基于MIKE模型对学校场地雨水系统内涝风险评估的案例分析

2018-12-04吕伟娅

净水技术 2018年11期

邵迟，吕伟娅

(南京工业大学城市建设学院，南京 210003)

目前,我国正处于城镇化建设高速发展期，硬质铺装的大面积使用改变了城市原有的水文特征和土地自然状态，一旦遭遇强降雨，短时间内形成地表径流，极大增加内涝风险[1]。建设“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市，可以在一定程度上缓解城市内涝问题。2015年7月住建部发布的《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》(以下简称《办法》)，将海绵城市建设绩效评价与考核指标分成了六项，即水环境、水安全、水生态、水资源、制度建设及执行情况和显示度。《办法》将城市暴雨内涝灾害防治作为水安全中一个重点评价内容，要求城市内涝达到《室外排水设计规范》规定的标准，历史积水点彻底消除或明显减少，或者在同等降雨条件下积水程度显著减轻，同时鼓励借助模型模拟，作为辅助工具判断管道排水能力及内涝风险。以DHI MIKE为代表的数字模型软件，在对内涝风险的模拟与分析、雨水管网重现期的校核中表现良好，已经成为海绵城市建设中的热点，在国内外规划设计中得到了广泛的推广与应用[2]，并取得较好效果。

国外对内涝模型的研究始于20世纪60年代，经过数十年的发展，形成了如SWMM、STORM、DHI MIKE等在内的应用价值较高的专业模型软件[3]。我国在这方面起步较晚，相关专家学者研究方向主要为：一是在国外相对成熟的模型基础上进行本土化的改良，如清华大学规划研究院在GIS技术和SWMM模型的基础上开发出Digital Water模型；二是借助先进的模型软件对实际工程进行分析模拟[4]。如吴思等[5]借助DHI MIKE软件评估武汉雨水运行情况等，王乾勋等[6]借助MIKE URBAN模块评估深圳市沙头角片区进行内涝分析。笔者拟借助MIKE软件的相关模块，对苏州市某学校开展内涝模拟分析。

1 MIKE模型介绍

1.1 模拟软件构成

MIKE软件是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的产品。软件模块众多，其中MIKE URBAN主要用于城市排水管网的模拟，实现雨、污水泵站优化调度、排水管网现状评估、排水管网溢流分析、城市降雨径流过程分析等，MIKE URBAN还可以与MIKE21耦合对城市内涝分析与管理[7]。针对本次内涝模拟，选用MIKE模型的三个模块，分别是MIKE URBAN、MIKE 21和MIKE FLOOD。

1.2 内涝模拟过程

MIKE URBAN模型对内涝的模拟过程大致分为三个阶段。第一阶段是产流过程，即统计集水区的净雨量，具体操作为：模型按照不同下垫面对应的径流系数自动计算集水区的综合径流系数，用总降雨量减去下渗量和径流过程的初损量就是对应集水区上的净雨量，此过程的计算将用到水文模块，集水区的汇流时间与降雨量之间的关系曲线也将同时生成；第二阶段是汇流过程，即模拟水流在管网中的运行状态。重点是控制雨水井的收水能力，具体操作是利用第一阶段的产流结果来设置最大入流量参数，此过程的计算将用到水动力模块；第三阶段是地表的漫流过程：将MIKE URBAN模型与MIKE 21模型置于MIKE FLOOD平台上耦合，精确地模拟雨水的溢流和回水，当地面标高低于其节点水头时，水就会漫流到二维地形中，当地面标高高于其节点水头时，节点处的积水流入管网中并从排水口中排出，此过程的计算将用到模型的水动力模块[6]。

1.3 建模及注意事项

在基本信息处理和模型搭建的过程中，有以下几点细节需要特别注意。

(1)首先要从整体上对CAD的数据进行判断和熟悉，这是数据的前处理阶段必不可少的。这种问题直接影响到数据的准确性，一旦出现不合格的数据就会导致返工，影响整体进度，严重的还会影响规划方案的制定，这是建模工作的最关键的阶段。

(2)要结合地形图对模型汇水区进行合理的修改和划分，且不能完全依赖MIKE URBAN软件中的汇水区自动划分工具。在实际操作过程中要根据流域和出水口的服务范围人为调整，使每一根管道都尽量符合实际，尽可能细化汇水区，保证模型高效稳定运行[9]。

(3)在不影响结果的前提下，管道概化模拟要根据设计层面的不同、汇水面积的大小而做出相应的改变，得到最理想的概化长度，从而提高模型运行效率，避免软件运行中出现错误。

(4)整个模拟过程只能定义唯一的坐标系。无论是前期在ArcGIS中对基础数据的处理，还是在导入MIKE URBAN里的新文件，都必须只能定义一个相同的坐标系，且坐标系一旦定义不可更改，否则会导致导入之后的检查井界面与用地界面不匹配，模型搭建只能从头再来。

2 基于MIKE软件的内涝模拟

2.1 模型准确性验证

对于已建地块的内涝模拟准确性验证，可以通过实测数据与历史内涝调研状况进行比对，根据比对结果对模型参数进行率定，提高模型精度。对于新建地块的评估模拟，无法获取实测数据，因而不能直接验证模型的准确性。唯一的方法是相似区域或同类地块先进行内涝模拟，根据已有数据进行验证，来保证模型可靠性，然后将验证后的模型应用于新建地块的模拟。鉴于本次模拟为新建校园，对模型准确性验证通过对地理位置、气候、降雨、土壤等条件都极为相似的常州市武进区某地块内涝模拟分析，并通过历史数据加以对比分析。

武进区与苏州市在地理位置上相隔不远，都位于江苏省南部，濒长江，临太湖，两地境内地势低平、水系发达，气候相同，多年平均降雨量都在1 100 mm左右，地层同属第四系长江三角洲冲积层，土壤构成相同。模拟区域占地1.1 km2，各下垫面比例与规划校园类似，如表1所示。

表1 模拟地块下垫面统计Tab.1 Statistics of Underlying Surface of Simulated Plot

注：1 ha=104m2

图1 模型模拟积水状况Fig.1 Condition of Simulated Waterlogging by the Model

通过MIKE模型模拟20年一遇降雨条件下地块积水状况，如图1所示，与本地块历史易涝点的比较，如图2所示。由此可知，现有模型较为准确地反映了当地内涝状况，使用模型对新建校园的模拟是较为可靠、可行。

2.2 研究区域概况

本次研究对象为一所学校，分为幼儿园、小学、初中三个部分，学校总占地面积为72 294 m2，总建筑面积为61 450 m2，建筑密度为25.72%，绿地率为35.01%。学校东、南、西三侧均为市政道路，北侧为一条东西走向的人工河，雨水管网汇集地块雨水后排入此河，场地内采用透水铺装、下凹式绿地、雨水花园等多种绿色雨水基础设施。在学校东北处设置雨水回用池，容积为45 m3，主要用地小区道路浇洒、绿化灌溉，在学校西南处设置一处雨水花园，占地为473 m2，篮球场及足球场南端的雨水由雨水管收集后排入雨水花园，经调蓄、净化后排出至雨水干管。建成后场地综合径流系数如表2所示。

图2历史易涝点描述区域Fig.2 Historical Points Description Area

表2 建成后地块径流系数计算Tab.2 Runoff Coefficient Calculation after Construction

学校为保障校园内水安全，一是通过结合相关城市雨水排水规划，划分内部排水片区，确定各片区排水方向；二是校核场地高程，提出超限雨水排水通道，确保雨水导流顺畅，排水系统安全；三是设置绿色雨水基础设施，滞留、蓄存雨水，达到削峰错峰的目的,如图3、图4所示。

2.3 内涝模拟

2.3.1 区域信息模型化

根据校园设计的CAD、文本描述等信息，经模型处理后如图5所示，此时模型已包含汇水区面积，雨水口位置，检查井的地面标高、井底标高、直径，雨水管的数量、管径、管长、上下游管内底标高，雨水收集池的位置、容积、占地面积，雨水花园的面积，深度等必需数据，此时一维排水管网模型已搭建完毕，在此基础上加入20年一遇24 h的降雨文件。

2.3.2 管网模型与地形文件耦合

在MIKE FLOOD平台上加载预处理地形文件，然后剪裁成与用地边界一致。将模拟片区形成一个闭合的空间，对区域内建筑整体拔高，道路整体降低标高，然后加载管道和检查井信息，实现一维排水管网模型与二维地表漫流模型的耦合。

图3 超限雨水排放通道示意Fig.3 Schematic Diagram of Excessive Rainwater Discharge Channel

图4 雨水汇集与排放分区示意Fig.4 Schematic Diagram of Rainwater Collection and Discharge Zoning

图5 研究区域模型界面Fig.5 Study Area Shown in the Model

2.3.3 雨型选择及参数设置

由于本地实测降雨数据的缺乏，因此采用模式降雨雨型，主要有芝加哥雨型、均匀雨型、Huff雨型、三角雨型等雨型。所以本次模拟采用国内普遍使用的雨峰系数为0.4的芝加哥雨型，参照苏州市暴雨强度公式，降雨历时取120 min。对于雨水花园下渗类型、下渗率、孔隙度、初始水位等水文参数，本案例选用Horton下渗模型来模拟雨水花园的下渗过程[8]。