基于MIKE FLOOD耦合模型的城市內澇模擬

欒震宇，金 秋,，趙思遠，蔣 姣，盧 翔

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029；2.河海大學農業科學與工程學院, 江蘇 南京 210098； 3.湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

由于強降水或連續性降水超過城市排水能力致使城市產生積水災害的現象，稱之為城市內澇[1-3]。近年來我國城市內澇災害頻發，城市化與極端暴雨事件矛盾日益加深，城市水文學面臨巨大挑戰[4-5]。據住建部調研數據，2008—2010年全國有231個城市發生過不同程度的內澇，占調查城市的62%，其中有137個城市一年內澇次數超過3次[6]。城市內澇給居民的生命和財產安全帶來了巨大威脅，已經成為影響城市健康發展的重癥之一。關于城市內澇問題的研究也逐漸增加，研究熱點主要集中在城市內澇過程仿真與模擬、城市內澇應對管理、城市防洪排澇體系建設等方面。目前，國內外比較成熟的城市內澇仿真模型主要有SWMM、MIKE等。曾照洋等[7]利用SWMM一維管網模型及LISFLOOD-FP二維水動力模型進行耦合，模擬了東莞市典型區域暴雨內澇情況，實現了暴雨區淹沒范圍和淹沒水深的模擬；欒慕等[8]通過SWMM-MIKE11耦合模型評估了桐廬縣城市管網系統排水能力并繪制了內澇風險圖；李品良等[9]應用MIKE URBAN對成都市老城區的排水管網在不同降雨強度下承壓運行情況及管點溢流情況進行模擬，并通過設置小型調蓄池和擴增管徑兩種途徑改善城市內澇狀況；黃琳煜等[10]基于MIKE FLOOD平臺搭建了暴雨洪澇模型，對上海市浦東新區現狀雨水管網的排水能力進行評估，為排澇減災提供對策依據。

針對城市的排水設施，構建基于一維排水管網模型及二維地表漫流模型的耦合數學模型，根據模擬結果對內澇風險進行評估分析，可為城市內澇防治工作提供一定的技術支撐。本文基于MIKE FLOOD平臺，根據應用情境，將MIKE URBAN和MIKE 21模型進行動態耦合，從而建立城市內澇模型。選擇湖南省新化縣的典型區域，模擬城市內澇的演變過程，從地表淹沒范圍、易澇點的淹沒情況及各排水管網過流能力等方面分析城市內澇形成原因，并提出相應對策，以期為揭示城市內澇形成機理、查詢城區內澇易發區、分析關鍵因素對洪水過程的影響提供參考。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

新化縣地處湖南省中部偏西，資江中游，雪峰山東南麓，地處北緯27°31′～28°14′、東經110°45′～111°41′，東南與漣源、冷水江市交界，西南與新邵、隆回縣為鄰，西北與溆浦縣接壤，北與安化縣毗連。新化縣行政區域總面積為3 619.93 km2，縣轄19個鎮、7個鄉上渡辦事處和大熊山林場、古臺山林場2個林場。根據第六次全國人口普查統計數據，2010年11月1日新化縣域總人口為138.77萬人。

新化縣城位于資江中游河畔，資江從冷水江市的浪石灘流入境內，略呈“Z”字形貫穿城區，把城區分成城東區和城西區兩部分。本次研究范圍為新化縣城西片區(圖1)。城區資江干流長度為11.67 km，河道平均坡降0.25‰。老城區為雨污合流制，河東片區大部分為雨污合流制，部分新建管道為雨污分流制。根據《新化縣城區排水防澇設施普查報告》(2014年9月)，新化縣城區排水管涵長度共計89.825 km，其中合流制管道70.803 km，雨水管道12.725 km，污水管道6.297 km。排水管道主要分布于上梅西路、上梅東路、天華北路、城西北路等。

1.2 數據處理

1.2.1排水管網

完善管道和節點的數據屬性及類型，篩選出錯誤和不合理的數據，并結合實際進行一定的修正。對于管線點，主要為連接各管道的節點，其主要信息包括：管線點編號、管線點類別(檢查井、污篦、進水口、排水口等)、平面坐標、地面高程、底部高程等。對于管線，即主要排水通道，其主要信息包括：管線起點編號、管線連接點編號、管線材料(混凝土、塑料等)、管線埋設方式(方溝、管埋等)、管徑或斷面尺寸(圓管為直徑、方溝為長和寬)等。根據新化縣2014年9月完成的城區排水設施普查工作結果，處理后的城區管網和管線點的分布見圖2。

圖1 研究區域示意圖

1.2.2土地利用類型和高程

從原始地形圖中篩選出水系、房屋和街道圖層信息作為土地利用類型(圖3(a))。提取CAD數據中的高程散點，通過ArcGIS對提取的高程散點進行插值，考慮道路寬度大概為5 m，取柵格單元尺寸 5 m×5 m，生成Raster柵格數據文件，再將此文件轉為ASC Ⅱ格式數據(圖3(b))。

1.3 設計暴雨計算

1.3.1基礎數據導入

利用ArcGIS、Excel、MATLAB等對數據進行處理，將數據導入MIKE URBAN軟件中，構建雨洪綜合模型。數據包括：DEM地形數據、檢查井(Manhole)數據(井底標高、井蓋高程、井直徑等)、管道(Link)數據(管道長度、管道材料、管道斷面形狀及尺寸、坡度、高程等)、土地利用類型(房屋、道路、河道和湖泊等)、面狀水體數據(水體的位置、形狀、底寬、深度、邊坡等)。

1.3.2暴雨強度公式

根據新化縣氣象站1983—2013年的雨量資料編制新化縣暴雨強度公式，按GB 50014—2006《室外排水設計規范》的建議，確定暴雨強度公式為

(a) 管線點

(a) 土地利用類型

(1)

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設計重現期，a；t為降雨歷時，min。

1.3.3設計暴雨推求

根據SL 723—2016《治澇標準》和《新化縣排水防澇綜合規劃》，新化縣城西片的治澇標準為10年一遇，設計暴雨歷時和澇水排除時間采用24 h降雨在24 h內排除。本次新化縣城西片模型現狀計算采用此標準，計算區域內最高內澇水位控制在設計水位以下，遠期標準按20年一遇暴雨、24 h降雨在 24 h內排除。

為模擬市政排水管網在不同降雨情境下的狀態，擬采用芝加哥雨型模型生成降雨過程。該模型以雨強-歷時關系為基礎，在表示同頻率最大平均強度規律的降雨強度計算模式中，引入降雨強度過程的平均形態和強度高峰位置，獲得綜合降雨平均強度、最強時段強度及強度過程的瞬時降雨強度，而由該瞬時降雨強度描述的降雨模式概括了強度先大后小和先小后大等特殊雨型，形成更為全面反映降雨各種特征的雨型[11]。芝加哥雨型模型基于暴雨強度公式和雨峰系數，將國內普遍使用的暴雨強度公式根據設計頻率生成動態的降雨過程[12]。

按照上述方法，推求出10年一遇和20年一遇24 h歷時的降雨峰值分別為4.207 mm/min和 5.506 mm/min、總降水量分別為248.8 mm和 294.8 mm，繪制24 h設計暴雨過程如圖4所示。

2 城市內澇模型

2.1 MIKE URBAN模型

MIKE URBAN主要包括兩部分[13]：①降雨徑流模擬，即對于降雨和集水區匯流過程的模擬；②管網水力學模擬，即對于雨水匯流入管道后對水流流態和水質等的模擬。

(a) 10年一遇

2.1.1降雨徑流模擬

降雨徑流模擬的目的是生成降雨流量過程線(入流流量-時間曲線)，為后續的管網水力模擬提供邊界條件，在降水量時間序列數據的基礎上，通過城市集水區的劃分和徑流系數等參數的設置，來模擬降雨、產流、匯流等一系列城市地表匯流過程。模擬過程中，將推求的設計暴雨過程作為降雨徑流模型計算的邊界條件；根據收集到檢查井(雨篦子)的位置，按照就近排水和大致均勻分配集水區面積的原則下，劃分各個進水口的集水區693個。集水區劃分情況如圖5所示。

本次計算，匯流模型采用較為傳統的時間-面積模型，可以同時滿足模型計算的精度和效率；不透水率根據圖層的土地類型進行設置，將建筑物圖層、道路圖層、磚鋪地面、綠地圖層加載到圖層列中，選擇不透水率分別為0.95、0.85、0.60和0.35；加載降雨邊界條件，采用降雨徑流模型進行計算，將得到的徑流模擬結果(主要包括各個集水區的匯流時間序列及徑流累積量)作為后續管網水力模型的邊界條件。

2.1.2管網水力模擬

MIKE URBAN管網水力模型能夠較為準確客觀地描述管網內的各種要素及水流流態，如橫截面形狀、水流調節構件、檢查井以及集水區的各種水頭損失等。導入降雨徑流模擬的結果，選用管網水力模型重新計算，可得到設計暴雨條件下的管網水力情況。

圖5 集水區劃分情況

2.2 MIKE 21模型

MIKE 21模型，即二維地表漫流模塊，采用水深平均的二維淺水流動質量和動量守恒控制方程組，選擇交替方向隱格式(ADI格式)的有限差分格式進行求解計算[14]。本文利用MIKE 21模型，模擬當管網檢查井發生溢流時引起的地表水淹沒范圍、淹沒時間等。建立地表漫流模型的關鍵步驟是地形處理和網格剖分，進而建立地表高程模型并設置邊界條件以及初始條件等。

2.2.1地形處理和網格剖分

城市內澇發生時，假定澇水會繞過房屋所在地，在建模時，房屋所在處的高程拔高至較高值(澇水淹沒不到)；城市的路面相較周邊要低 0.1～0.2 m，道路所在區域的高程在原高程上降低0.1～0.2 m。二維地表漫流的地形設置見圖6，網格精度為5 m；房屋高程統一設置為290 m(紅色區域)，且不允許水流通過；道路高程相較周圍地面低0.15 m。

2.2.2初始條件和邊界條件

對于道路、房屋和綠地等區域，設定初始水深和流量為0，初始流速恒為0。計算區域南部管網較少，區域的產匯流采取直接降雨法，降雨直接進入該區域，流動由二維水動力學模型進行直接模擬。管網匯入內河，通過涵、閘等水利工程與外江連接，內河水位設置為邊界。計算區域北部主要為居民區，而南部主要為農田和湖泊，根據相關水動力學模型手冊選定糙率范圍為1/30～1/35。

圖6 二維地表漫流的地形設置

2.3 耦合模型

在MIKE FlOOD耦合模擬平臺上連接閘泵調度嵌入一維排水管網模型MIKE URBAN和二維地表漫流模型 MIKE 21，能夠反映城區中排水流態在管道及可能的地表積水的表現，這拓展了傳統城市排水系統管網模型的模擬能力，能更準確地反映城市排水管網中的水流和地表漫出的水流的交互，模擬地表積水以及退水等情況。MIKE URBAN和MIKE 21通過管網和地形耦合連接，具體見圖7。

3 結果與分析

3.1 地表漫流

通過模擬研究區域10年一遇和20年一遇24 h降雨歷時暴雨條件下地面淹沒水深，可以清晰地體現區域內的最大淹沒水深變化，結果見圖8。

(a) 10年一遇

3.2 易澇點

易澇點是內澇積水的敏感點，也是城市排水防澇工作的重點研究對象。結合模擬結果和實際情況，本次研究區域內共有5處易澇點，分別為永興街易澇點、立新橋易澇點、濱江北路易澇點、向東街易澇點及工農河路易澇點。在5處易澇點選取特征點進行觀測，其水深變化過程如圖9所示。由圖9可見，5處易澇點均存在一定程度上的積水，且當20年一遇降雨來臨的時候，積水深度更大。在24 h歷時的降雨條件下，5處易澇點反映出了不同的規律，即于永興街、向東街和工農河路在降雨過程中很快達到水深峰值，然后緩緩下降，濱江北路在降雨峰值過后，水深仍不斷增加，但立新橋在降雨過程中，出現了一定程度的下降。各易澇點的最大淹沒水深見表1，可見，兩種降雨重現期的情況下，5處易澇點的最大淹沒水深具有相同的變化規律，在20年一遇降雨強度條件，易澇點最大水深為1.594 m(濱海北路)，大于10年一遇降雨條件下的最大水深1.285 m。

圖7 耦合模型示意圖

(a) 10年一遇

表1 易澇點最大淹沒水深

3.3 管道排水能力

根據模擬得到的管道最大充滿度及其長度可以顯示管道在降雨過程中的狀態，從而進一步評估現狀管道的排水能力。各管道最大充滿度如圖10所示。各最大充滿度區間的管道總長度統計結果如表2所示。由圖10和表2可見，在兩種暴雨重現期條件下，絕大多數管道(10年一遇82%、20年一遇80%)的最大充滿度都小于4，說明這些管道在排水過程中，基本能滿足排水需求。但仍有一部分管道(10年一遇5%、20年一遇8%)的最大充滿度大于6，管道內部壓力較大。并且，相較于10年一遇的暴雨，20年一遇的管道平均充滿度要略高。選取兩條典型管道，管道a位于天華北路西側、管道b位于城西北路西側，兩條典型管道的最高水位統計如圖11和12所示，可見城中大多數管道基本能滿足城市排水的需求。

3.4 討論

新化縣作為山區城市，外河洪水陡漲陡落，與半山半湖地區類似，主要采取撇洪和泵站相結合的辦法來排澇。通過以上對現狀的排水系統的模型計算和分析，可以發現：①由于已經建成城市管網存在一些不合理的管段，如管徑設置不合理、坡降不合理等，致使城市內的水量不足以立即排入資江或花山漁場，使得新化縣老城區的整體排水能力受到很大影響，部分區域達不到設計規劃的排水標準。②城內主要的調蓄湖泊及暗渠均能滿足設計標準，當20年一遇暴雨來臨時，城市內主要湖泊和暗渠水位均在限制水位以下，基本沒有洪水風險；特別是工農河暗渠，4.5 m×2 m的過流斷面能滿足城市排水的需要，只需要對其進行相應的疏浚和維護。③城市內現有的泵站系統能滿足排水的需要，造成計算區域易澇點最大水深大于0.8 m的原因大多是因為管線設置不合理及地勢較低，僅僅依靠擴容泵站系統，不能從根本上改變上述5處易澇點的現狀。④針對不同的易澇點，需要采用不同的處理方案，針對立新橋和濱海北路，重點應該在于對周邊的雨水管線進行疏通、改造和升級，使得上游來水能順利排入資水；針對工農河、永興街和向東街，應該增設雨水篦、雨水管道，及時清理路面，讓雨水能迅速進入下水管道，從而輸送至調蓄水體。

表2 管網最大充滿度區間統計結果

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

4 結 論

a. 基于MIKE FLOOD平臺，將MIKE URBAN和二維模型MIKE 21耦合，建立城市排澇數學模型。選取新化縣城的部分區域，運用城市內澇模型，對城市內澇情景進行模擬分析。驗證結果顯示，模擬效果較好，結果與實際發生及調查情況基本吻合，耦合模型適用于城市內澇風險評估管理。評價結果顯示，新化縣部分地下管網設置不合理，城市內的水量不足以立即排入資江或花山漁場，部分區域達不到設計規劃的排水標準；城內主要的調蓄湖泊及暗渠均能滿足設計標準；城市內現有的泵站系統能滿足排水的需要。

b. 城市內澇的主要原因并非完全因為自然災害，在很大程度上是不科學的城市開發行為造成的。城市開發不能過分強調經濟效益而忽略了社會和生態環境效益，在設計排澇工程總體布局時，需合理劃定排澇區，論證自排的概率與可能性，根據不同區域的水系、地形排澇需求等，擬定不同的治理措施。可按照因地制宜、分區治理、統籌兼顧、蓄排結合、防洪安全的原則，制定城市內澇保障方案和工程體系，采取“滲、滯、蓄、排、管”措施，把河湖水系規劃、治澇工程建設、排水管網建設和雨水利用、洪水削減結合起來。采用強制性標準，加強精細化管理，科學合理規劃建設時序，并協調多部門的力量提高綜合應急能力。根據當地城市內澇調研的現狀及存在的問題分析，結合地形等具體條件，按“分片排澇、等高截流；留湖蓄澇、排蓄結合；自排為主、輔以抽排；排滲蓄滯、綜合治理”的原則合理確定排澇工程。根據實際情況提出工程主要控制指標，如調蓄水面率、承泄區控制水位等參數。同時加強預警和應急系統建設以及相關法律法規的完善。