基于MIKE FLOOD耦合模型的新建城区防洪排涝模拟研究

张译心，郝 敏，方 晴，陆宝宏，王 剑，裴 颖

（1.河海大学水文水资源学院，南京210098；2.北京市水利规划设计研究院，北京100048；3.黄河水文水资源科学研究院，郑州450004）

0 引 言

根据2006-2017年国家防汛抗旱总指挥部和水利部公布的《中国水旱灾害公报》［1］，我国平均每年有148 个县级以上城市受到洪涝灾害影响，年均受灾人口1.2 亿人，年均直接经济总损失2012 亿元。由此可见，暴雨洪水灾害已严重制约了我国城市的可持续发展，城市暴雨内涝研究迫在眉睫。

对城市的水文过程进行全面而准确的模拟是城市内涝灾害防治的关键，在充分考虑下垫面空间变异性的同时也要兼顾到道路、河网以及排水管网之间复杂的水力联系［2］。大量研究也基于MIKE、SWMM 等模型展开，如曹宇航等［3］基于MIKE11对平原感潮河网城市防洪规划展开了研究；侯精明等［4］就设计暴雨的雨型对城市内涝的影响进行了分析；曾照洋等［5］耦合SWMM 和LISFLOOD 模型，对珠三角典型区域进行暴雨内涝模拟；栾震宇等［6］基于MIKE FLOOD 平台构建了城市内涝模型，对湖南省新化县典型区域的排涝情景进行模拟。SWMM 模型使用方法简单，效果较好，但需要大量的数据和前期处理工作；MIKE 系列模型发展成熟，功能全面，且所需参数少，在大量实际应用中受到广泛认可。

本次研究基于MIKE FLOOD 平台展开，研究对象为山地环境中的新建城区产业园，其防洪排涝形势不仅具有城镇雨洪的一般特点，亦涉及周边的山洪灾害，区域内河涌、道路、排水管网间的水力联系复杂。本次研究耦合地表漫流二维模型、河道一维模型、地下管网一维模型，形成区域的防洪排涝模型，在缺乏实测资料的情况下，对研究区防洪形势进行了量化分析，并基于模型进行LID 措施的组合布设，分析措施前后区域的防洪排涝情势，为同类型山地城区的防灾减灾工作和可持续发展提供参考。

1 概 况

本次研究区位于广东省潮州市东山湖现代园，地属内洋水系，东距韩江西溪约11 km，西距榕江约8 km，北距忠离溪约7 km，与其之间均有地势较高的低丘岗地阻隔，故不受上述外河洪水影响。研究区为山谷地带，群山环绕，东侧为高速公路，见图1（比例尺从小到大依次为1∶10 000 000、1∶2 500 000、1∶40 000）。土地利用概况见图2。区内地势西北高、东南低，道路均为城市型水泥砼路面，道路两侧适当预留绿化带，并布置雨水口。

图1 研究区域位置及高程分布图Fig.1 Location and elevationof study area

图2 研究区土地利用示意图Fig.2 Land use in study area

园区防洪标准为50年一遇，研究区内有一河涌，为一条山洪沟，按20年一遇洪水标准设计。区域内的雨水管网按照分散出流、就近排放的原则布置，沿道路铺设，雨水管管径范围为D600～D1600，最小设计坡度约0.1%，排入下游的水塘和低洼地。

研究区西侧为山体，而南侧地势较低，加之受南亚热带季风气候的影响，该区域夏季较长且降雨充沛，容易诱发暴雨洪水灾害，威胁园区安全。随着产业基地的发展，园区建筑物逐渐增多，将进一步改变产汇流特性。

综上，该区域洪涝来源既包括区域内的降雨汇流，又含有周边山区的山洪。而排洪沟偏低的设计标准（20年一遇）给区域的防洪排涝安全带来风险。

2 研究方法

2.1 模型原理

MIKE11 HD（水动力）模块是MIKE11 的核心模块，可用来模拟明渠河网中的非恒定流，其结果是关于水位和流量的时间过程。

MIKE21 模型为平面二维自由表面流模型，忽略了垂向水流加速度，可模拟计算海洋、湖泊、河道、蓄滞洪区的流速、水位等变化［7］。包含有3 个模块，在使用MIKE FLOOD 耦合时较多使用MIKE21 模块，其每个与管网节点相连的二维网格仅需一个坐标即能描述位置，且不易因产生细微误差而使模型耦合运算崩溃。

Mike Urban 基于地理信息系统，操作方便灵活，可用来模拟城市中的给排水管网，能够准确反映复杂的自由流水面和管道压力流。模型包括两个部分，降雨径流模拟和管网水动力模拟，其中前者的结果文件是后者的边界条件。

MIKE FLOOD 是将二维模型（MIKE21）与一维模型（MIKE11或MIKE Urban）连接并进行动态耦合的模型系统。耦合模型本身不进行水力计算，只是通过耦合方式、位置及相关参数设置，使一二维模型实时交换数据、协同工作、灵活并稳定计算［8］。具备了一、二维模型的长处，同时可防止采用单一模型时的精度和准确性问题。

2.2 降雨条件

2.2.1 汇水区域划分

参照研究区现状Opencycle 等高线地图，根据山体地势变化和高程坐标，勾勒西侧山地的分水岭，东侧以研究区域场地边线为界，划分出了研究区外围的汇水区域。根据位置分布和汇水特性将山洪汇水区域划分为A、B 两个子区域，两区域之间有箱涵连接，见图3。

图3 汇水区域划分Fig.3 Division of catchment area

2.2.2 设计暴雨计算

根据园区的防洪标准，推求所需的设计50年一遇最大24 h降雨过程。本次计算根据《广东省暴雨径流查算图表》［9］获得，利用当地多年平均最大24 h点雨量推求50年一遇降雨量，再结合适用于该地区的粤东沿海地区雨型分配，从而获得设计降雨过程。同时选取邻近研究区的汕头站、惠来站、汕尾站降雨数据，基于距园区距离进行权重平均，得出50年一遇频率下降雨过程，见表1。比较结果可知，本文计算的设计降雨过程与之基本一致，峰值略大，相对误差为9.7%。综合分析，从流域设计暴雨空间特性及偏安全角度［10］等方面考虑，本次选用查算图表设计成果。

表1 设计暴雨过程Tab.1 Process of design rainstorm

2.2.3 设计山洪计算

排洪沟是适用于小汇水面积的排水构筑物，由于山区河沟流域面积小，平时水量少甚至干枯，仅在降雨期水量激增且集流快，几十分钟时间即可汇集到被保护区，故排洪沟洪水计算以推求洪峰流量为主，对洪水总量和过程线不作研究［11］。但山区小汇水面积一般无实测河川流量资料，所需的设计洪峰流量一般采用暴雨资料来间接推求，并假定暴雨与其产生的洪水同频率［11］。

按照《广东省暴雨径流使用手册》［12］，小面积山坡洪水流量计算方法中，对集雨面积小于10 km2的河流，可采用广东省洪峰流量经验公式法。该方法反映了流域的地理特征和暴雨特征，对于集雨面积小于10 km2的河流使用效果较好［13］。研究区汇水面积仅1.4 km2，缺少当地实测流量资料，因此，结合实际情况，广东省洪峰流量经验公式是最适合推算研究区河涌洪峰流量的方法之一，故采用该方法计算洪峰流量，并按照降雨过程等比例缩放的方法生成山洪过程，见图4。同时，将邻近集水面积相近的山区小河流同频率下的洪峰流量，与本次计算洪峰流量对比，二者相对误差为13.8%。但由于山洪流量受暴雨特征、流域特性影响显著，而不同区域的上述特性不尽相同，故作为参考，说明本次计算结果较合理。

图4 设计山洪流量过程Fig.4 Process of design flash flood flow

2.3 模型构建

根据研究区域实际情况，洪水除了通过管网进行外排以外，河涌也承担着重要的泄洪任务。为准确描述区域的防洪排涝情况，需要建立耦合模型，同时对地表二维漫流、地下管网排水和河道洪水演进进行模拟。

一维河道洪水演进模拟范围为研究区的河涌，A 区域的山洪流量设置为上边界入流，B区域的山洪流量按旁侧入流考虑，下边界以受纳水塘堤高作为边界水位。计算初始状态取为0.05 m 水深。根据园区的规划资料［14］，河涌糙率参考其设计糙率，设置为0.033。

二维地表漫流模拟范围根据区域实际情况并结合排水管网布置。初始水深设为0，即地面高程。糙率采用默认值1/32。涡黏系数与风摩擦系数对本次计算结果无明显影响，采用默认值。

一维地下管网水流模拟中，考虑到研究区内实施雨污分流制排水系统，污水管网不参与区域排涝，故仅考虑雨水管网。根据收集到的研究区管网资料，考虑管道走向和出水口位置，概化后的管段总长2 726 m，共包含58个节点和1个排水口。采用模型中的集水区自动划分及自动连接工具，进行集水区划分和连接。管网概化和集水区划分示意图见图5。

图5 管网概化和集水区划分示意图Fig.5 Network generalization and catchment division

3 模拟结果与分析

3.1 排洪沟泄洪情况

根据河道一维模型的模拟结果可知，在整场暴雨期间河涌下游多处出现漫溢现象。降雨条件为50年一遇时，河道里程约940 m 处，在降雨开始40 min 后，左岸即出现溢流情况，随着降雨历时的增加以及降雨强度的不断增大，该溢流点逐渐向两边扩展，情况愈发严重，但该部分的溢出水流会沿着园区边缘地区流向区内东南侧的低洼区域，对区内道路和建筑影响不大。6 h后，在里程约860 m 处出现第二处溢流点。此后直至雨强峰值出现，河道整体表现为溢流不断增加的趋势。在17 h 左右，降雨强度达到最大值，河涌上游山洪来流量急剧加大，河道沿程的水位也达到最大值，整个河段出现多个溢流点，且集中在中下游里程560 m 至1 080 m 段，最大溢流水深可达1.50 m，此时大范围的溢流导致大量洪水进入园区，加剧了区域内的洪涝灾害。之后随着雨强不断减小，河道内水位才缓缓降落。

3.2 区域地表淹没情况

遭遇降水时研究区会受到来自山洪和内涝的双重影响，区域内多处易出现积水现象。根据模拟结果，当遭遇50年一遇暴雨时，研究区内道路和地势低洼处出现了较严重的淹没情况，积水深度随降雨强度的变化而改变，同时受地形高程的控制，淹没水深变幅东南侧较大、西北侧较小，见图7。

图7 最大淹没水深分布图Fig.7 Distribution of maximum submerged depth

由图可知，区域内的道路多出现积水，最大淹没深度多在0.3 m 范围内，局部区域可达0.4 m。在园内建筑区和高速公路间的绿化带区域和空地，由于地势较低且沿地形倾斜，其最大淹没水深由西北段的0.1～0.45 m 逐渐向东南段的0.6～1.0 m过渡。

图6 不同时刻河道沿程水位Fig.6 Water level along the river at different times

由于河涌发生了大范围的山洪漫溢，并在向地势较低区域汇集的过程中，出现了最大淹没水深达1.5 m 左右的积水区域。位于园区东南角的绿化带和空地，由于地势最低，整个区域的雨洪都汇集至此，积水量较多，淹没水深最大可达1.2 m。

3.3 地下管网排水情况

地下雨水管网是研究区内重要的排水通道，在暴雨来临时承担了主要的排水压力，因此雨水管网的排水能力对园区的防洪排涝情势起着决定性作用。本次以地下管道的充满度（Pipe Filling）作为依据进行评估［15］：

式中：PF为管道充满度；Z为水位，m；P1为管道底标高，m；P2为管径，m。

根据《室外排水设计规范（2016 版）》（GB50014-2006）［16］，管径大于1 000 mm 时，最大设计充满度为0.75；管径为500～900 mm 时，最大设计充满度为0.70。依据园区的排水管网设计图，除C9 号路西段管径为800 mm、C8 号路管径为800 mm 和600 mm 外，其余道路沿线管道的管径均大于1 000 mm。为评估研究区内管网的排水状况，将如图8 所示的模型模拟结果与给出的各管径允许的最大设计充满度作对比。

图8 管网最大充满度Fig.8 Maximum fullness of pipe network

当充满度大于1 时，即表明该段管道的排水能力已无法满足当前需求，很可能产生溢流。由以上图表可知：50年一遇降雨时，C7、C8 号路，C9 号路西段，C10 号路北段和高速公路的西北段沿线管道充满度均小于0.7，符合规范要求；C9 号路中段、C10 号路南段和高速中段沿线管道充满度大于0.75，超过了规范设计值，但仍能满足此时的排水要求；随着雨水向东南侧汇集，C9号路东段和高速东南段沿线管道充满度均超过了1，出现了排水能力不足的情况。

3.4 合理性分析

由于研究区属于新建工程，暂时缺乏区域遭遇暴雨时的流量、积水、排水实测资料，因此只能对模型结果的准确性做定性验证，即合理性分析［17］。根据模拟结果，东南侧积水最严重，管道出现有压流的情况，与园区东南侧地势低特点相吻合。采用水力学公式对管道内流量的模拟结果进行检验。根据模拟结果中各未漫溢管段最大充满度和各充满度对应的水利要素，线性内插得到此时相应的圆形管道水力参数。利用管道无压流水力计算公式计算管段的最大流量，选取园区内三条不同管径的管段与模型结果作对比，模型模拟值和公式计算值的相对误差均在10%以内，属于可接受范围，认为能较好模拟园区防洪排涝情况。

表2 计算结果与模拟结果对比Tab.2 Comparison between calculation and simulation

3.5 对策分析

根据产业园的防洪排涝状况，可有针对性地采取应对措施：

（1）对河涌中下游的左岸堤防进行加高、加固，并在沿岸的空地或绿化区域铺设管道，修建检查井、雨水口或者蓄水池，以降低损失。

（2）在园区东南侧地势较低区域，可考虑修建蓄水池起到临时蓄水的功能，减轻强降水来临时管道的排水压力，待暴雨停止后再抽排出去或二次利用如浇灌绿化、冲洗路面等。

（3）加强对排水管道和排洪沟的管理工作，定期检查维护，防止出现管道堵塞、淤积等情况。

（4）采取低影响开发（LID）措施，如道路地面的铺设尽量选用可渗透材料，增加雨水的渗透速率，以达到分散地表径流、减小路面积水量的效果。

研究区地属海洋性季风气候地区，属于广东的暴雨多发区，根据园区规划文件［18］，建设应按50年一遇洪水标准设防。要求防患于未然，做好各种防范措施，尽量把自然灾害造成的损失减少到最低限度。而园区的防洪标准高于河涌的设计标准（20年一遇）。且根据模拟结果，遭遇50年一遇降水时，园区局部严重积水，影响道路的正常使用，排洪沟漫溢，高速公路西侧绿化带、河涌左岸沿线绿化带以及园区东南角的绿化区和空地出现了较深积水，园区的安全和正常运行受到威胁。

因此，虽然前三项对策能较好缓解园区的洪涝，河涌的清淤等措施只能使其保持排洪沟原有的防洪排涝能力。本着可持续发展的理念，对LID措施效果进行分析，给建设者提供参考依据，望其能从源头和根本上控制洪涝灾情。

4 LID措施布设与效果分析

4.1 LID措施布设

（1）透水铺装。园区内现状道路两侧路缘石与绿化带均高出路面15 cm 左右，故绿化区无法有效受纳道路区域雨水，易造成路面积水。由于区内交通负荷小，对道路路面的承压能力要求不高，可将园区道路改为透水铺装，既保持了道路通行能力，也增强了道路排水能力。采用透水沥青混凝土路面，布设面积共约3.0 hm2。透水铺装的孔隙率取为0.2。

（2）植被浅沟。山洪流量激增时，河涌中下游段会发生严重山洪漫溢，考虑在其左岸沿线布设植被浅沟，以收集并排泄河涌的溢出水流和周围汇水区产生的径流。选用标准传输型梯形断面植草沟，总布设长度约550 m，植草沟底部水平、宽度0.8 m，边坡坡度1∶4左右，表面积约893 m2。在靠近排洪沟一侧可采用卵石等消能措施，以防溢流山洪造成的冲刷和侵蚀。下渗速率取3×10-6m/s，下渗方式为常速下渗，孔隙率取0.65。

（3）下凹绿地。园区东侧边缘现为绿化带，修建高程与周边空地齐平，局部区域甚至要高出地面，对积水的吸收和储存能力十分有限；相邻的高速地势高，与园区内绿化带以平缓边坡相连，故该区域绿化带在遭遇强降水时易产生积水淹没。故将绿化带高程降低10 cm 形成下凹绿地，表面积约2 029 m2，植被类型按普通草坪考虑，入渗速率取2.5×10-7m/s、下渗方式为常速下渗，孔隙率取0.5，并假定路缘石类型为豁口立缘石，以方便路面积水顺利汇入绿地［19］。

（4）绿色屋顶。园区内南侧建筑区为平屋面，可考虑修建绿色屋顶，能储水以削减径流、延缓洪峰，减小园区东南侧管道的排水压力。绿色屋顶应在满足建筑安全使用的前提下布设，本次研究布设面积拟定为屋面面积的20%，共约2 hm2，下渗方式为非恒定下渗，径流系数取0.4。

以上LID措施布设见图9。

图9 各措施布局示意图Fig.9 Diagram of each measure

4.2 LID措施效果模拟分析

（1）地面积水情况。措施布设后，设计降雨条件下研究区地表积水情况见图10。

图10 措施实施后最大淹没水深分布Fig.10 Distribution of maximum submerged depth after implementation of measures

对比可知，园区内积水状况有明显改善。在淹没深度上：道路区积水深降低约37.3%；园区东侧的高速沿线区域积水深降低约36.0%；河涌左岸沿线积水深降低约41.1%；东南角区域积水深降低25.9%。积水历时上：各积水点出现积水的时间推迟10～30 min，总积水历时减少20～60 min。

（2）管道径流过程。基于模型模拟结果，提取管道出水口流量过程，并结合降雨雨型，对措施布设前后排水流量做对比，见图11。

图11 管道出口处流量过程Fig.11 Flow process at the outlet of pipeline

由图可知，LID 措施实施后，排水口水位峰值有明显下降，洪峰削减率为37.6%，峰值出现的时间延迟了45 min。径流外排总量也有所减小。

4.3 LID措施经济可行性分析

由于LID 措施建设成本较高，在提供布设建议和效果分析的基础上，应对各项设施进行估算，便于整体评估。根据《海绵城市建设指南——低影响开发雨水系统构建》［20］中部分LID 单项设施单价估算价格结合研究区具体布设情况，估算各项措施费用，见表3，可供参考选择。

表3 LID设施造价估算Tab.3 LID facility cost estimation

5 结 论

（1）对于无实测水文资料的新建城区，本文基于Mike Flood构建了耦合模型，发挥了一维、二维模型各自的优势，能有效地模拟城区防洪排涝情景，为类似城区规划建设提供参考。

（2）从模拟结果来看，遭遇强降水后，研究区内出现多个溢流点，区内道路出现不同程度积水，部分管道处于有压流状态，检查井也基本发生溢流，出现了负担过重的情况，无法满足排水需求。

（3）通过MIKE FLOOD 模型实现LID措施的布设，并提供了简单的经济可行性分析供建设者参考。比对措施前后结果，得：园区内积水状况有明显改善：地表淹没面积减小；积水深度普遍降低；各积水点出现积水的时间推迟；管道出水口流量过程延迟且峰值和外排明显减小。鉴于研究区防洪排涝现状，提出的针对性措施，可为同类型无实测水文资料山地城区的防灾减灾提供技术支撑。 □