基于MIKE水動力模型研究內澇風險及治理方案效果

梁文芝 東莞市水務工程建設運營中心

1.引言

城鎮內澇是影響城市發展的一個重要因素，洪澇嚴重時將造成嚴重的經濟損失甚至是人員傷亡，后果嚴重。合理分析城鎮內澇原因，采取針對性的措施是緩解城鎮內澇的有效方法。水動力模型是水文、水利工程研究中常用的方法，其具備建模簡便，計算速度快、結果準確等優勢。在工程實踐中取得了良好的效果。

東莞大坪村現狀內澇現象較為嚴重，城鎮洪澇排水難度高，易積水，嚴重影響到居民的正常生活，不利于當地的經濟發展。因此，亟需采取相關治理措施，緩解內澇頻發的現象。

2.水動力模型建立

管網水動力模型的參數設置，決定了模型模擬的準確性。在一維管網水動力模型中，主要涉及的參數有：平均坡面流速，模擬時間步長，管道曼寧數，檢查井局部水頭損失。這些參數的設置如表1所示。

表1 水動力模型中的參數設置

將以管網普測中的Excel數據作為源數據導入MIKE URBAN，經過管網梳理簡化后，建立易澇點的排水管網模型。

在大坪村現狀管網模型中：包含562個子匯水區、總面積204.13ha，檢查井512個、排口4個、圓管507根、涵管5根，總長15.79km，檢查井的地面標高最高標高為56.68m，最低地面標高為34.46m。所有檢查井的地面標高在合理的范圍之內，變化幅度不大。通過統計分析，圓管最小的尺寸為DN200，最大為DN2000，方涵尺寸在200×300～2000×2000之間。

采用MIKE21軟件建立地面漫流子模型，在1：1000的地形處理基礎上模擬地表坡面流的水力學過程。二維地面漫流子模型中，曼寧系數根據不同用地類型設置，設置網格計算水深小于0.02m為干水深，超過0.03m為濕水深，即當水深小于干水深時，這部分水量不計入水力計算，超過濕水深的積水才會進行二維地表漫流水力計算。

3.大坪村易澇點現狀內澇模擬結果評估

3.1 現狀內澇模擬

在5年一遇設計降雨工況下，使用現狀內澇模型評估大坪村研究區域的城市內澇積水情況。通過數值模型法得最大積水深度和積水時間對城市內澇風險進行評估。經模型結果統計分析大坪村現狀5年一遇設計降雨工況下平均最大積水深度圖如圖3所示。研究區域的最大積水深度為0.6m，積水面積為0.05km2。

圖1 大坪村研究區域現狀管網模型圖

圖2 大坪村地面漫流子模型地形數據

圖3 大坪村現狀最大積水深度圖

依照內澇風險等級劃分標準對5年一遇設計降雨的城市內澇進行現狀內澇風險分析，內澇風險的結果如圖4所示。其中，低風險區域面積為0.024km2，中風險區域面積為0.016k m2，高風險區域面積為0.016km2。

圖4 大坪村現狀5年一遇設計降雨工況下內澇風險圖

3.2 現狀內澇結果分析

大坪村易澇點位于四黎南路以西、林坪路以北區域，通過現狀模擬分析可知，易澇點在5年一遇設計降雨情況下，存在大范圍積水的風險，并且積水深度深、時間長、不易退去。以下針對該工況下的現狀模擬情況，分析易澇點區域積水的主要原因。

表2 大坪村管網匯流模塊統計表

①管道排水能力不足。易澇點附近管道排水能力不足為造成易澇點內澇的主要原因之一。坪園路上的兩根DN400雨水管，管徑偏小。在雨峰期間，管網系統無法及時排水，管道中的最高水頭線超過了地面線，因此坪園路的管道會發生短時間雨水溢流至地面的情況。坪園路以北為城中村，土地硬化程度大，易澇點附近綜合徑流系數達到70%，產流量增大，增大了管道排水壓力。

②地形影響。5年一遇降雨下，排水來不及導致管網溢流，積水在地面上通過地表漫流，流向并匯集在地勢相對低洼處，而本次大坪村歷史易澇點位于四黎南路以西、林坪路以北區域，通過易澇點與地形圖的對比發現，易澇點地勢相較于周邊地勢較低，從四周管網內溢流出來的雨水容易在交叉口處匯集并形成積水風險，并且由于該段區域以道路為主，硬化程度大，最終造成區域積水且長時間不易退去。

4.方案治理效果分析

4.1 方案設計

為改善大坪村的內澇現狀，擬新建雨水管道，起于坪園路，由西向東約170m，管徑為1m；到四黎南路后管徑擴大為1.2m，倒虹穿過四黎南路，再沿內部村道由西北向東南敷設約160m；接入現狀雨水溝后，管徑擴大為1.5m，由北向南敷設約133m；接入現狀雨水明渠后，管徑擴大為1.65m，由南向北敷設約375m，最終接入堅朗地塊雨水箱涵。

堅朗箱涵晴天現狀水位是33.93m，作為方案新增的外界水位邊界條件。降雨邊界條件與現狀內澇模型保持一致，地表漫流模型不變。

4.2 方案內澇模擬結果評估

在5年一遇設計降雨工況下，使用內澇模型評估大坪村研究區域的城市內澇積水情況。通過數值模型法得最大積水深度和積水時間對城市內澇風險進行評估。經模型結果統計分析大坪村現狀5年一遇設計降雨工況下平均最大積水深度圖如圖6所示。在方案下，積水情況顯著消除，研究區域的平均最大積水深度為0.25m，積水面積為0.0441km2。

圖5 治理方案管網模型圖

圖6 大坪村方案下最大積水深度圖

依照內澇風險等級劃分標準對5年一遇設計降雨的城市內澇進行方案內澇風險分析，內澇風險的結果如圖7所示。其中，低風險區域面積為0.0212km2，中風險區域面積為0.0126km2，高風險區域面積為0.0099km2。

圖7 大坪村方案5年一遇設計降雨工況下內澇風險圖

圖8 大坪村現狀、方案易澇點積水情況對比圖

圖9 大坪村現狀、方案內澇風險情況對比圖

易澇點工況對比。大坪村現狀、方案針對易澇點的內澇模擬結果總結見表3和表4。

表3 5年一遇降雨條件下各工況易澇點內澇情況總結表

表4 5年一遇降雨條件下各工況易澇點內澇風險評估結果總結表

5.結論

通過模型模擬分析，現狀大坪村易澇點附近管網排水能力不暢導致管網溢流以及易澇點地勢低洼是造成內澇的主要原因。利用模型模擬驗證設計方案，從易澇點處開始增設雨水管道，起于坪園路，最終接入堅朗地塊雨水箱涵，管徑依次為1m、1.2m、1.5m和1.65m，可以有效緩解易澇點內澇積水情況。