際情況并結合排水管網布置。初始水深設為0，即地面高程。糙率采用默認值1/32。渦黏系數與風摩擦系數對本次計算結果無明顯影響，采用默認值。

一維地下管網水流模擬中，考慮到研究區內實施雨污分流制排水系統，污水管網不參與區域排澇，故僅考慮雨水管網。根據收集到的研究區管網資料，考慮管道走向和出水口位置，概化后的管段總長2 726 m，共包含58個節點和1個排水口。采用模型中的集水區自動劃分及自動連接工具，進行集水區劃分和連接。管網概化和集水區劃分示意圖見圖5。

圖5 管網概化和集水區劃分示意圖Fig.5 Network generalization and catchment division

3 模擬結果與分析

3.1 排洪溝泄洪情況

根據河道一維模型的模擬結果可知，在整場暴雨期間河涌下游多處出現漫溢現象。降雨條件為50年一遇時，河道里程約940 m 處，在降雨開始40 min 后，左岸即出現溢流情況，隨著降雨歷時的增加以及降雨強度的不斷增大，該溢流點逐漸向兩邊擴展，情況愈發嚴重，但該部分的溢出水流會沿著園區邊緣地區流向區內東南側的低洼區域，對區內道路和建筑影響不大。6 h后，在里程約860 m 處出現第二處溢流點。此后直至雨強峰值出現，河道整體表現為溢流不斷增加的趨勢。在17 h 左右，降雨強度達到最大值，河涌上游山洪來流量急劇加大，河道沿程的水位也達到最大值，整個河段出現多個溢流點，且集中在中下游里程560 m 至1 080 m 段，最大溢流水深可達1.50 m，此時大范圍的溢流導致大量洪水進入園區，加劇了區域內的洪澇災害。之后隨著雨強不斷減小，河道內水位才緩緩降落。

3.2 區域地表淹沒情況

遭遇降水時研究區會受到來自山洪和內澇的雙重影響，區域內多處易出現積水現象。根據模擬結果，當遭遇50年一遇暴雨時，研究區內道路和地勢低洼處出現了較嚴重的淹沒情況，積水深度隨降雨強度的變化而改變，同時受地形高程的控制，淹沒水深變幅東南側較大、西北側較小，見圖7。

圖7 最大淹沒水深分布圖Fig.7 Distribution of maximum submerged depth

由圖可知，區域內的道路多出現積水，最大淹沒深度多在0.3 m 范圍內，局部區域可達0.4 m。在園內建筑區和高速公路間的綠化帶區域和空地，由于地勢較低且沿地形傾斜，其最大淹沒水深由西北段的0.1～0.45 m 逐漸向東南段的0.6～1.0 m過渡。

圖6 不同時刻河道沿程水位Fig.6 Water level along the river at different times

由于河涌發生了大范圍的山洪漫溢，并在向地勢較低區域匯集的過程中，出現了最大淹沒水深達1.5 m 左右的積水區域。位于園區東南角的綠化帶和空地，由于地勢最低，整個區域的雨洪都匯集至此，積水量較多，淹沒水深最大可達1.2 m。

3.3 地下管網排水情況

地下雨水管網是研究區內重要的排水通道，在暴雨來臨時承擔了主要的排水壓力，因此雨水管網的排水能力對園區的防洪排澇情勢起著決定性作用。本次以地下管道的充滿度（Pipe Filling）作為依據進行評估［15］：

式中：PF為管道充滿度；Z為水位，m；P1為管道底標高，m；P2為管徑，m。

根據《室外排水設計規范（2016 版）》（GB50014-2006）［16］，管徑大于1 000 mm 時，最大設計充滿度為0.75；管徑為500～900 mm 時，最大設計充滿度為0.70。依據園區的排水管網設計圖，除C9 號路西段管徑為800 mm、C8 號路管徑為800 mm 和600 mm 外，其余道路沿線管道的管徑均大于1 000 mm。為評估研究區內管網的排水狀況，將如圖8 所示的模型模擬結果與給出的各管徑允許的最大設計充滿度作對比。

圖8 管網最大充滿度Fig.8 Maximum fullness of pipe network

當充滿度大于1 時，即表明該段管道的排水能力已無法滿足當前需求，很可能產生溢流。由以上圖表可知：50年一遇降雨時，C7、C8 號路，C9 號路西段，C10 號路北段和高速公路的西北段沿線管道充滿度均小于0.7，符合規范要求；C9 號路中段、C10 號路南段和高速中段沿線管道充滿度大于0.75，超過了規范設計值，但仍能滿足此時的排水要求；隨著雨水向東南側匯集，C9號路東段和高速東南段沿線管道充滿度均超過了1，出現了排水能力不足的情況。

3.4 合理性分析

由于研究區屬于新建工程，暫時缺乏區域遭遇暴雨時的流量、積水、排水實測資料，因此只能對模型結果的準確性做定性驗證，即合理性分析［17］。根據模擬結果，東南側積水最嚴重，管道出現有壓流的情況，與園區東南側地勢低特點相吻合。采用水力學公式對管道內流量的模擬結果進行檢驗。根據模擬結果中各未漫溢管段最大充滿度和各充滿度對應的水利要素，線性內插得到此時相應的圓形管道水力參數。利用管道無壓流水力計算公式計算管段的最大流量，選取園區內三條不同管徑的管段與模型結果作對比，模型模擬值和公式計算值的相對誤差均在10%以內，屬于可接受范圍，認為能較好模擬園區防洪排澇情況。

表2 計算結果與模擬結果對比Tab.2 Comparison between calculation and simulation

3.5 對策分析

根據產業園的防洪排澇狀況，可有針對性地采取應對措施：

（1）對河涌中下游的左岸堤防進行加高、加固，并在沿岸的空地或綠化區域鋪設管道，修建檢查井、雨水口或者蓄水池，以降低損失。

（2）在園區東南側地勢較低區域，可考慮修建蓄水池起到臨時蓄水的功能，減輕強降水來臨時管道的排水壓力，待暴雨停止后再抽排出去或二次利用如澆灌綠化、沖洗路面等。

（3）加強對排水管道和排洪溝的管理工作，定期檢查維護，防止出現管道堵塞、淤積等情況。

（4）采取低影響開發（LID）措施，如道路地面的鋪設盡量選用可滲透材料，增加雨水的滲透速率，以達到分散地表徑流、減小路面積水量的效果。

研究區地屬海洋性季風氣候地區，屬于廣東的暴雨多發區，根據園區規劃文件［18］，建設應按50年一遇洪水標準設防。要求防患于未然，做好各種防范措施，盡量把自然災害造成的損失減少到最低限度。而園區的防洪標準高于河涌的設計標準（20年一遇）。且根據模擬結果，遭遇50年一遇降水時，園區局部嚴重積水，影響道路的正常使用，排洪溝漫溢，高速公路西側綠化帶、河涌左岸沿線綠化帶以及園區東南角的綠化區和空地出現了較深積水，園區的安全和正常運行受到威脅。

因此，雖然前三項對策能較好緩解園區的洪澇，河涌的清淤等措施只能使其保持排洪溝原有的防洪排澇能力。本著可持續發展的理念，對LID措施效果進行分析，給建設者提供參考依據，望其能從源頭和根本上控制洪澇災情。

4 LID措施布設與效果分析

4.1 LID措施布設

（1）透水鋪裝。園區內現狀道路兩側路緣石與綠化帶均高出路面15 cm 左右，故綠化區無法有效受納道路區域雨水，易造成路面積水。由于區內交通負荷小，對道路路面的承壓能力要求不高，可將園區道路改為透水鋪裝，既保持了道路通行能力，也增強了道路排水能力。采用透水瀝青混凝土路面，布設面積共約3.0 hm2。透水鋪裝的孔隙率取為0.2。

（2）植被淺溝。山洪流量激增時，河涌中下游段會發生嚴重山洪漫溢，考慮在其左岸沿線布設植被淺溝，以收集并排泄河涌的溢出水流和周圍匯水區產生的徑流。選用標準傳輸型梯形斷面植草溝，總布設長度約550 m，植草溝底部水平、寬度0.8 m，邊坡坡度1∶4左右，表面積約893 m2。在靠近排洪溝一側可采用卵石等消能措施，以防溢流山洪造成的沖刷和侵蝕。下滲速率取3×10-6m/s，下滲方式為常速下滲，孔隙率取0.65。

（3）下凹綠地。園區東側邊緣現為綠化帶，修建高程與周邊空地齊平，局部區域甚至要高出地面，對積水的吸收和儲存能力十分有限；相鄰的高速地勢高，與園區內綠化帶以平緩邊坡相連，故該區域綠化帶在遭遇強降水時易產生積水淹沒。故將綠化帶高程降低10 cm 形成下凹綠地，表面積約2 029 m2，植被類型按普通草坪考慮，入滲速率取2.5×10-7m/s、下滲方式為常速下滲，孔隙率取0.5，并假定路緣石類型為豁口立緣石，以方便路面積水順利匯入綠地［19］。

（4）綠色屋頂。園區內南側建筑區為平屋面，可考慮修建綠色屋頂，能儲水以削減徑流、延緩洪峰，減小園區東南側管道的排水壓力。綠色屋頂應在滿足建筑安全使用的前提下布設，本次研究布設面積擬定為屋面面積的20%，共約2 hm2，下滲方式為非恒定下滲，徑流系數取0.4。

以上LID措施布設見圖9。

圖9 各措施布局示意圖Fig.9 Diagram of each measure

4.2 LID措施效果模擬分析

（1）地面積水情況。措施布設后，設計降雨條件下研究區地表積水情況見圖10。

圖10 措施實施后最大淹沒水深分布Fig.10 Distribution of maximum submerged depth after implementation of measures

對比可知，園區內積水狀況有明顯改善。在淹沒深度上：道路區積水深降低約37.3%；園區東側的高速沿線區域積水深降低約36.0%；河涌左岸沿線積水深降低約41.1%；東南角區域積水深降低25.9%。積水歷時上：各積水點出現積水的時間推遲10～30 min，總積水歷時減少20～60 min。

（2）管道徑流過程。基于模型模擬結果，提取管道出水口流量過程，并結合降雨雨型，對措施布設前后排水流量做對比，見圖11。

圖11 管道出口處流量過程Fig.11 Flow process at the outlet of pipeline

由圖可知，LID 措施實施后，排水口水位峰值有明顯下降，洪峰削減率為37.6%，峰值出現的時間延遲了45 min。徑流外排總量也有所減小。

4.3 LID措施經濟可行性分析

由于LID 措施建設成本較高，在提供布設建議和效果分析的基礎上，應對各項設施進行估算，便于整體評估。根據《海綿城市建設指南——低影響開發雨水系統構建》［20］中部分LID 單項設施單價估算價格結合研究區具體布設情況，估算各項措施費用，見表3，可供參考選擇。

表3 LID設施造價估算Tab.3 LID facility cost estimation

5 結 論

（1）對于無實測水文資料的新建城區，本文基于Mike Flood構建了耦合模型，發揮了一維、二維模型各自的優勢，能有效地模擬城區防洪排澇情景，為類似城區規劃建設提供參考。

（2）從模擬結果來看，遭遇強降水后，研究區內出現多個溢流點，區內道路出現不同程度積水，部分管道處于有壓流狀態，檢查井也基本發生溢流，出現了負擔過重的情況，無法滿足排水需求。

（3）通過MIKE FLOOD 模型實現LID措施的布設，并提供了簡單的經濟可行性分析供建設者參考。比對措施前后結果，得：園區內積水狀況有明顯改善：地表淹沒面積減小；積水深度普遍降低；各積水點出現積水的時間推遲；管道出水口流量過程延遲且峰值和外排明顯減小。鑒于研究區防洪排澇現狀，提出的針對性措施，可為同類型無實測水文資料山地城區的防災減災提供技術支撐。 □