基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐廬縣內澇風險評估

欒　慕,袁文秀,劉　俊,周雁潭,庫勒江·多斯江

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.江蘇省水利工程規劃辦公室,江蘇 南京　210029)

基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐廬縣內澇風險評估

欒慕1,袁文秀2,劉俊1,周雁潭1,庫勒江·多斯江1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.江蘇省水利工程規劃辦公室,江蘇 南京210029)

摘要：通過構建SWMM-MIKE11耦合模型評估現有管網系統排水能力,預測桐廬縣遭遇5年、10年、20年一遇暴雨時的城市內澇情況并依此繪制內澇風險圖。結果表明:桐廬縣發生城市內澇的風險較高;SWMM-MIKE11耦合模型在桐廬縣具有良好的適用性,在城市內澇風險評估中具有應用價值。

關鍵詞：SWMM模型;MIKE11模型;城市內澇;風險評估;桐廬縣

近年來,受全球氣候變化的影響,暴雨等極端天氣事件頻發,對社會管理、城市運行和人民群眾生產生活造成了巨大影響,加之部分城市排水防澇等基礎設施建設滯后,調蓄雨洪和應急管理能力不足,出現了嚴重的暴雨內澇災害。桐廬縣地處浙西丘陵區,位于富春江和分水江交匯處,同時面臨著城市內部澇水、富春江江潮頂托和縣城東南部山洪的三重威脅。針對桐廬縣水安全特點,筆者采用SWMM水文模型和MIKE11水動力學模型,對桐廬縣降雨產流、管網匯流與防洪排澇過程進行仿真模擬。依據研究區域內水系狀況與下墊面特征確定各計算分區,再通過建立SWMM水文模型對各個分區逐一進行降雨產流和管網匯流計算,最后依托MIKE11軟件構建桐廬縣一維河網模型,將各分區的管道出流過程作為一維河網模型的入流過程,使之成為一維河網模型的流量邊界條件,實現降雨產流—管網匯流模型與河網水動力模型之間的耦合,從而模擬桐廬縣降雨徑流及防洪排澇情況,并且在對模擬結果進行分析的基礎上繪制桐廬縣內澇風險圖。

1SWMM-MIKE11耦合模型

1.1SWMM水文模型

SWMM水文模型是一個主要用于模擬城市化地區單次或連續降雨事件的降雨徑流模型,它可以模擬城市中水質和水量的變化。模型的模擬計算過程可分為地表產流、地表匯流以及排水管道流量演算3個部分,可用于排水管網系統的設計分析,并對其進行全面的仿真模擬。通過對城區排水管網、河道等進行概化,選定有關參數,即可對城市地區雨洪事件進行模擬和評價。該模型在北京、上海、天津等地區的應用都取得了較好的結果[1]。

SWMM水文模型由5個子模塊組成,其中1個子模塊為處理模塊,其余4個子模塊分別為徑流模塊、輸送模塊、擴充輸送模塊和儲存/處理模塊,它們可以分別實現對城市排水系統中地表坡面徑流、排水管網系統輸送和污染物質處理單元的仿真模擬[2]。

1.2MIKE11水動力學模型

MIKE11水動力學模型是以一維非恒定水流基本運動方程為基礎建立起來的,即圣維南方程組。在計算方法上,MIKE11軟件采用六點隱式差分格式對圣維南方程組進行離散求解。在每個網格點并非同時求解水位和流量,而是按上下游順序交替計算水位或流量[3]。由于這種離散求解格式是無條件維持穩定的,因而可以把計算時間步長適當加長以節約計算運行時間。

1.3耦合方式

將整個研究區域依照下墊面性質差異和不同的水文特征劃分成多個子匯水區。以桐廬縣水系布局為基礎,通過MIKE11軟件概化得到桐廬縣一維河網模型,運用SWMM水文模型對各分區進行降雨產流和管網匯流計算,再將各分區的管道出流過程作為一維河網模型的入流過程,使之成為一維河網模型的流量上邊界,從而實現降雨產流—管網匯流模型與一維河網水動力模型之間的耦合。

2SWMM-MIKE11耦合模型的建立和應用

2.1研究區域概況

桐廬縣位于浙江省西北部,地處錢塘江上游,東連浦江、諸暨,南接建德,西臨淳安,北靠富陽與臨安,屬浙西中低山丘陵區。境內富春江自南而北縱貫縣境東部,次第接納較大的支流有蘆茨溪、雙源溪、清渚港等。由于近年來桐廬縣城區范圍不斷擴大,城市化程度不斷提高,加之山丘區河道流速較快,富春江亦是感潮河道,發生內澇、山洪、江潮“三碰頭”的概率較大,城市受災后果日益嚴重[4]。因此有必要采用SWMM—MIKE11耦合模型針對該地區進行研究。

2.2研究區域概化

2.2.1子匯水區域概化

本次排水防澇模擬計算主要涉及桐廬縣整個城區,根據桐廬縣管網布局、土地利用、地形地貌,結合GIS軟件提取相關信息,在盡可能滿足地面徑流就近入河的基礎上進行子匯水區的劃分[5],將中心城區概化為693個子匯水區,總概化面積為68 km2。

2.2.2管網系統概化

根據相關資料,從已有CAD文件中提取出管網數據。綜合考慮雨水管網集水范圍和下墊面的具體情況,將研究區域的管網系統概化為651個節點,635個管段[6]。管道要素主要有空間位置、坡度、長度、流向、管徑以及雨水口的地面高程等信息,這些重要信息可通過有關單位提供的資料輸入到模型中[7]。

2.2.3河網概化

對天然河網需要進行概化以簡化計算的復雜程度,其基本原則是概化河網要能夠反映天然河網重要的水力學特性,使得概化河網、湖泊對水的輸送、調蓄能力必須與現實中的河網、湖泊接近或一致。因此必須確定概化的河網及其控制斷面參數,然后考慮除概化河網以外的水體的調蓄作用,最后將基本的河道信息輸入河道水動力模型中。

運用MIKE11水動力模型進行河道模擬,需要構建4個必備文件:描繪河道空間分布的河網文件、描繪河道垂直斷面形狀的斷面數據、給出計算邊界的邊界條件文件以及確定各項相關參數的模型參數文件。根據河網概化的基本原則和已有河道資料制作上述4個文件,從而完成對研究區域河網的概化。

2.3主要參數選取

2.3.1子匯水區參數

① 子匯水區域指由于地形和排水系統的各要素作用使得模型區域內地表徑流向同一點匯集的水文單元。桐廬縣子匯水區概化綜合考慮雨水管道集水范圍、下墊面土地類型和河網水系匯流等因素劃分。②不透水面積指直接排向雨水輸送系統的不透水面積,對計算結果的影響較大。本次研究根據有關土地利用類型分布的資料,按面積加權法確定各子流域不透水面積比。③漫流寬度反映了子匯水區域調蓄能力的大小,敏感性較強,需要結合實際情況和經驗確定。④洼蓄表示降雨初期未能產流的雨量。對于不透水區洼蓄取1 mm,透水區洼蓄取5 mm。⑤子流域不透水面積可分為無洼蓄和有洼蓄的兩類,本次研究的無洼蓄不透水面積百分比按經驗采用25%。⑥根據文獻[8]并結合國內實踐經驗,不透水區糙率取0.015;透水區糙率取0.2。⑦子流域坡度依照桐廬縣中心城區實際地形取值。

2.3.2Horton下滲公式參數

Horton下滲公式主要參數包括最大下滲率、最小下滲率及衰減系數。最大下滲率取決于土壤類型、覆蓋植被和土壤含水量。根據桐廬縣土壤類型及模型用戶手冊,最大下滲率裸土取25.4 mm/h、覆蓋草皮的取50.8 mm/h。穩定下滲率則根據桐廬縣土壤條件,取2.54 mm/h。Horton曲線下滲速率衰減系數表征了飽和土壤到完全干燥土壤需要的時間,通常情況下,典型時間為2～14 d,根據經驗取7 d,得衰減系數為3 h-1[9]。

2.3.3節點參數

節點參數的選擇可分為兩類,一類是普通節點如管道節點,其底高程是以實際測量值為準,部分中間點通過線性內插獲得。最大深度為節點底部至地面的高度。另一類是排水口。排水口是排水管網系統的終端節點,是動力波徑流方程演算的下游邊界,對于SWMM水文模型而言,只能有一個管線直接連接到排水口,動力波演算模式下必須有一個以上的排水口。

2.3.4管網與河網參數

管道首節點、末節點、長度、斷面和偏移量按照管網資料設置。管道糙率依據相關資料取0.013,排洪溝及排水箱涵糙率取0.03。管道形狀為密閉圓形。

考慮到各河道岸壁為防洪墻,且為寬度基本相等的規則河道,故河道糙率應適當降低,因此河道糙率取0.02。河道橫斷面采用實測成果,直接輸入MIKE11水動力學模型中。

2.4計算工況

2.4.1設計暴雨

肖嶺站屬于國家基本站,觀測資料較為可靠,因此選用肖嶺站作為桐廬縣雨量代表站來計算24 h設計暴雨。設計暴雨所采用的降雨資料系列較長(1961—2009年),資料的代表性及穩定性均比較好,符合本區域的暴雨分布規律,計算成果基本合理,能夠體現桐廬縣的實際情況。5年、10年、20年一遇的24 h設計暴雨量分別為148 mm、196 mm、243 mm。

根據暴雨分析并參考本流域及相近流域有關資料[10],對24 h設計暴雨量進行時程分配,如圖1所示。

圖1　設計暴雨時程分配

2.4.2上下游邊界條件

本次計算涉及桐廬縣境內富春南渠、西橋頭溪、新喬林溪、梅林溪、黃潦溪、大源溪,其中西橋頭溪、新喬林溪為防山洪河道,不參與排水計算。黃潦溪、梅林溪上游入流邊界采用與城區統一的設計暴雨進行產匯流計算,計算得出的設計洪水作為中心城區排水防澇模擬計算的上游入流邊界條件,下游排放口設計洪水位采用富春江潮位邊界控制。富春南渠西入口和東出口以有關資料規定的入口和出口流量為控制。中心城區暴雨徑流采用SWMM水文模型演算后通過排水管網排入河網中,再由MIKE11水動力學模型進行計算。

3計算結果與分析

3.1管網排水能力校核

由于城市的發展使徑流量增大、徑流匯流時間減少、高峰徑流量增大,長期沿用至今的排水管網計算方法沒有考慮城市化引起的水文變化;且市政管網是分片區設計的,沒有考慮到管網排水之間的相互影響以及排水分區之間的關系,有必要使用水利模型計算管道的實際排水能力。與此同時,對比計算結果與當地實際內澇情況,也可以對所建立的耦合模型進行率定。

根據文獻[11]的規定,中等城市和小城市的雨水管渠設計重現期,中心城區和非中心城區均為2～3 a,中心城區的重要地區為3～5 a,中心城區地下通道和下沉式廣場等為10～20 a。依據要求,利用模型計算模擬了管網排水能力。結果表明,管道實際排水能力大于等于1年一遇的管道占管道總長度的55.8%,比管道設計標準百分比低25.08%,出現積水的地區基本與實際情況相符。

3.2內澇風險評估

內澇風險評估是內澇防治的依據,為有效進行內澇風險管理,需要了解洪澇災害的影響范圍和程度,即繪制內澇風險分布圖。內澇風險評估內容包含城市地面積水的地點、積水深度、積水時間、內澇開始時間、內澇持續時間、內澇檢查井最大深度、管段流量峰值等評估指標。在城市內澇研究中一般使用城市地面積水的地點和內澇積水深度對內澇災害進行評估。

根據桐廬縣土地利用條件和排水管網,由設計暴雨過程、相應的上游邊界流量過程,下游河口邊界水文條件,利用模型模擬5年一遇、10年一遇、20年一遇3種不同降雨重現期,并以模擬結果為基礎繪制桐廬縣中心城區內澇風險圖,如圖2～4所示。

圖2　5年一遇情況下的積水深度與積水時間分布

圖3　10年一遇情況下的積水深度與積水時間分布

圖4　20年一遇情況下的積水深度與積水時間分布

由圖2～4可知,隨著暴雨重現期的增大,城市內澇的積水面積不斷擴大,積水深度、積水時間也在增加。內澇地區主要集中在迎春小區、康樂小區、漁民村、城北綜合市場、巖橋村、仁智村等地。

在20年一遇設計暴雨情況下,上述部分內澇地區積水深度較深,遠大于15 cm,有些地勢較低處積水深度甚至超過了50 cm,且積水面積較大,積水時間較長,無法滿足桐廬縣內澇防治目標。

結合計算結果與當地實際情況進行分析,造成這種現象的主要原因是:

a. 早期設計的雨水管網排水標準較低。部分新建區的雨、污水就近排入舊城區排水管網,加大了舊城區排水管網負荷,造成舊城區管道排水能力不足,內澇受淹。

b. 管道鋪設不合理。部分上游管道的直徑大于下游管道。在降雨重現期較低時,對管道排水影響不大。但是在遭遇高重現期的降水時,由于下游管道直徑偏小,排水能力受限,致使上游管道排水不暢,產生管道超載或漫溢。

c. 河水倒灌的影響。雨水通過管道就近自流排入河道,如果管道出口管底高程低于水位,受水體水位頂托,使管道內水流流速減小,管道排水能力降低,導致城區低洼地段長時間積水。

d. 下游管渠未完全修建,雨水出水口系統不完善。由于路網建設先后不一,部分雨水排放系統下游排放口未能同期建成,雨水出水口系統不完善。

e. 部分地區地勢低洼。個別低洼地區現狀沒有管道,或者是現狀低洼區排洪溝尺寸較小,一降雨就產生積水。一些有管道的低洼地區,因可能承受周邊地區的匯水而加大了排水壓力,超過了管道的排水能力,因而產生積水。

4結論

a. 桐廬縣城區管道實際排水能力大于等于1年一遇的管道占管道總長度的比例不高,現有管網排水能力明顯不足。

b. 隨著暴雨重現期的逐步增大,城市內澇的積水面積也不斷擴大,積水深度與時長也在增加。特別地,在20年一遇設計暴雨情況下,部分內澇地區積水深度遠大于15 cm,且積水面積大、積水時間長,對桐廬縣造成了較為嚴重的內澇威脅。

c. 本文計算結果較為合理可靠,說明本文采用的SWMM-MIKE11耦合模型對城市地區開展防洪排澇工作具有一定的應用價值。

參考文獻：

[ 1 ] 劉俊.城市雨洪模型研究[J].河海大學學報,1997,25(6):20-24.(LIU Jun.Study on urban storm water model[J].Journal of Hohai University,1997,25(6):20-24.(in Chinese))

[ 2 ] 劉俊,郭亮輝,張建濤,等.基于SWMM模擬上海市區排水及地面淹水過程[J].中國給水排水,2006,22(21):64-66.(LIU Jun,GUO Lianghui,ZHANG Jiantao,et al.Study on simulation of drainage and flooding in urban areas of Shanghai based on improved SWMM[J].China Water and Wastewater,2006,22(21):64-66.(in Chinese))[ 3 ] 羅福亮,元媛,范劍斌.SWMM和MIKE11耦合模型在城市感潮河網中的應用[J].中國農村水利水電,2013(3):98-102.(LUO Fuliang,YUAN Yuan,FAN Jianbin.Application of SWMM and MIKE11 coupled model in urban tidal river network[J].China Rural Water and Hydropower,2013(3):98-102.(in Chinese))

[ 4 ] 程曉陶.城市型水災害及其綜合治水方略[J].災害學,2010,25(增刊1):10-15.(CHENG Xiaotao.Urban water disaster and strategy of comprehensive control of water disaster[J].Journal of Catastrophology,2010,25(Sup1):10-15.(in Chinese))

[ 5 ] 朱靖,劉俊,崔韓,等.SWMM模型在西南地區山前平原城市防洪計算中的應用[J].水電能源科學,2013,31(12):38-41.(ZHU Jing,LIU Jun,Cui Han,et al.Application of SWMM model in urban flood control calculation of city built in piedmont plain of Southwest China[J].Water Resources and Power,2013,31(12):38-41.(in Chinese))

[ 6 ] 張彬,戴賢波,徐向陽,等.SWMM模型在感潮河網城市排水防澇計算中的應用[J].水電能源科學,2014,32(10):56-59.(ZHANG Bin,DAI Xianbo,XU Xiangyang,et al.Application of SWMM model in urban drainage and flood control calculation of tidal river network[J].Water Resources and Power,2014,32(10):56-59.(in Chinese))

[ 7 ] 叢翔宇,倪廣恒,惠士博,等.基于SWMM的北京市典型城區暴雨洪水模擬分析[J].水利水電技術,2006,37(4):64-67.(CONG Xiangyu,NI Guangheng,HUI Shibo,et al.Simulative analysis on storm flood in typical urban region of Beijing based on SWMM [J].Water Resources and Hydropower Engineering,2006,37(4):64-67.(in Chinese))

[ 8 ] ROSSMAN L A.Storm water management model user’s manual(version5.0)[M].Washington D C,US:EPA,2009.

[ 9 ] 黃金良,杜鵬飛,何萬謙,等.城市降雨徑流模型的參數局部靈敏度分析[J].中國環境科學,2007,27(4):549-553.(HUANG Jinliang,DU Pengfei,HE Wanqian,et al.Local sensitivity analysis for urban rainfall runoff modelling [J].China Environmental Science,2007,27(4):549-553.(in Chinese))

[10] 張磊.平原感潮河網區城市防洪規劃中的水文計算方法研究[D].南京:河海大學,2005.

[11] GB50014—2006 室外排水設計規范 [S].

Risk assessment of waterlogging in Tonglu County based on SWMM-MIKE11 coupled model

LUAN Mu1, YUAN Wenxiu2, LIU Jun1, ZHOU Yantan1, Kulejiang Duosijiang1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.WaterResourcesPlanningBureauofJiangsuProvince,Nanjing210029,China)

Abstract：This study was carried out in the urban area of Tonglu County. The SWMM-MIKE11 coupled model was established to assess the drainage capacity of the existing pipeline system, and the urban waterlogging in the cases of the storms that occurred every five years, ten years, and twenty years, respectively, was predicted. On this basis, waterlogging risk charts were drawn. The results show that there is a fairly high risk of waterlogging in Tonglu County, and the SWMM-MIKE11 coupled model has strong applicability in Tonglu County and can be used in urban waterlogging risk assessment.

Key words：SWMM model; MIKE11 model; urban waterlogging; risk assessment; Tonglu County

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.012

基金項目:國家自然科學基金(41471015)

作者簡介:欒慕(1990—),男,碩士研究生,研究方向為城市防洪排澇與水資源配置。E-mail:shepardluan@163.com 通信作者:劉俊,教授,博士生導師。E-mail:lj@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV122

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0057-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)