基于MIKE FLOOD的深圳市大空港片區暴雨內澇模擬分析

方煜銘 馬旭民 林凱榮 歐陽佳娜 郭偉建 郭靖

摘 要：由于氣候變化以及城市化發展，引起強降雨等極端天氣事件增多，導致城市內澇現象加劇，給城市交通、居民生活和基礎設施造成嚴重影響。基于 MIKE FLOOD 平臺，通過耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和MIKE 21三個模型，構建了暴雨內澇模型，對深圳市大空港片區內澇問題進行分析。利用2018年“山竹”臺風實測暴雨條件下的實測水位、積水深度數據，對模型進行了參數率定和驗證。在不同降雨情景下，內澇高風險區域主要集中位于研究區的中部區域以及河流沿岸附近。另外，根據“8·29”實測暴雨潮水位，模擬可得：大空港片區內澇點積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。研究結果可為區域城市內澇防治提供科學的技術支撐。

關鍵詞：MIKE模型；城市內澇；情景模擬；成因分析；大空港片區

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0088-08

Simulation Analysis of Rainstorm Waterlogging in Shenzhen DakonggangArea Based on MIKE FLOOD

FANG Yuming1，MA Xumin1，LIN Kairong1，3，4*，OUYANG Jiana1，GUO Weijian2，GUO Jing2

（1. School of Civil Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;2. Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China;3. Guangdong Key Laboratory of Marine Civil Engineering，Guangzhou 510275，China;4. GuangdongEngineering Technology Research Center of Water Security Regulation and Control for Southern China，Guangzhou 510275，China）

Abstract： Due to climate change and urbanization， extreme weather events such as heavy rainfall have increased， leading to the aggravation of urban waterlogging，which has a serious impact on urban traffic，residents' life，and infrastructure. Based on the MIKE FLOOD platform，this paper constructs a rainstorm waterlogging model by coupling the three models of MIKE 11，MIKE URBAN，and MIKE 21 to analyze the waterlogging problem in the Shenzhen Dakonggang area. It calibrates and verifies the parameters of the model using the measured water level and water depth data under the measured rainstorm conditions of Typhoon "Mangkhut" in 2018. Under different rainfall scenarios，the high-risk areas of waterlogging are mainly concentrated in the central region of the study area and near the river bank. In addition，according to the measured tide level of the "8·29" rainstorm，the simulation can be obtained：The total water accumulation area of the waterlogging point in the Dakonggang area with a depth of more than 15 cm is about 7.11 hm2. The research results can provide scientific technical support for the prevention and control of regional urban waterlogging.

Keywords：MIKE model; urban waterlogging; scenario simulation; cause analysis; Dakonggang area

氣候變化引起極端天氣事件增多，如強降雨、暴雨等極端氣象條件頻發。這些極端天氣事件對城市內澇［1-3］的發生和發展產生深遠的影響，使得城市對應急排水系統的需求變得更加迫切。另一方面，隨著城市化的不斷推進，城市土地利用結構發生變化，大量的非透水表面如建筑、道路、人工覆蓋物等增加，城市綠地減少、濕地被填充等導致水文循環失衡，影響了城市的自然排水能力，“每逢大雨必澇”“城市看海”已經成為城市的通病，每年受淹城市都在百座以上［4-5］。與此同時，一些老舊城區的排水系統設施滯后，排水管網老化，且污水中的垃圾很容易堵塞管道［6］，因此，難以應對短時間內大量的降雨水量，這使得城市內澇問題更為突出。

城市內澇給居民的生活和工作帶來了諸多不便，如交通中斷、房屋受損、基礎設施癱瘓等，對城市的社會經濟可持續發展構成威脅。因此，深入研究城市內澇問題，探討其發生的機理、影響因素以及有效的治理對策，對于提高城市抗災能力、改善居民生活質量具有重要的理論和實際意義。

目前，國內外一些成熟的城市內澇模型都有所體現，包括 ICM、MIKE 等。曾照洋等［7］以東莞市典型區域作為研究對象，在構建 SWMM 模型的基礎上，與 LISFLOOD-FP 二維水動力模型進行耦合，模擬分析了暴雨內澇淹沒范圍和淹沒水深等情況，對研究區防澇減災具有重要意義；周小飛［8］以運城市為研究對象，通過 MIKE FLOOD 平臺，耦合 MIKE URBAN 和 MIKE 21，模擬不同頻率設計暴雨下的內澇情況，并進行內澇評估以及劃分相應的內澇風險圖。王英［9］以北京市未來科學城區域作為研究區域，應用 MIKE FlOOD，對一維排水管網模型與二維地表漫流模型兩者進行耦合，進行了暴雨洪水洪澇風險評估。趙華青等［10］建立了平原區流域的 MIKE 耦合模型，為流域的洪澇災害風險評估、預測和預警提供了數據支撐。欒震宇等［11］在 MIKE FLOOD 平臺上構建了一維管網模型和二維地表漫流模型，并耦合兩者，對湖南新化城區不同排澇情景進行模擬，為城市內澇風險評估管理提供參考。譚雨欣等［12］采用 MIKE 系列軟件對大亞灣澳頭圓盤區域進行內澇模擬，為澳頭老城區排澇設施的內澇防治提供了解決思路。

自2017年來，深圳市連續遭遇臺風“天鴿”（2017-8-23）、臺風“山竹”（2018-9-16）和“8·29 （2018-8-29）”強降雨極端事件，在大空港截流河工 程區域內，出現了嚴重的城區內澇問題。本文選擇 深圳市大空港片區，基于 MIKE FLOOD 平臺，通過 耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和 MIKE 21三個模型，構建了暴雨內澇模型，并考慮了典型臺風暴雨的情 景，從地表淹沒情況、內澇積水點的淹沒情況等方 面分析引發大空港片區城市內澇的主要因素，為揭 示城市內澇形成機理以及城市內澇風險評估提供 相應的參考意義。

1研究區域概況

1.1區域概況

大空港片區包括空港新城區及機場片區，北部以茅洲河為界，南至航城大道，西鄰珠江口，東以珠江口水系流域范圍線為界，見圖1。截流河干流以東為廠房和民居，地面高程1.0～3.5 m，地勢平緩，截流河南片區的地形高程整體高于北片區，南片區的高程普遍在3.0 m及以上。

1.2歷史內澇情況

通過對深圳市寶安區大空港片區內澇點的分析，經統計，截流河南北片區現狀內澇點積水情況見表1、圖1，表中數據來源于深圳市水務局調查結果。

2內澇模型構建

2.1模型構建

丹麥水利研究所（DHI）開發的 MIKE模型在模擬城市內澇研究中有較多體現［13-15］。通過 MIKE FLOOD，耦合一維河道模型（MIKE 11）、地下管網模型（MIKE URBAN）、二維地表漫流模型（MIKE 21），構建大空港片區內澇模型。模型區域范圍為圖1所示的大空港片區。

一維河道模型：通過 MIKE11模型，創建斷面、河網、參數、時間序列、邊界文件，大空港片區包括一條截流河干流和南、北兩條連通渠，連通德豐圍涌、石圍涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福涌、塘尾涌、玻璃圍涌共8條上游河涌。設置截流河以及支流的河道糙率取值在0.028～0.033。在截流河北片區，和二涌與沙福河河口間設置節制水閘，以實現高水和低水的分離。此外，截流河上游350 m處設置北泵站規模為117 m3/s，用于將北片區雨水集中排入截流河封閉區域。南片區整體地勢較高，具備自排調整的能力，南片區來水通過截流河南段自排出海［16］（圖2）。

一維管網模型：通過 MIKE URBAN模型對大空港片區管網數據進行處理，集水區不透水參數根據下墊面用地類型參考 GB 50014—2021《室外排水設計標準》取值，采用等時流面積法（T-A 模型）［17］對城區進行產流計算，劃分了1652個產流區，初始損失取0.0006 m，地面平均流速0.3 m/s，水文衰減系數取0.9，曼寧系數取0.013（圖3）。

二維地表漫流模型：通過 MIKE 21模型，構建大空港片區基礎地形，并處理下墊面數據。考慮到模型的精度要求，對地表進行結構網格劃分，插值處理得到10 m 的網格數據，共309701個網格（圖4）。

多維耦合模型：在 MIKE FLOOD 平臺上，模型的耦合包括一維河網模型與二維地表模型的耦合，一維河道模型與管網匯流模型的耦合，二維地表漫流模型與管網匯流模型的耦合。

2.2模型驗證

臺風“山竹”在16日13—15時前后距離深圳最近，約130 km，16日白天至夜間有大暴雨到特大暴雨。根據深圳市氣象局數據，全市平均雨量187.2 mm，其中最大1 h 降雨為59.5 mm（柚柑灣站）。本次大空港片區以海上田園站作為分析站點，海上田園站最大1 h 降雨量為26.3 mm，小于兩年一遇標準。臺風“山竹”總降雨量約為119.97 mm，持續時間約為24 h（圖5）。

當遭遇“山竹”臺風，截流河北段（抽排區）最高水位為1.7 m，南區自排區最高水位為2 m，防潮體系發揮功效，潮水未入城，且河道水位較低，滿足區域防洪及排澇要求。選取2018年9月16日“山竹”強降雨對模型進行驗證，通過易澇點淹沒水深數據和截流河南北段實測水位對模型具體數值和各參數進行修正和率定，模型模擬水位與實測水位相一致，小于0.1 m，誤差率小于10%，見表2；另外，經模型運算，遭遇“山竹”臺風時，片區的積水情況與實際情況相符合。綜上，認為模型具有較好的精確性（圖6）。

3內澇模擬分析

3.1降雨情景設計

根據深圳市大空港片區降雨雨型及截流河流域匯流的特點，短歷時設計暴雨雨峰系數取值0.375，設計暴雨歷時選取3 h，時間間隔為5 min，采用芝加哥雨型，從而進行不同重現期暴雨情景的設計（表3），各重現期設計暴雨過程見圖7。模型外邊界為潮汐系列。模擬不同降雨重現期的地表積水深度和地表積水歷時情況，并分析導致內澇問題的原因等。設計暴雨強度公式［18］見式（1）：

式中 q——暴雨強度，L/（s ·hm2）；P——設計暴雨重現期，a；T——降雨歷時，min。

3.2現狀管道排水能力分析

大空港片區南北向雨水干管主要沿福園路、永福路、寶安大道等排入沙福河、塘尾涌和玻璃圍涌等，東西向雨水干管主要沿鳳塘大道、荔園路等排入附近河涌后并最終匯入珠江口。管道充滿度反映管道超負荷運行程度，可作為評估管道排水能力的指標［19］，計算見式（2）：

式中 F——管道充滿度；Wlevel——管道水位，m； Hinvertlevel——管底高程，m；Hheight——管道高度，m。

通過管道充滿度來表示管網狀態，李保健等［19］指出當管道充滿度小于等于1時，管網處于正常狀態；當管道充滿度大于1時，即不滿足管道排水設計標準。通過 MIKE URBAN模型模擬，在不同降雨重現期下，對區域管道充滿度指標進行計算，對管網排水能力進行評估。由于管道排水能力占比是指在設計降雨重現期下，滿足設計排水標準的管道長度與總管道長度之比，通過統計分析，大空港片區現狀管道排水能力滿足情況如下：滿足 T<1 a設計標準的占比為52.18%，滿足1 a≤T<2a 設計標準的占比為6.30%，滿足2 a≤T<3 a 設計標準的占比為2.79%，滿足3 a≤T<5 a 設計標準的占比為4.21%，滿足 T≥5 a設計標準的占比為34.51%。

表4可知，在短歷時降雨下，大空港片區的現狀排水管網表明：滿足 T<1 a設計標準的占比較大，比如排水標準較低的新沙路等處管段，這些管道在短時間內可能難以有效排除較為頻繁的強降雨引起的雨水。這會導致雨水在道路上積聚，增加城市內澇的風險。

3.3地表淹沒結果分析

3.3.1地表積水深度結果分析

通過構建好的大空港片區內澇模型結果，對不同降雨情景下的淹沒情況進行分析。通過模擬得出的結果顯示，大空港片區的地面積水深度在超過0.15 m 的淹沒面積中占比普遍超過60%（表5）。隨著降雨重現期的增加，不同淹沒水深區間的淹沒面積也變大，淹沒水深超過0.27 m 的區域，往往是高密度建筑物樓群的所在區域，不透水率較低。總體來看，在不同降雨重現期下，大空港片區淹沒水深在空間上的趨勢大致相似。

通過圖8，可看出內澇高風險區域主要位于研究區的中部，這些地方地勢相對較低，易于積水，因此內澇風險較高。整個研究區域的積水主要集中在道路及其沿線區域，由于四周都是建筑物，集中在建筑物之間的道路積水量增加。

3.3.2地表積水歷時結果分析

在城市內澇災害發生時，淹沒歷時往往也可以反映區域受災程度。通過對不同降雨重現期的數據結果進行統計，比較不同降雨情景下2種時段的淹沒面積（超過15 cm及以上的積水深度），統計結果見表6。

表6所示，隨著降雨重現期的增加，不同降雨情景下積水深度15 cm及以上的淹沒歷時面積呈上升趨勢。對于短歷時降雨，淹沒時長主要維持在30 min及以下，隨著降雨重現期的增加，30 min 以上的淹沒面積逐漸與30 min及以下的淹沒面積持平，地勢低洼處以及主干管交界處的積水消退時間較長。

3.4典型臺風暴雨內澇模擬

2018年8月27日20時至9月1日20時，深圳市各區相繼出現持續特大暴雨，全市平均累計雨量365.2 mm，全市有70%的地區累計雨量超過250 mm，16%的區域超過40 mm，全市范圍內陸續發布紅色預警信號。本次大空港片區分析以海上田園站為分析站點，“8·29”暴雨期間海上田園站最大1 h 降雨量為30 mm，最大24 h 降雨量為304.2 mm，1 h 達5年一遇，24 h超過10年一遇。

通過“8·29”實測暴雨潮水位，模型模擬結果如下：當大空港片區內遭遇“8·29”暴雨時，截流河沿河附近的積水較多，內澇高風險區域主要集中在截流河沿岸附近及地勢低洼處（圖9）。在極端暴雨條件影響下，市政道路的積水也隨之增加，對城市下墊面造成重大威脅。和二社區、松福大道（荔園路—鳳塘大道段）、塘尾社區建安路與永福路交匯處、塘尾社區福園一路德的工業園等內澇點位置處于高風險區，積水深度在15 cm 以上的積水面積分別約為4100、20300、4000、7900 m2，大空港片區積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。

3.5內澇成因分析

通過大空港片區在不同設計降雨下的淹沒深度、淹沒范圍和淹沒歷時的分析，除了極端暴雨事件，研究區不透水表面增加、雨水管網設計標準低、局部地勢低洼、河道頂托等也是導致內澇災害的原因。

伴隨城市化進程的不斷發展，人們對城市空間的需求也不斷加大，因而草地、濕地等透水面被逐步開發利用，透水面面積逐漸縮減。通過對大空港片區下墊面透水性面積的統計，不透水性下墊面面積占比72.49%，透水性下墊面面積占比27.51%。不透水性下墊面面積占比總流域面積的70%以上，不透水性下墊面占比較大，徑流系數大，故研究區內易產生內澇災害。

由于大空港片區現狀排水能力不足，設計標準偏低，隨著城鎮化進程的快速發展，設計標準不斷提高，原有的排水系統已經不能滿足城市發展的需要。其中，新沙路等處管徑為500 mm，管道設計標準較低。

大空港片區整體地勢東南高西北低，內澇區域多發生在地勢低洼區。地面上的雨水經過低洼處后，就會形成積水，積水深度較大，雨水無法順利排入管網，存在一定的風險隱患。其中，塘尾社區建安路與永福路交匯處、塘尾社區福園一路德的工業園等處的積水均由地勢低洼引起。

大空港片區在重現期超過5 a 的降雨情景下，管網顯然已無法滿足排澇需求，河道水位迅速上漲，洪量增大，高水位頂托造成管網直排口發生河水倒灌，使管網下游排澇受到阻礙。

4結論

通過建立大空港片區河道-管網-地表三耦合內澇模型，以研究不同情景下的內澇模擬情況，結論如下。

a）經過模型模擬，在不同降雨情景下，地面積水主要集中在積水深度超過15 cm 的淹沒區域，面積占比均在60%以上。大空港片區積水深度的空間分布趨勢大致相似，內澇高風險區域主要集中位于研究區的中部區域以及河流沿岸附近；隨著短歷時降雨重現期的增加，不同淹沒水深和淹沒歷時的淹沒區域面積也隨之增加。

b）當大空港片區內遭遇“8·29”暴雨時，通過模型模擬可得：松福大道（荔園路-鳳塘大道段）、“新沙路安托山科技工業園”、民主社區德豐圍等內澇點位置處于高風險區，積水面積較大，積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。

c）通過分析大空港片區內澇情況，形成原因有：城市開發建設導致的下墊面過度硬化，淹沒范圍大多分布在道路上，導致局部地勢低洼地區積水較深；另外，管道自身排水能力不足，主要有大管接小管等問題；由于下游河水頂托，導致管道排口排水不暢。

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（責任編輯：程 茜）