基于MIKE FLOOD的典型濱湖城市排水防澇系統規劃

李虎成，王天宇，王靈華，劉興坡，賈仁勇

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣州 510610；2.上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306； 3.上海海事大學 海洋環境與生態模擬研究中心，上海 201306; 4.安徽省巢湖市住房和城鄉建設局，安徽 巢湖 238001； 5.上海市城市建設設計研究總院，上海 200125)

為消除城市內澇，城市排水規劃方案的制定已刻不容緩。國內外都基于暴雨內澇風險評估做了相關研究。內澇風險識別與評估目前常用的方法有歷史災情數理統計法，指標體系法，基于情景模擬評估法。

此外毛緒昱等人可通過一種基于推理公式的簡便方法進行評估，即通過將管網系統在臨界狀態下的理論過流能力與基于推理公式的內澇防治設計重現期下的設計雨量進行對比，進而實現對積水程度的評估。張弘針對風險評估模糊不確定性問題，采用可變模糊聚類方法，通過相對隸屬度與聚類中心之問的動態迭代，得到城市雨水內澇風險評估結果。蘇伯尼等人建立了一套針對城市暴雨內澇災害的定量風險評估方法。通過二維水力學模型模擬積水的時空分布，采用基于國內實地調查獲得的脆弱性曲線估算內澇災害損失。朱剛等人將精細模型應用于排水分區的系統排水能力評估和內澇風險分析中，繪制內澇風險圖與泄流路徑，為工程和非工程性組合措施的規劃提供了科學依據。王乾勛等人介紹了建模軟件MIKE URBAN對現狀管網進行評估以及風險區劃分，在內澇分析的基礎上制定規劃方案。Boughton等對利用水文模型的長期模擬結果評價洪錯災害設計標準的方法進行了總結。

針對此情況，筆者在規劃層面應用MIKE FLOOD(一維和二維動態耦合的雨洪模擬軟件)對巢湖市主城區進行了城市排水防澇系統評估模型的構建，為其他城市開展模型構建工作以及城市排澇規劃的編制提供技術參考。

1 建模區域概況及數據準備

巢湖市城市排水模型構建區域主要位于巢湖市城區，西起湖光路、東至裕溪路，北起金山路，南至前進路(見圖1)。主要包括老城區、小王莊區、巢北區、半湯新區、東安圩區、民營經濟園區、賈塘圩區以及官圩區。

圖1 建模區域示意圖Fig.1 Modeling area

建?；A數據包括Excel格式存在的管道以及檢查井等管網信息、主要為CAD文件中的高程點信息構成的地形數據、現場勘察照片和衛星圖片等。

2 模型構建流程

2.1 建模軟件

MIKE FLOOD是一個把一維模型(MIKE URBAN和MIKE11)和二維模型(MIKE 21)進行動態耦合的建模系統(見圖2)。其中MIKE URBAN是排水管網系統模塊，用于雨水徑流模擬和管網模擬；MIKE 21是地表漫流模塊，通過生成地形文件模擬地面雨水的流動情況。二者結合，模擬主城區排水以及內澇狀況。

圖2 建模技術路線框圖Fig.2 Modeling technology route

2.2 一維模型的構建

2.2.1 模型概化

(1)管網數據導入：將巢湖城區檢查井的管頂管底高程、大小以及排水管道的管長、管徑、起點終點的管底高程等空間數據以及屬性導入MIKE URBAN軟件中。

(2)拓撲檢查與修正：對管網拓撲關系進行檢查與修正，拓撲錯誤主要包括管道數據缺失、管道逆坡、雨污混接等。對管道拓撲問題的類型、數量以及處理方法進行統計。

(3)匯水區域劃分：根據管道走向、建筑物特點和街道分布，人工劃分集水區。再結合實際地形情況，對集水區邊界進行修正，形成建模的匯水區域236個。

基于上述步驟，完成巢湖市老城區模型搭建，結果如圖3所示。該系統包括管段3 776個，檢查井4 051個，236個集水區，管道總長114.69 km。

圖3 排水系統骨架搭建成果Fig.3 Skeleton of drainage system

2.2.2 河網模型概化

長江流經市域東南邊緣，市域內河流主要屬于長江流域的巢湖—裕溪河水系。巢湖城區位于巢湖流域的中心，穿過城區的河道主要有裕溪河、清溪河、雙橋河、抱書河、天河、環城河等。需要概化的有河流長度、設計水位、河流斷面以及河底高程、流向、河流連接等屬性和參數。進而生成河網文件、斷面文件、時間序列文件以及參數文件，綜合模擬得到MIKE 11模擬文件。

2.2.3 降雨設置

采用合肥市最新修編的暴雨強度公式(代巢湖市暴雨強度公式)及雨型分析結果，利用雨型設計軟件生成所需降雨歷時曲線。

(1)

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

本文主要研究1、2、3、5、10 a 5種重現期的短降雨歷時，以2 a重現期為例，巢湖市120 min芝加哥雨型的主要設置情景如圖4所示。

圖4 2年一遇120 min雨型Fig.4 The rain type of 2 years once 120 min

為開展內澇防治設施規劃設計，需研究長歷時設計降雨雨型。城市排水防澇工程的長歷時設計暴雨選擇歷時24 h，步長為5 min的雨型(采用K.C法雨型分配圖)，以對各防澇分區設計重現期防澇標準下的排澇能力進行評估。首先采用20年一遇24 h的長歷時設計暴雨進行防澇工程設計(見圖5)，然后采用50年一遇24h長歷時設計暴雨進行防澇工程校核(見圖6)。

圖5 20年一遇24 h設計暴雨Fig.5 20 years once in a 24 h design storm

圖6 50年一遇24 h設計暴雨Fig.6 50 years once in a 24 h design storm

2.2.4 參數設置

MIKE URBAN雨水系統模型模擬由徑流(Runoff)模擬和管網(Network)模擬兩部分組成。徑流模擬得出雨水經過集水區匯入管道前到底產生的徑流量，所以首先要進行徑流模擬，徑流模擬的結果要作為條件導入到管網模擬中。

徑流模擬中采用的模型是時間面積曲線模型(T-A Curve)，連續的匯流過程是通過離散的時間步長計算得出的，在空間上假定的恒定匯流速度是基于將區域表面劃分為若干個單元的基礎上計算得到的。涉及的參數主要有徑流系數和匯流面積曲線等。

隨著城市化程度的提高，巢湖市老城區建筑密度增大，城市下墊面構成較為復雜，同時城市局部微地形較多，這些因素均會對城市地表流行的糙率帶來影響。選取典型街區，按照加權平均計算得出徑流系數為0.59。結合國內類似城市及巢湖市以往的經驗，考慮建設的連續性，巢湖市除老城區屬城市中心區徑流系數取0.60以外，其余規劃區均按一般規劃區考慮，徑流系數取0.50，集中公共綠地的徑流系數采用0.30。匯流面積曲線選取MIKE URBAN中的規則的匯水區域對應的匯流曲線。徑流模擬的初始損失為0.000 6 m，衰減系數為0.90。

2.3 二維模型的構建

(1)地面高程文件的處理。使用MIKE ZERO中Arctoolbox中的工具，將帶有高程點數據的巢湖主城區CAD圖導入，實現點的高程數據到柵格數據的轉換，再利用Raster Interpolation對柵格的點數據進行插值處理，實現由點到面的轉化，生成地形圖層。

(2)二維模型的生成。將CAD中的道路和建筑圖形也轉換為于高程柵格網格大小一致的柵格圖層，將所有的道路、建筑以及地形圖層輸出為ASCII格式保存。利用軟件工具分別得到道路建筑的dfs2文件，形成巢湖的道路、建筑、地形的整體dfs2文件。在MIKE21中載入該dfs2文件，定義匯水范圍以及陸地邊界值，得到最終的二維模型。

在MIKE FLOOD中將一維管網模型、河網模型和二維地形建筑模型進行耦合模擬得到巢湖市主城區內澇分布圖。

3 模擬結果與誤差分析

3.1 現狀排水能力評估

重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災的水力狀態定義為“超載”，一般當出現超載狀態時，可認為管段流量超過設計能力。因此，在評估中，若管道出現超載狀態，則視為該段雨水管道的排水能力不滿足相應重現期標準。由表1可以看出，城區現狀排水管道約36%重現期小于2年一遇，此部分管道重現期偏小。

表1 現狀排水管渠排水能力評估表Tab.1 The status of drain ditch drainage ability assessment

3.2 模型宏觀校準

為了便于分析內澇模擬的準確性，選取巢湖市老城區作為分析對象。巢湖老城區2年一遇積水深度空間分布如圖7所示。

圖7 巢湖老城區2年一遇積水深度空間分布Fig.7 Chaohu city 2 years once in a spatial distribution of water depth

通過實際與模擬結果的對比，可以看出模擬的內澇點與實際情況基本符合，又載入1、3、5、10年重現期的降雨，發現最大的誤差區域在東風路，需要對模型進行優化調整。

為了識別模型校準的關鍵參數，針對老城區21個不同大小的集水區、12個水文模型參數，采用5種不同的降雨情境進行局部分析。按照各個參數設置的總體情況，介于模型的概化已經確定，所以認為匯水子區域面積、平均坡度、排水管網特征數據以及地形數據等為可信度較高的基礎數據，不需要再次進行調整。所以只有通過調整相應的水文參數來優化內澇模型。集水區地表徑流過程采取的是時間面積曲線模型，模型校準主要調整集水區徑流系數系數、(透水區)初始入滲率，以及時間面積曲線的優化。

在誤差較大的集中區域，對其下墊面情況進行系統分類，大致為：不透水區、林區、草坪、土壤以及水域。根據《場地規劃與設計手冊》，結合集水區坡度特點，得到單一下墊面徑流系數，應用面積加權公式對相應的集水區徑流系數做出了細化和調整。對調整后的結果做了如下歸納(見表2)。

表2 巢湖老城區2年一遇積水區域分布表Tab.2 Chaohu city 2 years in a regional distribution of water

3.3 巢湖市積水點分析

經過進一步參數調整之后，以巢湖市的主城區為研究對象，分別采取1、2、3、5和10年降雨重現期的短歷時降雨對巢湖市主城區進行內澇分析模擬，發現巢湖市易產生內澇的區域主要如下：長江西路上巢湖水泥廠路段；長江西路上巢湖鑄造廠立交橋路段；長江西路和龜山路交界處東部路段；龜山路和湖光路交界處；龜山路麗景國際路段；健康西路和愛心路交叉處南部；東塘路和向陽南路交界處路段；向陽南路和裕溪路交界處北部路段；半湯路華仁堂藥房路段；半湯路鳳凰商業街路段；姥山路和紫薇路交界處西部路段；金湖大道和金山路交界處南部路段；姥山路和金湖大道交界處西部路段等。

不同降雨重現期情景下，內澇點位置變化不大，只是在積水深度和淹沒面積方面稍有差異，內澇評估結果與巢湖市現狀易澇點調查資料吻合度較好(見圖8)。

圖8 巢湖市2年一遇2 h降雨工況積水深度空間分布Fig.8 Chaohu city 2 years once in a 2 hour rainfall spatial distribution condition of water depth

4 結 語

本文基于MIKE FLOOD平臺對巢湖市內澇進行了模擬研究和內澇風險評估，主要結論如下。

(1)極端降雨天氣是決定城市積澇成災程度的自然因素，降雨強度增強，排水管網負荷加大，雨水不能及時排出即可導致內澇發生，同一內澇點，10年一遇的降雨條件下的積水面積是1年一遇降雨條件下的2倍。

(2)不同降雨重現期情景下，只是積水深度和淹沒面積的改變。內澇點位置大體不變，這對排水系統的整治提供了參考。

(3)內澇以及排水管網模型的參數校準主要體現在集水區徑流系數系數、(透水區)初始入滲率，即集水區下墊面參數對模型的印象較為顯著。

(4)基于MIKE FLOOD平臺，建立了巢湖市主城區的雨水以及內澇模型，模擬效果較好，結果與實際情況基本吻合，適用于城市防澇規劃、設計以及內澇風險評估。

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