基于MIKE21和MIKE Urban耦合的湖区平原城市内涝模拟应用研究

朱颖蕾，于永强，俞芳琴，刘 俊，朱世云，花 培

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014； 3.南京市浦口区水务局，南京 211800)

近年来，随着城市化进程加快，城市内涝灾害日益加剧。通过数值模拟技术，建立城市内涝模型，进行动态分析，可以得到考虑空间差异及多目标影响下的逐时段演进的分析成果，用于评估现状城市排水系统能力，预测地表可能产生内涝灾害的区域，对解决城市内涝问题具有重要意义[1,2]。国内外学者对此展开了深入的研究。欧美发达国家在城市雨洪模型发面研究较为成熟。2010年，Wallingford公司将InfoWorksCS模型升级为InfoWorksICM软件[3]，加入了水质模块，同时提高了模型稳定性和计算效率。同年，丹麦DHI公司开发了MIKE URBAN软件[4]。2011年，加拿大水力计算研究所推出了含有二维模块和水质模块的PCSWMM软件[5]。我国城市暴雨内涝模型的研究起步较晚，但结合了我国的区域性开发出适合的水力学模型。2014年，黄纪萍[6]开发了深圳民治内涝预警系统。2015年张灵敏[7]开发了海口市暴雨预警系统。在我国，湖区平原城市内涝作为一种典型的城市内涝情况，在利用数值模拟技术解决内涝问题方面值得探讨研究。论文以位于长江中下游两湖平原的岳阳市为例，根据研究区独特的自然地理特征，制定基于情景分析的城市内涝方案，通过可靠翔实的资料建立能够用于湖区平原城市研究的数值模型，从本质上揭示内涝灾害的形成机理与发展过程，指导湖区平原城市的相关城市建设和规划。

1 模型与方法

1.1 MIKE21模型

丹麦水力研究所(DHI)研发了用于水模拟的系列数值模型，即MIKE模型，属于商业软件。其中MIKE21模型是基于网格的平面二维自由表面模型[8]，模型给出了结构化矩形网格MIKE21、非结构化网格MIKE21 FM和正交曲面线网格MIKE21 C三种网格形式。MIKE Flood耦合计算中可以识别MIKE21和MIKE21 FM两种。

MIKE21和MIKE21 FM都是采用二维圣维南方程作为控制方程，两者的区别在于，MIKE21 FM在选择二阶精度时，计算速度将大幅度降低，但守恒性质较好[9]。MIKE21采用ADI隐式格式，可以允许较大步长，在精度要求不高时可以大幅度减少计算时间。在MIKE Flood耦合时，如果采用MIKE21 FM，不仅位置指定复杂且容错率低，有细微误差将导致耦合运算崩溃；而MIKE21模块耦合时每一个与管网节点连接的二维网格单元只需要一个坐标即可描述其位置，并且不容易产生误差导致运算崩溃[10]。因此本次研究模型耦合计算可以优先选用MIKE21模块，以简化建模过程，保证模拟方法的稳健性，减少模拟计算成本。

1.2 MIKE Urban模型

Mike Urban 是基于地理信息系统(GIS)基础上开发出来用于模拟城市给水排水管网系统的模拟软件[11]。Mike Urban 是应用隐式有限差分法对一维水流问题进行求解，模型中不对水流沿管道横断面变化进行考虑。其中，排水管网模拟模块能够有效地对雨水在管道中的流动进行模拟。Mike Urban 是应用隐式有限差分法对一维水流问题进行求解，模型中不对水流沿管道横断面变化进行考虑[4]。排水管网模型主要由3部分组成，第一部分是降雨径流模型，第二部分是管网水力模型，第三部分是排水管网系统模型的校核和运行[12]。

1.3 论文研究方法

论文选择MIKE21-MIKE Urban耦合模型来描述城市地面自由水流与雨水管渠之间的相互影响，负责完成模型耦合过程中的数据交互，当管网节点溢出时水量进入二维漫流模型演算淹没情况，当满管流流态结束时二维模型水量回归管网中运算。运行得到的淹没情况直接由地形资料决定，而不是简单以水位～淹没面积曲线描述，这样得到的地面淹没情况就有了更切实的依据，更为可信、具体，并且可以得到每个计算单元中的淹没特征值，便于研究分析。

2 模型建立

2.1 研究区概况

岳阳市位于长江中下游两湖平原的洞庭湖平原，处于湖南省东北部，环抱洞庭，濒临长江，城区位于洞庭湖出口与长江交汇带，锁江流、扼湖口、控京广铁路，素有“湘北门户”之称[13]。岳阳市拥有得天独厚的地理条件，水陆交通便利，物流、旅游、加工业发达，社会经济发展顺利。河流水系众多，西临东洞庭湖，内湖面积1.42 万hm2，中心城区南部有南湖，西北部有东风湖，城区外围有吉家湖、雷公湖、琵琶湖和月形湖等内湖[14]，是一个典型的湖区城市。降雨量年内分布和年际分布都不均匀，春夏季降雨量占年均降水量70%[15]。

本次研究区为岳阳市中心城区，研究范围涵盖中心城区岳阳楼区、南湖风景开发区和国家经济开发区。岳阳市中心城区暴雨时程上分配相对集中，七里山站实测资料显示最大6 h暴雨约占最大24 h暴雨的80%，而城区现状排涝标准低，短历时暴雨引起的内涝明显。加之近年来随着岳阳市城区建设开发，路面硬化和降雨异常导致暴雨内涝影响大大增加。而研究区内泵站能力普遍偏低，管理养护不及时，高程规划不合理。当下游边界顶托雨水管渠时，理应24 h内排除的涝水常常需要数天才能完全强排消除。近年来，城区暴雨内涝灾害频发，造成的直接经济损失巨大。尤其是2010年暴雨灾害，造成受灾人口12.85万人，淹没房屋0.17万。直接经济损失2.88亿元。

岳阳市内涝一般集中发生在4～7月雨季。近年来内涝出现频率增高，平均2～3年发生一次，有时一年爆发多次。由于建成区扩大，受损范围增大，以前涝灾主要限于内湖周边的滨水区，现已扩大至地势较低的居民小区、地下停车场、街道等，波及范围及经济损失也随之增加。

2.2 研究区概化

论文选用岳阳市大比例尺地形图(1:500)进行研究，中心城区地面二维模型采用结构化规则网格，作为一个计算分区纳入内涝雨洪模型考虑，网格尺寸16 m×16 m，范围684×599网格(即409 716个网格，共104.9 km2)。地下管网总长150.87 km。

中心城区地下管网连接复杂，收集到岳阳市中心城区排水防涝设施普查资料，对地下雨水管渠格局和连接进行复核，并利用地下管网模型对地下雨水管渠分布和参数进行概化。岳阳市现状共6个雨水分区，模型构建根据管网走向及出口分布，建立中心城区的整体模型。概化后的管网模型包含节点数共2091个，其中排水口45个，管段总长150.87 km。管网模型概化情况见图1。

图1 岳阳市地下管网模型概化示意图

2.3 计算工况

(1)设计暴雨。中心城区的暴雨计算采用经审查批准的《岳阳市中心城区排水(雨水)防涝综合规划(2015-2030)》中岳阳市最新暴雨强度公式计算的成果。各设计频率暴雨见表1。

暴雨雨型根据最新的湖南省暴雨洪水查算手册结合暴雨公式推求，各频率设计暴雨过程(以3、5、10年一遇6 h暴雨过程为例)见图2～图4。

表1 岳阳市中心城区各频率设计暴雨成果表

图2 岳阳市中心城区P=33.3%设计6 h暴雨过程

图4 岳阳市中心城区P=10%设计6 h暴雨过程

岳阳市内涝雨洪模型根据岳阳市暴雨公式推求出各时段设计暴雨，考虑不同重现期情况下的内涝情形，对岳阳市中心城区设定12个模拟情景方案，见表2。

Urban与21的耦合方式选用城市连接，可以利用Flood中的自动连接按投影坐标快速建立耦合连接。孔口出流方式将水流交换过程看作水流进出标准孔口，具有模拟精度高，所需参数少的优点[16]，因此选则孔口出流公式来求得地下管网与二维地面间产生沟通的雨水流行情况。

(2)边界条件。对于暴雨内涝，由于各排水分区雨水主要排入城市中各个内湖，通过内湖的调蓄和与东洞庭湖的水力沟通排除涝水。洪水组合需考虑排口各频率暴雨遭遇内湖设计水位。根据《岳阳市中心城区排水(雨水)防涝综合规划(2015-2030)》，各主要内湖水位采用最高控制水位。岳阳市城区主要内湖控制情况如表3所示。

表2 内涝雨洪模型模拟情景方案

表3 岳阳市主要内湖控制水位一览表 m

3 计算结果与分析

从地理分布上看，暴雨内涝点主要位于洞庭大道枫桥湖自北向南至南湖大桥北端一带、城区西侧沿京广铁路自枫桥路向南至南津港一带、南湖街道天灯社区、三眼桥街道李家冲以及通海路管理处北港片、枫桥湖街道一片、鲤鱼嘴社区等。模型计算成果与岳阳市城市防汛应急预案中城区主要易渍点调查统计分布基本一致。

根据径流模型计算结果，岳阳市暴雨地表径流量具体情况见表4。

各频率暴雨积水区平均淹没水深见表5。以6 h暴雨为例，根据内涝计算成果，岳阳市3年、5年、10年、20年一遇6 h暴雨，积水区平均淹没水深在0.2～0.3 m左右。

表4 各频率暴雨地表径流量模拟结果

以3年一遇和5年一遇6 h内涝雨洪模型计算成果为例，3年一遇与5年一遇6h暴雨积水及各不同时刻淹没水深样图5～6如下。

表5 各暴雨内涝方案淹没统计成果表

图5 3年一遇6 h暴雨淹没水深示意图

图6 5年一遇6 h暴雨淹没水深示意图

各频率暴雨积水区范围变化情况见表6和图7。由成果可以得出以下两点结论：①随着暴雨历时的增加，内涝积水面积逐渐加大，在3 h左右达到最大，对比设计暴雨的时程分配，二者基本相应，雨峰过后，内涝积水面积逐渐减小。②由于管网现状排水能力不足，随着暴雨标准的提高，中心城区淹没范围逐渐加大，积水点增多。

4 结 论

岳阳市位于洞庭湖滨，由于城区排水标准较低，遇暴雨、特大暴雨，城市内涝明显。本文通过模拟12种不同重现期不同历时暴雨产生的内涝，主要结论如下：

(1)内涝模拟中管网资料主要影响内涝点分布，二维网格主要影响淹没特征值。由于城市排水防涝标准普遍偏低，加之湖区平原城市发展迅速，城市化效应明显，导致内涝威胁严重。

表6 岳阳市中心城区6 h设计暴雨内涝积水面积表

图7 岳阳市中心城区6 h设计暴雨内涝积水面积图

(2)在岳阳市内湖调蓄消解下，岳阳市内涝平均淹没水深0.175～0.218 m，局部微地形最大淹没水深达3 m以上。暴雨内涝积水区主要位于洞庭大道枫桥湖自北向南至南湖大桥北端一带、城区西侧沿京广铁路自枫桥路向南至南津港一带、枫桥湖街道一片、通海路管理处北港片以及南湖街道天灯社区、三眼桥街道李家冲、鲤鱼嘴社区等。与研究区主要积水点调查分布情况基本一致。

(3)本文研究结果合理可靠，可为湖区平原城市内涝防治工作提供参考。表明MIKE21和MIKE Urban耦合模型在湖区平原城市的内涝模拟中具有一定应用价值。

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