基于MIKE FLOOD模型的城市洪澇災害場景推演研究

查 斌，劉成帥，楊 帆，，姚依晨，馬炳焱，胡彩虹

（1.洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000；2.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

自然災害給人類社會帶來嚴重的生命威脅和巨大的經濟損失［1］，洪澇災害是全球發生次數最多、影響國民經濟發展的自然災害［2－3］。隨著城市化進程加快、人口密度和經濟產值提高，城市洪澇災害逐漸成為關注和研究的熱點［4－5］。在城市建設過程中，城市主城區及周邊的自然及生態系統均發生了改變［6］，致使水文過程更加復雜［7－8］。作為評估及預防城市暴雨災害的重要方法，數值模型可以為防洪排澇提供重要的技術支撐［9］。

城市洪澇場景推演是城市防洪排澇工作的基礎。自1986年MIKE系列模型建立，因其推演功能強大而得到了廣泛的應用。欒震宇等［10］耦合MIKE URBAN和MIKE 21模型構建了湖南省新化縣的城市內澇數值模型，科學評估了新化縣的排水能力；李品良等［11］應用MIKE URBAN對成都市老城區的排水管網在不同降雨強度下承壓運行情況及管點溢流情況進行模擬，并通過設置小型調蓄池和擴增管徑兩種途徑改善城市內澇狀況；任梅芳等［12］基于MIKE URBAN和MIKE 21模型對濟南市歷下區立交橋區域進行暴雨內澇積水模擬；黃琳煜等［13］基于MIKE FLOOD平臺搭建了暴雨洪澇模型，對上海市浦東新區現狀雨水管網的排水能力進行了評估。以上研究表明，MIKE URBAN、MIKE 21耦合MIKE FLOOD可以模擬考慮城市管網排水條件下的內澇情況，然而城市洪澇往往是城市排水管網內澇與河網洪水綜合作用的結果［14］，因此如何構建城市區域內既考慮城市內河的排水作用又考慮管網排水漫溢的模型就顯得非常重要。

洛陽市建成區面積不斷增大，經濟發展迅速，但隨之而來的“城市看海”現象也日益增多。本研究以洛陽市中心城區為研究區，以MIKE FLOOD為平臺，基于MIKE 11、MIKE URBAN和MIKE 21構建一維河道、一維管網和二維地表的城市洪澇模擬模型，在不同降雨歷時和不同重現期下進行場景推演，分析洛陽市不同降雨條件下的淹沒情況，為洛陽市城市防災減災提供科學支撐。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況和資料獲取

洛陽市位于河南省西部，其中心城區位于北緯34°29′06″—34°45′47″，東經112°15′44″—112°41′57″，是一個高度城市化的地區，其不透水區域覆蓋率達到72%，同時，區域內有伊河、洛河兩條大河干流穿城而過。該區域年平均氣溫為14.6℃，年平均降水量為600.2 mm，其中6—9月降雨量占全年的63.3%。

本次研究收集整理了洛陽市中心城區管網、土地利用、河道斷面、地形數據以及水文數據。其中，管網數據包括3 610條管道，概化4 792個雨水井、161個排水口、1 006個子匯水區；土地利用數據采用谷歌地圖高清影像目視解譯結果，分為水體、農田、綠地、居住用地、道路廣場、公共設施和工業用地7類；河道斷面數據包括伊河、洛河、瀍河、澗河及甘水河共195個斷面（見表1）；地形數據選用地理空間數據云90 m×90 m的DEM數據。

表1 河道斷面數據

水文數據是模型的輸入數據，收集整理了12個雨量站及白馬寺和龍門水文站的雨量和流量過程數據，雨量站分布及所劃分的泰森多邊形見圖1，圖2為12個雨量站的兩場典型降雨過程。

圖1 研究區水系示意

圖2 典型降雨過程

1.2 研究方法

1.2.1 設計降雨

采用機械工業部第四設計研究院編制的洛陽市暴雨強度公式［15］計算設計降雨，洛陽市暴雨強度公式為

式中：q為暴雨強度，mm／min；p為重現期，a；t為降雨歷時，min。

本研究取60、120、360、720 min4個降雨歷時，對應的降雨重現期分別取1、2、5、10、20、50、100 a，共28場設計降雨；雨峰系數為0.4。各場設計暴雨過程如圖3所示。

圖3 不同重現期設計降雨過程

1.2.2 模擬方法

MIKE FLOOD由DHI Water＆Environment＆Health獨立開發［16］，它將一維模型MIKE URBAN或MIKE 11和二維模型MIKE 21整合［17］，是一個動態耦合的模型系統，可以同時模擬排水管網、明渠，排水河道、各種水工建筑物以及二維坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等的模擬研究［18］。

本文采用MIKE FLOOD耦合MIKE 11河道模型、MIKE URBAN管網模型、MIKE 21地表模型構建研究區的暴雨洪澇模型。MIKE 11模擬一維河道洪水演進，MIKE URBAN模擬一維排水管網水流演進，MIKE 21模擬二維地表漫流淹沒，MIKE11和MIKE21采用側向連接［19］，MIKE URBAN和MIKE 21采用雨水井連接［10］，MIKE 11和MIKE URBAN采用排水口連接［20］，模型耦合方法見圖4。

圖4 模型耦合方法

MIKE 11模型模塊：MIKE 11模型是丹麥DHI公司研發的MIKE FLOOD洪水模擬組件的重要板塊。根據城市水系、水文資料，MIKE 11可構建一維河網模型，用于城市河道水量模擬，具有節約人力、計算準確和結果可視化的優點，計算原理是一維水動力學，包括連續方程和運動方程，采用有限差分法進行離散，差分格式為6點中心Abbott－Ionescu格式，離散方程求解采用追趕法［22］。

MIKE URBAN模型：主要用于模擬城市排水管網系統，分為降雨徑流模擬和管網模擬兩部分，其中降雨徑流模擬的結果是管網模擬的邊界條件，模型計算原理主要是一維水流連續方程和水流動力方程，模型采用六點隱式差分法求解計算［23］。

MIKE 21 Flow Model水動力模型：是一個基于結構化地表網格的模擬系統，模型采用二維淺水方程，采用ADI逐行法對二維模型的連續和動量方程分別進行時空上的積分，離散方程求解用追趕法［2］。

1.2.3 評價指標

對應20190804、20190806兩場實測降雨，通過網絡數據爬取和實地調研得到積水深，以此對模型進行校準驗證，并選用絕對誤差（AE）、相對誤差（RE）、復相關系數（R2）、合格率（PR）和納什系數（NSE）4個指標進行模型評價。其中，NSE取值范圍（－∞，1］，NSE越接近1，模擬效果越好［2］。

式中：Si為第i個積水點的模擬水深，m；Oi為第i個積水點的調研水深，m；為模擬水深均值，m；為調研水深均值，m；n為積水點總數，n＝16。

式中：yi和y′i分別為觀測流量和模擬流量，m3／s；i為時刻序號；為觀測流量均值，m3／s。

2 模型校準與驗證

耦合后的模型有不透水率、河段糙率和地表糙率3個參數，根據洛陽市區的實際情況，具體取值見表2。

表2 模型參數取值

采用調研積水深、實測河道流量對耦合模型進行綜合校準驗證。MIKE模型是分布式物理水文模型，模型參數具有物理意義，參數校準只需要調整時間步長保證模型迭代計算不發散即可［11］，這也是MIKE模型的優勢所在。經過校準，時間計算步長設置為2 s。

根據《洪水風險圖編制技術細則（試行）》要求，城區70%的暴雨積水點最高水位的誤差控制在20 cm以下視為合格。耦合模型積水點校準驗證結果見表3。

表3 模型校準驗證結果

經過計算，20190804場次水深模擬平均絕對誤差為14 cm，相對誤差為21.2%，經過模擬—實測水深線性相關分析，復相關系數R2為0.786 7（見圖5（a））；20190806場次水深模擬平均絕對誤差為7 cm，相對誤差為16.0%，R2為0.943 9（見圖5（b））。

圖5 20190804、20190806場次洪澇模型積水點水深校準驗證結果

模擬和實測流量過程對比見圖6。20190804場次白馬寺站、龍門站流量模擬校準期NSE分別為0.79、0.94，20190806場次白馬寺站、龍門站流量模擬驗證期NSE分別為0.96、0.91，可見模型模擬與實測過程比較吻合，所構建模型具有較高的模擬能力。

圖6 20190804、20190806場次暴雨模擬和實測流量對比

3 城市洪澇場景推演

根據28場設計降雨，對洛陽市中心城區進行雨洪淹沒模擬。結果表明，研究區河流均未發生漫溢，淹沒主要為暴雨內澇，淹沒分布狀況見圖7。

圖7 不同降雨歷時、不同重現期條件下暴雨洪澇淹沒空間分布

根據計算結果，4種降雨歷時條件下的淹沒面積分別為14.532 3～23.968 8 km2、16.788 6～26.190 9 km2、24.116 4～35.785 8 km2和4.779 7～36.821 7 km2。這說明降雨歷時和降雨量越大，淹沒面積越大。結合淹沒空間分布和重現期條件，重現期大于20 a時，淹沒面積明顯增大。因此，當重現期大于20 a時，要提前做好城市防洪措施，可以適當提高防洪減災級別。

降雨歷時60、120、360、720 min的淹沒水量分別在1 804 911.66～24 064 675.2 m3、2 091 859.56～31 751 228.07 m3、3 943 031.4～44 463 856.5 m3和3 875 545.08～54 559 375.68 m3范圍內，可根據不同情景的淹沒水量合理安排不同的排澇設備和人員。隨著降雨歷時的增加，各場次降雨均有不同程度的淹沒發生，在重現期為1～2 a時，城市淹沒也有發生，說明現有城市排水能力嚴重不足，這也是造成城市積水的直接原因之一［27］，合理規劃排水系統是城市建設必不可少的環節。

在所設計的降雨情景中，雖然都有淹沒發生，但是淹沒程度和空間分布差異明顯。即使相同重現期條件下，降雨歷時不同，淹沒程度也不盡相同，通常來說，“短歷時強降雨造成城市淹沒”是不可否認的事實［28－29］，但從計算結果來看，4種降雨歷時條件下的平均淹沒水深分別在0.124 2～1.004 0 m、0.124 6～1.212 3 m、0.163 5～1.242 5 m和0.156 4～1.481 7 m范圍內。降雨歷時在120 min以內時，1、2、5、10 a一遇降雨的淹沒水深為0.1 m左右，對行人車輛影響不大；20、50、100 a一遇降雨的淹沒水深大于0.2 m，可淹沒至道路沿石，嚴重影響人車通行。降雨歷時大于360 min時，不同重現期條件下均有大于0.2 m的淹沒發生。降雨歷時越長，淹沒狀況越嚴重，這與設計降雨雨型有關。降雨歷時越長，降雨量越集中于雨峰位置，這就造成了降雨歷時越長，雨峰雨量越集中，淹沒也越嚴重。因此，要做好極端降雨條件下的防洪減災準備工作。

淹沒水量、淹沒水深以及淹沒面積和重現期的關系表明（見圖8），淹沒水量和淹沒水深與重現期為正相關線性關系，重現期越大，淹沒水量和淹沒水深越大；重現期小于10 a時，淹沒面積隨著重現期增大明顯增大；重現期大于10 a時，淹沒面積增長趨于平緩，這可能與地形因素有關，針對地形低洼地區，可以適當建設一些防洪排澇工程措施。

圖8 淹沒水量、淹沒水深、淹沒面積與降雨重現期的關系

針對洛陽市中心城區構建的MIKE FLOOD耦合模型經過積水點、河道流量雙重校準檢驗，具有良好的可靠性和模擬精度，表明耦合模型具有較強的洪水推演能力。

4 結 論

（1）綜合考慮城市復雜下墊面條件，構建基于MIKE FLOOD平臺的一維河道－一維管網－二維地表的耦合城市洪澇仿真模型，利用兩場實測降雨洪水資料對模型進行了參數校準和驗證，結果表明MIKE FLOOD模型在城市雨洪淹沒模擬中具有較好的精度和可靠性。

（2）相同降雨歷時條件下，設計暴雨重現期小于20 a時，暴雨所產生的淹沒范圍較小，多集中在中心城區；設計暴雨重現期大于20 a時，暴雨所產生的淹沒范圍較大，淹沒范圍擴展到郊區。因此，當重現期大于20 a時，要提前做好城市防洪措施。

（3）兩場洪水中洛陽市中心城區無河道漫溢情況發生，淹沒主要由暴雨內澇引起，在重現期為1～2 a時，城市淹沒也有發生，表明現有城市排水能力嚴重不足。

本研究成功構建了一維河道－一維管網－二維地表的耦合城市洪澇仿真模型，研究成果對城市防洪救災和海綿城市建設工作具有指導意義，但是仍然存在不足，譬如沒有考慮城市中的地下空間，由于地下管網資料不齊全，因此僅能采用概化方式處理，城市洪水對暴雨的響應機理和災后損失評估也有待進一步研究。