基于MIKE模型的城市內澇風險評估與整治方案效果研究

卓小燕，孫 翔

(1.深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000；2. 哈爾濱工業大學環境學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3. 南方科技大學環境科學與工程學院，廣東 深圳 518055；4. 深圳市睿洋水務科技有限公司，廣東 深圳 518000)

近幾年，由于城市化進程的加快，熱島現象和“雨島”現象時有發生，造成了降雨的頻次和強度增加；建造房屋、鋪設馬路等人類活動導致不透水率增加；城市排水系統建設與社會、經濟發展不相適應等，都是造成城市積水的原因[1-3]。其發生不僅會給人們的日常生活帶來不便，而且還會造成財產損失，嚴重的還會對人們的生命安全構成威脅[4-5]。如何有效解決城市內澇問題是當今社會最關注的話題之一。

城市雨洪模擬技術研究方面，發達國家從60年代起開始研制滿足城市排水、防洪、環境治理、交通運輸、工程管理等各方面要求的城市雨洪管理模型，目前在這方面取得較大進展，許多模型已廣泛應用于雨水管道及排澇系統的規劃、設計和管理。例如，Delft3D、SMS和Fluent多用于模擬河道中局部水動力流態[6-7]，適用于小尺度精細模擬；HEC-RAS、SWMM及DHI-MIKE適用于大尺度河網水系建模[8-9]。根據本研究的特點，需結合河流、地形和管網建立一二維耦合模型，從以上模型的使用經驗來看，DHI的MIKE系列軟件適用性較好[10-11]。所以，選取DHI-Mike系列數值模擬軟件作為本次建模的方式。

因此，本研究以廣州市黃埔區二中(蘇元校區)后山及周邊片區為例，基于MIKE模型構建城市內澇模型，分析研究區的內澇淹沒情況以及不同工況下的緩解情況，最后確定何種方案對內澇的削減效果最好，以期為其他區域改善城市內澇情況提供參考。

1 研究區概況及數據預處理

1.1 研究區概況

廣州市是廣東省省會，地處珠江三角洲。黃埔區位于廣州市東部，地處北回歸線以南。黃埔區年降雨量基本介于1750～1900mm之間，空間分布上呈現向北部防汛和西南方向逐漸增加的趨勢，高值區集中在北部和西南部，低值區主要位于中部[12]。

如圖1所示，本研究的模擬范圍為二中(蘇元校區)后山及周邊片區，在黃埔區水西路的西側，西靠暹崗大山，南側出口為烏涌河支流，東側出口為南崗河支流，總匯水面積為120.38hm2。2019年“522”暴雨，受山洪沖擊及下游河道頂托的影響，且部分排水管渠標準偏低，造成雨水收集和轉輸能力不足，降雨時不能及時將徑流轉輸進下游河道，導致研究區內產生較為嚴重的內澇。

圖1 研究區概況

1.2 數據處理

1.2.1設計降雨

設計暴雨短歷時根據《廣州市番禺區暴雨公式及計算圖表》(廣州市水務局、廣東省氣候中心，2014年3月)中的番禺區暴雨強度公式計算：

(1)

式中，q—暴雨強度，L/(s·hm2)；t—匯水時間，min；t=t1+t2，t1—地面集水時間，按距離長短、地形坡度和地面鋪蓋情況，本研究取定t1=15min；t2—管渠內雨水流行時間。1年一遇、2年一遇、5年一遇和10年一遇設計降雨為1h短歷時降雨；20年一遇和50年一遇設計降雨為長歷時24h降雨。

1.2.2地形數據

根據城區1∶2000CAD地形圖，提取地形地貌信息，坐標系采用WGS1984坐標，高程采用廣州本地高程系統。為較好地模擬城市街道細微地形，采用結構網格對研究區域進行剖分，網格大小為5m×5m，網格單元722×542個。為反映建筑物的阻水作用，對所有建筑物高程均拔高5m。

1.2.3排水管網

根據《黃埔區市政專項規劃》(2015—2017)，本研究區域雨水排水分區屬烏涌流域的科學城中部分區。根據現狀雨水管網的排向，區域內的雨水有兩個排向，分別為南崗河和烏涌左支涌。

利用研究區域的管網數據信息，主要包括：管網和檢查井的空間位置(x、y坐標)、節點高程/進出口管底高程、管長、管徑、流向、材質等屬性數據。本次僅對功能性突出、與干支流直接相連的主干管進行研究，所以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。現狀排水管網及地形如圖2所示。

圖2 現狀管網(a)及地形高程(b)

2 研究方法

2.1 模型搭建

2.1.1一維模型搭建

MIKE URBAN水動力學模塊可以準確地描述管網中各種水流現象，其中的排水管網系統分為產匯流模塊和管網模塊。通過求解圣維南方程組，即質量守恒方程和動量守恒方程，準確的解析管網中的水流狀態[13]。

連續方程：

(2)

動量方程：

(3)

式中，Q—管道流量，m3/s；A—過水斷面面積，m2；h—水位，m；g—重力加速度，m/s2；S0—管道坡底；Sf—阻力坡降。

以管道檢查井溢流作為評估指標(即管道水頭線是否超過地面線)，對管網排水能力進行評估，如公式：

δ=H-W#

(4)

式中，H—管網節點水頭，m；W—地面高程，m；當δ≤0時，則表示管道排水能力滿足相應設計重現期要求；當δ>0時，則表示管道排水能力不滿足相應設計重現期要求。

根據研究區土地利用規劃，將土地利用類型分為建筑、道路、綠地、河流和其他，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，見表1。

表1 不同下墊面類型的不透水系數

2.1.2二維地表漫流模型搭建

MIKE21用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境。MIKE 21常用的計算內核有兩種模式，一是本研究使用的矩形計算網格的MIKE 21，采用隱式差分法求解二維圣維南方程組；二是非結構化網格的MIKE 21FM，采用有限體積法對二維圣維南方程組進行數值求解，為顯示時間積分[13]。控制方程是二維非恒定流方程，由連續方程和動量方程組成：

(5)

(6)

式中，h—水深，m；n—糙率；Z—水位，m；g—重力加速度，m/s2；u、v—x、y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；q—源匯項，m/s。

2.1.3模型耦合

在MIKE Flood中采用側向連接的方式將管網和二維網格連接起來，當超過管道過流能力時，水流將通過一二維連接口溢流至二維地表，通過二維不同網格的高程值從低處往高處漫流，從而實現對內澇區的模擬[14]。

2.2 模型參數驗證

2.2.1降雨過程

模型驗證降雨采用2020年5月21日20時00分至22日07時25分暴雨資料，由芝加哥雨型法統一得到暴雨過程。本次采用區域記錄總降雨量256mm，接近100年一遇標準(1h113mm，24h322mm)對模型進行驗證。

2.2.2內澇情況

根據廣州市水旱災害防御中心統計黃埔、多地出現大面積洪澇，達180處。模擬范圍所在區域受南崗河及其支涌的水位頂托作用，沿線南崗街道、云埔街道、東區路口等區域出現較為嚴重的洪澇災害。對照當地的暴雨調查水賬計算結果，以及本研究模型演算內澇點分布情況(如圖3所示)，可見主要內澇位置及淹沒深度一致，認為模型可以用于設計暴雨淹沒分析。

圖3 實際內澇點(a)與模擬內澇點(b)

2.3 模擬情景設計

2.3.1不同工況布設

根據二中(蘇元校區)防洪綜合治理工程對二中(蘇元校區)及周邊區域的排水情況進行調查分析，針對暹崗大山北側現狀水溝下游被管道替代導致過流能力嚴重不足的問題，本研究擬建調蓄塘3座(規模分別為97000、6800、17200m3)，擴建調蓄塘4座(規模分別為940、5300、5600、2800m3)，起到對匯流的雨水儲存削峰的作用，且添加部分管道，有助于洪水的排放。分為以下3種工況進行布設(如圖4所示)。

圖4 工況1(a)、工況2(b)及工況3(c)

2.3.2調蓄塘調洪演算

調蓄塘調洪計算依據水量平衡方程，計算式采用有限差形式表達：

(7)

式中，Qi-Qi-1—入庫流量，m3/s；qi-qi-1—下泄流量，m3/s；Vi-Vi-1—水庫庫容，m3；Δt—計算時段，h。

2.4 內澇風險等級劃分

根據當地內澇治理方案，按照不同的淹沒深度和淹沒時長劃分風險等級，見表2。

表2 內澇風險等級劃分

3 結果分析與討論

3.1 現狀情境下的內澇情況

3.1.1管網過流能力分析

如圖5所示，見表3，采用1年一遇、2年一遇、5年一遇及10年一遇短歷時設計暴雨復核管道過流能力，可見蘿崗片區60%以上的管網過流能力不足1年一遇，香雪大道局部在創業公園調蓄的影響下達到大于5年一遇的標準；另外開創大道沿線管道建設時序較晚，可以滿足2年一遇至10年一遇暴雨過流。

表3 管網過流能力占比

圖5 管網過流能力

3.1.2不同情境下的淹沒分析

根據短歷時1年一遇、2年一遇、5年一遇及長歷時10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨情境下的內澇模擬，現狀除下游片區匯入南崗河前繞城高速段有淹沒外，主要的淹沒區為廣州二中區域。在20年一遇、50年一遇工況下，內澇風險等級達3級，淹沒深度局部達到1m以上，淹沒時間長于45min。另外創業公園那側，香雪大道沿線因地勢及管道過流能力問題有淹沒。如圖6所示，造成蘿崗中心片區淹沒的主要原因為管道過流能力不足及局部地勢低洼。

圖6 研究區淹沒分布圖

統計分析各降雨情境下，研究區的內澇風險等級占比，如圖7所示。1年一遇、2年一遇、5年一遇及長歷時10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨內澇風險區面積分別為1.75、1.94、2.37、2.68、3.85和4.88×105m2。可以看出，隨著降雨強度的增加，內澇風險區總面積也在逐漸增加，尤其是4級高風險區面積增加最多。

圖7 研究區內澇風險等級占比

3.2 不同工況下的內澇情況

3.2.1調蓄塘調洪結果分析

經過調洪后，50年一遇出庫洪峰流量下降至3.0m3/s，削峰流量達19.80m3/s，削峰效果好，同時72h洪水總量控制了7.64萬m3，占來水總量17.48萬m3的43.8%，有效地緩解了下游的防洪壓力。經6#山塘調洪后該山溝出庫洪峰為5.87m3/s，出庫三日洪水總量19.87萬m3，洪水將排至下游7#塘處再進行調蓄；經7#山塘調洪后該山溝出庫洪峰為4.64m3/s，出庫三日洪水總量12.17萬m3，溢流洪水將排至下游排水管網，滿足下游排水管網的計算現狀過流能力。調蓄塘調洪結果見表4。

表4 調蓄塘調洪結果

3.2.2各工況的淹沒分析

如圖8所示，工況1基本消除了高頻暴雨的淹沒災害，在10年一遇以上的暴雨時可以保證二中區域不受淹，但香雪大道西和繞城高速段仍有局部淹沒；工況2同工況1一樣基本消除了高頻暴雨的淹沒災害，但在10年一遇以上的暴雨時香雪大道西和繞城高速段仍有局部淹沒；工況3淹沒深度及范圍在工況1及工況2之間。

圖8 各工況淹沒情況

工況1、2、3經歷1年一遇和10年一遇短歷時和50年一遇長歷時暴雨洪水，風險區面積分別為0.63、1.23、2.96×105m2；1.16、2.04、3.62×105m2；1.09、1.99、3.55×105m2。由模擬結果看出，相較于現狀情況的淹沒面積，在相同的重現期暴雨情況下，工況1淹沒面積最小，工況3次之。根據圖9，在不同重現期暴雨條件下，對比現狀情況，工況2淹沒面積減少了18.8%～33.28%，工況3淹沒面積減少了19.94%～37.82%。而工況1實施效果更為顯著，工況實施后，可使內澇淹沒面積減少33.53%～64.06%，大大的緩解了蘿崗中心片區的內澇問題。

圖9 各工況風險等級面積占比

4 結論

本研究分析了不同重現期下現狀管網的過流能力與不同工況下的研究區淹沒情況與內澇風險等級變化，對比分析不同工況的效果得出以下結論。

(1)蘿崗中心片區管網排水能力較差，超過60%的管網(d400～d600)未能夠滿足1年一遇，超過28%的管網排水能力滿足10年一遇，管網改造是緩解城市內澇的重要手段。

(2)現狀內澇主要集中在廣州二中附近，暴雨強度也大，等級越高；各工況而言，在相同的重現期暴雨情況下，工況1通過打通下游排水瓶頸，其淹沒面積最小，工況3與工況2相近；且隨著暴雨強度的增加，內澇淹沒面積也隨之增加。

(3)經過經濟可行性對比，工況3有優勢，但并無較大的差異；再結合方案的可行性進行分析，方案1的預計實施效果要優于工況2、3。耦合水動力模型雖然對基礎資料要求較高，可以較為清晰的展示造成內澇的排水瓶頸，并結合經濟分析有效的支撐工程決策及方案確定。