基于MIKE URBAN的廣州市東濠涌片區暴雨內澇模擬研究

張旭兆，林蓉璇，徐輝榮，王鑫

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東廣州510635)

城市暴雨內澇與城市化進程中水文過程的異變密切相關。城市化導致熱島效應日趨顯著[1]、土地硬化[2-3]、河水頂托、河湖侵占、排水管網設施滯后等問題是暴雨內澇的主要成因。

目前對城市暴雨內澇機理與成因分析的研究主要有三類方法：數理統計法采用長序列水文氣象資料和歷史災害資料進行統計分析，該方法結果較為可靠，但長序列資料一般較難獲取[4]；模型反演法采用歷史影像資料分析城市下墊面變化，結合水文模型分析城市化對降雨產匯流的影響，該方法對發展變化不大的城市適用性較差[5]；情景分析法基于地形、管網和土地利用資料構建水文、水動力數學模型，根據暴雨、水位等邊界條件的設定模擬暴雨洪水的傳播過程，該方法計算精度較高，但計算復雜[5]。

歐美國家從20世紀60年代開始采用情景分析法，基于水文、水動力數學模型研究城市暴雨內澇機理，其中應用較廣泛的模型包括SWMM模型、Wallingford模型和MIKE模型[6-7]。近年來，國內也逐漸采用MIKE、SWMM城市暴雨內澇模型對排澇系統進行研究與分析[8-9]，該方法在中國具有較大的應用前景。

目前關于建成區河涌流域的暴雨內澇模擬研究以及基于水文、水動力學模型對內澇成因的分析較少，而內澇災害的頻繁發生以及河涌對于防洪排澇的關鍵作用又使得此類研究意義重大[10]，為此本文以廣州市越秀區東濠涌排澇片區為例，基于MIKE URBAN建立模擬管網排水流動、地面漫流、內河湖泊的漲退水及珠江漲落潮過程的城市暴雨內澇模型，采用2011年“10·14”暴雨和2014年“6·23”暴雨進行模擬計算與分析來驗證模型的模擬效果，并通過模型初步分析了東濠涌排澇片區積水的主要成因，為城市內澇治理和內澇風險評估提供一定的參考。

1 區域概況

本次研究范圍參考《廣州市防洪(潮)排澇規劃(2010—2020年)》，結合廣州市1∶2000地形資料，劃定東濠涌排澇片區[11]，包含東濠涌、新河浦涌和西濠涌的集水范圍，即東起梅花村街道、西至西濠涌，南起珠江、北至廣深鐵路沿線，總面積約14.63 km2。研究區域范圍見圖1。

研究范圍排水系統主要由市政排水管網，東濠涌、新河浦涌、西濠涌等主要內河涌，東山湖、東濠涌水閘、東山湖水閘，東濠涌泵站等排水設施組成。東濠涌上游為麓湖，麓湖以下的河長4.5 km，下游與東山湖相連，出口為珠江。區域附近有國家水文站點中大站，主要監測潮位及降雨，附近主要降雨測站有氣象大樓站和少年宮站。

2 數據資料

2.1 地形數據

地形資料采用廣州1∶2000地形圖，得到10 m分辨率的DEM數據，見圖2。研究區域高程的整體趨勢為北高南低，東高西低。南部地勢低洼，高程一般約為3～5 m，中部地區高程約為5～6 m，西部局部地區高為7～10 m，東部高程約為9～13 m，東北部地區為丘陵地區，高程約為15～25 m。

2.2 水系資料

研究范圍內水系由3條河涌(其中西濠涌已改造成暗涵)、1個人工湖以及珠江前航道組成(圖2)，水系的基本信息見表1。東山湖對東濠涌下游以及新河浦涌的蓄澇調峰起到重要的作用，其正常水面面積30.07萬m2，蓄水量41.07萬m3，根據調度原則，東山湖在汛期的調蓄水位為1.34 m。研究范圍內各河涌和湖泊最終匯入珠江前航道。

表1 研究區主要河道信息

2.3 管網資料

越秀區為老城區，主要為雨污合流制。本次重點考慮500 mm以上管徑的骨干管網和箱涵的排水能力，根據管道流向、管底高程、管徑和坡降對其余管網進行合并。概化后的主干管網示意見圖3。

2.4 降雨潮位資料

本文采用2場暴雨進行模擬研究。2011年“10·14”暴雨采用中大站實測暴雨過程，峰值出現在10月14日0點，為41.5 mm，最小值出現在10月14日3點，約4 mm。2014年“6·23”暴雨采用氣象大樓站和少年宮站實測暴雨過程，峰值出現在6月23日18點，為35～45 mm。潮位過程采用中大站2011年“10·14”和2014年6月23—24日的實測潮位過程。

3 模型構建

3.1 一維河網模型

采用MIKE11構建一維河網模型[12]，模擬內河道行洪、湖泊的調蓄、外江潮汐漲落和水閘泵站的調度運行。

一維模型模擬的河道主要為東濠涌和新河浦涌。東濠涌上邊界為麓湖出口，下邊界為珠江前航道，下游通過新河浦涌與東山湖連通。區域內河涌出口處均設置有水閘或泵站。當珠江潮位高時，水閘關閉，泵站開啟強排；當外江潮位低時，水閘開啟自排，泵站關閉。

邊界條件：珠江前航道各河涌出口采用中大站2011年“10·14”實測潮位過程作為邊界條件，其他河流設置零流量邊界。

水動力學參數設置：根據實際情況將初始水深設為0.74 m；根據研究區域水系河床特征，參考相關文獻[7]，一維河網模型的河道糙率選取為0.03。模擬時間步長為5 s。

3.2 二維漫流模型

二維漫流模型基于MIKE21構建[13]，主要模擬管網溢出水流的漫流過程。

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10 m×10 m，網格單元379 673個。本次基于1∶2000地形圖獲得地形高程，可較好地描述道路高程。為反映建筑物的阻水作用，對所有建筑物高程均拔高5 m。

模型參數設置：干濕深分別設為0.05、0.1 m；二維地表漫流模型的糙率按道路、綠地、建筑等不同下墊面情況分別取為0.035、0.05和0.06。

3.3 一維管網模型

一維管網模型基于MIKE URBAN構建[14]，以檢查井為中心，按照泰森多邊形法劃分集水區，雨水就近匯入檢查井。本文采用時間面積TA模式模擬降雨徑流過程，將其作為管流的邊界條件，采用MOUSE計算引擎計算管網水流運動過程。

根據黃國如等的研究[6]，徑流系數等對徑流量和洪峰流量的影響最大，地面坡度的影響因素最小。MIKE URBAN模型與之相對應的參數是不透水系數。本次一維管網模型根據1∶2000地形圖確定下墊面分類，主要包括道路、綠地、建筑用地和水系等。各集水區根據不同的下墊面設置不透水率，見表2。

表2 越秀區不同下墊面類型不透水率

3.4 耦合模型

采用MIKE FLOOD將一維河網模型、二維漫流模型和一維管網模型進行耦合。一維管網模型中的排水人孔與二維漫流模型相應位置的計算單元進行連接。管網中的水流從人孔中溢出，在二維計算單元上漫流，或二維單元上的水流沿地勢低洼處匯流至人孔并排入管網。一維管網模型中的排水出口與一維河網模型的斷面進行連接。水流從管網出口流向河道，或受河道水位頂托回流至管網。

4 模型率定驗證

4.1 模型率定

2011年10月13—14日，廣州市發生嚴重的暴雨內澇，有109個區域自動站記錄到100 mm以上降水，其中最大的是廣州海珠區的廣州第五中學，達319.8 mm，造成區域內34處以上地段嚴重內澇。

本次采用耦合的城市暴雨內澇模型對該場暴雨內澇進行模擬，計算越秀區東濠涌排澇片區地表積水情況，并與實測積水點進行比較，對模型進行率定。降雨過程采用中大站2011年“10·14”實測降雨，暴雨內澇模型的參數見模型構建小節。實測該場暴雨造成的越秀區主要積水點見圖4，模型模擬與實測的各積水點的最大淹沒水深見表3。從圖4、表3可以看出，實測與模擬的內澇分布、最大淹沒水深都較為接近，通過絕對誤差和相對誤差計算，其模擬精度基本符合要求，表明模擬結果與實測數據較為吻合。

表3 積水點最大淹沒水深

監測點序號實測值/m模擬/m絕對誤差/m相對誤差P10.450.500.050.10P20.300.20-0.10-0.30P30.450.510.060.10P40.350.30-0.05-0.10P50.500.45-0.05-0.10P60.500.570.070.10P70.500.560.060.10P80.800.74-0.06-0.08P90.350.28-0.07-0.20P100.300.310.010.03P110.600.700.100.16P120.300.25-0.05-0.17P130.200.15-0.05-0.25P140.800.73-0.07-0.09

4.2 模型驗證

采用氣象大樓站和越秀區少年宮站2個雨量站的實測降雨作為管網降雨邊界條件。該場內澇是由典型的短歷時(1 h)強降雨引起，因此具有較強的代表性。珠江前航道各河涌出口采用中大站2014年6月23—24日實測潮位過程作為一維河網模型下邊界條件。

圖5為研究范圍內模型驗證的積水分布。廣州市三防辦一雨一報資料僅記錄積水深度為0.3 m及以上的內澇點(圖5中黑色三角形所示)。從圖5可以看出，資料記錄的積水點有5處，本次模擬的積水區域涵蓋了資料記錄的積水點。由于模擬出的其他內澇點的積水深度多數小于0.3 m，因此并不在一雨一報的資料記錄范圍內。本文采用圖5中的5個內澇點的最大積水深度進行效果評估。表4為實測和模擬積水深度的對比，比較接近，通過相對誤差和絕對誤差計算，基本滿足精度要求，表明該模型能較好地模擬城市暴雨內澇積水。

表4 2014年“6·23”暴雨最大積水深度

5 積水成因初步分析

越秀區內澇積水成因包括短歷時強降雨、排水管網過流能力不足、部分地勢低洼、河道和珠江水位頂托、湖泊調蓄容積不夠等。本次以2011年“10·14”暴雨內澇為典型，基于城市暴雨內澇模型初步研究珠江潮水及河道水位頂托、湖泊汛期正常蓄水位變化對區域積水的影響。

研究區域暴雨過程與珠江漲潮過程一致，且當暴雨強度達到峰值41.5 mm時，珠江接近最高潮。本次考慮將潮位平移，使得暴雨強度大時，珠江前航道處于退水或低潮，見圖6。經模型計算，潮位平移后的暴雨積水分布見圖7。對比圖4、圖7可以看出，潮位過程平移前后的積水分布差異微小，平移前后的(最大積水深度，平均積水深度)分別為(0.800，0.158)和(0.802，0.157)，表明潮位頂托對該場暴雨內澇積水的影響很小。

東濠涌是研究范圍內排水的主要通道。本文將東濠涌斷面拓展到100 m來分析河道沿程水位對排水口的頂托作用。圖8為東濠涌斷面拓寬后的暴雨內澇分布。對比圖4、圖8可以看出，斷面拓寬前后的積水分布相差不大，(最大積水深度，平均積水深度)分別為(0.800，0.158)和(0.799，0.158)，表明該場暴雨河道水位對排水口的頂托作用較小。

東山湖在汛期的調蓄水位為1.34 m，本次考慮降低調蓄水位至0.74 m，研究其影響。計算結果見圖9，(最大積水深度，平均積水深度)為(0.801，0.158)，與圖4較為一致，表明東山湖調蓄水位對本次內澇點的積水程度并無顯著影響。

越秀區現狀排水管網的排水能力一般為1～3 a。廣州市排水重現期1、2、3 a的累計小時雨量見表5，其中3年一遇4 h的累計雨量為104 mm。圖10為研究范圍內現狀排水管網遭遇3年一遇累計4 h雨量的積水分布。對比圖4、10可看出，現狀排水管網遭遇3年一遇4 h累計降水的積水范圍要小于模型所模擬的2011年“10·14”實測暴雨的積水范圍，這是由于在2011年“10·14”實測暴雨中，13日21時至14日0時累計4 h的暴雨量多達124 mm，遠大于其市政排水能力。

表5 越秀區市政排水不同重現期累計小時暴雨量

因此，從以上分析可以看出造成研究范圍內局部積水的主要原因是市政管網排水能力嚴重不足，因此建議進一步提升越秀區的管網排水能力，同時增加城市下沉式綠地、透水鋪裝等措施，減少地表徑流從而提高雨洪的資源化利用。

6 結語

本文采用MIKE模型構建了能夠模擬外江潮汐、內河漲退水、地面積水和管網排水過程的城市暴雨內澇數學模型。區域暴雨內澇的模擬結果與實測較為吻合，表明該模型能夠較好地模擬復雜水文條件下的城市暴雨洪水傳播過程。基于該模型分析了2011年“10·14”暴雨的內澇積水成因，結果表明該區域暴雨內澇受河水頂托、湖泊調蓄的影響較小，主要原因是排水管網能力不足，這與廣州市的調查結果較為一致，表明該模型能較好地分析城市暴雨內澇成因。建議結合海綿城市建設，進一步提升越秀區的管網排水能力。