基于MIKE URBAN模型的管道排水能力評估

李保建，王 林，余 俊

(中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西南昌 330096)

近年來，伴隨著城市化節奏不斷加快，熱島效應聚集，城市內澇災害也日趨嚴重。為了更好解決這一棘手的問題，應運而生各種水文水利模擬軟件，其中，應用比較廣泛的有美國環保署推出的SWMM軟件、美國農業部開發的SWAT軟件以及丹麥DHI公司的MIKE系列軟件等[1-3]。盡管這些軟件在算法公式、建模方案及功能實現上不盡相同，但通過大量學界的驗證和工程考量，證明其具有較高可信度，而MIKE軟件憑借人性化的用戶界面、便捷的操作方式和強大的前后處理功能，得到了廣泛應用[4-7]。

2016年2月，住建部發布《室外排水設計規范》局部修訂版，該規范提高雨水管道的設計重現期，增添積水深度和內澇防治設計重現期標準，并提到“本次修訂提倡較大匯水范圍運用計算機模擬”[8]。隨后，陳睿星等[9]運用SWMM模型對龍巖市中心城區雨水管網系統排水能力進行分析，并提出了管網優化設計方案；薛偲琦等[10]通過SWMM對南京市秦淮河中段雨水管渠系統進行了分析，為城市雨水管渠改進提供了借鑒；顧瀟等[11]通過GIS與InfoWorks聯用的方式對上海市某片區排水系統進行了對照模擬，為該地區地下管網的設計方案提供了技術指導。本文以MIKE URBAN模型為技術手段，以鷹潭市月湖新區為研究區域，根據其龐雜的地下雨水管網、豐富的下墊面類型和獨特的地形地勢，通過完整可靠的數據建立研究區的數值模型，從宏觀角度展示內澇災害形成的機制與發展過程，為月湖新區城市雨水系統提供規劃和建設指導。

1 研究區及邊界數據

1.1 研究區概況

本文的研究區為江西省鷹潭市月湖新區部分區域，面積約為2.4 km2，年均降雨量為1 817.2 mm，降雨期主要集中在4月—10月，區域內排水管網雖覆蓋度達90%以上，但設施陳舊，多為20世紀所建，且采用污廢合流制。研究區域為規劃區，故下墊面情況根據道路用地、居民用地、教育用地、商業用地、綠化用地、公共設施用地、湖泊河流及其他用地確定，研究區用地性質情況如圖1所示。

圖1 月湖新區概化圖Fig.1 Generalized Map of Yuehu New District

1.2 邊界及數據

1.2.1 降雨數據

研究區域暴雨強度計算如式(1)。

q=5 020(1+0.694lgP)/(t+19.7)0.915

(1)

其中：q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

P——降雨重現期，a；

t——降雨歷時，min。

本文研究區域雨型選擇芝加哥雨型，采用短歷時降雨2 h，設置時間步長為1 min，峰值比例值為0.4，得到4個重現期(1、2、3、5 a)下各設計降雨歷程，如圖2所示。

圖2 不同重現期降雨過程Fig.2 Process of Rainfall in Different Return Periods

1.2.2 下墊面及參數確定

由于規劃部門提供研究區域圖紙有限，缺少部分建筑圖層數據，為最大程度吻合實際徑流流量，本次研究提取了7種類型下墊面。子匯水區不滲透系數由資料圖概化的7種不同類型下墊面按不同比例組成。MIKE軟件根據面積比例及綜合徑流系數自動計算不滲透率，并根據金牧青[12]研究及《室外排水設計規范》(GB 50014—2016)，確定不同類型下墊面相關參數如表1所示。

2 建立模型

2.1 模型理論

MIKE URBAN會將管網視作一維模型，采用六點Abbott-Ionesco隱式有限差分格式和動量守恒方程推算的圣維南方程組聯用方式，并結合MIKE URBAN中的MOUSE計算引擎模塊[13]，以實現排水系統的計算，評估管網的排水能力，得出溢流節點的位置、溢流量和超載管道，客觀地描述管網內各種構成要素以及水流的流態，如檢查井、水流調節構件、橫截面形狀以及集水區的各種水頭損失等。

表1 不同類型下墊面參數Tab.1 Different Types of Underlying Surface Parameters

2.2 建立降雨模型

對于城市雨水管網，因城區內匯水時間較短，一般情況下不超過2 h，2場暴雨之間不會有較大影響。因此，管道排水能力的評估采用重現期為1～5 a的短歷時降雨模型較為合理。前期已結合鷹潭市暴雨強度公式，并利用芝加哥雨型合成器分別生成了1、2、3、5 a重現期下降雨數據。此時，則需要使用MIKE ZERO建立時間系列的文件，合理設置降雨歷時、步長后將不同重現期下降雨數據導入，生成dfs0格式降雨模型。此處展示以1 a一遇降雨、降雨歷時為120 min為例，考慮研究區域不同徑流系數下墊面，所建立的不同類型下墊面降雨徑流模型，如圖3所示。

圖3 不同類型下墊面降雨徑流模型Fig.3 Different Types of Rainfall Runoff Models on Underlying Surface

2.3 建立一維排水模型

排水模型建立之前，首先對研究區域排水系統完成概化，其中包含雨水管道、節點和各類下墊面的設置。節點包括檢查井及排水口。研究區域的管道和節點數據及不同用地性質的地塊均來自規劃部門所提供的CAD圖紙，其包含檢查井直徑、井底標高、管道底標高、管道斷面及尺寸。研究區管道形狀均為圓管，最大直徑為2 500 mm，最小為600 mm。研究區域排水系統經概化后節點共258個，其中包含25個排水口，共有231條管道連接，管網總計長度為74.28 km。將管道和節點拓撲數據導入MIKE URBAN后，建立研究區排水系統的拓撲關系，同時將降雨數據等邊界條件導入模型，如圖4所示。

2.4 子匯水區的劃分與連接

子匯水區劃分對結果精度有著明顯影響，是建立模型重要的步驟之一。基于研究區內排水管網系統分區及各類用地性質布局，對月湖新區進行子匯水區劃分。劃分均是采用道路用地、居民用地、教育用地、商業用地等7種用地類型面積比例，計算出滲透率，然后利用系統自有的泰森多邊形法將匯水區劃分成256個面積為1.0～18.9 m2的子匯水區，劃分連接結果如圖5所示。

圖4 月湖新區一維排水模型Fig.4 One-Dimensional Drainage Model of Yuehu New District

圖5 月湖新區子匯水區劃分Fig.5 Sub Catchment Area Division of Yuehu New District

2.5 模型率定

本次研究選用2019年5月23日實測降雨，采用蒙特卡羅方法進行模型率定，并用納什效率系數來評價模型模擬結果與實測的吻合程度(圖6)。計算得出徑流納什系數為0.82，高于0.7，故本模型在水文模型上是可信的。

圖6 月湖新區徑流模擬-實測圖Fig.6 Runoff Simulation-Measured Map of Yuehu New District

3 評估方法與結果分析

3.1 評估方法

內澇潛在風險性可由管道超負荷運行情況間接反映。本研究以管道最大充滿度作為其中一種指標進行評估，評估指標為管道充滿度的模擬值，計算如式(2)。

其中：F——管道充滿度；

Wlevel——水位高度，m；

Hinertlevel——管道底標高，m；

Hheight——管道高度，m。

評價標準：F>1.0表示水位超過管道頂部，即超過管道排水設計能力；F≤1.0表示水位未超過管道頂部，即滿足管道排水設計能力。

3.2 結果分析

3.2.1 動態模擬結果分析

模型建立完畢后，載入不同邊界條件，利用MIKE URBAN中RUN MOUSE功能得到模型動態模擬結果，選取其中水位變化較為典型的管段提取其管道水位變化，結果如圖7所示。

選取管段從20 min后水位開始逐漸上升，管道內為重力非滿流狀態排水。降雨48 min處于設計降雨峰值期間；由于上游管段疏水能力的作用，該管段滿流時間點稍有延遲，使得在50 min時管道剛達到滿流狀態，此時動態水面線急劇上升，壓力水頭不斷增大；在60 min時，壓力水頭達最大值，隨后降雨峰值時期結束，動態水面線緩慢下降，水位隨之下降；直到110 min時，水位基本穩定，水流狀態由有壓恢復為無壓，不再產生溢流。

圖7 月湖新區某管段水位變化Fig.7 Water Level Changes of Pipe Section in Yuehu New District

3.2.2 靜態模擬結果分析

采用4種不同重現期下芝加哥雨型設計的降雨模型，對研究區域進行模擬，模擬結果如圖8所示(以5 a一遇為例)，統計結果如表2～表3所示。

圖8 月湖新區井溢流情況及管道充滿度分布(以5 a一遇為例)Fig.8 Well Overflow Situation and Pipeline Fullness Distribution in Yuehu New District (Case of 5 a)

表2 不同重現期下管道充滿度統計Tab.2 Pipeline Fullness Statistics under Different Recurrence Periods

表3 月湖新區管道排水能力劃分與統計Tab.3 Division and Statistics of Pipeline Drainage Capacity in Yuehu New District

本文用管道充滿度來表示管網的狀態，當F≤1時,管網處于正常狀態；當12時，管道由于自身排水能力的不足造成過載。由表2～表3可知，在月湖新區總長度為74.28 km的排水管道中，排水能力不滿足1 a重現期的管段有59.58 km，占總管長的80.20%；滿足1～5 a重現期的管段僅有8.58 km，占比為11.56%，而其中多數由于下游排水能力不足的原因造成該段出現過載現象。達到5 a重現期以上的管段有6.12 km，占8.24%，雖所占比例不低，但數量較少，且大多為一些尺寸較大的主干管。總體上，月湖新區現狀排水管網排水能力整體處于較差水平，絕大部分管道會由于下游管道過流能力抑或是自身排水能力的不足造成過載，能滿足排水要求的管段少之又少，造成這一現象的主要原因是設計時排水管網要求標準較低，各管段在末端管徑和高度銜接時還存在不盡合理之處，鑒于此種情況，有必要盡快提高排水管網設計標準，同時改造排水能力較差的管段。

綜合上述不同重現期下的管道充滿度情況，對研究區域管道排水能力進行劃分并統計匯總，如圖9和表4所示。

圖9 月湖新區管道排水能力劃分Fig.9 Pipeline Drainage Capacity Division of Yuehu New District

由表4可知，月湖新區258個檢查井中，在降雨強度不大的條件下，溢流井數量相對較少。隨著降雨重現期連續增加，發生溢流的檢查井也隨之增多，但增長幅度相對降低。因此，在小重現期降雨下，可以通過進一步精細化滲濾路面，改變透水地面的材料種類和孔隙率等系列參數，改變徑流系數，提高城市管網排水能力，減少檢查井溢流情況；但在較大重現期降雨下，徑流系數在一定范圍內逐漸穩定，優化下墊面意義已不大，此時通過對雨水管網進行改造，以加強城市排水能力才是最根本的措施。

表4 不同重現期下井溢流情況統計Tab.4 Statistics of Downhole Overflow in Different Recurrence Periods

4 結論

(1)研究區雨水管網整體排水能力較弱，絕大部分管段不能滿足1 a暴雨重現期要求，小部分管段雖能滿足5 a重現期，但也僅為部分雨水主干管，難以抵御強降雨威脅，易形成內澇點，城市雨水管網亟待改造。

(2)為了重建管道網絡，不需要通過模擬結果重構月湖新地區80%以上的管道，該地區的建筑密集，大規模管道網絡重建的可能性不大。應在相應的設計重現期內首先運行管道模型，并根據重構的管道和是否有地面積水來綜合確定，這樣的方法經濟且可行。

(3)本文模擬結果較符合研究區主要積水點調查分布，為后期的管網改造提供技術支持，用于后期管網校核、水力計算等工作。