基于MIKE21和MIKE Urban耦合的湖區(qū)平原城市內(nèi)澇模擬應(yīng)用研究

朱穎蕾，于永強(qiáng)，俞芳琴，劉 俊，朱世云，花 培

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014； 3.南京市浦口區(qū)水務(wù)局，南京 211800)

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快，城市內(nèi)澇災(zāi)害日益加劇。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，建立城市內(nèi)澇模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可以得到考慮空間差異及多目標(biāo)影響下的逐時(shí)段演進(jìn)的分析成果，用于評(píng)估現(xiàn)狀城市排水系統(tǒng)能力，預(yù)測(cè)地表可能產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害的區(qū)域，對(duì)解決城市內(nèi)澇問(wèn)題具有重要意義[1,2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了深入的研究。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在城市雨洪模型發(fā)面研究較為成熟。2010年，Wallingford公司將InfoWorksCS模型升級(jí)為InfoWorksICM軟件[3]，加入了水質(zhì)模塊，同時(shí)提高了模型穩(wěn)定性和計(jì)算效率。同年，丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)了MIKE URBAN軟件[4]。2011年，加拿大水力計(jì)算研究所推出了含有二維模塊和水質(zhì)模塊的PCSWMM軟件[5]。我國(guó)城市暴雨內(nèi)澇模型的研究起步較晚，但結(jié)合了我國(guó)的區(qū)域性開(kāi)發(fā)出適合的水力學(xué)模型。2014年，黃紀(jì)萍[6]開(kāi)發(fā)了深圳民治內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)。2015年張靈敏[7]開(kāi)發(fā)了?？谑斜┯觐A(yù)警系統(tǒng)。在我國(guó)，湖區(qū)平原城市內(nèi)澇作為一種典型的城市內(nèi)澇情況，在利用數(shù)值模擬技術(shù)解決內(nèi)澇問(wèn)題方面值得探討研究。論文以位于長(zhǎng)江中下游兩湖平原的岳陽(yáng)市為例，根據(jù)研究區(qū)獨(dú)特的自然地理特征，制定基于情景分析的城市內(nèi)澇方案，通過(guò)可靠翔實(shí)的資料建立能夠用于湖區(qū)平原城市研究的數(shù)值模型，從本質(zhì)上揭示內(nèi)澇災(zāi)害的形成機(jī)理與發(fā)展過(guò)程，指導(dǎo)湖區(qū)平原城市的相關(guān)城市建設(shè)和規(guī)劃。

1 模型與方法

1.1 MIKE21模型

丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)了用于水模擬的系列數(shù)值模型，即MIKE模型，屬于商業(yè)軟件。其中MIKE21模型是基于網(wǎng)格的平面二維自由表面模型[8]，模型給出了結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格MIKE21、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格MIKE21 FM和正交曲面線網(wǎng)格MIKE21 C三種網(wǎng)格形式。MIKE Flood耦合計(jì)算中可以識(shí)別MIKE21和MIKE21 FM兩種。

MIKE21和MIKE21 FM都是采用二維圣維南方程作為控制方程，兩者的區(qū)別在于，MIKE21 FM在選擇二階精度時(shí)，計(jì)算速度將大幅度降低，但守恒性質(zhì)較好[9]。MIKE21采用ADI隱式格式，可以允許較大步長(zhǎng)，在精度要求不高時(shí)可以大幅度減少計(jì)算時(shí)間。在MIKE Flood耦合時(shí)，如果采用MIKE21 FM，不僅位置指定復(fù)雜且容錯(cuò)率低，有細(xì)微誤差將導(dǎo)致耦合運(yùn)算崩潰；而MIKE21模塊耦合時(shí)每一個(gè)與管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接的二維網(wǎng)格單元只需要一個(gè)坐標(biāo)即可描述其位置，并且不容易產(chǎn)生誤差導(dǎo)致運(yùn)算崩潰[10]。因此本次研究模型耦合計(jì)算可以優(yōu)先選用MIKE21模塊，以簡(jiǎn)化建模過(guò)程，保證模擬方法的穩(wěn)健性，減少模擬計(jì)算成本。

1.2 MIKE Urban模型

Mike Urban 是基于地理信息系統(tǒng)(GIS)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)用于模擬城市給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬軟件[11]。Mike Urban 是應(yīng)用隱式有限差分法對(duì)一維水流問(wèn)題進(jìn)行求解，模型中不對(duì)水流沿管道橫斷面變化進(jìn)行考慮。其中，排水管網(wǎng)模擬模塊能夠有效地對(duì)雨水在管道中的流動(dòng)進(jìn)行模擬。Mike Urban 是應(yīng)用隱式有限差分法對(duì)一維水流問(wèn)題進(jìn)行求解，模型中不對(duì)水流沿管道橫斷面變化進(jìn)行考慮[4]。排水管網(wǎng)模型主要由3部分組成，第一部分是降雨徑流模型，第二部分是管網(wǎng)水力模型，第三部分是排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的校核和運(yùn)行[12]。

1.3 論文研究方法

論文選擇MIKE21-MIKE Urban耦合模型來(lái)描述城市地面自由水流與雨水管渠之間的相互影響，負(fù)責(zé)完成模型耦合過(guò)程中的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢出時(shí)水量進(jìn)入二維漫流模型演算淹沒(méi)情況，當(dāng)滿管流流態(tài)結(jié)束時(shí)二維模型水量回歸管網(wǎng)中運(yùn)算。運(yùn)行得到的淹沒(méi)情況直接由地形資料決定，而不是簡(jiǎn)單以水位～淹沒(méi)面積曲線描述，這樣得到的地面淹沒(méi)情況就有了更切實(shí)的依據(jù)，更為可信、具體，并且可以得到每個(gè)計(jì)算單元中的淹沒(méi)特征值，便于研究分析。

2 模型建立

2.1 研究區(qū)概況

岳陽(yáng)市位于長(zhǎng)江中下游兩湖平原的洞庭湖平原，處于湖南省東北部，環(huán)抱洞庭，瀕臨長(zhǎng)江，城區(qū)位于洞庭湖出口與長(zhǎng)江交匯帶，鎖江流、扼湖口、控京廣鐵路，素有“湘北門(mén)戶”之稱[13]。岳陽(yáng)市擁有得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，水陸交通便利，物流、旅游、加工業(yè)發(fā)達(dá)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展順利。河流水系眾多，西臨東洞庭湖，內(nèi)湖面積1.42 萬(wàn)hm2，中心城區(qū)南部有南湖，西北部有東風(fēng)湖，城區(qū)外圍有吉家湖、雷公湖、琵琶湖和月形湖等內(nèi)湖[14]，是一個(gè)典型的湖區(qū)城市。降雨量年內(nèi)分布和年際分布都不均勻，春夏季降雨量占年均降水量70%[15]。

本次研究區(qū)為岳陽(yáng)市中心城區(qū)，研究范圍涵蓋中心城區(qū)岳陽(yáng)樓區(qū)、南湖風(fēng)景開(kāi)發(fā)區(qū)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。岳陽(yáng)市中心城區(qū)暴雨時(shí)程上分配相對(duì)集中，七里山站實(shí)測(cè)資料顯示最大6 h暴雨約占最大24 h暴雨的80%，而城區(qū)現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)低，短歷時(shí)暴雨引起的內(nèi)澇明顯。加之近年來(lái)隨著岳陽(yáng)市城區(qū)建設(shè)開(kāi)發(fā)，路面硬化和降雨異常導(dǎo)致暴雨內(nèi)澇影響大大增加。而研究區(qū)內(nèi)泵站能力普遍偏低，管理養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，高程規(guī)劃不合理。當(dāng)下游邊界頂托雨水管渠時(shí)，理應(yīng)24 h內(nèi)排除的澇水常常需要數(shù)天才能完全強(qiáng)排消除。近年來(lái)，城區(qū)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。尤其是2010年暴雨災(zāi)害，造成受災(zāi)人口12.85萬(wàn)人，淹沒(méi)房屋0.17萬(wàn)。直接經(jīng)濟(jì)損失2.88億元。

岳陽(yáng)市內(nèi)澇一般集中發(fā)生在4～7月雨季。近年來(lái)內(nèi)澇出現(xiàn)頻率增高，平均2～3年發(fā)生一次，有時(shí)一年爆發(fā)多次。由于建成區(qū)擴(kuò)大，受損范圍增大，以前澇災(zāi)主要限于內(nèi)湖周邊的濱水區(qū)，現(xiàn)已擴(kuò)大至地勢(shì)較低的居民小區(qū)、地下停車(chē)場(chǎng)、街道等，波及范圍及經(jīng)濟(jì)損失也隨之增加。

2.2 研究區(qū)概化

論文選用岳陽(yáng)市大比例尺地形圖(1:500)進(jìn)行研究，中心城區(qū)地面二維模型采用結(jié)構(gòu)化規(guī)則網(wǎng)格，作為一個(gè)計(jì)算分區(qū)納入內(nèi)澇雨洪模型考慮，網(wǎng)格尺寸16 m×16 m，范圍684×599網(wǎng)格(即409 716個(gè)網(wǎng)格，共104.9 km2)。地下管網(wǎng)總長(zhǎng)150.87 km。

中心城區(qū)地下管網(wǎng)連接復(fù)雜，收集到岳陽(yáng)市中心城區(qū)排水防澇設(shè)施普查資料，對(duì)地下雨水管渠格局和連接進(jìn)行復(fù)核，并利用地下管網(wǎng)模型對(duì)地下雨水管渠分布和參數(shù)進(jìn)行概化。岳陽(yáng)市現(xiàn)狀共6個(gè)雨水分區(qū)，模型構(gòu)建根據(jù)管網(wǎng)走向及出口分布，建立中心城區(qū)的整體模型。概化后的管網(wǎng)模型包含節(jié)點(diǎn)數(shù)共2091個(gè)，其中排水口45個(gè)，管段總長(zhǎng)150.87 km。管網(wǎng)模型概化情況見(jiàn)圖1。

圖1 岳陽(yáng)市地下管網(wǎng)模型概化示意圖

2.3 計(jì)算工況

(1)設(shè)計(jì)暴雨。中心城區(qū)的暴雨計(jì)算采用經(jīng)審查批準(zhǔn)的《岳陽(yáng)市中心城區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2015-2030)》中岳陽(yáng)市最新暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算的成果。各設(shè)計(jì)頻率暴雨見(jiàn)表1。

暴雨雨型根據(jù)最新的湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)結(jié)合暴雨公式推求，各頻率設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程(以3、5、10年一遇6 h暴雨過(guò)程為例)見(jiàn)圖2～圖4。

表1 岳陽(yáng)市中心城區(qū)各頻率設(shè)計(jì)暴雨成果表

圖2 岳陽(yáng)市中心城區(qū)P=33.3%設(shè)計(jì)6 h暴雨過(guò)程

圖4 岳陽(yáng)市中心城區(qū)P=10%設(shè)計(jì)6 h暴雨過(guò)程

岳陽(yáng)市內(nèi)澇雨洪模型根據(jù)岳陽(yáng)市暴雨公式推求出各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨，考慮不同重現(xiàn)期情況下的內(nèi)澇情形，對(duì)岳陽(yáng)市中心城區(qū)設(shè)定12個(gè)模擬情景方案，見(jiàn)表2。

Urban與21的耦合方式選用城市連接，可以利用Flood中的自動(dòng)連接按投影坐標(biāo)快速建立耦合連接?？卓诔隽鞣绞綄⑺鹘粨Q過(guò)程看作水流進(jìn)出標(biāo)準(zhǔn)孔口，具有模擬精度高，所需參數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)[16]，因此選則孔口出流公式來(lái)求得地下管網(wǎng)與二維地面間產(chǎn)生溝通的雨水流行情況。

(2)邊界條件。對(duì)于暴雨內(nèi)澇，由于各排水分區(qū)雨水主要排入城市中各個(gè)內(nèi)湖，通過(guò)內(nèi)湖的調(diào)蓄和與東洞庭湖的水力溝通排除澇水。洪水組合需考慮排口各頻率暴雨遭遇內(nèi)湖設(shè)計(jì)水位。根據(jù)《岳陽(yáng)市中心城區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2015-2030)》，各主要內(nèi)湖水位采用最高控制水位。岳陽(yáng)市城區(qū)主要內(nèi)湖控制情況如表3所示。

表2 內(nèi)澇雨洪模型模擬情景方案

表3 岳陽(yáng)市主要內(nèi)湖控制水位一覽表 m

3 計(jì)算結(jié)果與分析

從地理分布上看，暴雨內(nèi)澇點(diǎn)主要位于洞庭大道楓橋湖自北向南至南湖大橋北端一帶、城區(qū)西側(cè)沿京廣鐵路自楓橋路向南至南津港一帶、南湖街道天燈社區(qū)、三眼橋街道李家沖以及通海路管理處北港片、楓橋湖街道一片、鯉魚(yú)嘴社區(qū)等。模型計(jì)算成果與岳陽(yáng)市城市防汛應(yīng)急預(yù)案中城區(qū)主要易漬點(diǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分布基本一致。

根據(jù)徑流模型計(jì)算結(jié)果，岳陽(yáng)市暴雨地表徑流量具體情況見(jiàn)表4。

各頻率暴雨積水區(qū)平均淹沒(méi)水深見(jiàn)表5。以6 h暴雨為例，根據(jù)內(nèi)澇計(jì)算成果，岳陽(yáng)市3年、5年、10年、20年一遇6 h暴雨，積水區(qū)平均淹沒(méi)水深在0.2～0.3 m左右。

表4 各頻率暴雨地表徑流量模擬結(jié)果

以3年一遇和5年一遇6 h內(nèi)澇雨洪模型計(jì)算成果為例，3年一遇與5年一遇6h暴雨積水及各不同時(shí)刻淹沒(méi)水深樣圖5～6如下。

表5 各暴雨內(nèi)澇方案淹沒(méi)統(tǒng)計(jì)成果表

圖5 3年一遇6 h暴雨淹沒(méi)水深示意圖

圖6 5年一遇6 h暴雨淹沒(méi)水深示意圖

各頻率暴雨積水區(qū)范圍變化情況見(jiàn)表6和圖7。由成果可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：①隨著暴雨歷時(shí)的增加，內(nèi)澇積水面積逐漸加大，在3 h左右達(dá)到最大，對(duì)比設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配，二者基本相應(yīng)，雨峰過(guò)后，內(nèi)澇積水面積逐漸減小。②由于管網(wǎng)現(xiàn)狀排水能力不足，隨著暴雨標(biāo)準(zhǔn)的提高，中心城區(qū)淹沒(méi)范圍逐漸加大，積水點(diǎn)增多。

4 結(jié) 論

岳陽(yáng)市位于洞庭湖濱，由于城區(qū)排水標(biāo)準(zhǔn)較低，遇暴雨、特大暴雨，城市內(nèi)澇明顯。本文通過(guò)模擬12種不同重現(xiàn)期不同歷時(shí)暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇，主要結(jié)論如下：

(1)內(nèi)澇模擬中管網(wǎng)資料主要影響內(nèi)澇點(diǎn)分布，二維網(wǎng)格主要影響淹沒(méi)特征值。由于城市排水防澇標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，加之湖區(qū)平原城市發(fā)展迅速，城市化效應(yīng)明顯，導(dǎo)致內(nèi)澇威脅嚴(yán)重。

表6 岳陽(yáng)市中心城區(qū)6 h設(shè)計(jì)暴雨內(nèi)澇積水面積表

圖7 岳陽(yáng)市中心城區(qū)6 h設(shè)計(jì)暴雨內(nèi)澇積水面積圖

(2)在岳陽(yáng)市內(nèi)湖調(diào)蓄消解下，岳陽(yáng)市內(nèi)澇平均淹沒(méi)水深0.175～0.218 m，局部微地形最大淹沒(méi)水深達(dá)3 m以上。暴雨內(nèi)澇積水區(qū)主要位于洞庭大道楓橋湖自北向南至南湖大橋北端一帶、城區(qū)西側(cè)沿京廣鐵路自楓橋路向南至南津港一帶、楓橋湖街道一片、通海路管理處北港片以及南湖街道天燈社區(qū)、三眼橋街道李家沖、鯉魚(yú)嘴社區(qū)等。與研究區(qū)主要積水點(diǎn)調(diào)查分布情況基本一致。

(3)本文研究結(jié)果合理可靠，可為湖區(qū)平原城市內(nèi)澇防治工作提供參考。表明MIKE21和MIKE Urban耦合模型在湖區(qū)平原城市的內(nèi)澇模擬中具有一定應(yīng)用價(jià)值。

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