MIKE FLOOD模型在高密度建成區排澇方案中的應用
2024-03-08 00:00:00嚴恒恒盧巧慧
人民珠江 2024年12期
關鍵詞：高密度建成區；排澇方案；MIKE FLOOD模型；以洪為主；以潮為主
中圖分類號：TV122 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）12-0030-09
隨著城市的發展和擴張，許多城市的建設用地嚴重緊缺，因此對地塊進行高強度、高密度開發成為城市土地利用的必由之路［1］。城市建設用 地高密度開發的模式帶來硬化面積迅速擴展，使得暴雨引發的洪澇災害問題愈發嚴峻，影響社會經濟發展及居民生活，甚至威脅城市安全［2-3］。因此，針對城市高密度建成區制定合理的排澇方案是十分重要的。
城市雨洪模型是研究解決城市洪澇災害的重要手段［4］。國外的學者們在19世紀就開始著手研究城市雨洪模型，早期的推理公式法、CHM 模型、SCS模型、HSPF模型等開始逐漸出現在人們的視角中［5-9］。隨著技術不斷進步，功能更多、應用更廣的雨洪模型陸續被國內外學者開發使用，包括InfoWorks 系列模型［10-11］ 、MIKE 系列模型［12-14］ 、SWMM［15-18］、SUSTAIN［19-20］等。
深圳市人口密度高達8 888人/km2［21］，居全國之首，是典型的高密度開發城市。深圳市地處中國東南沿海臺風頻繁登陸地區，屬亞熱帶海洋性氣候，降雨充沛導致暴雨內澇頻發。本次研究以深圳市福海河南片區為研究對象，應用MIKE FLOOD模型模擬片區基于以洪為主及以潮為主情景下的內澇情況，并提出集中排澇及分散排澇2種方案，最終根據片區內澇面積、受澇時間及河道漫頂情況確定分散排澇方案為片區的最優排澇方案。本次研究結果可為高密度建成區排澇方案提供基礎，對保障城市安全發揮重要意義。
1研究區概況
1. 1基本概況
福海河位于深圳市寶安區西北部大空港新城建設區域，片區總面積約95 km2。本次研究區域為福海河中節制閘以南區域，包括福海河南段、南連通渠、沙福河、塘尾涌、玻璃圍涌，匯水面積21. 28km2。研究區域地勢整體較高，洪水可自排入海；但發生極端高潮位事件時，因潮位頂托，片區澇水無法外排。
1. 2防洪排澇體系
片區防洪工程體系由福海河干流南段、南連通渠、沙福河、塘尾涌、玻璃圍涌等河道及福海河南節制閘、南連通渠節制閘、中節制閘等水閘組成。片區防洪排澇體系見圖1。
2內澇模型構建
2. 1模型構建
本次采用丹麥水利研究所（DHI）研發的MIKE FLOOD軟件平臺，耦合MIKE 11河道一維水動力模塊、MIKE URBAN城市管網一維水動力學模塊和MIKE 21二維地表漫流計算模塊，搭建暴雨產流-管網匯流-河道匯流-地表徑流的雨水全過程、地下-地表、一維-二維耦合模型，見圖2。
a）一維河道模型。應用MIKE 11模型構建研究區一維河道模型，不同河段采用不同的河床糙率，取值為0. 02～0. 05。
b）二維地表模型。結合大空港福海河片區最新地形數據，通過ARCGIS軟件進行地形處理，并導入到MIKE 21模型。
c）一維管網模型。結合大空港福海河片區管網數據，通過ARCGIS軟件對管網數據進行前處理，并導入到MIKE URBAN模型。
d）MIKE FLOOD耦合模型。將一維河道模型、二維地表模型和一維管網模型導入到MIKE FLOOD平臺進行耦合運算。
2. 2模型驗證
本次模型驗證將2018年8月29日及2018年9月16日2場降雨作為輸入情景，通過模型復演的方式，分別進行“08·29”“09·16”暴雨洪澇模擬，將耦合模型模擬結果與歷史相應水浸點的分布情況進行對比分析，通過均方根誤差RMSE和相對均方根誤差RMSEr兩個指標來評價模型的精度［22］，計算見式（1）、（2）。2 場降雨期間片區降雨及潮位過程見圖3。
由模型驗證結果可知，2次降雨造成片區發生較嚴重內澇積水10處，10處內澇積水點實測水深值及模擬水深值見表1，可見模擬與實測水深誤差在±10cm之間，均方根誤差為0. 04m，相對均方根誤差在10%以內，模型計算的內澇分布與實際調查的內澇點分布具有較高的吻合性。因此認為耦合模型具有較好的準確性，總體符合預期，可作進一步研究。
3防洪排澇能力分析
3. 1洪潮組合
由于福海河為感潮河道，同時受降雨及潮汐的影響，本次分析以洪水為主、潮汐相應和以潮汐為主、洪水相應2種情景來研究洪潮遭遇問題，選取距離片區最近的赤灣潮位站及鐵崗水庫雨量站作為代表站。
a）以洪為主工況。點繪1967—2018年鐵崗水庫24h暴雨期間遭遇赤灣站最高潮位相關關系圖，見圖4。由圖可知，當鐵崗水庫站發生極端降雨時，赤灣站的潮位除1969、2018年高于多年平均高潮位外（占比不足4%），其余年份相應潮位均低于多年平均高潮位。因此可認為最大24 h降雨量與相應高潮位沒有明顯的相關性，可視為獨立事件。
b）以潮為主工況。點繪1967—2018年赤灣站高潮位遭遇鐵崗水庫24h降雨相關關系圖，見圖5。由圖可知，當赤灣站發生極端高潮位時，鐵崗水庫站的降雨量均小于年最大多年平均降雨量。因此可認為高潮位與相應24 h降雨量沒有明顯的相關性，可視為獨立事件。
綜上，最高潮位主要受到天文潮及風暴潮的影響，而最大降雨則是大氣氣象因素引起，兩者通常不會同時出現。根據上述遭遇分析結果及參考《廣東省防洪（潮）標準和治澇標準（試行）》，考慮赤灣站平均每年抬高約7. 3mm，至2035年估算抬升約110mm，赤灣站5年一遇高潮位高于多年平均高潮位210mm，加之海平面上升的不確定性，本文偏于安全考慮，采用洪潮組合如下：①以洪為主，100年一遇設計洪水遭遇5年一遇潮位；②以潮為主，200年一遇高潮位遭遇5年一遇洪水。各設計頻率暴雨過程見圖6，各設計頻率潮位過程線見圖7。
3. 2河道行洪能力分析
由于福海河南片區的3座節制閘高程均高于200年一遇高潮位，若片區遭遇高潮位而無降雨工況，僅需關閉節制閘以防止潮水倒灌，此工況下片區不會因為洪水或者潮位頂托引起內澇，因此本研究不考慮此工況。應用MIKE 11模型，推求以洪為主及以潮為主情景下，福海河南段及3條支流的水面線，結果顯示：當發生以洪為主情景時，福海河南段及3條支流均不漫頂，其作為高水高排通道能保證防洪體系正常運行。當發生以潮為主情景時，福海河南段未漫頂，但3條支流均漫頂，因此在以潮為主情景下，因潮水位頂托，河網的蓄澇容積不足，無法滿足河道自排的要求。
3. 3受澇風險分析
利用MIKE FLOOD耦合模型模擬福海河南片區以洪為主及以潮為主2種情景下的內澇情況，見圖8。根據模擬結果可得，當發生以洪為主情景時，福海河南片區內澇積水面積為0. 487 km2；當發生以潮為主情景時，內澇積水面積0. 142 km2。片區內存在局部受澇問題，存在3處內澇點和20處積水點。
4排澇方案研究
4. 1方案設計
結合福海河南片區的河流水系分布情況及區域受澇特點，本文提出分散排澇和集中排澇2種方案解決片區受澇問題。
a）集中排澇方案。在福海河南出口的河口位置設置一座集中排澇泵站，使得河口的最高水位不超過治澇控制水位。因集中排澇方案下以洪為主的泵站規模要大于以潮為主的泵站規模，因此該方案僅需分析以洪為主的泵站規模，經計算得泵站規模為173m3/s。
b）分散排澇方案。以既有的河涌作為澇水外排通道，針對片區在以洪為主情景下3處主要受澇點分別建設分散泵站予以解決，經計算3座分散排澇泵站總規模為31m3/s，見表2。針對片區在以潮為主情景下3條支流出現漫頂問題，在河口設置排澇泵站降低河道水位，以將內河最高水位控制在5年一遇潮位值，經計算河口建設泵站規模為55m3/s。綜上，建設3座分散排澇泵站及1座河口排澇泵站，組成區域內的分散治澇方案，見圖9。
4. 2方案比選
應用MIKE FLOOD模型對福海河南片區在以洪為主和以潮為主2種情景下，分散排澇和集中排澇2種方案的內澇情況進行模擬分析，以期選出片區最優排澇方案。
經模型計算，在以洪為主情景下，若采用集中排澇方案片區內澇面積由0. 487km2減少至0. 443km2，僅減少9. 03%，見圖10。可知，河道水位頂托不是以洪為主情景的內澇主因，管道過流不足才是該情景發生內澇的決定性因素。
分散排澇方案可根據以洪為主和以潮為主情景分情況調度。當發生暴雨洪水時，利用3座分散排澇泵站解決城區的3處受澇點內澇問題，此時福海河南出口河口閘打開，福海河洪水自排入海；當發生極端高潮位時，福海河南出口河口閘需關閉，利用河口泵站抽排降低干流水位，解決防潮與澇水蓄澇容積不足的排放問題。應用MIKE FLOOD模型分別模擬以洪為主和以潮為主情景下，采用分散排澇方案的片區內澇情況，見圖11。
除了內澇深度，受澇時間也往往作為受災程度的指標。因此，選取同一個內澇點，比較其在以洪為主及以潮為主情景下，分別采用現狀、集中排澇、分散排澇方案對應的受澇時間（內澇深度超過15cm的時間），見圖12。
根據上述模擬結果，統計各工況下內澇及河道漫頂情況，見表3。由表3可知，在以洪為主情景下，集中排澇、分散排澇方案相比現狀的內澇面積降幅分別為9.03%、37.78%，同一個內澇點受澇時間降幅分別為6.00%、24. 53%，分散排澇方案效果較集中排澇效果更為明顯，且3處內澇點均已基本消除；在以潮為主情景下，集中排澇、分散排澇方案均能解決3條支流現狀漫頂問題，分散排澇方案較現狀可有效減少74. 65%內澇面積，同一個內澇點可顯著縮短51. 61%的受澇時間。綜合來看，分散排澇方案既能有效解決福海河南片區局部內澇問題，又能避免3條支流出現漫頂情況，同時泵站規模較小可節省用地及工程建設成本。因此，選擇分散排澇方案作為福海河南片區最優排澇方案，即在低洼易澇處建設3座排澇泵站，總抽排流量為31m3/s；在河口建設排澇泵站，抽排流量為55m3/s。
5結論
以深圳市大空港福海河南片區為例，基于以洪為主及以潮為主2種情景，應用MIKE FLOOD模型模擬分析高密度建成區現狀、集中排澇方案及分散排澇方案對應的內澇情況，所得結論如下。
a）在以洪為主及以潮為主2種情景下，片區現狀內澇積水面積分別為0.487、0.142km2，片區內存在3處內澇點及20處積水點；在以洪為主情景下，福海河南段及3條支流不漫頂，其作為高水高排通道能保證防洪體系正常運行；在以潮為主情景下，福海河南段未漫頂，但3條支流均漫頂，主要原因為潮水位頂托，河網的蓄澇容積不足，無法滿足河道自排的要求。
b）在以洪為主情景下，集中排澇、分散排澇方案相比現狀的內澇面積降幅分別為9. 03%、37.78%，同一個內澇點受澇時間降幅分別為6.00%、24. 53%；在以潮為主情景下，集中排澇、分散排澇方案均能解決3條支流現狀漫頂問題，分散排澇方案較現狀可有效減少74. 6%內澇面積，同一個內澇點可顯著縮短51.61%的受澇時間。因此，選擇分散排澇方案作為福海河南片區最優排澇方案，即在低洼易澇處建設3座排澇泵站，總抽排流量為31m3/s；在河口建設排澇泵站，抽排流量為55m3/s。
c）分散排澇方案可根據以洪為主和以潮為主情景分情況調度：當發生暴雨洪水時，利用3座分散排澇泵站解決城區的3處受澇點內澇問題，此時福海河南出口河口閘打開，福海河洪水自排入海；當發生極端高潮位時，福海河南出口河口閘需關閉，利用河口泵站抽排降低干流水位，解決防潮與澇水蓄澇容積不足的排放問題。
本研究揭示了MIKE FLOOD模型在高密度建成區排澇方案制定的作用，并綜合考慮內澇及河道漫頂治理、建設成本等因素確定了大空港福海河南片區的最優排澇方案，研究成果可為科學指導高密度建成區制定排澇方案提供借鑒。
