基于MIKE模型對學校場地雨水系統內澇風險評估的案例分析

邵 遲，呂偉婭

(南京工業大學城市建設學院，南京 210003)

目前,我國正處于城鎮化建設高速發展期，硬質鋪裝的大面積使用改變了城市原有的水文特征和土地自然狀態，一旦遭遇強降雨，短時間內形成地表徑流，極大增加內澇風險[1]。建設“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，可以在一定程度上緩解城市內澇問題。2015年7月住建部發布的《海綿城市建設績效評價與考核辦法(試行)》(以下簡稱《辦法》)，將海綿城市建設績效評價與考核指標分成了六項，即水環境、水安全、水生態、水資源、制度建設及執行情況和顯示度。《辦法》將城市暴雨內澇災害防治作為水安全中一個重點評價內容，要求城市內澇達到《室外排水設計規范》規定的標準，歷史積水點徹底消除或明顯減少，或者在同等降雨條件下積水程度顯著減輕，同時鼓勵借助模型模擬，作為輔助工具判斷管道排水能力及內澇風險。以DHI MIKE為代表的數字模型軟件，在對內澇風險的模擬與分析、雨水管網重現期的校核中表現良好，已經成為海綿城市建設中的熱點，在國內外規劃設計中得到了廣泛的推廣與應用[2]，并取得較好效果。

國外對內澇模型的研究始于20世紀60年代，經過數十年的發展，形成了如SWMM、STORM、DHI MIKE等在內的應用價值較高的專業模型軟件[3]。我國在這方面起步較晚，相關專家學者研究方向主要為：一是在國外相對成熟的模型基礎上進行本土化的改良，如清華大學規劃研究院在GIS技術和SWMM模型的基礎上開發出Digital Water模型；二是借助先進的模型軟件對實際工程進行分析模擬[4]。如吳思等[5]借助DHI MIKE軟件評估武漢雨水運行情況等，王乾勛等[6]借助MIKE URBAN模塊評估深圳市沙頭角片區進行內澇分析。筆者擬借助MIKE軟件的相關模塊，對蘇州市某學校開展內澇模擬分析。

1 MIKE模型介紹

1.1 模擬軟件構成

MIKE軟件是丹麥水資源及水環境研究所(DHI)開發的產品。軟件模塊眾多，其中MIKE URBAN主要用于城市排水管網的模擬，實現雨、污水泵站優化調度、排水管網現狀評估、排水管網溢流分析、城市降雨徑流過程分析等，MIKE URBAN還可以與MIKE21耦合對城市內澇分析與管理[7]。針對本次內澇模擬，選用MIKE模型的三個模塊，分別是MIKE URBAN、MIKE 21和MIKE FLOOD。

1.2 內澇模擬過程

MIKE URBAN模型對內澇的模擬過程大致分為三個階段。第一階段是產流過程，即統計集水區的凈雨量，具體操作為：模型按照不同下墊面對應的徑流系數自動計算集水區的綜合徑流系數，用總降雨量減去下滲量和徑流過程的初損量就是對應集水區上的凈雨量，此過程的計算將用到水文模塊，集水區的匯流時間與降雨量之間的關系曲線也將同時生成；第二階段是匯流過程，即模擬水流在管網中的運行狀態。重點是控制雨水井的收水能力，具體操作是利用第一階段的產流結果來設置最大入流量參數，此過程的計算將用到水動力模塊；第三階段是地表的漫流過程：將MIKE URBAN模型與MIKE 21模型置于MIKE FLOOD平臺上耦合，精確地模擬雨水的溢流和回水，當地面標高低于其節點水頭時，水就會漫流到二維地形中，當地面標高高于其節點水頭時，節點處的積水流入管網中并從排水口中排出，此過程的計算將用到模型的水動力模塊[6]。

1.3 建模及注意事項

在基本信息處理和模型搭建的過程中，有以下幾點細節需要特別注意。

(1)首先要從整體上對CAD的數據進行判斷和熟悉，這是數據的前處理階段必不可少的。這種問題直接影響到數據的準確性，一旦出現不合格的數據就會導致返工，影響整體進度，嚴重的還會影響規劃方案的制定，這是建模工作的最關鍵的階段。

(2)要結合地形圖對模型匯水區進行合理的修改和劃分，且不能完全依賴MIKE URBAN軟件中的匯水區自動劃分工具。在實際操作過程中要根據流域和出水口的服務范圍人為調整，使每一根管道都盡量符合實際，盡可能細化匯水區，保證模型高效穩定運行[9]。

(3)在不影響結果的前提下，管道概化模擬要根據設計層面的不同、匯水面積的大小而做出相應的改變，得到最理想的概化長度，從而提高模型運行效率，避免軟件運行中出現錯誤。

(4)整個模擬過程只能定義唯一的坐標系。無論是前期在ArcGIS中對基礎數據的處理，還是在導入MIKE URBAN里的新文件，都必須只能定義一個相同的坐標系，且坐標系一旦定義不可更改，否則會導致導入之后的檢查井界面與用地界面不匹配，模型搭建只能從頭再來。

2 基于MIKE軟件的內澇模擬

2.1 模型準確性驗證

對于已建地塊的內澇模擬準確性驗證，可以通過實測數據與歷史內澇調研狀況進行比對，根據比對結果對模型參數進行率定，提高模型精度。對于新建地塊的評估模擬，無法獲取實測數據，因而不能直接驗證模型的準確性。唯一的方法是相似區域或同類地塊先進行內澇模擬，根據已有數據進行驗證，來保證模型可靠性，然后將驗證后的模型應用于新建地塊的模擬。鑒于本次模擬為新建校園，對模型準確性驗證通過對地理位置、氣候、降雨、土壤等條件都極為相似的常州市武進區某地塊內澇模擬分析，并通過歷史數據加以對比分析。

武進區與蘇州市在地理位置上相隔不遠，都位于江蘇省南部，瀕長江，臨太湖，兩地境內地勢低平、水系發達，氣候相同，多年平均降雨量都在1 100 mm左右，地層同屬第四系長江三角洲沖積層，土壤構成相同。模擬區域占地1.1 km2，各下墊面比例與規劃校園類似，如表1所示。

表1 模擬地塊下墊面統計Tab.1 Statistics of Underlying Surface of Simulated Plot

注：1 ha=104m2

圖1 模型模擬積水狀況Fig.1 Condition of Simulated Waterlogging by the Model

通過MIKE模型模擬20年一遇降雨條件下地塊積水狀況，如圖1所示，與本地塊歷史易澇點的比較，如圖2所示。由此可知，現有模型較為準確地反映了當地內澇狀況，使用模型對新建校園的模擬是較為可靠、可行。

2.2 研究區域概況

本次研究對象為一所學校，分為幼兒園、小學、初中三個部分，學校總占地面積為72 294 m2，總建筑面積為61 450 m2，建筑密度為25.72%，綠地率為35.01%。學校東、南、西三側均為市政道路，北側為一條東西走向的人工河，雨水管網匯集地塊雨水后排入此河，場地內采用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等多種綠色雨水基礎設施。在學校東北處設置雨水回用池，容積為45 m3，主要用地小區道路澆灑、綠化灌溉，在學校西南處設置一處雨水花園，占地為473 m2，籃球場及足球場南端的雨水由雨水管收集后排入雨水花園，經調蓄、凈化后排出至雨水干管。建成后場地綜合徑流系數如表2所示。

圖2歷史易澇點描述區域Fig.2 Historical Points Description Area

表2 建成后地塊徑流系數計算Tab.2 Runoff Coefficient Calculation after Construction

學校為保障校園內水安全，一是通過結合相關城市雨水排水規劃，劃分內部排水片區，確定各片區排水方向；二是校核場地高程，提出超限雨水排水通道，確保雨水導流順暢，排水系統安全；三是設置綠色雨水基礎設施，滯留、蓄存雨水，達到削峰錯峰的目的,如圖3、圖4所示。

2.3 內澇模擬

2.3.1 區域信息模型化

根據校園設計的CAD、文本描述等信息，經模型處理后如圖5所示，此時模型已包含匯水區面積，雨水口位置，檢查井的地面標高、井底標高、直徑，雨水管的數量、管徑、管長、上下游管內底標高，雨水收集池的位置、容積、占地面積，雨水花園的面積，深度等必需數據，此時一維排水管網模型已搭建完畢，在此基礎上加入20年一遇24 h的降雨文件。

2.3.2 管網模型與地形文件耦合

在MIKE FLOOD平臺上加載預處理地形文件，然后剪裁成與用地邊界一致。將模擬片區形成一個閉合的空間，對區域內建筑整體拔高，道路整體降低標高，然后加載管道和檢查井信息，實現一維排水管網模型與二維地表漫流模型的耦合。

圖3 超限雨水排放通道示意Fig.3 Schematic Diagram of Excessive Rainwater Discharge Channel

圖4 雨水匯集與排放分區示意Fig.4 Schematic Diagram of Rainwater Collection and Discharge Zoning

圖5 研究區域模型界面Fig.5 Study Area Shown in the Model

2.3.3 雨型選擇及參數設置

由于本地實測降雨數據的缺乏，因此采用模式降雨雨型，主要有芝加哥雨型、均勻雨型、Huff雨型、三角雨型等雨型。所以本次模擬采用國內普遍使用的雨峰系數為0.4的芝加哥雨型，參照蘇州市暴雨強度公式，降雨歷時取120 min。對于雨水花園下滲類型、下滲率、孔隙度、初始水位等水文參數，本案例選用Horton下滲模型來模擬雨水花園的下滲過程[8]。

2.4 模擬結果與分析

2.4.1 雨水管網排水能力分析

根據項目資料顯示，雨水管渠設計重現期按2年一遇設計。故在選定好雨型及確定各參數，暴雨重現期分別取2年～5年，通過建立MIKE URBAN模型來模擬計算該地區管網排水能力。并依據管流模擬結果文件計算溢流水位值(node flood)、充滿度(pipe filling)，導出結果如圖6和圖7所示。

圖6 重現期為2年時排水能力分析Fig.6 Analysis of Drainage Capacity of Two Years’ Return Period

圖7 重現期為5年時排水能力分析Fig.7 Analysis of Drainage Capacity of Five Years’ Return Period

由管流模擬可知，在遭遇2年一遇至5年一遇的降雨時，雨水管道均出現不同程度的滿管流現象，但最高水位線仍低于地面標高，未出現溢流現象。由此可知，園區匯水分區通過合理劃分，并輔以綠色雨水基礎設施，有效地滯留、調蓄雨水，提高了雨水管渠的排水能力，在不提高雨水管道造價的基礎上降低了產生地面積水的風險。

2.4.2 內澇模擬分析

根據項目資料顯示，內澇設計重現期為20年一遇，對地塊采用20年一遇24 h最大降雨量數據進行模擬，并生成最大積水風險圖，如圖8所示。

圖8 最大積水風險圖Fig.8 Map of Waterlogging Risks

通過對地塊一維排水管網與二維地表漫流的耦合模擬，結果表明在遭遇20年一遇24 h最大暴雨條件下，校園內基本不產生內澇危險，超標雨水通過校園主干道排至校園東北處，沿行泄通道排至附近人工河，校園內豎向標高及匯水片區設計合理。

3 結論

通過對校園內管道排水能力和二維地表漫流的模擬，結果表明地塊豎向標高設計以及匯水區劃分較為合理，校園足可以保證在遭遇20年一遇的降雨時不產生內澇，且通過設置綠色雨水基礎設施，使雨水管網排水能力提高到5年以上。

4 展望

(1)對于綠色雨水基礎設施相關參數的設定，目前還是以國外的研究成果為主，缺少本土化的研究，致使模擬結果會出現一定的偏差。

(2)要讓模型軟件這一先進技術支撐海綿城市建設，前提是要正確地使用模型軟件，也對從事相關專業的人員的專業素養提了很高要求，從業者的專業素養往往決定模型結果的質量，也直接影響著城市內澇治理方案的可靠性。

(3)近年來海綿城市發展迅速，模型軟件在城市暴雨內澇災害防治中的作用日益顯著，合理的選擇模型軟件來模擬城市內澇，參與城市暴雨內澇的治理，既符合《海綿城市建設績效評價與考核辦法》的要求，也是當今海綿城市發展的需要。