MIKE FLOOD模型在高密度建成區(qū)排澇方案中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：高密度建成區(qū)；排澇方案；MIKE FLOOD模型；以洪為主；以潮為主

中圖分類號：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）12-0030-09

隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，許多城市的建設(shè)用地嚴(yán)重緊缺，因此對地塊進(jìn)行高強(qiáng)度、高密度開發(fā)成為城市土地利用的必由之路［1］。城市建設(shè)用 地高密度開發(fā)的模式帶來硬化面積迅速擴(kuò)展，使得暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害問題愈發(fā)嚴(yán)峻，影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活，甚至威脅城市安全［2-3］。因此，針對城市高密度建成區(qū)制定合理的排澇方案是十分重要的。

城市雨洪模型是研究解決城市洪澇災(zāi)害的重要手段［4］。國外的學(xué)者們在19世紀(jì)就開始著手研究城市雨洪模型，早期的推理公式法、CHM 模型、SCS模型、HSPF模型等開始逐漸出現(xiàn)在人們的視角中［5-9］。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，功能更多、應(yīng)用更廣的雨洪模型陸續(xù)被國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)使用，包括InfoWorks 系列模型［10-11］ 、MIKE 系列模型［12-14］ 、SWMM［15-18］、SUSTAIN［19-20］等。

深圳市人口密度高達(dá)8 888人/km²［21］，居全國之首，是典型的高密度開發(fā)城市。深圳市地處中國東南沿海臺風(fēng)頻繁登陸地區(qū)，屬亞熱帶海洋性氣候，降雨充沛導(dǎo)致暴雨內(nèi)澇頻發(fā)。本次研究以深圳市福海河南片區(qū)為研究對象，應(yīng)用MIKE FLOOD模型模擬片區(qū)基于以洪為主及以潮為主情景下的內(nèi)澇情況，并提出集中排澇及分散排澇2種方案，最終根據(jù)片區(qū)內(nèi)澇面積、受澇時間及河道漫頂情況確定分散排澇方案為片區(qū)的最優(yōu)排澇方案。本次研究結(jié)果可為高密度建成區(qū)排澇方案提供基礎(chǔ)，對保障城市安全發(fā)揮重要意義。

1研究區(qū)概況

1. 1基本概況

福海河位于深圳市寶安區(qū)西北部大空港新城建設(shè)區(qū)域，片區(qū)總面積約95 km²。本次研究區(qū)域?yàn)楦：：又泄?jié)制閘以南區(qū)域，包括福海河南段、南連通渠、沙福河、塘尾涌、玻璃圍涌，匯水面積21. 28km²。研究區(qū)域地勢整體較高，洪水可自排入海；但發(fā)生極端高潮位事件時，因潮位頂托，片區(qū)澇水無法外排。

1. 2防洪排澇體系

片區(qū)防洪工程體系由福海河干流南段、南連通渠、沙福河、塘尾涌、玻璃圍涌等河道及福海河南節(jié)制閘、南連通渠節(jié)制閘、中節(jié)制閘等水閘組成。片區(qū)防洪排澇體系見圖1。

2內(nèi)澇模型構(gòu)建

2. 1模型構(gòu)建

本次采用丹麥水利研究所（DHI）研發(fā)的MIKE FLOOD軟件平臺，耦合MIKE 11河道一維水動力模塊、MIKE URBAN城市管網(wǎng)一維水動力學(xué)模塊和MIKE 21二維地表漫流計(jì)算模塊，搭建暴雨產(chǎn)流-管網(wǎng)匯流-河道匯流-地表徑流的雨水全過程、地下-地表、一維-二維耦合模型，見圖2。

a）一維河道模型。應(yīng)用MIKE 11模型構(gòu)建研究區(qū)一維河道模型，不同河段采用不同的河床糙率，取值為0. 02～0. 05。

b）二維地表模型。結(jié)合大空港福海河片區(qū)最新地形數(shù)據(jù)，通過ARCGIS軟件進(jìn)行地形處理，并導(dǎo)入到MIKE 21模型。

c）一維管網(wǎng)模型。結(jié)合大空港福海河片區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過ARCGIS軟件對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，并導(dǎo)入到MIKE URBAN模型。

d）MIKE FLOOD耦合模型。將一維河道模型、二維地表模型和一維管網(wǎng)模型導(dǎo)入到MIKE FLOOD平臺進(jìn)行耦合運(yùn)算。

2. 2模型驗(yàn)證

本次模型驗(yàn)證將2018年8月29日及2018年9月16日2場降雨作為輸入情景，通過模型復(fù)演的方式，分別進(jìn)行“08·29”“09·16”暴雨洪澇模擬，將耦合模型模擬結(jié)果與歷史相應(yīng)水浸點(diǎn)的分布情況進(jìn)行對比分析，通過均方根誤差RMSE和相對均方根誤差RMSEr兩個指標(biāo)來評價(jià)模型的精度［22］，計(jì)算見式（1）、（2）。2 場降雨期間片區(qū)降雨及潮位過程見圖3。

由模型驗(yàn)證結(jié)果可知，2次降雨造成片區(qū)發(fā)生較嚴(yán)重內(nèi)澇積水10處，10處內(nèi)澇積水點(diǎn)實(shí)測水深值及模擬水深值見表1，可見模擬與實(shí)測水深誤差在±10cm之間，均方根誤差為0. 04m，相對均方根誤差在10%以內(nèi)，模型計(jì)算的內(nèi)澇分布與實(shí)際調(diào)查的內(nèi)澇點(diǎn)分布具有較高的吻合性。因此認(rèn)為耦合模型具有較好的準(zhǔn)確性，總體符合預(yù)期，可作進(jìn)一步研究。

3防洪排澇能力分析

3. 1洪潮組合

由于福海河為感潮河道，同時受降雨及潮汐的影響，本次分析以洪水為主、潮汐相應(yīng)和以潮汐為主、洪水相應(yīng)2種情景來研究洪潮遭遇問題，選取距離片區(qū)最近的赤灣潮位站及鐵崗水庫雨量站作為代表站。

a）以洪為主工況。點(diǎn)繪1967—2018年鐵崗水庫24h暴雨期間遭遇赤灣站最高潮位相關(guān)關(guān)系圖，見圖4。由圖可知，當(dāng)鐵崗水庫站發(fā)生極端降雨時，赤灣站的潮位除1969、2018年高于多年平均高潮位外（占比不足4%），其余年份相應(yīng)潮位均低于多年平均高潮位。因此可認(rèn)為最大24 h降雨量與相應(yīng)高潮位沒有明顯的相關(guān)性，可視為獨(dú)立事件。

b）以潮為主工況。點(diǎn)繪1967—2018年赤灣站高潮位遭遇鐵崗水庫24h降雨相關(guān)關(guān)系圖，見圖5。由圖可知，當(dāng)赤灣站發(fā)生極端高潮位時，鐵崗水庫站的降雨量均小于年最大多年平均降雨量。因此可認(rèn)為高潮位與相應(yīng)24 h降雨量沒有明顯的相關(guān)性，可視為獨(dú)立事件。

綜上，最高潮位主要受到天文潮及風(fēng)暴潮的影響，而最大降雨則是大氣氣象因素引起，兩者通常不會同時出現(xiàn)。根據(jù)上述遭遇分析結(jié)果及參考《廣東省防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)和治澇標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，考慮赤灣站平均每年抬高約7. 3mm，至2035年估算抬升約110mm，赤灣站5年一遇高潮位高于多年平均高潮位210mm，加之海平面上升的不確定性，本文偏于安全考慮，采用洪潮組合如下：①以洪為主，100年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇5年一遇潮位；②以潮為主，200年一遇高潮位遭遇5年一遇洪水。各設(shè)計(jì)頻率暴雨過程見圖6，各設(shè)計(jì)頻率潮位過程線見圖7。

3. 2河道行洪能力分析

由于福海河南片區(qū)的3座節(jié)制閘高程均高于200年一遇高潮位，若片區(qū)遭遇高潮位而無降雨工況，僅需關(guān)閉節(jié)制閘以防止潮水倒灌，此工況下片區(qū)不會因?yàn)楹樗蛘叱蔽豁斖幸饍?nèi)澇，因此本研究不考慮此工況。應(yīng)用MIKE 11模型，推求以洪為主及以潮為主情景下，福海河南段及3條支流的水面線，結(jié)果顯示：當(dāng)發(fā)生以洪為主情景時，福海河南段及3條支流均不漫頂，其作為高水高排通道能保證防洪體系正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生以潮為主情景時，福海河南段未漫頂，但3條支流均漫頂，因此在以潮為主情景下，因潮水位頂托，河網(wǎng)的蓄澇容積不足，無法滿足河道自排的要求。

3. 3受澇風(fēng)險(xiǎn)分析

利用MIKE FLOOD耦合模型模擬福海河南片區(qū)以洪為主及以潮為主2種情景下的內(nèi)澇情況，見圖8。根據(jù)模擬結(jié)果可得，當(dāng)發(fā)生以洪為主情景時，福海河南片區(qū)內(nèi)澇積水面積為0. 487 km²；當(dāng)發(fā)生以潮為主情景時，內(nèi)澇積水面積0. 142 km²。片區(qū)內(nèi)存在局部受澇問題，存在3處內(nèi)澇點(diǎn)和20處積水點(diǎn)。

4排澇方案研究

4. 1方案設(shè)計(jì)

結(jié)合福海河南片區(qū)的河流水系分布情況及區(qū)域受澇特點(diǎn)，本文提出分散排澇和集中排澇2種方案解決片區(qū)受澇問題。

a）集中排澇方案。在福海河南出口的河口位置設(shè)置一座集中排澇泵站，使得河口的最高水位不超過治澇控制水位。因集中排澇方案下以洪為主的泵站規(guī)模要大于以潮為主的泵站規(guī)模，因此該方案僅需分析以洪為主的泵站規(guī)模，經(jīng)計(jì)算得泵站規(guī)模為173m³/s。

b）分散排澇方案。以既有的河涌作為澇水外排通道，針對片區(qū)在以洪為主情景下3處主要受澇點(diǎn)分別建設(shè)分散泵站予以解決，經(jīng)計(jì)算3座分散排澇泵站總規(guī)模為31m³/s，見表2。針對片區(qū)在以潮為主情景下3條支流出現(xiàn)漫頂問題，在河口設(shè)置排澇泵站降低河道水位，以將內(nèi)河最高水位控制在5年一遇潮位值，經(jīng)計(jì)算河口建設(shè)泵站規(guī)模為55m³/s。綜上，建設(shè)3座分散排澇泵站及1座河口排澇泵站，組成區(qū)域內(nèi)的分散治澇方案，見圖9。

4. 2方案比選

應(yīng)用MIKE FLOOD模型對福海河南片區(qū)在以洪為主和以潮為主2種情景下，分散排澇和集中排澇2種方案的內(nèi)澇情況進(jìn)行模擬分析，以期選出片區(qū)最優(yōu)排澇方案。

經(jīng)模型計(jì)算，在以洪為主情景下，若采用集中排澇方案片區(qū)內(nèi)澇面積由0. 487km²減少至0. 443km²，僅減少9. 03%，見圖10。可知，河道水位頂托不是以洪為主情景的內(nèi)澇主因，管道過流不足才是該情景發(fā)生內(nèi)澇的決定性因素。

分散排澇方案可根據(jù)以洪為主和以潮為主情景分情況調(diào)度。當(dāng)發(fā)生暴雨洪水時，利用3座分散排澇泵站解決城區(qū)的3處受澇點(diǎn)內(nèi)澇問題，此時福海河南出口河口閘打開，福海河洪水自排入海；當(dāng)發(fā)生極端高潮位時，福海河南出口河口閘需關(guān)閉，利用河口泵站抽排降低干流水位，解決防潮與澇水蓄澇容積不足的排放問題。應(yīng)用MIKE FLOOD模型分別模擬以洪為主和以潮為主情景下，采用分散排澇方案的片區(qū)內(nèi)澇情況，見圖11。

除了內(nèi)澇深度，受澇時間也往往作為受災(zāi)程度的指標(biāo)。因此，選取同一個內(nèi)澇點(diǎn)，比較其在以洪為主及以潮為主情景下，分別采用現(xiàn)狀、集中排澇、分散排澇方案對應(yīng)的受澇時間（內(nèi)澇深度超過15cm的時間），見圖12。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各工況下內(nèi)澇及河道漫頂情況，見表3。由表3可知，在以洪為主情景下，集中排澇、分散排澇方案相比現(xiàn)狀的內(nèi)澇面積降幅分別為9.03%、37.78%，同一個內(nèi)澇點(diǎn)受澇時間降幅分別為6.00%、24. 53%，分散排澇方案效果較集中排澇效果更為明顯，且3處內(nèi)澇點(diǎn)均已基本消除；在以潮為主情景下，集中排澇、分散排澇方案均能解決3條支流現(xiàn)狀漫頂問題，分散排澇方案較現(xiàn)狀可有效減少74. 65%內(nèi)澇面積，同一個內(nèi)澇點(diǎn)可顯著縮短51. 61%的受澇時間。綜合來看，分散排澇方案既能有效解決福海河南片區(qū)局部內(nèi)澇問題，又能避免3條支流出現(xiàn)漫頂情況，同時泵站規(guī)模較小可節(jié)省用地及工程建設(shè)成本。因此，選擇分散排澇方案作為福海河南片區(qū)最優(yōu)排澇方案，即在低洼易澇處建設(shè)3座排澇泵站，總抽排流量為31m³/s；在河口建設(shè)排澇泵站，抽排流量為55m³/s。

5結(jié)論

以深圳市大空港福海河南片區(qū)為例，基于以洪為主及以潮為主2種情景，應(yīng)用MIKE FLOOD模型模擬分析高密度建成區(qū)現(xiàn)狀、集中排澇方案及分散排澇方案對應(yīng)的內(nèi)澇情況，所得結(jié)論如下。

a）在以洪為主及以潮為主2種情景下，片區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇積水面積分別為0.487、0.142km²，片區(qū)內(nèi)存在3處內(nèi)澇點(diǎn)及20處積水點(diǎn)；在以洪為主情景下，福海河南段及3條支流不漫頂，其作為高水高排通道能保證防洪體系正常運(yùn)行；在以潮為主情景下，福海河南段未漫頂，但3條支流均漫頂，主要原因?yàn)槌彼豁斖校泳W(wǎng)的蓄澇容積不足，無法滿足河道自排的要求。

b）在以洪為主情景下，集中排澇、分散排澇方案相比現(xiàn)狀的內(nèi)澇面積降幅分別為9. 03%、37.78%，同一個內(nèi)澇點(diǎn)受澇時間降幅分別為6.00%、24. 53%；在以潮為主情景下，集中排澇、分散排澇方案均能解決3條支流現(xiàn)狀漫頂問題，分散排澇方案較現(xiàn)狀可有效減少74. 6%內(nèi)澇面積，同一個內(nèi)澇點(diǎn)可顯著縮短51.61%的受澇時間。因此，選擇分散排澇方案作為福海河南片區(qū)最優(yōu)排澇方案，即在低洼易澇處建設(shè)3座排澇泵站，總抽排流量為31m³/s；在河口建設(shè)排澇泵站，抽排流量為55m³/s。

c）分散排澇方案可根據(jù)以洪為主和以潮為主情景分情況調(diào)度：當(dāng)發(fā)生暴雨洪水時，利用3座分散排澇泵站解決城區(qū)的3處受澇點(diǎn)內(nèi)澇問題，此時福海河南出口河口閘打開，福海河洪水自排入海；當(dāng)發(fā)生極端高潮位時，福海河南出口河口閘需關(guān)閉，利用河口泵站抽排降低干流水位，解決防潮與澇水蓄澇容積不足的排放問題。

本研究揭示了MIKE FLOOD模型在高密度建成區(qū)排澇方案制定的作用，并綜合考慮內(nèi)澇及河道漫頂治理、建設(shè)成本等因素確定了大空港福海河南片區(qū)的最優(yōu)排澇方案，研究成果可為科學(xué)指導(dǎo)高密度建成區(qū)制定排澇方案提供借鑒。