基于DHI MIKE模型的城市內澇模型應用研究

樊書銘，馬立山，楊國麗，馬寧寧

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

統計數據顯示，我國積水深大于50 cm的城市有261個，積水時常大于12 h的城市有56個[1]。唐明等[2]利用耦合模型模擬了南昌市青山湖排澇片區的暴雨內澇情況，確定了復合雨型法；陳安麗等[3]通過耦合協調度模型評估了福州市內澇風險等級，繪制了風險等級表；徐雷等[4]基于SWMM構建了路段明渠與管段壓力耦合的排澇模型，設計了行泄通道方案；田福昌等[5]利用MIKE FLOOD 耦合模型模擬了區域淹沒范圍及溢流過程。

結合岳陽樓區實際地貌及降雨特征，通過MIKE 模型模擬管網降雨和輸水過程，結合耦合模型來分析完善管網的運行，為岳陽樓區防澇防洪提供科學依據。

1 研究區概況與數據預處理

1.1 研究區概況

岳陽市為湖南省第二大經濟體，是一座有著2 500多年悠久歷史的文化名城。研究區域為岳陽市岳陽樓區青年東路附近，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降雨量為1 289.8～1 556.2 mm，最大降雨量達2 336.5 mm，最小降雨量為750.9 mm。

1.2 數據預處理

1.2.1 數據來源

通過資料收集所得數據，包括建筑資料、數字高程、路線分布、排水管網資料、降水數據。數字高程來源于地理空間數據云平臺，降水數據來自于中國氣象數據共享網，研究區域建筑物、排水管網、道路分布數據來自于中南勘察設計研究院。

1.2.2 雨型設計

經岳陽樓區提供的1984—2013年的降雨數據設計暴雨強度公式[6]：

式中：q為設計暴雨強度(L/s·hm2)；P為暴雨重現期(年)P≥2；t為降雨歷時(min)。

采用降雨歷時120 min，設計降雨采用芝加哥模式，雨峰系數選用0.3，重現期為 2、3、5、10年的降雨，4種重現期降雨強度的柱狀圖如圖1所示，降雨峰值為9∶41。

圖1 降雨重現期雨型分布Fig.1 Rainfall pattern distribution during the return period of rainfall

1.2.3 排水管網數據處理

采用Geodatabase方法，其具有智能化功能，可精確高效體現模擬物的特征與流動[7]。憑借一體化功能，可便捷管理音視頻、動靜態等，已被廣泛應用于數據導出中[8]。將收集得到的資料轉換為Excel格式，驗證無誤后將數據進行整理并分類表示。

1.2.4 地形文件預處理

通過ArcGIS對地形文件處理，導入高程點進行柵格插值[9]，獲得ASCII類型，實現在GIS中的轉化步驟，構建二維地形。

2 城市內澇模型

通過模擬降雨流動制成降雨流量流動線，從而提供水力模擬所需數據，考慮降雨的時間序列劃分集水區，邊界條件設為暴雨過程，集水區劃分如圖2所示。劃分按照就近原則和等份分配原則[10]，采用T-A模型匯流，道路圖層不透水率0.90，建筑物圖層不透水率取0.80，其余取0.60不透水率。

圖2 集水區連接與劃分Fig.2 Watershed connection and division

2.1 一維模型

一維模型MIKE URBAN作為研究管網的非恒定模型，依照地貌及管道布局并結合MIKE 21耦合，實現對降雨及徑流流態的模擬全程。該模型可精確描述水流流動狀態及各階段水頭損失等[11]。設計暴雨條件求得的結果即處理后的徑流模擬結果。

2.2 二維模型

二維模型MIKE 21為二維地表漫流[12]，采用有限差分計算二維淺水方程，用來模擬檢查井溢流造成的地表水淹沒的范圍和時間等。網格劃分是MIKE 21的關鍵步驟[13]，結合實際情況，水流遇實體繞流，故添加道路和建筑，建筑加高25 m，道路降低0.15 m，陸地值定為100 m，達到網格水不淹沒陸地要求且邊界為全閉合。研究區三維地形如圖3所示。

圖3 三維地形示意圖Fig.3 3D topographic map

道路和建筑初始的流量和水深定為0 m，起始流速為0 ms-1。查閱2013—2014年度洪水風險圖，選定徑流系數與糙率參數，如表1和表2所示。

表1 徑流系數取值表Tab.1 Values of runoff coefficient

表2 二維模型糙率參數選值表Tab.2 Roughness parameter selection values of two-dimensional model

2.3 耦合模型

將MIKE UEBAN和MIKE 21進行耦合[14]，形成耦合模型MIKE FLOOD。該耦合模型吸取一維模型和二維模型的優點，可同步模擬管網、徑流和構筑物等，直觀顯示模擬過程與積水水深和范圍等結果，適用范圍更大，適用性更強。耦合方式采用人孔連接，其主要用來分析管網改造與優化。

3 結果與分析

4種重現期降雨匯流量結果如圖4所示，可知匯流量與重現期呈正相關趨勢。

圖4 重現期的地面匯流量結果Fig.4 Surface runoff results in return period

3.1 管網現狀排水能力

管道充滿度以2年重現期結果為例，取0 min、35 min、60 min和120 min 4個降雨時間段并劃分0～0.5、0.5～1、1～2和2～max 4個區間，管道充滿情況如圖5所示。結果顯示：0 min管道充滿度均低于0.5；35 min達峰值時刻，大部分管道充滿度為2max，滿管超60%；60 min管道水位降低，滿管現象緩解；120 min降雨停止，滿管只占15%，管道載水壓力大幅度緩解。

評價指標為各充滿度的管道長度，不同時刻管道充滿度等級劃分如表3所示。

圖5 管道充滿度情況Fig.5 Pipeline fullness

表3 不同時刻管道充滿度等級劃分Tab.3 Classification of pipe filling at different times

3.2 內澇區域確定

通過耦合模型計算得4種降雨積水情況。積水區域集中在滿管與節點溢流位置，積水原因為管道充滿度造成的溢流。最大積水深度分布如圖6所示，圖a、b、c、d對應2年、3年、5年和10年降雨重現期最大積水深度分布情況。

圖6 最大積水深度分布圖Fig.6 Maximum water depth distribution

結果顯示：平均最大積水深度值在2年、3年、5年、10年分別為0.457 m、0.461 m、0.461 m、0.465 m。積水深度最大值在2年、3年、5年、10年分別為4.868 m、5.104 m、5.346 m、6.611 m，結果均高于地面積水標準。

4 結論

針對岳陽樓區的降雨及排水現狀，利用MIKE模型對積水進行分析，得出結論如下：基于DHI MIKE建立岳陽樓區內澇模型，采用一維模型MIKE URBAN實現對降雨及徑流流態的模擬全程，二維漫流模型MIKE 21模擬檢查井溢流造成的地表水淹沒的范圍和時間，耦合模型MIKE FLOOD模擬地面匯流及排水結果，直觀顯示模擬過程與積水水深和范圍等結果，模型模擬與真實情況貼合。降雨重現期為2年時，管道非充滿態僅占比37%，輸水能力差，結果表明岳陽樓研究區未達國家規范標準。積水原因為管道溢流，其中劃分積水的區域大部分為中風險地區。針對內澇積水問題，建議部分管道加大管徑，使其符合排水標準，建立系統的監測排水預防系統，通過本模型模擬結果可制定有效的防澇防溢流方案。