基于Mike Urban的城市易涝区分析与优化

李子钰，余 嵘，房 平

（西安工程大学城市规划与市政工程学院，西安 710048）

城市雨洪径流模型属于城市水文模型的一种，其利用现代水文学、水力学的知识，建立数学模型对雨洪径流和排水系统进行模拟，分析水流水位和淹没区域等情况。对不同情景下城市雨洪过程的模拟和预测，可以为城市防洪预警和排水规划提供科学的决策支持。Mike Urban模型具有技术集成度高、数据接口广泛、建模与运行简单且精准等优点，在国内外已被广泛用于城市地表产汇流计算的雨洪模型研究、排水管网的模拟评估等。

广州市花都区属于典型的亚热带季风气候区，多年平均降雨量为1 777 mm，一年中大部分时间雨量充沛，雨季明显，常有大到暴雨出现。花都区平原海拔为5～50 m，城区排水防洪的主要问题有：部分区域排涝工程先天不足，建设标准较低；水利工程维护管理不足，水毁冲蚀严重；污水处理系统不完善，污水处理厂效能不足。因此，花都区城区形成了18处不同程度的内涝点。本文选择Mike Urban软件作为工具，在概化研究区排水管网的基础上，模拟易涝点不同情境下的区域积水情况及管道充满度，评估管网排水能力，以提出相应的优化方式，解决区域内涝问题，为防洪排涝提供技术支持。

1 基础数据整理

1.1 基础数据导入

将管网数据在ArcGIS软件中处理为节点及管道的shp文件后导入Mike Urban，通过Urban自带的数据检查与插值赋值工具对管网进行检查，根据收集的排水管网资料（包括管道及检查井基本数据、土地利用情况等），统计并完善管道和节点的数据属性及类型，筛选出错误和不合理的数据，并结合实际进行调整。之后，将CAD格式的下垫面资料导入ArcGIS，分解出不同土地利用类型处理为不同图层的shp文件，再将其导入Mike Urban中。

1.2 暴雨过程推求

为模拟市政排水管网在不同降雨情境下的状态，拟采用同频率分析方法确定一种长历时设计降雨过程线，推求出20年一遇和30年一遇的24 h设计暴雨过程。

2 模型与方法

2.1 Mike Urban模型

Mike Urban管网内涝模型主要分为降雨径流模拟和管流模拟两个阶段。第一个阶段的降雨径流模型采用简单、常用的时间面积曲线模型模拟降雨径流过程。第二阶段的管流模拟中的水动力模型将管网中的水流视为非恒定流，用一维圣维南方程组与Abbott—Ionescu六点隐式差分交替格式求解方程组的数值解，一维圣维南方程组是基于垂向积分的物质和动能守恒方程，六点隐式差分分别交替计算相邻网格节点上的水位和流量。

2.2 城区内涝模型构建

结合研究区实际土地利用情况，将下垫面信息概化，实测数据率定相应的不透水率，如表1所示。在Mike Urban建立的排水系统模型上划分子汇水区，最终将区域概化为330个子汇水区。

表1 研究区下垫面情况

根据Mike Urban模型参数敏感性分析的相关研究成果，选择降雨初损、水文衰减系数、地面径流平均流速及管道曼宁数作为率定参数。从研究区18处内涝点（均设置检查井）中确定4处典型易涝点（XY01、XY09、XY10和XY15），选取典型降雨径流过程用于区域排水管网模型参数率定和验证。典型易涝点的特征如表2、表3所示。

表2 典型易涝点降雨要素

表3 典型易涝点最大积水深度对比

从表3模拟结果来看，典型易涝点积水深度实测与模拟数值的相对误差分别为-12.10%、5.60%、3.20%和-9.50%，在城市排水系统径流模拟设计标准的允许范围内（-20%～10%），率定通过。因此，该模型可在研究区使用。

3 结果分析

研究区30年下的设计降雨径流过程模拟结果显示，18处检查井均存在溢流，溢流点最大积水深度为1 m，最大积水时间为72 h。造成18处溢流点的主要原因有三点：地势低洼；无排水设施或相关排水设施不足；下游顶托、倒灌。选取18处溢流点中典型的4处（XY01、XY09、XY10和XY15），模拟其在30年下的管道充满度，结果显示，管道充满度超过最大允许值甚至出现满流情况，4处易涝点充满度相似，使其无法满足设计最高峰流量，导致溢流。

3.1 调整汇水区域，优化排水线路

类似于XY01的典型易涝点，地势低洼，排水管道管径不足，又无法增大，每遇暴雨，当地极易发生雨水倒灌现象。因此，有必要提出整治方案，规划完善周围的雨水干管，减少此段管网汇水面积。同时，组织涝区排水流向，自西向东新建雨水干管（管径1 000～1 200 mm），收集此范围雨水。根据Mike Urban模型模拟结果，在重现期=30年的长历时降雨下，管道在峰值可以顺利排水，地面排水风险较低，满足管道排水要求，如图1所示。

图1 XY01易涝点规划后管道充满度剖面（P=30年）

3.2 疏通下游管道，增加必要泵站

XY09易涝点积水深度为0.4～0.5 m，历时1 d后才能排出，积水原因为地势低洼以及排水管网老旧、堵塞。本次规划需要新建和完善雨水管道，外部在积水点东侧规划道路上新建雨水管道（管径800 mm）。根据Mike Urban模型模拟结果，在重现期=30年的长历时降雨下，管道在峰值可以顺利排水，如图2所示。

图2 XY09易涝点规划后管道充满度剖面（P=30年）

XY10易涝点积水水深高于0.5 m，历时1 d才能排完，主要原因是地势低洼、排水管网老旧。该片区现状雨水通过镜湖大道北4 600 mm（宽）×2 800 mm（高）渠箱最终排入雅瑶涌，为减小镜湖大道北排水渠汇水面积，在迎春路新建雨水管道（管径1 650 mm），同时新建东庄雨水泵站，加强市政雨水排入雅瑶涌的能力。MIKE Urban模型模拟结果类比图2，在重现期=30年的长历时降雨下，现状管道在峰值可以顺利排水，地面积水风险较低，能够满足排水要求。

3.3 强化水域整治，防止倒灌

邝家村现状排水管渠可以正常工作，主要问题是附近支涌水倒灌。规划邝家西路新建雨水管道（1 350 mm）与2 500 mm（宽）×1 800 mm（高）渠箱，下游新西庄新建雨水泵站。同时，对现状三讲排水渠进行整治。设计雨水管渠采用DN1 000 mm雨水管（箱涵横截面尺寸5 m×2 m），由于地形标高条件的限制，雨水管出水口标高为4～6 m，部分雨水管需要采用淹没出流，雨水就近排入新街河，规划在河北岸新建雨水泵。MIKE Urban模型模拟结果类比图2，在重现期=30年的长历时降雨下，现状管道在峰值可以顺利排水，地面积水风险较低，能够满足排水要求。

4 结论

本文借助Mike Urban构建区域排水管网模型，将研究区划分为330个汇水区，模拟出18处内涝点，以Mike Urban展开30年暴雨情景下的防洪排涝模拟分析。其间通过实地调查分析典型易涝点积水深度、积水历时以及积水的原因，根据Mike Urban建立水力模型并模拟分析，通过新建管道、扩增管径和新建泵站与渠箱，改善排水能力。在防洪排涝方面，扩增管径、新建泵站等都是辅助性措施，而解决城市内涝问题还是要从源头进行控制。要加强城市规划指导，改变下垫面条件，恢复城市良性水文循环，从根本上缓解城市内涝。