基于MIKE URBAN的大亚湾澳头圆盘区域内涝模拟及排涝对策

谭雨欣,吴端炜

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430000)

随着全球气候变暖趋势的逐渐加剧,城市极端暴雨频发,加之地面硬化程度不断提高,老旧排水管网设计标准偏低,城市内部径流蓄排不平衡,内涝灾害频发[1-4]。其中沿海城市更具特殊性,除受台风暴雨的影响外还会受到潮位顶托的影响,使其更易发生城市内涝[5-6]。近年来,基于数值模拟的各类水文、水力模拟软件(如英国的InfoWorks ICM、丹麦的MIKE、美国的SWMM)在国内外得到广泛研究和使用[7-10]。MIKE模拟软件具有运算速度快、结果清晰直观的特点,将其应用于城市内涝模拟可有效计算内涝点的积水深度和积水时间,并可以进一步分析城市内涝成因,从而进行针对性改造[11-14]。栾震宇等[15]采用MIKE系列软件对湖南省新化县的部分区域进行模拟,发现模型拟合效果较好,研究区域的积水原因主要是排水管网过流量不足。张旭兆等[16]基于MIKE URBAN对广州市东濠涌片区进行了内涝模拟及成因分析,结果表明,河水顶托及湖泊调蓄对片区内涝的影响较小,管网排水能力不足影响较大。

本文以惠州市大亚湾澳头圆盘作为研究对象,采用MIKE系列软件建立了降雨径流模型、一维管网水动力模型和二维地表漫流模型,并对研究区域进行降雨产汇流、管网排水及城市内涝模拟,最后根据内涝模拟结果从市政角度提出排涝改造方案,本研究对沿海城市的内涝风险评估及排涝措施的升级改造具有一定的参考和指导意义。

1 工程概况

工程位于广东省惠州市大亚湾经济技术开发区南海沿岸,北临淡澳河、南至澳头湾、西至沿海高速、东至进港路,澳头圆盘位于中兴中路、安惠大道、新澳大道和北澳大道交叉路口正中央,总面积2.05 km2。研究区域地形四周高、中间低,新澳大道六街路口处最低,仅1.88 m,是内涝频发点。该区域位于感潮河网内,北侧外江淡澳分洪河距入海口仅2.4 km,受潮汐影响较大,一般影响河道洪水下泄的高潮时段为6～8 h。内江妈庙河是淡澳河的一级支流,于澳头圆盘北侧依次流经妈庙派出所、滨海小区和澳头街道,其上有龙尾山水库和牛桥水库,雨季时水库水泄流至妈庙河,最终汇入淡澳河,区域位置见图1。

图1 区域位置

2 模型构建

2.1 构建步骤

内涝模拟包含模型概化、参数设置、运行模拟3部分,采用MIKE ZERO、MIKE URBAN、ArcGIS、MIKE FLOOD分别建立降雨时间序列、一维管网水动力模型、DEM数字高程模型和二维地表漫流模型,最后将降雨时间序列导入基础模型以进行内涝模拟。

2.2 降雨时间序列

2.2.1短历时降雨

短历时降雨速度快、强度高,可用于管网排水能力的评估。采用芝加哥雨型直接生成5 min间隔的1、2、3、5年一遇2 h降雨,根据《大亚湾区城市内涝治理系统化实施方案(2021年)》,大亚湾雨峰系数取0.4,1、2、3、5年一遇2 h降雨的降雨总量分别为74.5、84.3、90.1、97.3 mm,降雨峰值分别为3.21、3.63、3.88、4.19 mm/min。惠州市暴雨强度按式(1)计算:

q=1877.373(1+0.438lgP)/(t+8.131)0.598

(1)

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

惠州市1～5年一遇2 h降雨过程线见图2。

图2 1～5年一遇2 h降雨过程线

2.2.2长历时降雨

根据GB 50014—2021《室外排水设计标准》,澳头老城区属于小城市,内涝重现期标准为20～30 a,本次取20 a。设计长历时降雨按照《广东省暴雨参数等值线图(2003年)》和《广东省暴雨径流查算图表使用手册(1991年)》采用综合单位线法进行计算,集雨分区为粤东沿海,设计暴雨定点定面关系为暴雨高区,产流分区为粤东沿海、珠江三角洲,广东省综合单位线滞时m1-θ为A线,综合单位线无因次单位线ui-xi为Ⅱ号线。妈庙河流域暴雨参数查测成果见表1,20年一遇24 h设计降雨过程线见图3。

表1 妈庙河流域暴雨参数查测成果

图3 20年一遇24 h设计降雨过程线

2.3 一维管网水动力模型

2.3.1排水管网及排水分区

根据澳头地形及管网排水方向将澳头老城区划分为4个雨水分区,本次内涝模拟区域位于妈庙河南排水分区。澳头圆盘区内现状排水体制为合流制,雨水经管道收集后由四周向中心分别排至新澳大道(2.5 m×1.5 m、1.2 m×1.5 m、1.2 m×1.2 m、2.0 m×1.2 m)、北澳大道(1.30 m×1.45 m、0.8 m×0.8 m)、中兴中路(2.5 m×1.5 m、1.2 m×1.5 m)和安惠大道(1.1 m×1.2 m、4.0 m×1.7 m,d1000)的合流箱涵及管道,最终经中兴中路主箱涵汇集后自排至妈庙河。

在MIKE URBAN中导入管网物探信息,剔除管径小于d500的管道并进行拓扑连接检查。以检查井为节点,采用泰森多边形法对汇水区进行划分,并将汇水区与检查井节点相互连接,现状排水管网及汇水分区见图4。

2.3.2边界水位

圆盘区域的管网排口仅有2个,均位于妈庙河,受河水顶托和上游水库泄流的影响较大,排口处20年一遇最高河道水位为3.15 m,最高水位高于圆盘最低点1.27 m,水位过程线见图5。

图5 排口处河道水位过程线

2.3.3参数设置

a)产流参数。采用T-A(时间-面积曲线法)进行产汇流计算,产流参数需设置各类用地类型的不透水率、初损、汇流速度和水力削减因子共4个参数。①不透水率:将城市下垫面按照用地性质分为居住用地、工业仓储用地、商业用地、公共管理与服务用地、道路、绿地和水系,不透水率取值参考GB 50014—2021《室外排水设计标准》中的径流系数,分别取70%、75%、80%、65%、80%、15%、0%,汇水区不透水率按照各类用地面积加权平均的方式近似计算。②初损:降雨初期的洼地填充和土壤湿润损失,由于初损值很小,对管网评估及内涝模拟结果的影响也很小,为了简化计算,本次模拟初损值取0。③汇流速度:用于计算汇水区最远点的汇流时间,由于研究区域属于平原地区,地势较为平坦,汇流速度统一设置为0.3 m/s。④水力削减因子:主要是由蒸发等原因造成的损失,本次模拟最长历时24 h,蒸发的影响很小,故不考虑该因素的影响。

b)汇流参数。采用系统内置的3条T-A曲线进行计算,3条曲线分别代表不同的汇水区形状(矩形、倒三角形、正三角形),并且描述了3种不同的径流过程(随汇流时间不变、增加、减少)。

c)管网参数。设置检查井局损系数为0.25,直径为0.7 m,管道粗糙系数为0.013,为使模型计算稳定,设置模拟步长为1 s,模拟引擎为MIKE 1D。

2.4 二维地表漫流模型

在1∶1 000地形图上提取圆盘区域高程点导入ArcGIS,通过反距离平方法构建数字高程模型(DEM模型),再由Raster转为ASCLL码,并通过MIKE ZERO转化为矩形网格,网格大小为(4 m×4 m),圆盘区域数字高程模型见图6。在MIKE21中创建水动力模型,导入圆盘区域矩形网格,设置干水深和湿水深分别为0.002、0.003 m,初始水位0 m,模拟步长为2 s。

图6 圆盘区域数字高程模型

2.5 MIKE FLOOD耦合模型

采用MIKE FLOOD将一维管网水动力模型和二维地表漫流模型进行连接,MIKE FLOOD内部提供了6种不同的耦合方式,其中只有“人孔连接”是管网水动力模型与二维地形的连接方式。当雨水充满管网后,多余的雨水通过人孔(检查井)溢流至地面,进而进行积水深度的计算,因此本次采用人孔连接方式将管网和地形进行耦合。

3 结果与分析

3.1 现状管网模拟与分析

3.1.1现状管网排水能力分析

对澳头圆盘区域进行降雨径流模拟,结果表明:整个区域的综合径流系数约为0.7,20年一遇24 h降雨产生的洪峰流量为39 m3/s,折算成暴雨强度为272 L/(s·hm2),约等于市政管道5年一遇设计重现期标准。

现状管网的排水能力见图7,管网总长度为13.23 km,重现期在1年一遇以下、1～2年一遇、2～3年一遇、3～5年一遇、大于5年一遇的管道长度分别为11.42、0.18、0.10、0.28、1.25 km,其中重现期在1年一遇以下的管道占比在86%以上,3年一遇以下的占比在88.4%以上,说明澳头圆盘的现状管网排水能力远达不到区域排水的要求。物探结果显示,中兴中路、安惠大道、新澳大道和北澳大道的合流主箱涵均存在逆坡、变径、下沉等缺陷,进港路排水管道老旧、管径偏小、断管较多。对5条主市政道路合流管道进行过流量复核,结果发现,北澳大道、中兴中路和进港路的现状合流管道过流量均不能满足5年一遇设计标准,北澳大道输水余量为-4 027 L/s,中兴中路为-36 277 L/s,进港路为-11 029 L/s,其中中兴中路输水余量严重不足,而圆盘所有的涝水最终都由中兴中路合流箱涵排至妈庙河,故现状管网排水标准过低是圆盘内涝的原因之一。

图7 现状管网排水能力分析

3.1.2现状管网内涝模拟

现状管网内涝模拟结果见图8,内涝风险图为涝水摊在二维平面上的积水深度。本次现状模拟按最不利情况考虑,即降雨峰值与河道水位峰值相碰。结果表明:二维积水位置与一维结果相符,圆盘区域在20年一遇24 h降雨条件下,涝水主要分布在5条市政道路上并蔓延至周边地块,总积水面积为631 824 m2,积水深度在0.15 m以上的积水面积为465 630 m2,积水时间在24 h以上,最大积水深度1.95 m位于新澳大道六街路口处,此处为地势最低点,其次位于进港路与中兴中路交叉处,积水深度为1.63 m。将模型模拟结果与现存资料进行对比,2008年6月13日在台风“风神”影响下澳头老城区降雨量约245.6 mm,降雨频率相当于20年一遇最大6 h降雨量,此时恰逢天文大潮,河口受潮位顶托,澳头圆盘主干道积水深度在2 m以上,此次降雨与本次模拟条件相似,模拟结果较为吻合。

a)现状管网最大节点溢出水深

b)现状管网内涝风险

此外,妈庙河中兴中路桥和新澳大道桥处均有泛洪,说明妈庙河两岸高程也不能满足20年一遇防洪标准,且现状妈庙河排涝站排涝标准仅为10年一遇24 h暴雨产生的径流量一天排干,暴雨时排涝站不能及时将河道中的水抽出,河道水位上涨迅速,导致中兴中路箱涵排水受到顶托,最高水位比圆盘低点还高1.27 m,箱涵不仅不能排水,河道的涝水反而会倒灌至圆盘,加重圆盘内涝。因此现状排涝体系标准低、箱涵排口排水不畅是圆盘内涝的主要原因。

3.2 改造方案模拟与分析

从水利角度分析,上游水库泄流、河道调蓄容量不足、排涝站排涝标准过低共同导致了圆盘内涝。因妈庙河上游水库泄洪对河道水位影响较大,近期考虑在水库下游新建截洪涵将洪水全部截流至淡澳河,排涝体系中不再考虑水库泄流的影响。又因妈庙河综合整治工程近几年才完工,且澳头地区用地紧张,河道和排涝站不便再进行扩容、扩建,水利角度方案实施难度大;从市政角度分析,排口受到河道水位顶托、现状管道设计标准过低共同导致了圆盘区域内涝,而要消除河道水位顶托的影响需要将整个圆盘地区独立分区进行排涝,涝水直接提升抽排至淡澳河,以下进行市政方案的模拟。

根据现状管网分析,需在北澳大道新增(2.0 m×2.0 m)的箱涵(输水能力4 762 L/s),进港路新增(2.0 m×2.0 m)的箱涵(输水能力11 186 L/s),中兴中路新增2孔(4.0 m×2.5 m)的箱涵(输水能力37 926 L/s),并根据已设计资料完善怡园路排水管网,最终在中兴中路箱涵末端新建450 m3的蓄水池及32 m3/s的泵站,由泵站将圆盘涝水抽排至淡澳河。经复核,妈庙河流域扣除水库及圆盘区域集雨面积后排涝标准刚好能满足20年一遇。

3.2.1规划管网排水能力

规划排水管网及排水能力分析见图9,排水管网总长度为17.69 km,重现期在1年一遇以下、1～2年一遇、2～3年一遇、3～5年一遇、大于5年一遇的管道长度分别5.86、0、0、1.24、10.59 km,其中重现期在1年一遇以下的管道占比为33%,3年一遇以上的占比为67%,说明进行管网改造能明显降低重现期为1年一遇的管道比例,提高重现期为3年一遇以上的管道比例,管道排水能力获得有效提升,圆盘区域涝水能顺利进入中兴中路蓄水池并经泵站排出。

a)规划排水管网及汇水分区

b)规划管网排水能力分析

3.2.2规划管网内涝模拟

规划管网内涝模拟结果见图10,结果表明:内涝模拟的二维积水位置与一维结果相符,圆盘区域的总积水面积为84 016 m2,积水深度在0.15 m以上的面积为3 280 m2,积水时间为6 h,说明在20年一遇24 h降雨条件下,规划管网的内涝风险大幅降低。但新澳大道及其支路怡园路(内涝点①)仍存在积水,积水深度在0.7 m以上。教育路(内涝点②)也存在小面积内涝,最大积水深度为0.18 m,内涝风险比怡园路略低。根据规划工况模拟结果,中兴中路新建管网在降雨峰值时仍为非满流状态,说明怡园路及教育路的内涝并非由泵站规模不够的原因造成,故对2个内涝点作针对性成因分析。

a)规划管网最大节点溢出水深

b)规划管网内涝风险

3.2.3内涝点成因分析及改造

对内涝点①和②作成因分析,怡园路及教育路内涝点改造前后排水管道纵断面见图11。分析内涝点①可知,怡园路的设计d1200排水管标高无法顺接至新澳大道现状合流管,且新澳大道现状合流管管径偏小(仅为d800),故内涝点①的内涝成因为“管道标高衔接不畅、大管接小管”;分析内涝点②可知,教育路的排水管能与下游管道顺接,但经过流量复核,节点Y29951—Y29955的管道过流量不能满足上游过流要求,故内涝点②的成因为“管道设计标准偏低”。

b)内涝点②排水管道纵断面(改造前)

c)内涝点①排水管道纵断面(改造后)

d)内涝点②排水管道纵断面(改造后)

根据内涝成因对内涝点进行改造。针对内涝点①:将新澳大道与怡园路衔接处下游管径由d800扩大至1.1 m×1.2 m,并调整管道标高和坡度,保证怡园路管道的顺利衔接。针对内涝点②:将节点Y29951—Y29955的管径由d1200扩大至d1800。结果表明,内涝点改造后怡园路和教育路的雨水均未溢出地面,且教育路下游管道为非满流状态,排水过流量能够满足排水要求。经内涝模拟复核,改造后圆盘区域的总积水面积仅为5 248 m2,且积水深度均在0.15 m以下,积水时间为0 h,满足GB 50014—2021《室外排水设计标准》对积水深度和积水时间的要求,改造方案能完全消除大亚湾澳头圆盘区域的内涝。

4 结论

通过MIKE URBAN软件模拟分析得知:澳头圆盘的内涝是“管网排水能力不足、河道排涝标准低”双重因素共同作用的结果。由于妈庙河本身调蓄容量低、排涝设施设计标准低、近期无扩建可能,仅在中兴二路新建截洪涵不足以使妈庙河排涝标准达到20年一遇。通过以下措施可以有效缓解圆盘区域内涝。

a)新建32 m3/s的泵站将澳头圆盘独立分区进行排涝,可将圆盘区域涝水全部排至淡澳河,且妈庙河排涝标准可以满足20年一遇。

b)在北澳大道新增(2.0 m×2.0 m)箱涵,进港路新增(2.2 m×2.0 m)的箱涵,中兴中路新增2孔(4.0 m×2.5 m)的箱涵能够保证圆盘地区67%的管道排水标准达到3年一遇以上,积水面积降为84 016 m2,积水深度在0.15 m以上的面积降为3 280 m2,积水时间控制在6 h内。

c)新建箱涵后,怡园路及教育路仍存在2个内涝点,内涝成因为“管道标高衔接不畅、大管接小管、管道设计标准偏低”。通过调整管道管径、坡度和标高,能使本段管道顺畅衔接至下游,内涝点消除,积水面积降为5 248 m2,积水深度均在0.15 m以下,满足规范要求。

综上所述,本方案需新建箱涵、蓄水池、泵站、出水压力管并进行管网改造,新建泵站有可用地块,泵站出水压力管拟通过顶管或深隧方式通至淡澳河,工程建安费约23 610万元,方案具有可行性。