基于水動力模型的城市內澇災害研究
——以寧波市白鶴社區為例

張菲菲，譚琳珊，趙強強，吳燕娟，徐 羽，高 超,2

(1.寧波大學 地理與空間信息技術系，浙江 寧波 315211； 2.寧波大學可持續排水實驗室，浙江 寧波 315211)

城市內澇災害對人類活動產生的影響極其嚴重，有效的預防和治理城市內澇災害成為目前及未來研究的重點和熱點[1-3]。內澇災害發生時，城市交通、網絡、通信等生命線工程系統癱瘓，其災害造成建筑物破壞和室內財產損失等[4]。

暴雨內澇是城市自然災害的主要形式之一，并長期困擾國內的許多城市[5]。研究城市暴雨災害問題主要是從暴雨發生到洪水形成過程中發現暴雨的淹沒過程，關鍵是利用城市暴雨洪水模型進行分析城市內澇機理。城市內澇災害研究受廣泛關注，主要表現在：1)從致災原因方面，由于城市下墊面不透水比例增加[6]、地面沉降日趨嚴重[7]、降水量和強降水事件增多[8]、城市規劃和排水管網建設滯后[9]、氣象服務體系不夠完善[10]等原因導致城市內澇的產生。2)從模擬方法方面，采用水量水質耦合模型[11]、SWMM模型[12]、MIKE-SWMM模型[13]、SCS[14]、InfoWorks CS[15]以及耦合二維水動力學模型與SWMM模型等方法模擬城市內澇災害[16-17]。3)從研究內容方面，圍繞內澇災害時空分布特征[18]、排水能力與內澇風險評估[19]、內澇監測預警[20]和內澇災害防控[21]等內容進行研究。

目前，在城市內澇災害分析中，采用水文模型與地理信息系統空間分析技術、數學相結合的方法，模擬城市內澇極端事件造成的城市淹沒程度[22]，城市內澇災害評價大多是在大型城市進行的，僅僅對主干道進行評估，精度不是特別高。利用耦合模型對城市社區進行內澇風險評估，有效模擬社區內部道路的內澇狀況，精度比較高，可以有效模擬社區尺度的洪水過程及淹沒范圍，為業務部門快速決策提供科學依據，及時有效采取防范措施，最大限度地減少洪澇災害所造成的損失。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

寧波市地處中國東南沿海，屬于北亞熱帶季風氣候，受臺風和季風影響均很明顯，年平均降水量在 1 310～1 720 mm之間[23]。寧波市是中國經濟最發達的城市之一，是“長三角”經濟中心之一，也是內澇頻發、強發城市，尤其在每年臺風季(7—9月)和梅雨季(5—7月)均會遭受嚴重的暴雨內澇災害。暴雨內澇災害已成為影響寧波經濟和社會發展重要的因素之一。

白鶴社區位于寧波市鄞州區白鶴街道(圖1)，北臨賀丞路，東臨甬港南路，南臨興寧路，總面積約為22萬m2，海拔約2～4.6 m。地勢較為低平，西高東低(圖2)，容易發生內澇災害。白鶴社區始建于1988年，迄今為止已有30多年房齡，排水管網相對不夠完善。2013年受臺風“菲特”影響，持續的強降雨導致社區多處出現積水，白鶴社區約有90多戶一樓住戶不同程度進水，小區道路更是嚴重積水，居民們難以出行。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

圖2 白鶴社區基礎地形圖Fig.2 Basic topographic map of Baihe community

1.2 研究方法

MIKE FLOOD結合MIKE11、MIKE URBAN和二維模型MIKE21的優勢，是一個動態的耦合模型系統，適用于管網、河道、明渠以及坡面水流模擬，同時也適用于流域和城市內澇的模擬預測[24]。

1.2.1 MIKE URBAN的創建

(1)基礎數據準備。選定建立模型后，搜集數據，需要得到：1)該區域的地形圖，包括高程點、位置坐標、雨水排水管網位置等；2)雨水排水信息表格，包括人孔位置、人孔材質、人孔地面高程、人孔形狀及尺寸、人孔井底高程等，利用這些數據可以建立管網拓撲關系；3)降雨數據資料，查找當地暴雨強度公式，短時降雨的雨型；4)下墊面數據，包括土地利用分布圖。

(2)排水管網概化。利用原始數據建立檢查井與排水管網管段對應的空間拓撲關系，如管道水流流向、管底高程、管長等數據。

(3)集水區的劃分。集水區是水文學模型的基礎，集水區的劃分是建立數值雨洪模型的重要步驟，按照真實地形地貌及其水流現狀，將地表徑流分配到其對應檢查井中。在MIKE URBAN中，一個集水區的地理范圍由集水區多邊形劃定，利用GIS技術，依托其空間分析能力，自動劃分出較為準確合理的集水區[25]，集水區的劃分見圖3。

圖3 研究區集水區的劃分與連接Fig.3 Division and connection of catchment areas in the study area

(4)降雨邊界文件。由于缺乏短歷時實測降雨過程資料，無法將實測雨型與設計規定重現期的降雨進行對比，此處采用芝加哥雨型的降雨模式[26]，芝加哥雨型法是在暴雨強度公式基礎上，根據統計綜合雨峰位置系數確定，包括對綜合雨峰位置系數及芝加哥降雨過程模型的確定。

暴雨強度公式為:

(1)

式中:i為降水強度(mm/min) ;t為暴雨歷時(min);P為重現期(a)。

根據所選研究區域的暴雨強度公式[27]，確定上述參數，利用芝加哥雨型設計工具生成模式降雨。需確定的雨型參數有暴雨歷時、重現期、時間步長、雨峰系數等，其中雨峰系數取0.3～0.5，雨峰系數與洪峰出現時間有關，雨峰系數愈大，洪峰出現時間愈遲[28]，發生洪澇災害出現愈晚。根據寧波市降雨規律，將雨峰系數設置為0.3。根據鄞州區暴雨強度公式進行設計凈雨，分別計算出重現期1年、5年、10年和20年的暴雨強度，如圖4可以看出不同重現期的暴雨強度不同，相同的降雨歷時情況下，重現期越大，降雨量越多。針對暴雨重現期來進行對比分析重現期和風險的關系。

1.2.2 MIKE 21模型參數設置

基本參數設置：模塊選擇(Module Selection)，選擇水動力模塊(Hydrodynamic Only)；地形設置(Bathymetry)，選擇冷啟動方式，加載已經做好的二維地形文件；邊界條件(Boundary)和源匯項設置(Source and Sink)無需定義；對集束(Mass Budget)保留默認值即可；干水深(Drying depth)取0.002 m，淹沒水深(Flooding depth)取0.003 m；模擬時間步長取0.5 s，時間步長越短，代表精度越高。

1.2.3 耦合模型的建立

MIKE FLOOD耦合模型的建立就是將MIKE URBAN模型與MIKE 21模型耦合，反映城市地表水流與排水管網中水流的交互過程，模擬地面積水退水等情況。耦合模型建立的前提條件是之前建立的MIKE URBAN模型與MIKE 21模型都能夠單獨的運行成功。否則，耦合模型一定不能運行成功。

MIKE FLOOD模型提供的城市管網耦合工具會自動將MIKE URBAN與MIKE 21通過人孔連接起來，如圖5所示。

2 結果與驗證

2.1 結果分析

為模擬寧波市白鶴社區內澇的淹沒范圍、淹沒水深及淹沒歷時等情況，基于MIKE FLOOD模型將MIKE URBAN模型和MIKE 21模型進行耦合。MIKE URBAN模型中產生溢流的節點通過耦合的方式在MIKE 21模型順著地形產生漫流，因此在地勢低洼處易形成積水。將不同重現期的降雨情景進行模擬，對比四個情景下的城市內澇積水分布圖，得到暴雨積水深度、積水范圍與設計暴雨重現期呈現正相關性(如圖6)。下表1給出1年、5年、10年及20年一遇暴雨不同水深等級的淹沒范圍，根據積水歷時和積水水深，將白鶴社區的內澇風險劃分為3個等級：輕度內澇、中度內澇及重度內澇。在《室外排水設計規范》中一般把小于15 cm暴雨積水認為不造成交通或者其他影響。模擬結果表明，中度內澇及重度內澇區域主要集中位于研究區的東部區域；綜合4種降雨情景，研究區內澇風險以中度內澇為主，積水深度為15～50 cm。從表1得出1年一遇的總淹沒面積有33 865.13 m2，其中15 cm以上的積水占總淹沒面積的7%，5年、10年及20年一遇大于 15 cm的積水面積占比分別為12%、14%和16%，說明隨著降雨重現期的增大造成內澇影響也加劇。

圖6 不同情景最大水深分布Fig.6 The maximum water depth distribution in different scenarios

表1 不同情境降雨的淹沒面積Table1 Submerged area of rain in different scenarios

根據前面建立的寧波市白鶴社區MIKE FLOOD模型，模擬重現期為20年一遇降雨過程，分別列出降雨發生后不同時刻的積水分布情況(如圖7)。在降雨發生30 min后由于大部分管道內水流為重力排水并非滿流的狀態，此時管道排水能力能大于地表徑流量，社區內路段產生少許積水；在降雨發生42 min后由于降雨強度的增加，此時管道的排水能力小于地表徑流量，白鶴社區積水越來越多，尤其在地勢低洼處更加嚴重，此時積水大部分分布在道路，對白鶴社區的出行交通造成嚴重影響。在降雨發生60 min后，雖然暴雨的降雨強度已經開始減弱，但是由于之前降雨積累的雨水還沒有完全的排出，白鶴社區的雨水管網還處于滿流狀態，導致地表積水無法順利的排入雨水系統中，致使地面積水越過道路沿向地勢低洼處蔓延，即造成下圖中在60 min地面積水會比42 min更多的現象。在降雨發生120 min后，此時降雨停止，排水系統能力也逐漸恢復，但是在雨水管網布置較少的區域由于排水通道的不足，致使地面積水無法在雨水管網中排除，這部分積水順著地面往低洼處漫流。

圖7 20年一遇積水過程圖Fig.7 Water accumulation process once in 20 years

2.2 模型驗證

根據實測各場暴雨的詳細地面淹沒情況資料，所以對于模型的驗證方面進行定量分析，即合理性分析[29]。耦合模型模擬結果是否合理，根據白鶴社區歷次暴雨淹沒情況來驗證。根據降雨實測資料，實測出實際的淹沒水深的數據，耦合模型模擬所得是管道正常情況下的內澇情況，假設管道規格正常、沒有斷管和淤積等情況下。結合對當地群眾的訪問調查及暴雨淹沒痕跡推斷，發現易澇區域共6處，這些區域實測積水分布與模型模擬出的易澇點分布位置基本一致(圖8)，積水點在模型網格中的坐標為A(4，62)，B(161，132)，C(193，93)，D(283，32)，E(195，5)和F(261，105)，由模型模擬得出的積水過程線如圖9所示，選取有實測資料的內澇點與模擬結果對應的內澇點進行對比分析(表2)。

圖8 社區內澇積水點分布圖Fig.8 Distribution map of waterlogging points in the community

圖9 內澇點積水過程線圖Fig.9 Process diagram of waterlogging point

表2 模擬結果與實測結果對比表Table2 Comparison table of simulated results and measured results

模型計算值與實測值的淹沒水深誤差都控制在20%以內，可見耦合模型模擬的結果比較合理，說明建立的白鶴社區城市內澇模型是基本合理的，在一定程度上反映白鶴社區在遭受極端降雨時的淹沒情況。但也存在一定的誤差，造成誤差的原因有：

(1)數據原因

研究所采用的降雨數據是根據芝加哥雨型進行計算的，與實際降雨會存在差異。在對地形數據的處理過程中，與實際的地形存在一定誤差。

(2)模型原因

模型是對實際情況的概化，在模型概化過程中，存在一定的誤差[30]。如對白鶴社區下墊面處理中，只分為道路、建筑和其他3種類型。還有對于一些長度較短、管徑較小的管網都進行概化處理。

模擬結果和驗證結果基本相符，初步說明模型模擬具有合理性。為加強對突發性強暴雨洪水事件作出快速反應和應急處理，以模型應用等技術為先導，研究突發性暴雨洪水形成機理，預報和模擬城市洪水是防洪措施中必不可少的非工程措施之一。

3 討論與結論

3.1 討論

對城市內澇模型的研究，尤其是耦合模型的研究，國內目前還處于初期階段。文章對于極端降雨條件下城市內澇的研究進行初步探討，受限于基礎數據和研究技術，尚存在很多不足之處，希望以后在以下幾方面深入：

(1)在內澇模擬效率方面，SWMM模型需要手動輸入管網模型參數，模型參數相對較多, 適于小型雨水管網排水防澇系統的模擬[31]；而MIKE FLOOD模型可實現批量輸入模型參數，模型參數較少, 適于較大雨水排水防澇系統的模擬，效率相對較高。

(2)受數據資料的限制，所研究的耦合模型僅僅是一維排水管網模型與二維地表漫流模型的耦合，并沒有考慮一維河網模型。希望在后期有足夠河網資料的情況下，繼續深入研究。研究區地形復雜，由于相關城市地形、道路、市政設計文件搜集困難，很多資料是根據實地調查方式獲得，研究區地形處理中，只分為道路、建筑和其他3種類型。所以對于構建的一維排水管網模型和二維地表漫流模型都做概化處理。

3.2 結論

利用MIKE FLOOD模型建立白鶴社區的一、二維耦合模型，根據耦合模型模擬不同重現期下白鶴社區積水情況，并以20年一遇為例分析白鶴社區在遭遇暴雨時的淹沒情況。主要結論如下：

(1)利用芝加哥雨型進行模擬，首先通過市政部門暴雨公式進行詳細的分析，根據暴雨強度公式得出降雨歷時越短，降雨強度越大，降雨歷時越長，降雨量越大。

(2)根據積水歷時和積水水深，將白鶴社區的內澇風險劃分為3個等級：輕度內澇、中度內澇及重度內澇。模擬結果表明，中度及重度積澇風險區域主要集中位于研究區的東部區域，即地勢低洼區域；積水風險主要來源于道路，各內澇級別對應的道路淹沒面積均占到總淹沒面積的50%以上；5年一遇，10年一遇和20年一遇降雨情景下，內澇風險以中度積澇為主，即積水深度為15～50 cm。

(3)由模型模擬得到的降雨后城區地面的積水動態變化過程可知，白鶴社區遭遇20年一遇極端暴雨時，30 min左右城區開始輕微積水，隨著降雨的持續，積水水深逐漸增加，60 min左右水深達到峰值，之后增幅減少，水深保持穩定，最后對模型模擬得到的易澇區進行定性驗證，經過實地驗證得到耦合模型結果具有可靠性。