基于MIKE FLOOD的典型滨湖城市排水防涝系统规划

李虎成，王天宇，王灵华，刘兴坡，贾仁勇

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510610；2.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306； 3.上海海事大学 海洋环境与生态模拟研究中心，上海 201306; 4.安徽省巢湖市住房和城乡建设局，安徽 巢湖 238001； 5.上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

为消除城市内涝，城市排水规划方案的制定已刻不容缓。国内外都基于暴雨内涝风险评估做了相关研究。内涝风险识别与评估目前常用的方法有历史灾情数理统计法，指标体系法，基于情景模拟评估法。

此外毛绪昱等人可通过一种基于推理公式的简便方法进行评估，即通过将管网系统在临界状态下的理论过流能力与基于推理公式的内涝防治设计重现期下的设计雨量进行对比，进而实现对积水程度的评估。张弘针对风险评估模糊不确定性问题，采用可变模糊聚类方法，通过相对隶属度与聚类中心之问的动态迭代，得到城市雨水内涝风险评估结果。苏伯尼等人建立了一套针对城市暴雨内涝灾害的定量风险评估方法。通过二维水力学模型模拟积水的时空分布，采用基于国内实地调查获得的脆弱性曲线估算内涝灾害损失。朱刚等人将精细模型应用于排水分区的系统排水能力评估和内涝风险分析中，绘制内涝风险图与泄流路径，为工程和非工程性组合措施的规划提供了科学依据。王乾勋等人介绍了建模软件MIKE URBAN对现状管网进行评估以及风险区划分，在内涝分析的基础上制定规划方案。Boughton等对利用水文模型的长期模拟结果评价洪错灾害设计标准的方法进行了总结。

针对此情况，笔者在规划层面应用MIKE FLOOD(一维和二维动态耦合的雨洪模拟软件)对巢湖市主城区进行了城市排水防涝系统评估模型的构建，为其他城市开展模型构建工作以及城市排涝规划的编制提供技术参考。

1 建模区域概况及数据准备

巢湖市城市排水模型构建区域主要位于巢湖市城区，西起湖光路、东至裕溪路，北起金山路，南至前进路(见图1)。主要包括老城区、小王庄区、巢北区、半汤新区、东安圩区、民营经济园区、贾塘圩区以及官圩区。

图1 建模区域示意图Fig.1 Modeling area

建模基础数据包括Excel格式存在的管道以及检查井等管网信息、主要为CAD文件中的高程点信息构成的地形数据、现场勘察照片和卫星图片等。

2 模型构建流程

2.1 建模软件

MIKE FLOOD是一个把一维模型(MIKE URBAN和MIKE11)和二维模型(MIKE 21)进行动态耦合的建模系统(见图2)。其中MIKE URBAN是排水管网系统模块，用于雨水径流模拟和管网模拟；MIKE 21是地表漫流模块，通过生成地形文件模拟地面雨水的流动情况。二者结合，模拟主城区排水以及内涝状况。

图2 建模技术路线框图Fig.2 Modeling technology route

2.2 一维模型的构建

2.2.1 模型概化

(1)管网数据导入：将巢湖城区检查井的管顶管底高程、大小以及排水管道的管长、管径、起点终点的管底高程等空间数据以及属性导入MIKE URBAN软件中。

(2)拓扑检查与修正：对管网拓扑关系进行检查与修正，拓扑错误主要包括管道数据缺失、管道逆坡、雨污混接等。对管道拓扑问题的类型、数量以及处理方法进行统计。

(3)汇水区域划分：根据管道走向、建筑物特点和街道分布，人工划分集水区。再结合实际地形情况，对集水区边界进行修正，形成建模的汇水区域236个。

基于上述步骤，完成巢湖市老城区模型搭建，结果如图3所示。该系统包括管段3 776个，检查井4 051个，236个集水区，管道总长114.69 km。

图3 排水系统骨架搭建成果Fig.3 Skeleton of drainage system

2.2.2 河网模型概化

长江流经市域东南边缘，市域内河流主要属于长江流域的巢湖—裕溪河水系。巢湖城区位于巢湖流域的中心，穿过城区的河道主要有裕溪河、清溪河、双桥河、抱书河、天河、环城河等。需要概化的有河流长度、设计水位、河流断面以及河底高程、流向、河流连接等属性和参数。进而生成河网文件、断面文件、时间序列文件以及参数文件，综合模拟得到MIKE 11模拟文件。

2.2.3 降雨设置

采用合肥市最新修编的暴雨强度公式(代巢湖市暴雨强度公式)及雨型分析结果，利用雨型设计软件生成所需降雨历时曲线。

(1)

式中：q为设计暴雨强度， L/(s·hm2)；P为设计降雨重现期，a；t为设计降雨历时，min。

本文主要研究1、2、3、5、10 a 5种重现期的短降雨历时，以2 a重现期为例，巢湖市120 min芝加哥雨型的主要设置情景如图4所示。

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

为开展内涝防治设施规划设计，需研究长历时设计降雨雨型。城市排水防涝工程的长历时设计暴雨选择历时24 h，步长为5 min的雨型(采用K.C法雨型分配图)，以对各防涝分区设计重现期防涝标准下的排涝能力进行评估。首先采用20年一遇24 h的长历时设计暴雨进行防涝工程设计(见图5)，然后采用50年一遇24h长历时设计暴雨进行防涝工程校核(见图6)。

图5 20年一遇24 h设计暴雨Fig.5 20 years once in a 24 h design storm

图6 50年一遇24 h设计暴雨Fig.6 50 years once in a 24 h design storm

2.2.4 参数设置

MIKE URBAN雨水系统模型模拟由径流(Runoff)模拟和管网(Network)模拟两部分组成。径流模拟得出雨水经过集水区汇入管道前到底产生的径流量，所以首先要进行径流模拟，径流模拟的结果要作为条件导入到管网模拟中。

径流模拟中采用的模型是时间面积曲线模型(T-A Curve)，连续的汇流过程是通过离散的时间步长计算得出的，在空间上假定的恒定汇流速度是基于将区域表面划分为若干个单元的基础上计算得到的。涉及的参数主要有径流系数和汇流面积曲线等。

随着城市化程度的提高，巢湖市老城区建筑密度增大，城市下垫面构成较为复杂，同时城市局部微地形较多，这些因素均会对城市地表流行的糙率带来影响。选取典型街区，按照加权平均计算得出径流系数为0.59。结合国内类似城市及巢湖市以往的经验，考虑建设的连续性，巢湖市除老城区属城市中心区径流系数取0.60以外，其余规划区均按一般规划区考虑，径流系数取0.50，集中公共绿地的径流系数采用0.30。汇流面积曲线选取MIKE URBAN中的规则的汇水区域对应的汇流曲线。径流模拟的初始损失为0.000 6 m，衰减系数为0.90。

2.3 二维模型的构建

(1)地面高程文件的处理。使用MIKE ZERO中Arctoolbox中的工具，将带有高程点数据的巢湖主城区CAD图导入，实现点的高程数据到栅格数据的转换，再利用Raster Interpolation对栅格的点数据进行插值处理，实现由点到面的转化，生成地形图层。

(2)二维模型的生成。将CAD中的道路和建筑图形也转换为于高程栅格网格大小一致的栅格图层，将所有的道路、建筑以及地形图层输出为ASCII格式保存。利用软件工具分别得到道路建筑的dfs2文件，形成巢湖的道路、建筑、地形的整体dfs2文件。在MIKE21中载入该dfs2文件，定义汇水范围以及陆地边界值，得到最终的二维模型。

在MIKE FLOOD中将一维管网模型、河网模型和二维地形建筑模型进行耦合模拟得到巢湖市主城区内涝分布图。

3 模拟结果与误差分析

3.1 现状排水能力评估

重力管渠中，形成压力流但尚未溢出地面造成洪灾的水力状态定义为“超载”，一般当出现超载状态时，可认为管段流量超过设计能力。因此，在评估中，若管道出现超载状态，则视为该段雨水管道的排水能力不满足相应重现期标准。由表1可以看出，城区现状排水管道约36%重现期小于2年一遇，此部分管道重现期偏小。

表1 现状排水管渠排水能力评估表Tab.1 The status of drain ditch drainage ability assessment

3.2 模型宏观校准

为了便于分析内涝模拟的准确性，选取巢湖市老城区作为分析对象。巢湖老城区2年一遇积水深度空间分布如图7所示。

图7 巢湖老城区2年一遇积水深度空间分布Fig.7 Chaohu city 2 years once in a spatial distribution of water depth

通过实际与模拟结果的对比，可以看出模拟的内涝点与实际情况基本符合，又载入1、3、5、10年重现期的降雨，发现最大的误差区域在东风路，需要对模型进行优化调整。

为了识别模型校准的关键参数，针对老城区21个不同大小的集水区、12个水文模型参数，采用5种不同的降雨情境进行局部分析。按照各个参数设置的总体情况，介于模型的概化已经确定，所以认为汇水子区域面积、平均坡度、排水管网特征数据以及地形数据等为可信度较高的基础数据，不需要再次进行调整。所以只有通过调整相应的水文参数来优化内涝模型。集水区地表径流过程采取的是时间面积曲线模型，模型校准主要调整集水区径流系数系数、(透水区)初始入渗率，以及时间面积曲线的优化。

在误差较大的集中区域，对其下垫面情况进行系统分类，大致为：不透水区、林区、草坪、土壤以及水域。根据《场地规划与设计手册》，结合集水区坡度特点，得到单一下垫面径流系数，应用面积加权公式对相应的集水区径流系数做出了细化和调整。对调整后的结果做了如下归纳(见表2)。

表2 巢湖老城区2年一遇积水区域分布表Tab.2 Chaohu city 2 years in a regional distribution of water

3.3 巢湖市积水点分析

经过进一步参数调整之后，以巢湖市的主城区为研究对象，分别采取1、2、3、5和10年降雨重现期的短历时降雨对巢湖市主城区进行内涝分析模拟，发现巢湖市易产生内涝的区域主要如下：长江西路上巢湖水泥厂路段；长江西路上巢湖铸造厂立交桥路段；长江西路和龟山路交界处东部路段；龟山路和湖光路交界处；龟山路丽景国际路段；健康西路和爱心路交叉处南部；东塘路和向阳南路交界处路段；向阳南路和裕溪路交界处北部路段；半汤路华仁堂药房路段；半汤路凤凰商业街路段；姥山路和紫薇路交界处西部路段；金湖大道和金山路交界处南部路段；姥山路和金湖大道交界处西部路段等。

不同降雨重现期情景下，内涝点位置变化不大，只是在积水深度和淹没面积方面稍有差异，内涝评估结果与巢湖市现状易涝点调查资料吻合度较好(见图8)。

图8 巢湖市2年一遇2 h降雨工况积水深度空间分布Fig.8 Chaohu city 2 years once in a 2 hour rainfall spatial distribution condition of water depth

4 结 语

本文基于MIKE FLOOD平台对巢湖市内涝进行了模拟研究和内涝风险评估，主要结论如下。

(1)极端降雨天气是决定城市积涝成灾程度的自然因素，降雨强度增强，排水管网负荷加大，雨水不能及时排出即可导致内涝发生，同一内涝点，10年一遇的降雨条件下的积水面积是1年一遇降雨条件下的2倍。

(2)不同降雨重现期情景下，只是积水深度和淹没面积的改变。内涝点位置大体不变，这对排水系统的整治提供了参考。

(3)内涝以及排水管网模型的参数校准主要体现在集水区径流系数系数、(透水区)初始入渗率，即集水区下垫面参数对模型的印象较为显著。

(4)基于MIKE FLOOD平台，建立了巢湖市主城区的雨水以及内涝模型，模拟效果较好，结果与实际情况基本吻合，适用于城市防涝规划、设计以及内涝风险评估。

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