基于MIKE水动力模型研究内涝风险及治理方案效果

梁文芝 东莞市水务工程建设运营中心

1.引言

城镇内涝是影响城市发展的一个重要因素，洪涝严重时将造成严重的经济损失甚至是人员伤亡，后果严重。合理分析城镇内涝原因，采取针对性的措施是缓解城镇内涝的有效方法。水动力模型是水文、水利工程研究中常用的方法，其具备建模简便，计算速度快、结果准确等优势。在工程实践中取得了良好的效果。

东莞大坪村现状内涝现象较为严重，城镇洪涝排水难度高，易积水，严重影响到居民的正常生活，不利于当地的经济发展。因此，亟需采取相关治理措施，缓解内涝频发的现象。

2.水动力模型建立

管网水动力模型的参数设置，决定了模型模拟的准确性。在一维管网水动力模型中，主要涉及的参数有：平均坡面流速，模拟时间步长，管道曼宁数，检查井局部水头损失。这些参数的设置如表1所示。

表1 水动力模型中的参数设置

将以管网普测中的Excel数据作为源数据导入MIKE URBAN，经过管网梳理简化后，建立易涝点的排水管网模型。

在大坪村现状管网模型中：包含562个子汇水区、总面积204.13ha，检查井512个、排口4个、圆管507根、涵管5根，总长15.79km，检查井的地面标高最高标高为56.68m，最低地面标高为34.46m。所有检查井的地面标高在合理的范围之内，变化幅度不大。通过统计分析，圆管最小的尺寸为DN200，最大为DN2000，方涵尺寸在200×300～2000×2000之间。

采用MIKE21软件建立地面漫流子模型，在1：1000的地形处理基础上模拟地表坡面流的水力学过程。二维地面漫流子模型中，曼宁系数根据不同用地类型设置，设置网格计算水深小于0.02m为干水深，超过0.03m为湿水深，即当水深小于干水深时，这部分水量不计入水力计算，超过湿水深的积水才会进行二维地表漫流水力计算。

3.大坪村易涝点现状内涝模拟结果评估

3.1 现状内涝模拟

在5年一遇设计降雨工况下，使用现状内涝模型评估大坪村研究区域的城市内涝积水情况。通过数值模型法得最大积水深度和积水时间对城市内涝风险进行评估。经模型结果统计分析大坪村现状5年一遇设计降雨工况下平均最大积水深度图如图3所示。研究区域的最大积水深度为0.6m，积水面积为0.05km²。

图1 大坪村研究区域现状管网模型图

图2 大坪村地面漫流子模型地形数据

图3 大坪村现状最大积水深度图

依照内涝风险等级划分标准对5年一遇设计降雨的城市内涝进行现状内涝风险分析，内涝风险的结果如图4所示。其中，低风险区域面积为0.024km²，中风险区域面积为0.016k m²，高风险区域面积为0.016km²。

图4 大坪村现状5年一遇设计降雨工况下内涝风险图

3.2 现状内涝结果分析

大坪村易涝点位于四黎南路以西、林坪路以北区域，通过现状模拟分析可知，易涝点在5年一遇设计降雨情况下，存在大范围积水的风险，并且积水深度深、时间长、不易退去。以下针对该工况下的现状模拟情况，分析易涝点区域积水的主要原因。

表2 大坪村管网汇流模块统计表

①管道排水能力不足。易涝点附近管道排水能力不足为造成易涝点内涝的主要原因之一。坪园路上的两根DN400雨水管，管径偏小。在雨峰期间，管网系统无法及时排水，管道中的最高水头线超过了地面线，因此坪园路的管道会发生短时间雨水溢流至地面的情况。坪园路以北为城中村，土地硬化程度大，易涝点附近综合径流系数达到70%，产流量增大，增大了管道排水压力。

②地形影响。5年一遇降雨下，排水来不及导致管网溢流，积水在地面上通过地表漫流，流向并汇集在地势相对低洼处，而本次大坪村历史易涝点位于四黎南路以西、林坪路以北区域，通过易涝点与地形图的对比发现，易涝点地势相较于周边地势较低，从四周管网内溢流出来的雨水容易在交叉口处汇集并形成积水风险，并且由于该段区域以道路为主，硬化程度大，最终造成区域积水且长时间不易退去。

4.方案治理效果分析

4.1 方案设计

为改善大坪村的内涝现状，拟新建雨水管道，起于坪园路，由西向东约170m，管径为1m；到四黎南路后管径扩大为1.2m，倒虹穿过四黎南路，再沿内部村道由西北向东南敷设约160m；接入现状雨水沟后，管径扩大为1.5m，由北向南敷设约133m；接入现状雨水明渠后，管径扩大为1.65m，由南向北敷设约375m，最终接入坚朗地块雨水箱涵。

坚朗箱涵晴天现状水位是33.93m，作为方案新增的外界水位边界条件。降雨边界条件与现状内涝模型保持一致，地表漫流模型不变。

4.2 方案内涝模拟结果评估

在5年一遇设计降雨工况下，使用内涝模型评估大坪村研究区域的城市内涝积水情况。通过数值模型法得最大积水深度和积水时间对城市内涝风险进行评估。经模型结果统计分析大坪村现状5年一遇设计降雨工况下平均最大积水深度图如图6所示。在方案下，积水情况显著消除，研究区域的平均最大积水深度为0.25m，积水面积为0.0441km²。

图5 治理方案管网模型图

图6 大坪村方案下最大积水深度图

依照内涝风险等级划分标准对5年一遇设计降雨的城市内涝进行方案内涝风险分析，内涝风险的结果如图7所示。其中，低风险区域面积为0.0212km²，中风险区域面积为0.0126km²，高风险区域面积为0.0099km²。

图7 大坪村方案5年一遇设计降雨工况下内涝风险图

图8 大坪村现状、方案易涝点积水情况对比图

图9 大坪村现状、方案内涝风险情况对比图

易涝点工况对比。大坪村现状、方案针对易涝点的内涝模拟结果总结见表3和表4。

表3 5年一遇降雨条件下各工况易涝点内涝情况总结表

表4 5年一遇降雨条件下各工况易涝点内涝风险评估结果总结表

5.结论

通过模型模拟分析，现状大坪村易涝点附近管网排水能力不畅导致管网溢流以及易涝点地势低洼是造成内涝的主要原因。利用模型模拟验证设计方案，从易涝点处开始增设雨水管道，起于坪园路，最终接入坚朗地块雨水箱涵，管径依次为1m、1.2m、1.5m和1.65m，可以有效缓解易涝点内涝积水情况。