基于MIKE模型的城市内涝风险评估与整治方案效果研究

卓小燕，孙 翔

(1.深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518000；2. 哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3. 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳 518055；4. 深圳市睿洋水务科技有限公司，广东 深圳 518000)

近几年，由于城市化进程的加快，热岛现象和“雨岛”现象时有发生，造成了降雨的频次和强度增加；建造房屋、铺设马路等人类活动导致不透水率增加；城市排水系统建设与社会、经济发展不相适应等，都是造成城市积水的原因[1-3]。其发生不仅会给人们的日常生活带来不便，而且还会造成财产损失，严重的还会对人们的生命安全构成威胁[4-5]。如何有效解决城市内涝问题是当今社会最关注的话题之一。

城市雨洪模拟技术研究方面，发达国家从60年代起开始研制满足城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面要求的城市雨洪管理模型，目前在这方面取得较大进展，许多模型已广泛应用于雨水管道及排涝系统的规划、设计和管理。例如，Delft3D、SMS和Fluent多用于模拟河道中局部水动力流态[6-7]，适用于小尺度精细模拟；HEC-RAS、SWMM及DHI-MIKE适用于大尺度河网水系建模[8-9]。根据本研究的特点，需结合河流、地形和管网建立一二维耦合模型，从以上模型的使用经验来看，DHI的MIKE系列软件适用性较好[10-11]。所以，选取DHI-Mike系列数值模拟软件作为本次建模的方式。

因此，本研究以广州市黄埔区二中(苏元校区)后山及周边片区为例，基于MIKE模型构建城市内涝模型，分析研究区的内涝淹没情况以及不同工况下的缓解情况，最后确定何种方案对内涝的削减效果最好，以期为其他区域改善城市内涝情况提供参考。

1 研究区概况及数据预处理

1.1 研究区概况

广州市是广东省省会，地处珠江三角洲。黄埔区位于广州市东部，地处北回归线以南。黄埔区年降雨量基本介于1750～1900mm之间，空间分布上呈现向北部防汛和西南方向逐渐增加的趋势，高值区集中在北部和西南部，低值区主要位于中部[12]。

如图1所示，本研究的模拟范围为二中(苏元校区)后山及周边片区，在黄埔区水西路的西侧，西靠暹岗大山，南侧出口为乌涌河支流，东侧出口为南岗河支流，总汇水面积为120.38hm2。2019年“522”暴雨，受山洪冲击及下游河道顶托的影响，且部分排水管渠标准偏低，造成雨水收集和转输能力不足，降雨时不能及时将径流转输进下游河道，导致研究区内产生较为严重的内涝。

图1 研究区概况

1.2 数据处理

1.2.1设计降雨

设计暴雨短历时根据《广州市番禺区暴雨公式及计算图表》(广州市水务局、广东省气候中心，2014年3月)中的番禺区暴雨强度公式计算：

(1)

式中，q—暴雨强度，L/(s·hm2)；t—汇水时间，min；t=t1+t2，t1—地面集水时间，按距离长短、地形坡度和地面铺盖情况，本研究取定t1=15min；t2—管渠内雨水流行时间。1年一遇、2年一遇、5年一遇和10年一遇设计降雨为1h短历时降雨；20年一遇和50年一遇设计降雨为长历时24h降雨。

1.2.2地形数据

根据城区1∶2000CAD地形图，提取地形地貌信息，坐标系采用WGS1984坐标，高程采用广州本地高程系统。为较好地模拟城市街道细微地形，采用结构网格对研究区域进行剖分，网格大小为5m×5m，网格单元722×542个。为反映建筑物的阻水作用，对所有建筑物高程均拔高5m。

1.2.3排水管网

根据《黄埔区市政专项规划》(2015—2017)，本研究区域雨水排水分区属乌涌流域的科学城中部分区。根据现状雨水管网的排向，区域内的雨水有两个排向，分别为南岗河和乌涌左支涌。

利用研究区域的管网数据信息，主要包括：管网和检查井的空间位置(x、y坐标)、节点高程/进出口管底高程、管长、管径、流向、材质等属性数据。本次仅对功能性突出、与干支流直接相连的主干管进行研究，所以首先根据区域地形以及管网图对管网数据信息进行筛选，提取有效信息。现状排水管网及地形如图2所示。

图2 现状管网(a)及地形高程(b)

2 研究方法

2.1 模型搭建

2.1.1一维模型搭建

MIKE URBAN水动力学模块可以准确地描述管网中各种水流现象，其中的排水管网系统分为产汇流模块和管网模块。通过求解圣维南方程组，即质量守恒方程和动量守恒方程，准确的解析管网中的水流状态[13]。

连续方程：

(2)

动量方程：

(3)

式中，Q—管道流量，m3/s；A—过水断面面积，m2；h—水位，m；g—重力加速度，m/s2；S0—管道坡底；Sf—阻力坡降。

以管道检查井溢流作为评估指标(即管道水头线是否超过地面线)，对管网排水能力进行评估，如公式：

δ=H-W#

(4)

式中，H—管网节点水头，m；W—地面高程，m；当δ≤0时，则表示管道排水能力满足相应设计重现期要求；当δ>0时，则表示管道排水能力不满足相应设计重现期要求。

根据研究区土地利用规划，将土地利用类型分为建筑、道路、绿地、河流和其他，加载进MIKE URBAN中。因本次产汇流模型采用T-A模型，不透水系数的设置采用根据不同类型的下垫面类型设置，见表1。

表1 不同下垫面类型的不透水系数

2.1.2二维地表漫流模型搭建

MIKE21用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE 21常用的计算内核有两种模式，一是本研究使用的矩形计算网格的MIKE 21，采用隐式差分法求解二维圣维南方程组；二是非结构化网格的MIKE 21FM，采用有限体积法对二维圣维南方程组进行数值求解，为显示时间积分[13]。控制方程是二维非恒定流方程，由连续方程和动量方程组成：

(5)

(6)

式中，h—水深，m；n—糙率；Z—水位，m；g—重力加速度，m/s2；u、v—x、y方向沿垂线平均的水平流速分量，m/s；q—源汇项，m/s。

2.1.3模型耦合

在MIKE Flood中采用侧向连接的方式将管网和二维网格连接起来，当超过管道过流能力时，水流将通过一二维连接口溢流至二维地表，通过二维不同网格的高程值从低处往高处漫流，从而实现对内涝区的模拟[14]。

2.2 模型参数验证

2.2.1降雨过程

模型验证降雨采用2020年5月21日20时00分至22日07时25分暴雨资料，由芝加哥雨型法统一得到暴雨过程。本次采用区域记录总降雨量256mm，接近100年一遇标准(1h113mm，24h322mm)对模型进行验证。

2.2.2内涝情况

根据广州市水旱灾害防御中心统计黄埔、多地出现大面积洪涝，达180处。模拟范围所在区域受南岗河及其支涌的水位顶托作用，沿线南岗街道、云埔街道、东区路口等区域出现较为严重的洪涝灾害。对照当地的暴雨调查水账计算结果，以及本研究模型演算内涝点分布情况(如图3所示)，可见主要内涝位置及淹没深度一致，认为模型可以用于设计暴雨淹没分析。

图3 实际内涝点(a)与模拟内涝点(b)

2.3 模拟情景设计

2.3.1不同工况布设

根据二中(苏元校区)防洪综合治理工程对二中(苏元校区)及周边区域的排水情况进行调查分析，针对暹岗大山北侧现状水沟下游被管道替代导致过流能力严重不足的问题，本研究拟建调蓄塘3座(规模分别为97000、6800、17200m3)，扩建调蓄塘4座(规模分别为940、5300、5600、2800m3)，起到对汇流的雨水储存削峰的作用，且添加部分管道，有助于洪水的排放。分为以下3种工况进行布设(如图4所示)。

图4 工况1(a)、工况2(b)及工况3(c)

2.3.2调蓄塘调洪演算

调蓄塘调洪计算依据水量平衡方程，计算式采用有限差形式表达：

(7)

式中，Qi-Qi-1—入库流量，m3/s；qi-qi-1—下泄流量，m3/s；Vi-Vi-1—水库库容，m3；Δt—计算时段，h。

2.4 内涝风险等级划分

根据当地内涝治理方案，按照不同的淹没深度和淹没时长划分风险等级，见表2。

表2 内涝风险等级划分

3 结果分析与讨论

3.1 现状情境下的内涝情况

3.1.1管网过流能力分析

如图5所示，见表3，采用1年一遇、2年一遇、5年一遇及10年一遇短历时设计暴雨复核管道过流能力，可见萝岗片区60%以上的管网过流能力不足1年一遇，香雪大道局部在创业公园调蓄的影响下达到大于5年一遇的标准；另外开创大道沿线管道建设时序较晚，可以满足2年一遇至10年一遇暴雨过流。

表3 管网过流能力占比

图5 管网过流能力

3.1.2不同情境下的淹没分析

根据短历时1年一遇、2年一遇、5年一遇及长历时10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨情境下的内涝模拟，现状除下游片区汇入南岗河前绕城高速段有淹没外，主要的淹没区为广州二中区域。在20年一遇、50年一遇工况下，内涝风险等级达3级，淹没深度局部达到1m以上，淹没时间长于45min。另外创业公园那侧，香雪大道沿线因地势及管道过流能力问题有淹没。如图6所示，造成萝岗中心片区淹没的主要原因为管道过流能力不足及局部地势低洼。

图6 研究区淹没分布图

统计分析各降雨情境下，研究区的内涝风险等级占比，如图7所示。1年一遇、2年一遇、5年一遇及长历时10年一遇、20年一遇、50年一遇降雨内涝风险区面积分别为1.75、1.94、2.37、2.68、3.85和4.88×105m2。可以看出，随着降雨强度的增加，内涝风险区总面积也在逐渐增加，尤其是4级高风险区面积增加最多。

图7 研究区内涝风险等级占比

3.2 不同工况下的内涝情况

3.2.1调蓄塘调洪结果分析

经过调洪后，50年一遇出库洪峰流量下降至3.0m3/s，削峰流量达19.80m3/s，削峰效果好，同时72h洪水总量控制了7.64万m3，占来水总量17.48万m3的43.8%，有效地缓解了下游的防洪压力。经6#山塘调洪后该山沟出库洪峰为5.87m3/s，出库三日洪水总量19.87万m3，洪水将排至下游7#塘处再进行调蓄；经7#山塘调洪后该山沟出库洪峰为4.64m3/s，出库三日洪水总量12.17万m3，溢流洪水将排至下游排水管网，满足下游排水管网的计算现状过流能力。调蓄塘调洪结果见表4。

表4 调蓄塘调洪结果

3.2.2各工况的淹没分析

如图8所示，工况1基本消除了高频暴雨的淹没灾害，在10年一遇以上的暴雨时可以保证二中区域不受淹，但香雪大道西和绕城高速段仍有局部淹没；工况2同工况1一样基本消除了高频暴雨的淹没灾害，但在10年一遇以上的暴雨时香雪大道西和绕城高速段仍有局部淹没；工况3淹没深度及范围在工况1及工况2之间。

图8 各工况淹没情况

工况1、2、3经历1年一遇和10年一遇短历时和50年一遇长历时暴雨洪水，风险区面积分别为0.63、1.23、2.96×105m2；1.16、2.04、3.62×105m2；1.09、1.99、3.55×105m2。由模拟结果看出，相较于现状情况的淹没面积，在相同的重现期暴雨情况下，工况1淹没面积最小，工况3次之。根据图9，在不同重现期暴雨条件下，对比现状情况，工况2淹没面积减少了18.8%～33.28%，工况3淹没面积减少了19.94%～37.82%。而工况1实施效果更为显著，工况实施后，可使内涝淹没面积减少33.53%～64.06%，大大的缓解了萝岗中心片区的内涝问题。

图9 各工况风险等级面积占比

4 结论

本研究分析了不同重现期下现状管网的过流能力与不同工况下的研究区淹没情况与内涝风险等级变化，对比分析不同工况的效果得出以下结论。

(1)萝岗中心片区管网排水能力较差，超过60%的管网(d400～d600)未能够满足1年一遇，超过28%的管网排水能力满足10年一遇，管网改造是缓解城市内涝的重要手段。

(2)现状内涝主要集中在广州二中附近，暴雨强度也大，等级越高；各工况而言，在相同的重现期暴雨情况下，工况1通过打通下游排水瓶颈，其淹没面积最小，工况3与工况2相近；且随着暴雨强度的增加，内涝淹没面积也随之增加。

(3)经过经济可行性对比，工况3有优势，但并无较大的差异；再结合方案的可行性进行分析，方案1的预计实施效果要优于工况2、3。耦合水动力模型虽然对基础资料要求较高，可以较为清晰的展示造成内涝的排水瓶颈，并结合经济分析有效的支撑工程决策及方案确定。