基于MIKE FLOOD的深圳市大空港片区暴雨内涝模拟分析

2024-06-26方煜铭马旭民林凯荣欧阳佳娜郭伟建郭靖

人民珠江 2024年5期

方煜铭马旭民林凯荣欧阳佳娜郭伟建郭靖

摘要：由于气候变化以及城市化发展，引起强降雨等极端天气事件增多，导致城市内涝现象加剧，给城市交通、居民生活和基础设施造成严重影响。基于 MIKE FLOOD 平台，通过耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和MIKE 21三个模型，构建了暴雨内涝模型，对深圳市大空港片区内涝问题进行分析。利用2018年“山竹”台风实测暴雨条件下的实测水位、积水深度数据，对模型进行了参数率定和验证。在不同降雨情景下，内涝高风险区域主要集中位于研究区的中部区域以及河流沿岸附近。另外，根据“8·29”实测暴雨潮水位，模拟可得：大空港片区内涝点积水深度在15 cm 以上的总积水面积约为7.11 hm2。研究结果可为区域城市内涝防治提供科学的技术支撑。

关键词：MIKE模型；城市内涝；情景模拟；成因分析；大空港片区

中图分类号：TV21 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）05-0088-08

Simulation Analysis of Rainstorm Waterlogging in Shenzhen DakonggangArea Based on MIKE FLOOD

FANG Yuming1，MA Xumin1，LIN Kairong1，3，4*，OUYANG Jiana1，GUO Weijian2，GUO Jing2

（1. School of Civil Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;2. Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China;3. Guangdong Key Laboratory of Marine Civil Engineering，Guangzhou 510275，China;4. GuangdongEngineering Technology Research Center of Water Security Regulation and Control for Southern China，Guangzhou 510275，China）

Abstract： Due to climate change and urbanization， extreme weather events such as heavy rainfall have increased， leading to the aggravation of urban waterlogging，which has a serious impact on urban traffic，residents' life，and infrastructure. Based on the MIKE FLOOD platform，this paper constructs a rainstorm waterlogging model by coupling the three models of MIKE 11，MIKE URBAN，and MIKE 21 to analyze the waterlogging problem in the Shenzhen Dakonggang area. It calibrates and verifies the parameters of the model using the measured water level and water depth data under the measured rainstorm conditions of Typhoon "Mangkhut" in 2018. Under different rainfall scenarios，the high-risk areas of waterlogging are mainly concentrated in the central region of the study area and near the river bank. In addition，according to the measured tide level of the "8·29" rainstorm，the simulation can be obtained：The total water accumulation area of the waterlogging point in the Dakonggang area with a depth of more than 15 cm is about 7.11 hm2. The research results can provide scientific technical support for the prevention and control of regional urban waterlogging.

Keywords：MIKE model; urban waterlogging; scenario simulation; cause analysis; Dakonggang area

气候变化引起极端天气事件增多，如强降雨、暴雨等极端气象条件频发。这些极端天气事件对城市内涝［1-3］的发生和发展产生深远的影响，使得城市对应急排水系统的需求变得更加迫切。另一方面，随着城市化的不断推进，城市土地利用结构发生变化，大量的非透水表面如建筑、道路、人工覆盖物等增加，城市绿地减少、湿地被填充等导致水文循环失衡，影响了城市的自然排水能力，“每逢大雨必涝”“城市看海”已经成为城市的通病，每年受淹城市都在百座以上［4-5］。与此同时，一些老旧城区的排水系统设施滞后，排水管网老化，且污水中的垃圾很容易堵塞管道［6］，因此，难以应对短时间内大量的降雨水量，这使得城市内涝问题更为突出。

城市内涝给居民的生活和工作带来了诸多不便，如交通中断、房屋受损、基础设施瘫痪等，对城市的社会经济可持续发展构成威胁。因此，深入研究城市内涝问题，探讨其发生的机理、影响因素以及有效的治理对策，对于提高城市抗灾能力、改善居民生活质量具有重要的理论和实际意义。

目前，国内外一些成熟的城市内涝模型都有所体现，包括 ICM、MIKE 等。曾照洋等［7］以东莞市典型区域作为研究对象，在构建 SWMM 模型的基础上，与 LISFLOOD-FP 二维水动力模型进行耦合，模拟分析了暴雨内涝淹没范围和淹没水深等情况，对研究区防涝减灾具有重要意义；周小飞［8］以运城市为研究对象，通过 MIKE FLOOD 平台，耦合 MIKE URBAN 和 MIKE 21，模拟不同频率设计暴雨下的内涝情况，并进行内涝评估以及划分相应的内涝风险图。王英［9］以北京市未来科学城区域作为研究区域，应用 MIKE FlOOD，对一维排水管网模型与二维地表漫流模型两者进行耦合，进行了暴雨洪水洪涝风险评估。赵华青等［10］建立了平原区流域的 MIKE 耦合模型，为流域的洪涝灾害风险评估、预测和预警提供了数据支撑。栾震宇等［11］在 MIKE FLOOD 平台上构建了一维管网模型和二维地表漫流模型，并耦合两者，对湖南新化城区不同排涝情景进行模拟，为城市内涝风险评估管理提供参考。谭雨欣等［12］采用 MIKE 系列软件对大亚湾澳头圆盘区域进行内涝模拟，为澳头老城区排涝设施的内涝防治提供了解决思路。

自2017年来，深圳市连续遭遇台风“天鸽”（2017-8-23）、台风“山竹”（2018-9-16）和“8·29 （2018-8-29）”强降雨极端事件，在大空港截流河工程区域内，出现了严重的城区内涝问题。本文选择深圳市大空港片区，基于 MIKE FLOOD 平台，通过耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和 MIKE 21三个模型，构建了暴雨内涝模型，并考虑了典型台风暴雨的情景，从地表淹没情况、内涝积水点的淹没情况等方面分析引发大空港片区城市内涝的主要因素，为揭示城市内涝形成机理以及城市内涝风险评估提供相应的参考意义。

1研究区域概况

1.1区域概况

大空港片区包括空港新城区及机场片区，北部以茅洲河为界，南至航城大道，西邻珠江口，东以珠江口水系流域范围线为界，见图1。截流河干流以东为厂房和民居，地面高程1.0～3.5 m，地势平缓，截流河南片区的地形高程整体高于北片区，南片区的高程普遍在3.0 m及以上。

1.2历史内涝情况

通过对深圳市宝安区大空港片区内涝点的分析，经统计，截流河南北片区现状内涝点积水情况见表1、图1，表中数据来源于深圳市水务局调查结果。

2内涝模型构建

2.1模型构建

丹麦水利研究所（DHI）开发的 MIKE模型在模拟城市内涝研究中有较多体现［13-15］。通过 MIKE FLOOD，耦合一维河道模型（MIKE 11）、地下管网模型（MIKE URBAN）、二维地表漫流模型（MIKE 21），构建大空港片区内涝模型。模型区域范围为图1所示的大空港片区。

一维河道模型：通过 MIKE11模型，创建断面、河网、参数、时间序列、边界文件，大空港片区包括一条截流河干流和南、北两条连通渠，连通德丰围涌、石围涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福涌、塘尾涌、玻璃围涌共8条上游河涌。设置截流河以及支流的河道糙率取值在0.028～0.033。在截流河北片区，和二涌与沙福河河口间设置节制水闸，以实现高水和低水的分离。此外，截流河上游350 m处设置北泵站规模为117 m3/s，用于将北片区雨水集中排入截流河封闭区域。南片区整体地势较高，具备自排调整的能力，南片区来水通过截流河南段自排出海［16］（图2）。

一维管网模型：通过 MIKE URBAN模型对大空港片区管网数据进行处理，集水区不透水参数根据下垫面用地类型参考 GB 50014—2021《室外排水设计标准》取值，采用等时流面积法（T-A 模型）［17］对城区进行产流计算，划分了1652个产流区，初始损失取0.0006 m，地面平均流速0.3 m/s，水文衰减系数取0.9，曼宁系数取0.013（图3）。

二维地表漫流模型：通过 MIKE 21模型，构建大空港片区基础地形，并处理下垫面数据。考虑到模型的精度要求，对地表进行结构网格划分，插值处理得到10 m 的网格数据，共309701个网格（图4）。

多维耦合模型：在 MIKE FLOOD 平台上，模型的耦合包括一维河网模型与二维地表模型的耦合，一维河道模型与管网汇流模型的耦合，二维地表漫流模型与管网汇流模型的耦合。

2.2模型验证

台风“山竹”在16日13—15时前后距离深圳最近，约130 km，16日白天至夜间有大暴雨到特大暴雨。根据深圳市气象局数据，全市平均雨量187.2 mm，其中最大1 h 降雨为59.5 mm（柚柑湾站）。本次大空港片区以海上田园站作为分析站点，海上田园站最大1 h 降雨量为26.3 mm，小于两年一遇标准。台风“山竹”总降雨量约为119.97 mm，持续时间约为24 h（图5）。

当遭遇“山竹”台风，截流河北段（抽排区）最高水位为1.7 m，南区自排区最高水位为2 m，防潮体系发挥功效，潮水未入城，且河道水位较低，满足区域防洪及排涝要求。选取2018年9月16日“山竹”强降雨对模型进行验证，通过易涝点淹没水深数据和截流河南北段实测水位对模型具体数值和各参数进行修正和率定，模型模拟水位与实测水位相一致，小于0.1 m，误差率小于10%，见表2；另外，经模型运算，遭遇“山竹”台风时，片区的积水情况与实际情况相符合。综上，认为模型具有较好的精确性（图6）。

3内涝模拟分析

3.1降雨情景设计

根据深圳市大空港片区降雨雨型及截流河流域汇流的特点，短历时设计暴雨雨峰系数取值0.375，设计暴雨历时选取3 h，时间间隔为5 min，采用芝加哥雨型，从而进行不同重现期暴雨情景的设计（表3），各重现期设计暴雨过程见图7。模型外边界为潮汐系列。模拟不同降雨重现期的地表积水深度和地表积水历时情况，并分析导致内涝问题的原因等。设计暴雨强度公式［18］见式（1）：

式中 q——暴雨强度，L/（s ·hm2）；P——设计暴雨重现期，a；T——降雨历时，min。

3.2现状管道排水能力分析

大空港片区南北向雨水干管主要沿福园路、永福路、宝安大道等排入沙福河、塘尾涌和玻璃围涌等，东西向雨水干管主要沿凤塘大道、荔园路等排入附近河涌后并最终汇入珠江口。管道充满度反映管道超负荷运行程度，可作为评估管道排水能力的指标［19］，计算见式（2）：

式中 F——管道充满度；Wlevel——管道水位，m； Hinvertlevel——管底高程，m；Hheight——管道高度，m。

通过管道充满度来表示管网状态，李保健等［19］指出当管道充满度小于等于1时，管网处于正常状态；当管道充满度大于1时，即不满足管道排水设计标准。通过 MIKE URBAN模型模拟，在不同降雨重现期下，对区域管道充满度指标进行计算，对管网排水能力进行评估。由于管道排水能力占比是指在设计降雨重现期下，满足设计排水标准的管道长度与总管道长度之比，通过统计分析，大空港片区现状管道排水能力满足情况如下：满足 T<1 a设计标准的占比为52.18%，满足1 a≤T<2a 设计标准的占比为6.30%，满足2 a≤T<3 a 设计标准的占比为2.79%，满足3 a≤T<5 a 设计标准的占比为4.21%，满足 T≥5 a设计标准的占比为34.51%。

表4可知，在短历时降雨下，大空港片区的现状排水管网表明：满足 T<1 a设计标准的占比较大，比如排水标准较低的新沙路等处管段，这些管道在短时间内可能难以有效排除较为频繁的强降雨引起的雨水。这会导致雨水在道路上积聚，增加城市内涝的风险。

3.3地表淹没结果分析

3.3.1地表积水深度结果分析

通过构建好的大空港片区内涝模型结果，对不同降雨情景下的淹没情况进行分析。通过模拟得出的结果显示，大空港片区的地面积水深度在超过0.15 m 的淹没面积中占比普遍超过60%（表5）。随着降雨重现期的增加，不同淹没水深区间的淹没面积也变大，淹没水深超过0.27 m 的区域，往往是高密度建筑物楼群的所在区域，不透水率较低。总体来看，在不同降雨重现期下，大空港片区淹没水深在空间上的趋势大致相似。

通过图8，可看出内涝高风险区域主要位于研究区的中部，这些地方地势相对较低，易于积水，因此内涝风险较高。整个研究区域的积水主要集中在道路及其沿线区域，由于四周都是建筑物，集中在建筑物之间的道路积水量增加。

3.3.2地表积水历时结果分析

在城市内涝灾害发生时，淹没历时往往也可以反映区域受灾程度。通过对不同降雨重现期的数据结果进行统计，比较不同降雨情景下2种时段的淹没面积（超过15 cm及以上的积水深度），统计结果见表6。

表6所示，随着降雨重现期的增加，不同降雨情景下积水深度15 cm及以上的淹没历时面积呈上升趋势。对于短历时降雨，淹没时长主要维持在30 min及以下，随着降雨重现期的增加，30 min 以上的淹没面积逐渐与30 min及以下的淹没面积持平，地势低洼处以及主干管交界处的积水消退时间较长。

3.4典型台风暴雨内涝模拟

2018年8月27日20时至9月1日20时，深圳市各区相继出现持续特大暴雨，全市平均累计雨量365.2 mm，全市有70%的地区累计雨量超过250 mm，16%的区域超过40 mm，全市范围内陆续发布红色预警信号。本次大空港片区分析以海上田园站为分析站点，“8·29”暴雨期间海上田园站最大1 h 降雨量为30 mm，最大24 h 降雨量为304.2 mm，1 h 达5年一遇，24 h超过10年一遇。

通过“8·29”实测暴雨潮水位，模型模拟结果如下：当大空港片区内遭遇“8·29”暴雨时，截流河沿河附近的积水较多，内涝高风险区域主要集中在截流河沿岸附近及地势低洼处（图9）。在极端暴雨条件影响下，市政道路的积水也随之增加，对城市下垫面造成重大威胁。和二社区、松福大道（荔园路—凤塘大道段）、塘尾社区建安路与永福路交汇处、塘尾社区福园一路德的工业园等内涝点位置处于高风险区，积水深度在15 cm 以上的积水面积分别约为4100、20300、4000、7900 m2，大空港片区积水深度在15 cm 以上的总积水面积约为7.11 hm2。

3.5内涝成因分析

通过大空港片区在不同设计降雨下的淹没深度、淹没范围和淹没历时的分析，除了极端暴雨事件，研究区不透水表面增加、雨水管网设计标准低、局部地势低洼、河道顶托等也是导致内涝灾害的原因。

伴随城市化进程的不断发展，人们对城市空间的需求也不断加大，因而草地、湿地等透水面被逐步开发利用，透水面面积逐渐缩减。通过对大空港片区下垫面透水性面积的统计，不透水性下垫面面积占比72.49%，透水性下垫面面积占比27.51%。不透水性下垫面面积占比总流域面积的70%以上，不透水性下垫面占比较大，径流系数大，故研究区内易产生内涝灾害。

由于大空港片区现状排水能力不足，设计标准偏低，随着城镇化进程的快速发展，设计标准不断提高，原有的排水系统已经不能满足城市发展的需要。其中，新沙路等处管径为500 mm，管道设计标准较低。

大空港片区整体地势东南高西北低，内涝区域多发生在地势低洼区。地面上的雨水经过低洼处后，就会形成积水，积水深度较大，雨水无法顺利排入管网，存在一定的风险隐患。其中，塘尾社区建安路与永福路交汇处、塘尾社区福园一路德的工业园等处的积水均由地势低洼引起。

大空港片区在重现期超过5 a 的降雨情景下，管网显然已无法满足排涝需求，河道水位迅速上涨，洪量增大，高水位顶托造成管网直排口发生河水倒灌，使管网下游排涝受到阻碍。

4结论

通过建立大空港片区河道-管网-地表三耦合内涝模型，以研究不同情景下的内涝模拟情况，结论如下。

a）经过模型模拟，在不同降雨情景下，地面积水主要集中在积水深度超过15 cm 的淹没区域，面积占比均在60%以上。大空港片区积水深度的空间分布趋势大致相似，内涝高风险区域主要集中位于研究区的中部区域以及河流沿岸附近；随着短历时降雨重现期的增加，不同淹没水深和淹没历时的淹没区域面积也随之增加。

b）当大空港片区内遭遇“8·29”暴雨时，通过模型模拟可得：松福大道（荔园路-凤塘大道段）、“新沙路安托山科技工业园”、民主社区德丰围等内涝点位置处于高风险区，积水面积较大，积水深度在15 cm 以上的总积水面积约为7.11 hm2。

c）通过分析大空港片区内涝情况，形成原因有：城市开发建设导致的下垫面过度硬化，淹没范围大多分布在道路上，导致局部地势低洼地区积水较深；另外，管道自身排水能力不足，主要有大管接小管等问题；由于下游河水顶托，导致管道排口排水不畅。

参考文献：

［1］侯精明，康永德，李轩，等.西安市暴雨致涝成因分析及对策［J］.西安理工大学学报，2020，36（3）：269-274.

［2］孙忠，运迎霞.天津市中心城区内涝减缓策略研究［J］.自然灾害学报，2019，28（4）：90-99.

［3］宋晓猛，张建云，贺瑞敏，等.北京城市洪涝问题与成因分析［J］.水科学进展，2019，30（2）：153-165.