基于MIKE FLOOD耦合模型的城市内涝模拟

栾震宇，金 秋,，赵思远，蒋 姣，卢 翔

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029；2.河海大学农业科学与工程学院, 江苏 南京 210098； 3.湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南 长沙 410007)

由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市产生积水灾害的现象，称之为城市内涝[1-3]。近年来我国城市内涝灾害频发，城市化与极端暴雨事件矛盾日益加深，城市水文学面临巨大挑战[4-5]。据住建部调研数据，2008—2010年全国有231个城市发生过不同程度的内涝，占调查城市的62%，其中有137个城市一年内涝次数超过3次[6]。城市内涝给居民的生命和财产安全带来了巨大威胁，已经成为影响城市健康发展的重症之一。关于城市内涝问题的研究也逐渐增加，研究热点主要集中在城市内涝过程仿真与模拟、城市内涝应对管理、城市防洪排涝体系建设等方面。目前，国内外比较成熟的城市内涝仿真模型主要有SWMM、MIKE等。曾照洋等[7]利用SWMM一维管网模型及LISFLOOD-FP二维水动力模型进行耦合，模拟了东莞市典型区域暴雨内涝情况，实现了暴雨区淹没范围和淹没水深的模拟；栾慕等[8]通过SWMM-MIKE11耦合模型评估了桐庐县城市管网系统排水能力并绘制了内涝风险图；李品良等[9]应用MIKE URBAN对成都市老城区的排水管网在不同降雨强度下承压运行情况及管点溢流情况进行模拟，并通过设置小型调蓄池和扩增管径两种途径改善城市内涝状况；黄琳煜等[10]基于MIKE FLOOD平台搭建了暴雨洪涝模型，对上海市浦东新区现状雨水管网的排水能力进行评估，为排涝减灾提供对策依据。

针对城市的排水设施，构建基于一维排水管网模型及二维地表漫流模型的耦合数学模型，根据模拟结果对内涝风险进行评估分析，可为城市内涝防治工作提供一定的技术支撑。本文基于MIKE FLOOD平台，根据应用情境，将MIKE URBAN和MIKE 21模型进行动态耦合，从而建立城市内涝模型。选择湖南省新化县的典型区域，模拟城市内涝的演变过程，从地表淹没范围、易涝点的淹没情况及各排水管网过流能力等方面分析城市内涝形成原因，并提出相应对策，以期为揭示城市内涝形成机理、查询城区内涝易发区、分析关键因素对洪水过程的影响提供参考。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

新化县地处湖南省中部偏西，资江中游，雪峰山东南麓，地处北纬27°31′～28°14′、东经110°45′～111°41′，东南与涟源、冷水江市交界，西南与新邵、隆回县为邻，西北与溆浦县接壤，北与安化县毗连。新化县行政区域总面积为3 619.93 km2，县辖19个镇、7个乡上渡办事处和大熊山林场、古台山林场2个林场。根据第六次全国人口普查统计数据，2010年11月1日新化县域总人口为138.77万人。

新化县城位于资江中游河畔，资江从冷水江市的浪石滩流入境内，略呈“Z”字形贯穿城区，把城区分成城东区和城西区两部分。本次研究范围为新化县城西片区(图1)。城区资江干流长度为11.67 km，河道平均坡降0.25‰。老城区为雨污合流制，河东片区大部分为雨污合流制，部分新建管道为雨污分流制。根据《新化县城区排水防涝设施普查报告》(2014年9月)，新化县城区排水管涵长度共计89.825 km，其中合流制管道70.803 km，雨水管道12.725 km，污水管道6.297 km。排水管道主要分布于上梅西路、上梅东路、天华北路、城西北路等。

1.2 数据处理

1.2.1排水管网

完善管道和节点的数据属性及类型，筛选出错误和不合理的数据，并结合实际进行一定的修正。对于管线点，主要为连接各管道的节点，其主要信息包括：管线点编号、管线点类别(检查井、污篦、进水口、排水口等)、平面坐标、地面高程、底部高程等。对于管线，即主要排水通道，其主要信息包括：管线起点编号、管线连接点编号、管线材料(混凝土、塑料等)、管线埋设方式(方沟、管埋等)、管径或断面尺寸(圆管为直径、方沟为长和宽)等。根据新化县2014年9月完成的城区排水设施普查工作结果，处理后的城区管网和管线点的分布见图2。

图1 研究区域示意图

1.2.2土地利用类型和高程

从原始地形图中筛选出水系、房屋和街道图层信息作为土地利用类型(图3(a))。提取CAD数据中的高程散点，通过ArcGIS对提取的高程散点进行插值，考虑道路宽度大概为5 m，取栅格单元尺寸 5 m×5 m，生成Raster栅格数据文件，再将此文件转为ASC Ⅱ格式数据(图3(b))。

1.3 设计暴雨计算

1.3.1基础数据导入

利用ArcGIS、Excel、MATLAB等对数据进行处理，将数据导入MIKE URBAN软件中，构建雨洪综合模型。数据包括：DEM地形数据、检查井(Manhole)数据(井底标高、井盖高程、井直径等)、管道(Link)数据(管道长度、管道材料、管道断面形状及尺寸、坡度、高程等)、土地利用类型(房屋、道路、河道和湖泊等)、面状水体数据(水体的位置、形状、底宽、深度、边坡等)。

1.3.2暴雨强度公式

根据新化县气象站1983—2013年的雨量资料编制新化县暴雨强度公式，按GB 50014—2006《室外排水设计规范》的建议，确定暴雨强度公式为

(a) 管线点

(a) 土地利用类型

(1)

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

1.3.3设计暴雨推求

根据SL 723—2016《治涝标准》和《新化县排水防涝综合规划》，新化县城西片的治涝标准为10年一遇，设计暴雨历时和涝水排除时间采用24 h降雨在24 h内排除。本次新化县城西片模型现状计算采用此标准，计算区域内最高内涝水位控制在设计水位以下，远期标准按20年一遇暴雨、24 h降雨在 24 h内排除。

为模拟市政排水管网在不同降雨情境下的状态，拟采用芝加哥雨型模型生成降雨过程。该模型以雨强-历时关系为基础，在表示同频率最大平均强度规律的降雨强度计算模式中，引入降雨强度过程的平均形态和强度高峰位置，获得综合降雨平均强度、最强时段强度及强度过程的瞬时降雨强度，而由该瞬时降雨强度描述的降雨模式概括了强度先大后小和先小后大等特殊雨型，形成更为全面反映降雨各种特征的雨型[11]。芝加哥雨型模型基于暴雨强度公式和雨峰系数，将国内普遍使用的暴雨强度公式根据设计频率生成动态的降雨过程[12]。

按照上述方法，推求出10年一遇和20年一遇24 h历时的降雨峰值分别为4.207 mm/min和 5.506 mm/min、总降水量分别为248.8 mm和 294.8 mm，绘制24 h设计暴雨过程如图4所示。

2 城市内涝模型

2.1 MIKE URBAN模型

MIKE URBAN主要包括两部分[13]：①降雨径流模拟，即对于降雨和集水区汇流过程的模拟；②管网水力学模拟，即对于雨水汇流入管道后对水流流态和水质等的模拟。

(a) 10年一遇

2.1.1降雨径流模拟

降雨径流模拟的目的是生成降雨流量过程线(入流流量-时间曲线)，为后续的管网水力模拟提供边界条件，在降水量时间序列数据的基础上，通过城市集水区的划分和径流系数等参数的设置，来模拟降雨、产流、汇流等一系列城市地表汇流过程。模拟过程中，将推求的设计暴雨过程作为降雨径流模型计算的边界条件；根据收集到检查井(雨篦子)的位置，按照就近排水和大致均匀分配集水区面积的原则下，划分各个进水口的集水区693个。集水区划分情况如图5所示。

本次计算，汇流模型采用较为传统的时间-面积模型，可以同时满足模型计算的精度和效率；不透水率根据图层的土地类型进行设置，将建筑物图层、道路图层、砖铺地面、绿地图层加载到图层列中，选择不透水率分别为0.95、0.85、0.60和0.35；加载降雨边界条件，采用降雨径流模型进行计算，将得到的径流模拟结果(主要包括各个集水区的汇流时间序列及径流累积量)作为后续管网水力模型的边界条件。

2.1.2管网水力模拟

MIKE URBAN管网水力模型能够较为准确客观地描述管网内的各种要素及水流流态，如横截面形状、水流调节构件、检查井以及集水区的各种水头损失等。导入降雨径流模拟的结果，选用管网水力模型重新计算，可得到设计暴雨条件下的管网水力情况。

图5 集水区划分情况

2.2 MIKE 21模型

MIKE 21模型，即二维地表漫流模块，采用水深平均的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组，选择交替方向隐格式(ADI格式)的有限差分格式进行求解计算[14]。本文利用MIKE 21模型，模拟当管网检查井发生溢流时引起的地表水淹没范围、淹没时间等。建立地表漫流模型的关键步骤是地形处理和网格剖分，进而建立地表高程模型并设置边界条件以及初始条件等。

2.2.1地形处理和网格剖分

城市内涝发生时，假定涝水会绕过房屋所在地，在建模时，房屋所在处的高程拔高至较高值(涝水淹没不到)；城市的路面相较周边要低 0.1～0.2 m，道路所在区域的高程在原高程上降低0.1～0.2 m。二维地表漫流的地形设置见图6，网格精度为5 m；房屋高程统一设置为290 m(红色区域)，且不允许水流通过；道路高程相较周围地面低0.15 m。

2.2.2初始条件和边界条件

对于道路、房屋和绿地等区域，设定初始水深和流量为0，初始流速恒为0。计算区域南部管网较少，区域的产汇流采取直接降雨法，降雨直接进入该区域，流动由二维水动力学模型进行直接模拟。管网汇入内河，通过涵、闸等水利工程与外江连接，内河水位设置为边界。计算区域北部主要为居民区，而南部主要为农田和湖泊，根据相关水动力学模型手册选定糙率范围为1/30～1/35。

图6 二维地表漫流的地形设置

2.3 耦合模型

在MIKE FlOOD耦合模拟平台上连接闸泵调度嵌入一维排水管网模型MIKE URBAN和二维地表漫流模型 MIKE 21，能够反映城区中排水流态在管道及可能的地表积水的表现，这拓展了传统城市排水系统管网模型的模拟能力，能更准确地反映城市排水管网中的水流和地表漫出的水流的交互，模拟地表积水以及退水等情况。MIKE URBAN和MIKE 21通过管网和地形耦合连接，具体见图7。

3 结果与分析

3.1 地表漫流

通过模拟研究区域10年一遇和20年一遇24 h降雨历时暴雨条件下地面淹没水深，可以清晰地体现区域内的最大淹没水深变化，结果见图8。

(a) 10年一遇

3.2 易涝点

易涝点是内涝积水的敏感点，也是城市排水防涝工作的重点研究对象。结合模拟结果和实际情况，本次研究区域内共有5处易涝点，分别为永兴街易涝点、立新桥易涝点、滨江北路易涝点、向东街易涝点及工农河路易涝点。在5处易涝点选取特征点进行观测，其水深变化过程如图9所示。由图9可见，5处易涝点均存在一定程度上的积水，且当20年一遇降雨来临的时候，积水深度更大。在24 h历时的降雨条件下，5处易涝点反映出了不同的规律，即于永兴街、向东街和工农河路在降雨过程中很快达到水深峰值，然后缓缓下降，滨江北路在降雨峰值过后，水深仍不断增加，但立新桥在降雨过程中，出现了一定程度的下降。各易涝点的最大淹没水深见表1，可见，两种降雨重现期的情况下，5处易涝点的最大淹没水深具有相同的变化规律，在20年一遇降雨强度条件，易涝点最大水深为1.594 m(滨海北路)，大于10年一遇降雨条件下的最大水深1.285 m。

图7 耦合模型示意图

(a) 10年一遇

表1 易涝点最大淹没水深

3.3 管道排水能力

根据模拟得到的管道最大充满度及其长度可以显示管道在降雨过程中的状态，从而进一步评估现状管道的排水能力。各管道最大充满度如图10所示。各最大充满度区间的管道总长度统计结果如表2所示。由图10和表2可见，在两种暴雨重现期条件下，绝大多数管道(10年一遇82%、20年一遇80%)的最大充满度都小于4，说明这些管道在排水过程中，基本能满足排水需求。但仍有一部分管道(10年一遇5%、20年一遇8%)的最大充满度大于6，管道内部压力较大。并且，相较于10年一遇的暴雨，20年一遇的管道平均充满度要略高。选取两条典型管道，管道a位于天华北路西侧、管道b位于城西北路西侧，两条典型管道的最高水位统计如图11和12所示，可见城中大多数管道基本能满足城市排水的需求。

3.4 讨论

新化县作为山区城市，外河洪水陡涨陡落，与半山半湖地区类似，主要采取撇洪和泵站相结合的办法来排涝。通过以上对现状的排水系统的模型计算和分析，可以发现：①由于已经建成城市管网存在一些不合理的管段，如管径设置不合理、坡降不合理等，致使城市内的水量不足以立即排入资江或花山渔场，使得新化县老城区的整体排水能力受到很大影响，部分区域达不到设计规划的排水标准。②城内主要的调蓄湖泊及暗渠均能满足设计标准，当20年一遇暴雨来临时，城市内主要湖泊和暗渠水位均在限制水位以下，基本没有洪水风险；特别是工农河暗渠，4.5 m×2 m的过流断面能满足城市排水的需要，只需要对其进行相应的疏浚和维护。③城市内现有的泵站系统能满足排水的需要，造成计算区域易涝点最大水深大于0.8 m的原因大多是因为管线设置不合理及地势较低，仅仅依靠扩容泵站系统，不能从根本上改变上述5处易涝点的现状。④针对不同的易涝点，需要采用不同的处理方案，针对立新桥和滨海北路，重点应该在于对周边的雨水管线进行疏通、改造和升级，使得上游来水能顺利排入资水；针对工农河、永兴街和向东街，应该增设雨水篦、雨水管道，及时清理路面，让雨水能迅速进入下水管道，从而输送至调蓄水体。

表2 管网最大充满度区间统计结果

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

(a) 10年一遇

4 结 论

a. 基于MIKE FLOOD平台，将MIKE URBAN和二维模型MIKE 21耦合，建立城市排涝数学模型。选取新化县城的部分区域，运用城市内涝模型，对城市内涝情景进行模拟分析。验证结果显示，模拟效果较好，结果与实际发生及调查情况基本吻合，耦合模型适用于城市内涝风险评估管理。评价结果显示，新化县部分地下管网设置不合理，城市内的水量不足以立即排入资江或花山渔场，部分区域达不到设计规划的排水标准；城内主要的调蓄湖泊及暗渠均能满足设计标准；城市内现有的泵站系统能满足排水的需要。

b. 城市内涝的主要原因并非完全因为自然灾害，在很大程度上是不科学的城市开发行为造成的。城市开发不能过分强调经济效益而忽略了社会和生态环境效益，在设计排涝工程总体布局时，需合理划定排涝区，论证自排的概率与可能性，根据不同区域的水系、地形排涝需求等，拟定不同的治理措施。可按照因地制宜、分区治理、统筹兼顾、蓄排结合、防洪安全的原则，制定城市内涝保障方案和工程体系，采取“渗、滞、蓄、排、管”措施，把河湖水系规划、治涝工程建设、排水管网建设和雨水利用、洪水削减结合起来。采用强制性标准，加强精细化管理，科学合理规划建设时序，并协调多部门的力量提高综合应急能力。根据当地城市内涝调研的现状及存在的问题分析，结合地形等具体条件，按“分片排涝、等高截流；留湖蓄涝、排蓄结合；自排为主、辅以抽排；排渗蓄滞、综合治理”的原则合理确定排涝工程。根据实际情况提出工程主要控制指标，如调蓄水面率、承泄区控制水位等参数。同时加强预警和应急系统建设以及相关法律法规的完善。