MIKE URBAN參數敏感性分析

李水娟，梁 璐

(1.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518001； 2.中交水運規劃設計院有限公司 西南分公司，成都 610200)

1 概 述

由于氣候變化及城鎮化進程加快，城市內澇問題愈加嚴重。在工程設計中，通常會建立區域的降雨-徑流模型，對城市管道進行規劃和設計，優化城市排水管理，減少內澇損失。其中，模型MIKE URBAN應用尤為廣泛。MIKE URBAN是丹麥水力研究所(DHI)開發的雨水系統模擬軟件，它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管網模擬軟件，形成一套城市排水模擬系統，該模型廣泛應用于城市排水與防洪、分流制管網的入流或滲流、合流制管網的溢流、受水影響、在線模型、管流監控等方面。

但是，由于模型的水文水力參數較多，各個參數的變化對輸出結果的影響程度有較大差異。因此，就需要對參數進行敏感性分析，定性的分析各參數敏感性的大小。

本文采用實際案例，綜合分析MIKE Urban模型在實際降雨下的相關水文參數的敏感性，確定哪些模型參數是對模型貢獻大的重要參數[1]，確定不同參數組合對模型結果的影響，為模型進一步的參數率定提供依據。

2 研究方法

2.1 模型簡介

MIKE Urban降雨-徑流模塊提供了多種適用于城市化地區的徑流計算模型和靈活的工具，能夠方便快捷地進行集水區的定義、劃分以及模型水文參數的設置。徑流模塊的輸出結果是降雨產生的每個集水區的流量，計算結果可用于管流計算。

在Mike Urban徑流模塊中，4種表述地表徑流的模型為：

模型A：時間-面積曲線模型。

模型B：詳細的水文過程描述包括非線性水庫水文過程線。該模型將地面徑流作為開渠流計算，只考慮其中的重力和摩擦力作用；多用于簡單的河網模擬，同時也可作為二維地表徑流模型。

模型C：線性水庫模型。該模型將地面徑流視為通過線性水庫的徑流形式，也就是說每個集水區的地表徑流和集水區的當前水深成比例。

UHM：單位水文過程線模型，用過程水文線來模擬單一的暴雨事件。該模型用于無任何流量數據或已建立單位水文過程線的區域的徑流模擬。

本文采用常用的時間-面積曲線模型。

2.2 研究區域概況

賀州市城市內河有里寧河、長龍河、黃安寺河、黃田支渠、獅子崗河等。本文研究MIKE Urban參數的敏感性分析以黃安寺排洪河流域分區為單元，采用實測的賀州暴雨-洪水數據。

黃安寺河，也稱黃安寺排澇(洪)溝(渠)，位于賀州市城區的江北片區內，自里寧村白門樓寨起，經過白門樓村、里寧村蘋井寨、黎家塘、里寧村壩頭寨。此上游河段稱為里寧河，與另一條流經城腳塘的排洪渠(長龍河)在拱橋衛生所匯合后進入賀州市城區，其穿過賀州市最老的城區，沿途斷面寬8～20 m，在西約街一景橋處匯入賀江。黃安寺集雨面積34.39 km2，河長8.61 km，多年平均流量0.842 m3/s，河底坡比1.65%。城區中心水系流域圖見圖1。

圖1 模型范圍圖(黃安寺排洪渠分區)

2.3 MIKE Urban模型參數選擇

MIKE Urban降雨-徑流模型中，需要確定的參數有不透水率[2]、初期損失、沿程損失系數、時間面積曲線類型和集水速度。參數分實測參數和率定參數，其中不透水率可以根據下墊面情況、地形圖等現有資料得出，率定參數需要根據實際發生的降雨以及相應的實測流量率定出來。本文根據經驗和相關工程的實踐，選取3個相關率定參數進行敏感性分析，分別是初損值Ia、集水速度u和沿程損失系數hf。見表1。

表1 MIKE Urban參數表

2.4 分析方法

本文采用擾動分析法[3]分析參數敏感性。擾動分析法是應用最廣泛的局部參數靈敏性分析方法，即在某個參數基準值(模型率定的參數值)的基礎上，按一定的系數改變其取值，其他參數保持基準值不變，計算模型參數在確定的范圍內波動時引起模型變化的輸出規律。

敏感性系數表示工程項目評價指標對不確定性因素的敏感程度[4]，計算公式為：

(1)

式中：SAF為敏感性系數；△F/F為不確定性因素F的變化率，%；△A/A為不確定性因素F發生△F變化時，評價指標A的相應變化率，%。

|SAF|越大，表明評價指標A對不確定因素F越敏感；反之，則不敏感。

敏感性系數表示為一個無量綱的指數，反映了模型輸出結果隨模型參數的微小改變而變化的影響程度或敏感程度。敏感性系數SAF反映影響因子F對模型模擬輸出結果A的影響程度。敏感性分類表見表2。

表2 敏感性分類

3 結果與討論

3.1 模型建立與校驗

3.1.1 模型建立

依據建模區域內的雨水管網布置圖(現狀)，提取排水系統信息，進行相關處理如下：

1) DEM圖。將現狀地形和現狀管網的CAD圖導入至ArcGIS，利用ArcGIS生成DEM圖，并導入至MIKE Urban中，為下一步劃分子匯水分區和管網拓撲關系的檢查做準備。

2) 管網概化。利用研究區域的管網數據信息建模。首先根據區域地形以及管網圖對管網數據信息進行篩選，提取有效信息，對管網進行概化，并將該數據信息導入MIKE Urban中，生成管網模型[5]。

3) 劃分子集水區。首先確定集水區的邊界范圍，并制作成矢量文件導入MIKE Urban中，使用catchment delineation集水區自動劃分工具進行子集水區的劃分。以導入的矢量文件為劃分子流域的邊界，以人孔為子流域劃分向導，使每個人孔對應一個子集水分區。

4) 集水區參數設置。根據最新地形圖，將不同類別的用地類型分別做成不同圖層的矢量文件，如建筑、道路、綠地、河流等，將其加載進MIKE Urban中。因本次產匯流模型采用T-A模型，不透水系數的設置采用根據不同類型的下墊面類型設置，城區范圍內下墊面情況見圖2和表3。不同下墊面的不透水系數見表4。

圖2 下墊面情況分布圖

表3 城區范圍內下墊面情況表

表4 不同下墊面類型的不透水系數匯總表

3.1.2 模型率定與驗證

通過分析賀州氣象站以及賀江下游獨嶺水文站的降雨、水位、流量和洪水水位調查資料可知，從賀州氣象站建站有資料以來，賀州城區發生的較大洪水有1994、1996、1998、2002、2006、2008和2010年，其中1994年7月22～27日為最大。本次經綜合分析比較，選取1994年洪水作為模型參數的率定，選取2002年洪水作為模型參數的驗證。見圖3、圖4和表5。

圖3 1994年模型率定成果圖

圖4 2002年模型率定成果圖

表5 計算成果與實測成果對比表

從圖4和表5可以看出，驗證工況下，黃安寺排洪渠河口的流量過程與實測的流量過程擬合程度較高，且洪峰和洪量的絕對誤差不超過5%。說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數能較好反映模擬區間的真實性，模型分析成果可以用于后續研究。率定好的參數取值見表6。

表6 MIKE Urban模型率定成果表

3.2 敏感性分析

初步計算給定參數初始值，見表7。分別在初始值基礎上對各參數進行增減，求出相應的結果，利用式(1)求出敏感度SAF，根據相對敏感度SAF結果進行敏感性分級。

表7 選取參數表

3.2.1 初期損失Ia

MIKE Urban模型中的初期損失Ia表征降雨開始時，由于地表土壤的蓄存、植物的吸收、低洼處的截留等造成的沒有生成地表徑流的那部分水量。顯然，初期損失愈大，對雨水管網的初期負荷越小。地表的特征不同，初期損失的計算有較大的差異。如城市地表由于情況復雜，大部分為不可滲透表面，因此初期損失一般小于自然流域的初期損失，因為自然流域中的土壤、植被能大量存蓄初期降雨。見表8、圖5和圖6。

表8 初期損失Ia敏感性分析表

圖5 初期損失Ia-洪峰流量敏感性分析圖

圖6 初期損失Ia-洪水總量敏感性分析圖

由表8可知，初期損失對于洪峰的敏感性系數SAF絕對值為0.01，洪量的敏感性系數SAF絕對值為0.01，初期損失Ia對于洪水過程為不敏感系數。

3.2.2 集水速度u敏感性分析

集水速度u是指從降雨落地到流入臨近雨水口所經歷的時間。一般來講，不透水地面的集水流速大，而綠地等自然地表的集水流速相對較小。降低集水速度有助于減緩雨水排水的過程，削減排水流量峰值，從而有效預防內澇的發生。見表9、圖7和圖8。

表9 集水速度u敏感性分析表

由表9可知，集水速度對于洪峰的敏感性系數SAF絕對值為0.20，洪量的敏感性系數SAF絕對值為0.04，集水速度u對于洪水過程為敏感系數，且u與洪水過程成反比。

圖7 集水速度-洪峰流量敏感性分析圖

圖8 集水速度-洪水總量敏感性分析圖

3.2.3 沿程損失系數hf敏感性分析

沿程損失系數hf是指降雨落地到流入臨近雨水口所經歷的時間中，減去損失后的剩余水量系數。沿程損失系數的敏感性分析見表10、圖9和圖10。

表10 沿程損失系數hf敏感性分析表

圖9 沿程損失系數-洪峰流量敏感性分析圖

圖10 沿程損失系數-洪量敏感性分析圖

由表10可知，沿程損失系數對于洪峰的敏感性系數I絕對值為2.07，洪量的敏感性系數SAF絕對值為1.40，沿程損失系數hf對于洪水過程為極敏感系數，且hf與洪水過程成反比。

3.3 模型洪水驗證

根據敏感性分析的結果，將經過調整的參數對所在地的小流域進行模擬，其中2009年7月為率定場次，2012年4月為驗證場次。模擬結果顯示，2009年7月降雨場次擬合的洪峰誤差為11.1%，洪量誤差為1.6%；2012年4月降雨場次擬合的洪峰誤差為5.3%，洪量誤差為0.7%。模擬精度良好，說明Urban模型在該流域適用性良好。見圖11、圖12。

圖11 2009年7月降雨過程線擬合成果圖

圖12 2012年4月降雨過程線擬合成果圖

4 結 論

根據上述MIKE Urban模型的參數敏感性分析成果可知，沿程損失系數hf和集水速度u對于洪水過程敏感性較高，初期損失Ia對于洪水過程為不敏感系數。通過本次研究，可以為采用MIKE Urban模型分析城市內澇提供參考，在城市內澇分析中可以重點關注敏感參數，加快分析研究效率。