基于MIKE模型的城市排水防澇分析

王若卿 高中秋

1. 中國市政工程西北設計研究院有限公司 陜西 西安 710000

2. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北 武漢 430010

隨著全球氣候變暖和熱島效應等影響，城市面臨各種極端天氣災害的侵襲頻率及面積均在增加。區域暴雨中心逐步向城市核心地區轉移，城市建成區的高強度暴雨已經越來越常見。城市建設規模越大，工程活動越多，滲流地域越小，生態韌性越來越差，抵抗暴雨災害的能力越來越脆弱。防治城市內澇災害，已經成為城市建設和管理亟待解決的問題。

1 城市內澇的主要原因

1.1 天氣變化

全球氣候變暖，異常氣候、極端天氣現象增多，我國的降水在年內分配不均，大多發生在6-9 月，在時空分布上較為集中，極易引發旱澇災害，歷時短、強度大的災害性暴雨頻繁發生。

1.2 下墊面變化

我國的城鎮化加劇了下墊面的變化，水泥、瀝青硬化路面、硬化屋頂等面積加大、被封閉，滲流地域大量減少，雨水滲透率降低，徑流量明顯增加，城市道路及低洼地區，在暴雨來臨時容易積水。此外，原有的綠地、農田、洼地、湖泊等天然蓄水空間也被逐步侵占，城市內澇問題逐漸嚴重[1]。

1.3 城市排水系統不完善

隨著城市建設的高速擴張，對城市的排水能力也提出了更高的要求。但是部分地區排水設施的規劃建設沒有跟上城市規模的發展，缺少有效的排水管網，建設標準低，排水與防洪相對獨立，缺少統籌考慮等，造成排水系統不合理，從而大大影響城市排澇能力。

1.4 排水設施缺乏有效管理

城市排水設施的維護管理不到位，防洪設施年久失修，排水管內淤泥堆積，管道滲漏嚴重，雨污混流等，導致雨水管道無法充分發揮原有設計能力，影響城市雨水排除，產生內澇。

2 我國城市內澇的主要特點

2.1 城市受災面積較大

由于我國地理位置處于亞歐大陸，受到季節性氣候的影響相對較大，具有降雨量較大且持續時間長的特點。若發生強降雨的情況，會在短時間內產生上百毫米的降雨量，超出了城市排水設施的能力。另外，在我國城市化腳步不斷加快的背景下，城市化進程的加快侵占了部分原有綠地，不透水區域面積增加，蓄洪能力降低，降水時地表匯流速度加快，排水管網壓力較大，形成洪澇災害[2]。

2.2 救援難度大，救援現場復雜

強降雨天氣在短時間內產生大量積水，造成城市交通癱瘓，交通事故、交通堵塞頻發，給救援工作帶來了嚴重阻礙。若降雨時間過長，會進一步擴大城市內澇面積，加重災情，延誤救援時機。

2.3 引發安全事故

城市內澇會導致雨水滲入小區地下停車場，造成車輛被淹，對居民的日常出行和經濟財產造成了損失。質量較差或者使用壽命較長的建筑物受到暴雨影響會出現房屋倒塌的情況，嚴重危及建筑物及居民的生命安全。發生內澇后雨水是良好的導電體，若電線、電器等帶電體接觸到雨水，容易發生觸電事故，造成區域內的人員傷亡。例如，在廣州的特大暴雨中就發生過由于觸電原因導致的人員傷亡現象。

3 MIKE 模型構建

3.1 MIKE URBAN模型

Mike Flood由著名的DHI公司獨立開發，它是將Mike urban、Mike 21、Mike 11這幾個一維、二維的模型整合而成，用以模擬研究城市洪水、流域洪水。它的模擬過程是動態的，實時的，并可以發揮一維、二維模型各自的優勢，使得模擬過程更趨近真實水流情況。該排水模型廣泛應用于城市排澇防洪、分流制及合流制管網的水流模擬、還有排水泵站及涵洞等水工構筑物的設計。

本次模擬中，首先確定了模擬目標，分析不同降雨重現期下的管網排水能力，并得出現狀能力評估圖。此外還分析了城市內澇情況的時空分布情況，在此基礎上對區域的內澇風險進行了充分的評估，并提出多種解決方案。方案著重解決雨水管網的主要問題，并為將來的規劃、設計、施工和管理提供建議。

本文選擇陜西省某地區作為研究對象，該區域為規劃區域，現狀無雨水管道，但已有雨水專項規劃。筆者通過軟件對規劃區域進行模擬，研究區域可能產生的內澇情況。

3.2 研究區域降雨雨型

根據該區域雨水專項規劃，確定雨水暴雨強度公式為：

式中：q—設計暴雨強度[L/(s.hm2)]；

P—重現期（a），P=3a；

t—降雨歷時（min）。

3.3 下墊面

人類的建設活動導致了原有下墊面的性質改變，城市能源消耗和人為釋放熱量變大，城市下墊面的熱力學、動力學及水循環特征被根本性的改變，城市氣候隨之變化。在城市建成區內，下墊面已經被逐步人為改變，地表徑流的特征也隨時空變化而變得復雜。因此，對城市典型區域的下墊面空間進行深入定量的研究，并尋求最佳的下墊面空間構型，對城市降水蓄滲能力的提升意義重大。

城市地表類型不同，地面滲透性不同。根據地面透水特性，依據《室外排水設計標準》（GB50014-2021）確定各種地面的徑流系數。

3.4 數據整合

對包括管網、河道、二維地面在內的現狀城市排水系統的各項實測數據進行整合，并驗證數據的合理性、一致性，建立實時、智能的綜合數據信息庫，盡可能完整的反應實際的物理信息。

為了對城市水文模型進行綜合模擬，本次模型所需數據主要包括：

(1)降雨雨型

通過對所研究區域多年的氣象降雨資料進行整理和分析， 從而得到模型構建的邊界條件：即在不同降雨重現期下各種典型的降雨情況。

(2)管網及排水設施

收集雨水管網普查勘探數據以及運營單位提供的排水管網數據。包括排水管網數據系統內外的管道、節點、匯水區等各個要素的參數：管道類型、管網的上下游標高、管道材質、管道尺寸、管道坡度及長度等；泵站信息主要包括位置、設計重現期、設計流量、服務范圍、啟泵/停泵水位等[3]。

(3)下墊面類型

根據下墊面解析結果，設置不同下墊面的不透水率，分別為道路85%、綠地15%、裸土30%、屋面90%、鋪裝70%、水體0%。

(4)河道

從河道的整治規劃資料中收集河道典型橫截面的位置和形狀作為河道模型制作的基礎。此外，河道的相關數據還包括河道上的水工建筑物信息、調度規則、以及上下游水體的水位邊界信息。

3.5 模擬結果及分析

基于MIKE URBAN模型，分別利用3年，5年，10年重現期的降雨對規劃雨水管網進行評估。模擬結果顯示：當重現期為3年時，區域不產生積水；重現期為5年時，部分區域有少量積水；重現期為10年時，積水區域面積和深度均有所增加，管道處于滿負荷運行狀態。

圖1 （左：區域排水管道排水能力評估圖（3a）；中：區域排水管道排水能力評估圖（10a）；右：規劃區域積水情況（10a））

通過對該區域地面標高、雨水管道管徑及走向等情況的分析，該區域積水的主要原因為道路局部低洼，路面起伏，雨水排放困難，無法開辟地表徑流通道。部分管道的管徑不足，不能將超標雨水輸送至下游，造成局部瓶頸。

4 內澇解決措施

(1)提高排水管網的設計標準

目前，我過城鎮雨水管道建設標準與發達國家相比偏低。比如《日本下水道設計指南》規定10年內應將雨水管道重現期提高至10-15年。我國不少城市在發展初期“重地上、輕地下”，城市排水標準設計普遍偏低，部分城市的管網、箱涵等排水系統按照“一年一遇”的標準修建[4]。所以，應加強對城市地下管網的建設投資，雖然早期投資可能較大，但效益明顯。

但是提高標準并不是一味的增加設計重現期，如果要求絕大多數城市地下管網達到“50年一遇”甚至更高的標準，投資巨大，管道長期沒有水，空間浪費。因此，各地區應根據實際地形、地貌、降雨頻率、經濟情況、人口情況綜合分析，確定合適的設計標準。

(2)調整道路豎向標高，增加地面行泄通道

城鎮排水防洪的規劃設計，應充分考慮城鎮總體規劃與道路規劃的相關指標要求。部分城鎮的道路豎向標高在規劃時并未考慮排水防洪的需要，導致道路產生“洼地”，無法形成有效的雨水行泄通道，極大的限制了路面雨水的排除。因此，在做專項規劃時，各專業間應加強交流，統籌兼顧，保障雨水順利排出。

雨水排水原則應為盡量保留利用天然的原始排澇路徑，優先保證地面徑流設施，按相關規范和地方特點、合理設計排水通道的縱斷面、橫斷面，將地表滯蓄系統與洪水排放系統良好銜接，利于超過城市管網設計標準的雨水通過通暢的路徑順利進入受納水體。

(3)優化管道管徑

下圖為研究區域積水路段管道調整前后管道內水位高程對比圖。從圖中可以看出，增加下游管道管徑，可以有效降低管道內水位。說明通過優化管徑可以達到減少地面積水的目的。

但是增大管徑會導致投資增大，小雨時管道充滿度低，造成空間浪費。因此不能一味通過增加管道管徑解決內澇問題。應針對每處積水點具體分析內澇原因，尋找合適的解決辦法。

圖2 （左：調整管徑前水位情況；右：調整管徑后水位情況）

(4)新建地面或地下滯蓄設施

土地利用加劇、社會經濟活動密集，城市除少量綠地外，不透水面積比遠郊區大，大部分地面面積構成為道路、廣場、建筑物，降雨到洪峰形成的時間縮短，流量增加，城市防洪壓力大。在未來的城市開發建設和規劃管理中，應逐步減少城市硬化面積，控制不透水面積的大幅增加，盡量保護原有的林地、草地、牧場、水塘、洼地、湖泊等天然生態環境，大力推廣透水鋪裝、透水混凝土等透水性硬化，加大城市透水面積，以利雨水的蓄滯、存儲和凈化。在新建項目中，如城市公園、新建住宅小區、新建企業中，應鼓勵因地制宜的建設濕地公園、植草溝、雨水花園等海綿城市設施，加大雨水的下滲，延緩洪峰形成時間，降低防洪壓力[5]。

此外，還可因地制宜建設部分雨水調蓄設施，將降水時的高峰流量暫時貯存，降雨量下降或洪峰過后，再將收集的雨水回用至道路澆灑、植被澆灌等方面，補充城市用水，多余的雨水排至城市河道。這樣既可以降低洪峰流量，降低雨水管渠的排水壓力，提高城市的扛洪澇災害能力；還可以對雨水進行資源利用。

(5)加強城市基礎設施日常管理

優化城市排水相關部門的日常管理和配合模式，加強部門間綜合統籌。及時關注氣象信息，提前制定完善的暴雨應急機制，在特大暴雨來臨前根據既定的應急預案，高效、果斷的騰出庫容，預降水位，降雨時蓄積雨水，降雨較少時再釋放庫容。保證城市排水按照雨天蓄水、旱天放水這一可持續的良好模式運行，最大限度減少管網、泵站的壓力，全面提升城市排水能力。加強對城市市政基礎設施的日常巡檢，保證各設施及時有效運行。

5 結束語

本文從內澇的成因和內澇的特點出發，通過對MIKE URBAN耦合模型的分析，發現研究區域在規劃條件下，雨水規劃管道可以滿足3年一遇降雨排水要求，遭遇10年一遇降雨時，區域存在部分積水，但積水量不大。最后針對內澇成因提出了城市內澇防治的應對策略，以期對城鎮的內澇防治提供一些解決思路。