基于MIKE FLOOD耦合模型的道路工程内涝分析

陈彩虹，刘卉芳，，杨玉生，赵建民

(1.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099)

我国正处在城镇化建设深入发展的关键时期，城市基础设施建设如火如荼，城市面积不断扩张。受此因素的影响，不少城市在雨季存在较频繁的内涝问题[1]。因此，在城镇基础设施项目建设时开展内涝分析，评估建设项目配套排水能力，对建设区域内涝灾害进行预测对解决内涝问题是十分必要的[2- 7]。

造成城市内涝的主要因素包括自然因素、规划因素、工程因素和管理因素等[8]。自然因素主要是地形条件和降雨特征；规划因素包括对内涝灾害的重视程度和治涝规划与其他专项规划的协调性等；工程因素则包括城市建设过程中人类活动改变下垫面性质影响产汇流过程，也包括管网排水排涝系统的设计水平等；管理因素则主要在于是否能够保障设计管网的有效运行以及能否有效管辖河道行洪范围内的人类活动。

在开展工程活动时，建设环节所关注的主要是工程活动对城市内涝的影响。即在一定的排水区域、降雨强度等自然条件下，特定的雨污水排水规划标准下，保障工程建设能够满足城市内涝规划要求的内涝安全标准，不会带来内涝灾害。

本文结合某城区道路建设工程，利用丹麦水利研究所(DHI)开发的MIKE系列软件[9- 10]，构建道路建设项目区的内涝模型，结合项目建设前后下垫面、排水系统排水能力的变化，研究预测建设区的内涝特征，评估该道路工程的建设是否满足该区内涝规划要求的内涝安全标准。

1 MIKE FLOOD耦合模型与方法

MIKE FLOOD是MIKE URBAN或MIKE 11和二维模型MIKE21的优势整合，是一个动态耦合的模型系统，适用于管网、明渠、河道以及坡面水流模拟，也适用于流域和城市洪水的模拟预测[9- 10]。

1.1 MIKE URBAN计算原理

MIKE URBAN软件在内涝模拟中包括径流模拟和管网模拟两个阶段。

1.1.1降雨径流模型

MIKE URBAN径流模块中提供了四种不同的径流模型，其中的时间-面积模型适应于城市区域，包括产流控制和汇流控制两个模块。产流控制模块中不透水率、初损、沿损决定了径流总量。汇流控制中，径流曲线的形状(径流的方式)由汇流时间和时间面积曲线控制。时间-面积法将整个连续的产流和汇流过程离散到每个计算时间步长计算[11]，计算单元的数量由下式确定。

(1)

式中，tc—集水时间；Δt—计算时间步长。

每个单元面积由模型根据输入条件计算得出，单元面积之和等于给定的不透水区域面积。MIKEURBAN中预定义了如图1所示的3种时间面积曲线。

图1 时间-面积曲线

当降雨超过定义的初始损失时汇流模型开始计算，此后的每个时间步长中，计算单元的累积水量会进入下游方向。因此，计算单元中实际水量根据上游单元的来水量、当前降雨以及流入下游单元的水量计算得到。最下游单元的出流量实际上就是水文学计算的结果。

1.1.2雨水管网模型

管网水动力学模型用于管网中非恒定流模拟，控制方程为一维自由水面流的圣维南方程组。

质量守恒方程：

(2)

动量守恒方程：

(3)

式中，A—过水断面面积，m2；Q—管流流量，m3；t—时间坐标，s；x—管道沿水流方向长度，m；g—重力加速度，m/s2；y—管道水深，m；I0—管道坡降；If—摩阻比降。

1.2 MIKE 21计算原理

MIKE21是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包，在模拟城市洪水二维漫流过程中可以真实地模拟出水面在模拟区域不同地形状况下的漫流过程，可以给出洪水水量的空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时等统计特征参数[12]。

二维水动力学的基本方程采用浅水方程。

连续性方程：

(4)

X方向动量方程:

(5)

Y方向动量方程:

(6)

式中，d—水深，m；ζ—水位，μ；h—d与ζ之和；p、q—x、y方向上的流量通量，m3/(s/m)；c—谢才系数，m1/2/s；g—重力加速度；f—风阻力系数；v、vx、vy—风速在x、y方向上的分速度，m/s；Ω—柯氏参数；pa—大气压，kg/m/s2；ρw—水的密度，kg/m3；τxx、τxy、τyy—有效剪应力组合。

1.3 MIKE FLOOD耦合模型计算过程

采用MIKE FLOOD模拟城市内涝，既能反映雨水管网中水动力学特征，也能直观的表现从产流、汇流再到退水的整个暴雨过程情况。

降雨径流模拟：由管网模型中的降雨径流模型计算降雨情况下的产流河汇流过程，得到每个子汇水区产生的水量过程线。

积水过程模拟：产汇流产生的水量，根据雨水系统的收水能力(雨水篦子等)，小于等于雨水系统收水能力的水量进入管网系统，经管网水动力学计算最终由管网出口排出，而大于雨水系统收水能力的水量直接进入二维地表漫流模型根据地形在地势低的区域形成积水。同时，当管网中水位上升并超过地面高程时，管网中的水会漫出地面，根据二维地面漫流模型计算在地势低的区域形成积水。

退水过程模拟：当大雨过后，地面上的积水会从相邻近的雨水篦子流入管网中，从而形成退水过程，该过程同样受到雨水系统的收水能力的影响。

从上述过程中可以看到，MIKE FLOOD模型真实的反映了城市内涝从积水到退水的过程。模型中详细的考虑了降雨的产汇流过程，雨水收水系统的收水能力，管网中水流动态模拟，管网出口水位的顶托作用，地势问题造成的积水问题以及完整的退水过程。

2 道路建设工程内涝分析

2.1 项目区概况

规划项目位于河流冲洪积扇上部，地势较平坦，原地面标高为57.35～61.01m。属温带大陆性季风性气候，多年平均降水量572mm，降水主要集中在6—8月份。项目区规划了4条城市支路，总长度共计3537m，同步实施道路交通、水、电等市政专业管线工程。研究区总占地面积为10.83hm2，其中永久占地面积为9.07hm2，临时占地1.76hm2。建设项目实施前，本项目区无现状雨水管道，该项目区四条路沿线及其周边地区雨水以坡面流方式排入项目区南、北道路现状雨水管道。

项目区雨水外排重现期为3年，雨水经绿地、透水铺装等收集后，排入市政管线，最终排入河道，河道防洪标准为20年一遇。

2.2 内涝分析标准

内涝防治设计重现期根据文献[1]，按表1的规定确定。该道路建设工程所在城区2015年末常住人口约232.4万人，为大型城市，根据表1，本项目内涝防治设计重现期为50年。

表1 内涝防治设计重现期

2.3 内涝分析范围及模型概化

内涝模拟分析的水力学模型要能够合理反映城市各种建筑物(如公路、铁路、排水沟渠、高密度建筑群等)对内涝产生的影响。

2.3.1内涝分析范围

项目研究区域内规划条件下有详细雨水管道的设计以及道路竖向设计资料。根据项目所在区域的河道治理规划、雨水排除规划及周边地形图，确定一个雨水闭合区域作为内涝分析范围，如图2所示。

图2 内涝分析范围示意图

内涝分析范围的边界北至现状路A(雨水排除系统北边界)，南至现状路B(地势较高点)，东至现状路C(雨水排除系统东边界)，西至现状路B(地势较高点)，内涝分析区域的面积约为184.6hm2。选取的边界范围为雨水流域边界或者地势较高点，不会有其他区域雨水汇入该评价区域，保障了评价区域在地形上是独立的汇水区域。

2.3.2内涝分析模型的创建

将模型模拟范围内的管网、地形、建筑、道路、绿地等高程基础数据通过Arcgis进行数字化，再通过Mike Urban模型，建立内涝分析范围内的雨水管网模型，生成模型模拟范围内的数字高程模型，如图3所示。根据需要划分满足计算精度要求的域网格计算最小单元，在本模拟区域网格单元面积为4m2，网格点划分为177973个。

图3 模型模拟范围内的数字高程模型

生成数字高程模型之后，通过Mike Zero软件中Mike 21模块，导入模型模拟范围内的数字高程图，设定各项参数值，创建模型模拟范围内的Mike 21模型，再通过Mike Zero软件中Mike Flood模块，添加模型模拟范围内的Mike Urban模型及Mike 21模型，耦合为内涝模拟范围内的Mike Flood模型，如图4所示。

图4 Mike Flood耦合模型示意图

2.4 计算参数的确定

模型输入的边界条件包括50年一遇1440min降雨过程线、不同下垫面的不透水率、管道入河口处河道50年一遇洪水位和管网负荷条件等。

2.4.1设计降雨过程

本次内涝采用50年一遇最大1440min设计雨型。根据文献[13]相关方法，查得本项目所在区域50年一遇最大24小时降雨量为300mm。降雨过程按照文献[14- 15]中1440min雨型分配表(%)中的分配方法分析计算，计算结果如图5所示。

图5 50年一遇1440min设计暴雨

2.4.2其他参数

不透水率采用文献[13]中相关方法分析计算，地面糙率可根据下垫面情况及地表坡度取为0.030。管网排水能力按照规划设计的项目区域内的排水管线和市政设计管线搭建排水管网模型，管网在50年降雨条件下的排水能力由水动力学计算得到。项目区内部规划建设用地地块设计管网通过三个排水口排入市政管线，最终排入两条河道中。建设项目西边界与南边界相交处以西有上游现状雨水管网，因此在该处设置管网负荷条件，根据该处上游管网过流能力增加一个恒定流值。

至此，Mike Flood模型构建完成，运行即可给出模型模拟成果。

2.5 现状条件下内涝分析成果

根据项目所在区域雨水排除规划，建设项目东侧现状路C(规划路B～现状路D)现状雨水管道排水能力不能满足流域范围内3年一遇重现期的规划要求，河道治理规划还未实施。因此，道路工程建成后，在东侧现状路C雨水管网排水能力不满足规划要求。河道未治理的情况下，项目区内涝分析范围内计算模拟结果如图6所示，内涝模拟范围内积水统计数据见表2。

图6 现状条件下内涝计算结果

区域淹没水深/m超过0.15m水深淹没历时/min最大淹没面积/m2最大积水量/m3内涝分析范围0～0.4441213453652.4项目区0～0.32311546.8278.6

由现状条件下计算模拟结果可以看出，50年一遇的降雨时，内涝分析范围内部分道路有积水，最大积水深为0.44m，积水深大于0.15m的积水面积为1.48hm2，超过0.15m水深淹没历时约41mim。内涝严重区域主要位于现状路C与规划路B相交以南路段(规划路B～现状路D)。

50年一遇降雨时，项目区道路积水深0～0.32m，超过0.15m水深淹没历时为31min。现状路C雨水管道未达到3年一遇的排水标准时，项目区部分道路内涝较为严重。

2.6 规划条件下内涝分析成果

规划条件下，项目区东侧现状路C雨水管道排水能力达到3年一遇重现期的规划要求，河道按规划实施完成。规划条件下内涝计算模拟结果如图7所示，内涝模拟范围内积水统计数据见表3。

图7 规划条件下内涝计算结果

区域淹没水深/m超过0.15m水深淹没历时/min最大淹没面积/m2最大积水量/m3内涝分析范围0～0.2822175432631.4项目区0～0.13-779.878.4

由模拟结果可以看出，规划条件下50年一遇降雨时，内涝分析范围内部分道路有积水，最大积水深为0.28m，面积仅为13m2，超过0.15m水深淹没历时约22mim。积水点主要位于规划路D与现状路D交叉口处。

50年一遇降雨时，项目区道路积水深0～0.13m，淹没历时为13min。内涝积水点主要位于规划路A、规划路B道路低洼处。

3 结语

基于MIKE FLOOD耦合模型的内涝分析表明，规划条件下，50年一遇的降雨时，内涝分析范围内存在内涝积水，但项目区内道路积水量不大，不属于内涝严重区域。项目区最大淹没水深为0.13m，位于规划路A、规划路B道路低洼处，积水时间为13min，最大积水量为78.4m3。积水点最大积水深度小于15cm，且在30min内积水顺利排入雨水管，因此对交通基本无影响。道路建设工程实施完成后不存在内涝风险。研究得到的内涝统计特征数据，可供该道路工程建设项目管网设计校核和内涝防治参考。