基于DHI MIKE模型的城市内涝模型应用研究

樊书铭，马立山，杨国丽，马宁宁

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

统计数据显示，我国积水深大于50 cm的城市有261个，积水时常大于12 h的城市有56个[1]。唐明等[2]利用耦合模型模拟了南昌市青山湖排涝片区的暴雨内涝情况，确定了复合雨型法；陈安丽等[3]通过耦合协调度模型评估了福州市内涝风险等级，绘制了风险等级表；徐雷等[4]基于SWMM构建了路段明渠与管段压力耦合的排涝模型，设计了行泄通道方案；田福昌等[5]利用MIKE FLOOD 耦合模型模拟了区域淹没范围及溢流过程。

结合岳阳楼区实际地貌及降雨特征，通过MIKE 模型模拟管网降雨和输水过程，结合耦合模型来分析完善管网的运行，为岳阳楼区防涝防洪提供科学依据。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

岳阳市为湖南省第二大经济体，是一座有着2 500多年悠久历史的文化名城。研究区域为岳阳市岳阳楼区青年东路附近，属亚热带季风性湿润气候，年平均降雨量为1 289.8～1 556.2 mm，最大降雨量达2 336.5 mm，最小降雨量为750.9 mm。

1.2 数据预处理

1.2.1 数据来源

通过资料收集所得数据，包括建筑资料、数字高程、路线分布、排水管网资料、降水数据。数字高程来源于地理空间数据云平台，降水数据来自于中国气象数据共享网，研究区域建筑物、排水管网、道路分布数据来自于中南勘察设计研究院。

1.2.2 雨型设计

经岳阳楼区提供的1984—2013年的降雨数据设计暴雨强度公式[6]：

式中：q为设计暴雨强度(L/s·hm2)；P为暴雨重现期(年)P≥2；t为降雨历时(min)。

采用降雨历时120 min，设计降雨采用芝加哥模式，雨峰系数选用0.3，重现期为 2、3、5、10年的降雨，4种重现期降雨强度的柱状图如图1所示，降雨峰值为9∶41。

图1 降雨重现期雨型分布Fig.1 Rainfall pattern distribution during the return period of rainfall

1.2.3 排水管网数据处理

采用Geodatabase方法，其具有智能化功能，可精确高效体现模拟物的特征与流动[7]。凭借一体化功能，可便捷管理音视频、动静态等，已被广泛应用于数据导出中[8]。将收集得到的资料转换为Excel格式，验证无误后将数据进行整理并分类表示。

1.2.4 地形文件预处理

通过ArcGIS对地形文件处理，导入高程点进行栅格插值[9]，获得ASCII类型，实现在GIS中的转化步骤，构建二维地形。

2 城市内涝模型

通过模拟降雨流动制成降雨流量流动线，从而提供水力模拟所需数据，考虑降雨的时间序列划分集水区，边界条件设为暴雨过程，集水区划分如图2所示。划分按照就近原则和等份分配原则[10]，采用T-A模型汇流，道路图层不透水率0.90，建筑物图层不透水率取0.80，其余取0.60不透水率。

图2 集水区连接与划分Fig.2 Watershed connection and division

2.1 一维模型

一维模型MIKE URBAN作为研究管网的非恒定模型，依照地貌及管道布局并结合MIKE 21耦合，实现对降雨及径流流态的模拟全程。该模型可精确描述水流流动状态及各阶段水头损失等[11]。设计暴雨条件求得的结果即处理后的径流模拟结果。

2.2 二维模型

二维模型MIKE 21为二维地表漫流[12]，采用有限差分计算二维浅水方程，用来模拟检查井溢流造成的地表水淹没的范围和时间等。网格划分是MIKE 21的关键步骤[13]，结合实际情况，水流遇实体绕流，故添加道路和建筑，建筑加高25 m，道路降低0.15 m，陆地值定为100 m，达到网格水不淹没陆地要求且边界为全闭合。研究区三维地形如图3所示。

图3 三维地形示意图Fig.3 3D topographic map

道路和建筑初始的流量和水深定为0 m，起始流速为0 ms-1。查阅2013—2014年度洪水风险图，选定径流系数与糙率参数，如表1和表2所示。

表1 径流系数取值表Tab.1 Values of runoff coefficient

表2 二维模型糙率参数选值表Tab.2 Roughness parameter selection values of two-dimensional model

2.3 耦合模型

将MIKE UEBAN和MIKE 21进行耦合[14]，形成耦合模型MIKE FLOOD。该耦合模型吸取一维模型和二维模型的优点，可同步模拟管网、径流和构筑物等，直观显示模拟过程与积水水深和范围等结果，适用范围更大，适用性更强。耦合方式采用人孔连接，其主要用来分析管网改造与优化。

3 结果与分析

4种重现期降雨汇流量结果如图4所示，可知汇流量与重现期呈正相关趋势。

图4 重现期的地面汇流量结果Fig.4 Surface runoff results in return period

3.1 管网现状排水能力

管道充满度以2年重现期结果为例，取0 min、35 min、60 min和120 min 4个降雨时间段并划分0～0.5、0.5～1、1～2和2～max 4个区间，管道充满情况如图5所示。结果显示：0 min管道充满度均低于0.5；35 min达峰值时刻，大部分管道充满度为2max，满管超60%；60 min管道水位降低，满管现象缓解；120 min降雨停止，满管只占15%，管道载水压力大幅度缓解。

评价指标为各充满度的管道长度，不同时刻管道充满度等级划分如表3所示。

图5 管道充满度情况Fig.5 Pipeline fullness

表3 不同时刻管道充满度等级划分Tab.3 Classification of pipe filling at different times

3.2 内涝区域确定

通过耦合模型计算得4种降雨积水情况。积水区域集中在满管与节点溢流位置，积水原因为管道充满度造成的溢流。最大积水深度分布如图6所示，图a、b、c、d对应2年、3年、5年和10年降雨重现期最大积水深度分布情况。

图6 最大积水深度分布图Fig.6 Maximum water depth distribution

结果显示：平均最大积水深度值在2年、3年、5年、10年分别为0.457 m、0.461 m、0.461 m、0.465 m。积水深度最大值在2年、3年、5年、10年分别为4.868 m、5.104 m、5.346 m、6.611 m，结果均高于地面积水标准。

4 结论

针对岳阳楼区的降雨及排水现状，利用MIKE模型对积水进行分析，得出结论如下：基于DHI MIKE建立岳阳楼区内涝模型，采用一维模型MIKE URBAN实现对降雨及径流流态的模拟全程，二维漫流模型MIKE 21模拟检查井溢流造成的地表水淹没的范围和时间，耦合模型MIKE FLOOD模拟地面汇流及排水结果，直观显示模拟过程与积水水深和范围等结果，模型模拟与真实情况贴合。降雨重现期为2年时，管道非充满态仅占比37%，输水能力差，结果表明岳阳楼研究区未达国家规范标准。积水原因为管道溢流，其中划分积水的区域大部分为中风险地区。针对内涝积水问题，建议部分管道加大管径，使其符合排水标准，建立系统的监测排水预防系统，通过本模型模拟结果可制定有效的防涝防溢流方案。