基于Mike水力模型的城市防涝规划风险分析

靳帅国 马立山 王立杰 杨国丽 张海平 李延博 马宁宁

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)

0 引 言

由于受到全球气候变暖和城市化等多方面因素的影响，城市内涝灾害越来越严重.而城市在防御内涝灾害方面尤为脆弱，因此城市内涝灾害的预测与内涝风险的评估已经成为城市内涝灾害预防治理研究的重点和难点[1].安徽省Y市属亚热带湿润性季风气候区，雨量充沛，年平均降水量为1094.3 mm，降水分配不匀，年最大降水量达到1742 mm，年最小降水量则为644 mm，最大值是最小值的2.7倍，并且Y市城区所在地为史河的滩地，地势较低，涝灾较频繁.据统计该区遭受较大的洪灾有40余次，平均约10年一次，而涝灾年年有，因此外洪内涝是Y市典型的灾害类型.

本文以GIS地理信息系统为平台，运用MIKE模型构建安徽省Y市在不同降雨条件下内涝灾害仿真模型，对该城市管网排水能力及内涝防治能力进行风险评估，并提出了易涝点缓解措施及解决方案.

1 水力模型介绍

本文采用Mike Urban城市排水系统模型、Mike21平面二维自由表面流模型及Mike Flood耦合模型，该模型应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响以及管流监控等方面.

Mike Urban水动力模块主要用于计算管网中的非恒定流.计算方程为一维自由水面流的圣维南方程组.模型采用Abbott-Ionescu六点隐式格式有限差分数值求解，此计算方法可以自动调整时间步长，并为分支或环型管网提供准确而有效的解法.

Mike21的控制方程为基于Navier-Stokes方程沿水深平均的平面二维浅水方程.防止离散过程中可能发生的质量失真、动量失真及能量失真，方程采用隐式交替格式(ADI)对模型连续方程和动量方程进行离散，各微分项和重要系数均采用中心差分格式[2].Mike21受差分格式所限，需要采用结构化矩形网格，与显式格式相比，可取较大时间步长，计算效率较有限体积法高.

Mike Flood耦合模型综合利用了Mike Urban一维排水管网模型、Mike 11一维河网模型和Mike 21二维地表漫流模型，能够反应城区中排出水流在管道、河流以及可能的地表积水的流态，改善了传统的城市排水系统管网模型的模拟性能，更准确的反应了城市排水管网中、河道中以及地表漫出的水流交汇与地表积水、退水等情况.

2 研究区域Mike模型构建

2.1 模型构建基础工作

对研究区域排水管网系统进行模拟分析的基础工作包括基础资料计算、管网概化、地形网格划分、集水区划分、下垫面土地利用信息的提取、模型参数的确定等.模型率定是确定模拟结果是否可靠合理的重要依据[3].

2.1.1 计算基础资料

(1)暴雨强度公式选择

根据《Y市改革发展试验区排水专业规划(2016-2030)》，暴雨强度计算如公式(2-1)所示：

(2-1)

式中： q为设计降雨强度，单位为L/(s·ha)

p为设计重现期，单位为a

t为设计降雨历时，单位为min

(2)设计降雨量

1)短历时降雨量：Y市区短历时(5 min～120 min)设计暴雨强度及雨量，可根据暴雨强度公式计算而得.

2)长历时降雨量：依据《安徽省暴雨参数等值线图》查算，20年一遇设计降雨24 h降雨总量为210.6 mm，平均暴雨强度为0.146 mm/min.

(3)设计暴雨雨型

10 min、1 h的设计雨量根据暴雨强度公式计算，6 h、24 h设计雨量根据《安徽省暴雨参数等值线图》查算，20年一遇设计降雨根据“84年办法”24 h净雨雨型分配过程雨峰确定在第11 h.

2.1.2 管网概化

研究区域内的排水设施不完善，部分排水设施也已年久失修，甚至已不能正常使用或被冲毁.由于该区域内的排水渠道断面偏小，当遭遇暴雨时，极易引起排泄不畅，造成局部内涝.此外，虽部分河道两岸有排水管出口，但出口高程较低且无防护措施，因而在河道洪水期易发生洪水“倒灌”现象(水流通过排水管网倒流)，加重城市洪涝灾害.

本文通过GIS软件对研究区域基础信息进行整理和统计[4]，获得管径、管长、管道起止点、管道埋深、汇水区面积等基础数据；通过GIS根据DEM数据运用统计计算方法[5]获得检查井的地面高程、汇水区的坡度等属性信息.根据现状的排水分区进行了管线的梳理以及概化，概化管道总长为33.10 km、管道类型为圆管、检查井69个、排水口23个.如图1所示：

图1 Y市管网现状概化图

2.2 地形网格划分

Y市城区采用MIKE 21结构化矩形网格处理二维地形，综合考虑该研究区域的房屋、道路和计算时间等因素，网格剖分采用规则16 m×16 m结构化矩形网格，共剖得22.85万个网格.

2.3 模型运算结果与现状内涝情况对比分析

根据上述所得参数及数据，采用20年一遇降雨，运用Mike flood耦合内涝模型.将内涝模型计算结果与Y市实际淹没范围及淹没水深数据进行对比，验证内涝模型计算结果是否与Y市城区内涝实际情况相吻合.

降雨历时2 h，柳新渠末端开始出现漫溢，淹没水深约为0.3 m，京辉老街片区受到轻微影响；尤桥河与建万河河道末端交汇处开始出现漫溢，淹没水深约为0.5 m，其余城区暂时未受到影响，总的淹没面积为0.25 km2，与实际情况相吻合.如图2所示：

图2 Y市降雨历时2 h淹没区域分布图

降雨历时6 h，柳新河漫溢段由河道末端逐渐向上游发展，且淹没面积不断扩大，京辉老街片区影响不断扩大，淹没水深约0.4 m，小南海片区小范围区域出现内涝点，受到轻微影响.尤桥河与建万河漫溢段由河道末端交汇处不断向各自河道上游发展，淹没范围不断扩大，淹没水深约为0.6 m.西小河下游的西街片区开始出现漫溢，水深为0.3 m.二道河与卡子乔河开始出现漫溢.总的淹没面积为0.71 km2.与实际情况相吻合.如图3所示：

降雨历时11 h，随时间推移，Y市城区管网较密集的中至信片区和南方水泥厂片区均出现内涝，大部分淹没点水深约为0.4 m，其中南方水泥厂片区小范围水深为1 m.未名湖水位不断升高，逐渐向周边漫溢，尤其是湖西北方向漫溢严重，水深约为1 m.11 h为设计降雨峰值点，造成最大淹没面积6.68 km2，淹没区域主要集中在京辉老街片区、南海片区、彭台片区、高速公路片区和城区东北角中至信片区和南方水泥厂片区.其中最大淹没水深出现在高速公路片区，水深为4 m.与实际情况基本吻合.如图4所示：

图3 Y市降雨历时6 h淹没区域分布图图4 Y市降雨历时11 h淹没区域分布图

综上，20年一遇降雨模拟结果与Y市实际内涝淹没范围、水深情况基本吻合，模拟结果可靠，说明管网概化、参数取值及计算基础合理.

3 治涝方案及措施

根据涝区的水文特点、涝灾情况、治涝工程的现状及存在的主要问题，结合涝区现有水系沟道和地形特点可知，Y市西部、南部、中部排水河渠数量较多，现有河渠基本可满足排水要求，而北部经济开发区主要依靠新华渠进行排水，但新华渠仅延伸至纬三路，中至信及南方水泥厂积水均无法排出，东部(金叶大道以东)主要依靠堰埂河(含孟大堰沟、老堰埂沟2条支流)进行排水，舒家庄、元东等区域暂无排水渠道，北部和东部又是未来城市发展的重点区域.因此，考虑在其范围内新建排水渠道，解决局部区域内涝问题.

(1)新增建中至信排水渠，用于解决中至信及南方水泥厂片区内涝问题.该渠道始于中至信家具厂北面，经四路东侧、纬四路北侧向东至柳林大道，沿柳林大道向南，汇入新华渠，全长1.6 km.采用矩形渠道，深2.5 m，宽10 m，两侧采用重力式挡墙，渠道沿线共需建4处箱涵.

(2)新增建元东排水渠，用于解决高速公路以南，金叶大道以东排水问题.该渠道始于龙井社区，沿低洼地向南，于新华安置小区汇入堰埂河，全长1.36 km.渠道采用矩形断面形式，深2 m，宽5 m，两侧采用重力式挡墙护砌.

规划雨水管网模型概化，管道总长113.09 km、管道类型为圆管、检查井个数为343个、排水口个数为100个.管网模型概化如图5所示：

图5 规划管网概化图

3.1 规划方案内涝风险分析

降雨历时2 h，堰埂河出现漫溢点，高速公路片区附近管道存在积水点且水深变大.总的淹没面积为0.02 km2.如图6所示：

降雨历时6 h，堰埂河漫溢范围无明显增加，高速公路片区附近管道存在积水点.总的淹没面积为0.03 km2.如图7所示：

降雨历时11 h，为设计降雨峰值点，城区内大部分管网均出现积水现象，积水深度大部分约为0.1 m，南方水泥厂片区小面积出现积水，深度约0.2 m.未名湖周边出现积水，水深约为0.2 m.高速公路片区淹没范围较大，水深约为0.3 m.总的淹没面积为3.01 km2.如图8所示：

图6 Y市规划后降雨历时2h淹没区域分布图图7 Y市规划后降雨历时6h淹没区域分布图

图8 Y市规划后降雨历时11 h淹没区域分布图

综上，在20年一遇相同降雨条件下，降雨历时2 h后，现状淹没区域面积为0.25 km2，规划方案后的淹没区域面积为0.02 km2，淹没区域面积减少近92%；降雨历时6 h后，现状淹没区域面积为0.71 km2，规划方案后的淹没区域范围为0.03 km2，淹没范围减少近96%；降雨历时11 h后，现状淹没区域面积为6.68 km2，规划方案后的淹没区域面积为3.01 km2，淹没范围减少近55%.结果表明：对Y市采取的治涝措施及方案经模型评估验证淹没区域面积明显减小，达到该区域排水防涝设计要求，可作为该区域的防涝规划方案.

4 结 语

通过Mike软件，提取GIS数据库中储存分析生成的概化城市地下排水管网及汇水分区等数据，建立城市排水内涝仿真计算模型，对城市内涝洪水进行模拟分析，得出城市内涝的积水过程和退水过程及易涝点、淹没区域面积、积水深度等信息.借助Mike水力模型验证能更有针对性的制定出更加合理的防涝规划方案，对设计方案的可行性进行评估，减少由于设计方案不完善而造成的巨大经济损失，为该城市做出更为科学的内涝风险分析，为防涝减灾抢险预案的制定提供理论依据.后续研究将生态系统对雨水的渗透、吸收、蓄滞等减少产流的措施输入模型中，提高模型的精确度，为城市的防涝应急预案提供支持.

[1]张杰.基于GIS及SWMM的郑州市暴雨内涝研究[D].郑州大学,2012

[2]苑希民,秦旭东,张晓鹏,等.石家庄市暴雨内涝精细化水动力模型应用[J].水利水运工程学报,2017(3):41～50

[3]赵燕霞.基于水力学模型的城市除涝方案分析研究[D].大连理工大学,2014

[4]刘志生,李晶,崔凯,等.基于ArcGIS与InfoWorks的城市排水系统模拟研究[J].中国给水排水,2013,29(21):144～147

[5]陆露,赵冬泉,盛政,等.城市排水管网一维与二维模拟技术对比研究[J].给水排水,2015(s1):355～358

[6]陈小龙,赵冬泉,盛政,等.DigitalWater在城市排水防涝规划中的应用[J].中国给水排水,2015(21):105～108

[7]Fengchang Xue,Minmin Huang,Wei Wang,Lin Zou,Gwo-Fong Lin.Numerical Simulation of Urban Waterlogging Based on FloodArea Model[J].Advances in Meteorology,2016,2016

[8]Wu S G,Zhou M T,Ma D D.Application of Imitated Ecosystems in Urban Waterlogging Prevention[J].Applied Mechanics & Materials,2014,587-589(587-589):501～504

[9]许文斌.MIKE FLOOD模型应用于南昌排水防涝综合规划[J].中国给水排水,2015(9):132～134

[10]王嘉仪,赵连军,张华,等.基于SWMM模型的城市排水管道优化研究[J].中国农村水利水电,2017(4):41～44

[11]石赟赟,万东辉,陈黎,等.基于GIS和SWMM的城市暴雨内涝淹没模拟分析[J].水电能源科学,2014(6):57～60