基于MIKE的濱海城市內(nèi)澇模擬及深隧工程排澇效果評估

談蔭 涂新軍 余紅剛 林凱榮 劉梅先 馬克

摘 要：在暴雨及風(fēng)暴潮等極端氣象水文條件潮位影響下，快速城市化的濱海地區(qū)內(nèi)澇問題日益凸顯。以粵港澳大灣區(qū)深圳市西部為研究區(qū)，耦合一維河道洪水模型及管網(wǎng)排水模型和二維地表漫流模型，模擬極端降水和典型風(fēng)暴潮條件下城市內(nèi)澇淹沒過程，開展內(nèi)澇風(fēng)險分級，評估深隧工程排澇效果。結(jié)果表明：MIKE 多模型工具相結(jié)合能夠較好地模擬城市內(nèi)澇形成過程及淹沒特征，引入概率矩陣法能夠更清晰地揭示內(nèi)澇風(fēng)險等級之間的變化。極端氣象水文條件下的濱海城市內(nèi)澇淹沒呈現(xiàn)快漲緩?fù)颂卣?，設(shè)計50年和100年一遇2h極端降水下的內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積分別為4.24、5.04 km2，其中1級到4級風(fēng)險區(qū)范圍的相對比例分別約為0.9∶37.5∶28.5∶33.0和4.0∶33.7∶26.8∶35.5，考慮深隧工程排澇的淹沒范圍分別減少了17.0%和13.4%、內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積分別減少了28.8%和30.2%、典型易澇點的淹沒持續(xù)時間縮短了60.0%～80.8%。大部分地區(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險等級顯著下降，深隧工程改善排澇效果明顯。

關(guān)鍵詞：內(nèi)澇模擬；多模型耦合；概率矩陣法；極端降水；深隧工程；粵港澳大灣區(qū)

中圖分類號：TV122.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0123-09

Waterlogging Simulation and Drainage Effect Assessment of Deep Tunnel Engineering in a Coastal City Based on MIKE

TAN Yin1， TU Xinjun1，2，3*， YU Honggang1， LIN Kairong1， LIU Meixian1， MA Ke1

（1. Center of Water Resources and Environment， Sun Yat-sen University， Guangzhou 510275， China;2. Center of Water Security Engineering and Technology in Southern China of Guangdong， Guangzhou 510275， China;3. Guangdong Laboratory of Southern Ocean Science and Engineering， Zhuhai 519000， China）

Abstract： Under the influence of extreme hydrometeorological conditions such as rainstorms and storm surges， the waterlogging issue in coastal areas with rapid urbanization has become increasingly prominent. Taking the western region of Shenzhen City in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area as the study area， this paper couples a one-dimensional river flood model， a pipeline drainage model， and a two-dimensional overland flow model to simulate urban waterlogging processes under extreme precipitation and typical storm surge. The waterlogging risk classification is conducted and the drainage effect of deep tunnel engineering is evaluated. The results show that the formation processes and inundation characteristics of urban waterlogging can be better simulated using the combination of multiple MIKE model tools， and changes among waterlogging risk levels can be more clearly presented by the probability matrix method. Under extreme hydrometeorological conditions， the waterlogging inundation in coastal cities exhibits rapid increase and slow decrease. For designed 2-hour extreme precipitation with 50-year and 100-year return periods， the waterlogging risk range accounts for 4.24 km2 and 5.04 km2， respectively. Specifically， the relative area proportions among risk levels 1 to 4 are 0.9：37.5：28.5：33.0 and 4.0：33.7：26.8：35.5， respectively; the inundation and waterlogging risk ranges with deep tunnel engineering decrease by 17.0% and 13.4%， and by 28.8% and 30.2% respectively; the inundation duration of typical waterlogging-prone regions is shortened by 60.0%～80.8%. The significant decrease in the risk level of waterlogging in most areas demonstrates that the drainage effect of deep tunnel engineering is significantly improved.

Keywords： waterlogging simulation; multi-model coupling; probability matrix; extreme precipitation; deep tunnel engineering; Guangdong-Hong Kong-Macao Great Bay Area

隨著全球氣候變化及快速城市化進程，城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)［1］。城市道路和建筑物等不透水面積導(dǎo)致地表徑流總量增加，城市排水管網(wǎng)使徑流洪峰提前、匯流時間縮短，內(nèi)澇現(xiàn)象日益嚴重［2］。濱海城市內(nèi)澇災(zāi)害往往更為嚴重，一方面城市人口密度更大經(jīng)濟更發(fā)達［3］，另一方面由于地處海陸交界處存在潮汐頂托現(xiàn)象，影響雨水管網(wǎng)排澇［4］。因此，濱海城市內(nèi)澇現(xiàn)象則成為城市發(fā)展過程中急需解決的問題［5］。

城市內(nèi)澇是當(dāng)今全球共同面對的一大難題，對其進行數(shù)值模擬是1種常見的研究方法［6］。研究集中于模擬結(jié)果分析和優(yōu)化模型參數(shù)兩方面，如匯水區(qū)的劃分對洪澇模擬的精度影響［7］；簡化模型輸入條件，建立多因素相關(guān)模型進行洪澇模擬［8］。MIKE工具是1個綜合建模系統(tǒng)，可建立一維模型進行河道洪水演進模擬［9-10］，建立二維水環(huán)境模型研究流域水質(zhì)狀況［11］，以及通過一維二維與管網(wǎng)多模塊耦合模擬城市內(nèi)澇情況，開展洪澇風(fēng)險災(zāi)害評估［12］等。

深隧工程作為1種解決城市水問題的綜合治理措施，具有容量大、輸送能力強、不受地形限制等特點［13］，相關(guān)研究主要關(guān)注深隧對溢流污染治理的影響、施工安全風(fēng)險評估、排水運行調(diào)度及浪涌對深隧工程的影響等方面［14-17］。

粵澳大灣區(qū)核心城市之一深圳市是近40 a興起的濱海國際大都市，城市內(nèi)澇問題也較為突出并受到廣泛關(guān)注［18］。耦合 MIKE 多模型工具，以深圳市西部洪澇潮問題較為典型的西鄉(xiāng)河和新圳河地區(qū)為研究范圍，模擬極端降水和典型風(fēng)暴潮條件下城市內(nèi)澇過程，開展內(nèi)澇風(fēng)險分級，引入概率矩陣方法并評估當(dāng)?shù)匾?guī)劃深隧工程的排澇效果，為濱海城市防洪澇潮工程規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)支撐，對于當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)管理具有重要意義。

1研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國粵港澳大灣區(qū)重要城市之一深圳市的西部，見圖1。西鄉(xiāng)河發(fā)源于羊臺山西麓，自東北向西南穿過深圳寶安區(qū)，流入伶仃洋東部的大鏟灣。新圳河發(fā)源于南山區(qū)留仙洞以西，沿新安一路南側(cè)流入大鏟灣。西鄉(xiāng)河上游鐵崗水庫總庫容8322萬 m3，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，限泄流量200 m3/s，由鐵崗水庫排洪河承擔(dān)100 m3/s，西鄉(xiāng)大道分流渠承擔(dān)40 m3/s［19］。研究區(qū)多年平均降水1925 mm，每年4—10月為汛期，受鋒面雨和臺風(fēng)雨影響，暴雨多發(fā)。如2023年9月7日受臺風(fēng)“海葵”殘余環(huán)流、季風(fēng)和弱冷空氣共同影響，深圳市出現(xiàn)強降水，導(dǎo)致全市部分區(qū)域受災(zāi)，最大2h雨量195.8 mm。

考慮到鐵崗水庫泄洪和深隧工程建設(shè)的影響，模擬包括西鄉(xiāng)河和新圳河流域，總面積約為62.21 km2。

1.2研究方法

1.2.1城市內(nèi)澇模擬

a）一維河道和管道模擬?；?MIKE11搭建一維河道模型，用一維非恒定流圣維南方程組進行河流水流狀態(tài)的模擬，質(zhì)量守恒方程見式（1）。動量守恒方程見式（2）。

式中 x——計算點空間的坐標(biāo)，m；t——計算點時間的坐標(biāo)，s；A——過水?dāng)嗝娴拿娣e，m2； Q——過流流量，m3/s；h——水位，m；q——旁側(cè)入流流量，m3/s；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑，m；g——重力加速度，m3/s。

MIKE11輸入文件包括河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件和參數(shù)文件［20］。

MIKE URBAN 是一維非恒定流動模擬模型，見式（3）、（4）。 URBAN模擬城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)，分為降水徑流模擬和管網(wǎng)模擬兩部分，降水徑流模擬結(jié)果是管網(wǎng)模擬的邊界條件［21］。預(yù)處理的管網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 MIKE URBAN 可讀取的形式，利用模型自帶的泰森多邊形法，進行子匯水區(qū)劃分。

式中 A ——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q ——流量，m2/s； t——時間，s；S0——管道坡度；Sf——阻力坡度；x——三流動方向距離某固定斷面的距離，m。

b）二維地表漫流模擬?；?MIKE21構(gòu)建二維地表漫流模型，采用 ADI 隱式差分法求解。連續(xù)方程和動量方程分別進行時空上的積分，允許較大步長，可有效縮短運算時間［22］。二維地表漫流方程見式（5）—（7）。

式中 h'——水深，m；n——糙率系數(shù)；z——水位， m；t——時刻，s；u ——流速在 x 方向上分量；v——流速在 y 方向上分量，m/s。

模型采用矩形網(wǎng)格，綜合考慮到研究范圍和模擬時間，網(wǎng)格單元為15 m×15 m。

c）多模型耦合方式。MIKE FLOOD在河流和平原之間或者海洋和內(nèi)陸水道、海灣之間提供有效耦合，共有7種連接方式：標(biāo)準(zhǔn)連接、側(cè)向連接、零流動連接、建筑物連接和側(cè)向建筑物連接用于耦合 MIKE 11和 MIKE 21，城市連接用于耦合 MIKE URBAN 和 MIKE 21，河道城市連接用于耦合 MIKE 11與 MIKE URBAN［23］。研究選用側(cè)向連接耦合 MIKE11與 MIKE21，選擇河道城市連接來描述河道與城市之間的相互影響，選用城市連接模擬檢查井溢流和地表水流入雨水管網(wǎng)的相互作用，見圖2。

1.2.2邊界條件、排水工況和模型參數(shù)

a）邊界條件。所使用地形數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云的30 m柵格文件，對其進行加密處理。為了更準(zhǔn)確地反映實際情況，需要借助檢查井的地表高程對道路進行高程插值，將道路文件中的高程賦值給地形文件，見圖3a。土地利用基于研究區(qū)土地利用規(guī)劃得到道路、建筑、綠地、水體和其他等圖層，在 ArcGIS 中進行處理，見圖3b。

b）排水管網(wǎng)和深隧工程。西鄉(xiāng)河排水片區(qū)和新圳河排水片區(qū)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)嘏潘ㄓ晁┚C合規(guī)劃，通過對研究區(qū)節(jié)點和管道數(shù)據(jù)概化處理，建立檢查井與排水管網(wǎng)管段的拓撲關(guān)系，并根據(jù)實際情況對管段進行細分［24］。典型易澇點的選取參考了歷史易澇發(fā)生地區(qū)且在深隧工程影響范圍內(nèi)：L1處于主干路十字路口交匯處，L2處于支路十字路口，L3處于地勢較低地段且緊鄰深隧豎井，見圖3c。

根據(jù)當(dāng)?shù)嘏艥骋?guī)劃及水環(huán)境治理方案，深圳市寶安區(qū)深隧工程自廣深公路與新安路交叉口起，經(jīng)新安路、海瀾路至西鄉(xiāng)大道延伸段，管道直徑為6 m，坡度為1‰；在西鄉(xiāng)大道延伸段布設(shè)規(guī)模為120 m3/s 的排澇泵站，將其排放到海里；在西鄉(xiāng)河和咸水涌下游接入初小雨截留管道，以7 mm/1.5 h進行沿河截流；在西鄉(xiāng)大道分流渠位置設(shè)置初小雨提升泵站，規(guī)模為12萬 m3/d。深隧工程剖面見圖4，根據(jù)排入的現(xiàn)狀管道流向和集水分區(qū)，工程影響范圍約為10.24 km2。深隧管道同現(xiàn)狀管道一樣在耦合模型中通過城市連接與二維地表進行水量交換，即連接深隧豎井口與地面地形，是排水系統(tǒng)與集水區(qū)之間的相互作用。

c）模型參數(shù)。參考當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃及南方城市雨洪研究［25-28］，模型相關(guān)參數(shù)見表1。

d）設(shè)計暴雨和潮汐。參照當(dāng)?shù)匾?guī)劃設(shè)計暴雨公式見式（8）。

式中 i——設(shè)計暴雨強度，mm/min；P——暴雨重現(xiàn)期，a；t——降水歷時，min。

采用降水歷時2 h芝加哥雨型，峰值系數(shù)0.35，重現(xiàn)期分為50年一遇（P=2%）和100年一遇（P=1%）2種情況，降水總量分別為140.84、153.38 mm，見圖5。

為了考慮濱海城市在極端氣象條件下的內(nèi)澇情況，西鄉(xiāng)河河道上游邊界條件采取鐵崗水庫設(shè)計50 a一遇和100 a一遇的下泄流量，入?？谶吔绮捎谩疤禅潯迸_風(fēng)期間（2017年8月23日）赤灣站的潮位。

1.2.3內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分及變化評估

根據(jù)中國《室外排水設(shè)計規(guī)范》［29］及當(dāng)?shù)爻鞘凶陨硖攸c，以積水深度和積水時間為評價因子劃分內(nèi)澇等級，見表2。

在深隧工程影響下，內(nèi)澇風(fēng)險等級和相應(yīng)面積都有所下降，且多個等級之間涉及躍級變遷情況，使等級變化描述更為復(fù)雜，概率矩陣法能很好地呈現(xiàn)等級之間變化情況［30］。概率矩陣也叫隨機矩陣，對于模擬范圍網(wǎng)格數(shù)為 n 的研究區(qū)域，深隧工程建設(shè)前、后的內(nèi)澇風(fēng)險等級的變化概率矩陣 P 見式（9）、（10）。

式中 Njk——深隧工程影響前后等級j 變化為 k 的網(wǎng)格數(shù)；Pjk——等級變化之間的概率。

實際上，概率矩陣 P 是由 m 個等級為 k 的列向量[ P0k... Pjk... Pmk ]T 組成，計算出每個等級下降為 k 的概率，即等級為j 的網(wǎng)格中變化為 k 的網(wǎng)格數(shù)占總研究區(qū)域網(wǎng)格數(shù)的比例（不考慮等級上升和不變的情況），j 和 k=0，1，2，…m，m=4。

深隧工程影響前，各風(fēng)險等級面積占比情況用 Pj 表示，見式（11）。

式中 Nj——深隧工程影響前等級j 的網(wǎng)格數(shù)。

用 Rj - k 表示內(nèi)澇風(fēng)險等級j 變?yōu)?k 的范圍變化率，%，見式（12）。

2結(jié)果分析

2.1極端降水條件下的淹沒特征

參照《室外排水設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，納入城市內(nèi)澇淹沒范圍統(tǒng)計的最低水深閾值為0.05 m，設(shè)計50年和100年一遇2 h 極端降水下模擬的淹沒范圍見圖6。

現(xiàn)狀管網(wǎng)條件下，50年一遇降水的淹沒范圍約為7.66 km2，其中淹沒水深在0.05～0.15、0.15～0.30、0.30～0.50、0.50～0.75和大于0.75 m 的占比分別為17.9%、21.9%、21.4%、15.8%和23.0%。100年一遇降水的淹沒范圍約為8.13 km2，比50年一 遇降水增加了6.1%，其中在淹沒水深0.05～0.15、0.15～0.30分別減少了7.3%和4.2%，在淹沒水深0.30～0.50、0.50～0.75和大于0.75 m 分別增加了4.3%、14.0%和22.7%。

極端降水條件下的城市內(nèi)澇淹沒呈現(xiàn)快漲緩?fù)颂卣?，見圖7。50年和100年一遇降水條件下的淹沒范圍，分別在2.0、1.6 h 內(nèi)達到最大值5.90、6.25 km2。之后快速下降，約6h之后變化趨于平緩。

城市內(nèi)澇風(fēng)險評估等級分布見圖8。50年一遇降水下的內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積約為4.24 km2，其中1、2、3、4的占比分別為0.94%、37.50%、28.54%和 33.02%。100年一遇降水下的內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積約為5.04 km2，比50年一遇降水增加了18.9%，其中1、2、3、4級分別增加了400.0%、6.9%、11.6%和27.9%。

2.2典型易澇點的淹沒過程

典型易澇點淹沒過程見圖9。50年一遇降水條件下，易澇點 L1、L2和 L3分別在2.5、4.7、2.2 h 達到最大淹沒水深0.85、0.75、0.51 m，淹沒時長（水深大于0.05 m）分別持續(xù)約15、40、20 h。100年一遇降水與50年一遇降水相比，易澇點 L1、L2、L3最大淹沒水深及達到時間和淹沒持續(xù)時長均略有增加，分別為0.93、0.78、0.55 m，3.2、4.8、2.4 h和18、46、24 h。

2.3深隧工程排澇效果

考慮深隧工程的城市內(nèi)澇模擬結(jié)果見圖10—12。50年一遇和100年一遇極端降水條件下，淹沒范圍分別縮減到6.36、7.04 km2，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了17.0%和13.4%；內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積縮減到3.02、3.52 km2，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了28.8%和30.2%。

典型易澇點在深隧工程影響下的最大淹沒水深及達到時間和持續(xù)淹沒時間，均明顯下降。50年一遇降水條件下，L1、L2、L3的最大淹沒水深及達到時間分別為0.50、0.24、0.36 m 和2.1、1.9、1.5 h，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了41.2%、68.0%、29.4%和16.0%、59.6%、31.8%；淹沒持續(xù)時間分別為6.0、7.7、4.5 h，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了60.0%、80.8%、77.5%。100年一遇降水條件下， L1、L2、L3的最大淹沒水深分別為0.52、0.28、0.39 m，達到時間均為2 h，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了44.1%、64.1%、29.1%和37.5%、58.3%、16.7%；淹沒持續(xù)時間分別為6.5、10.0、4.8 h，相對于現(xiàn)狀排水管網(wǎng)分別減少了63.9%、78.3%、80.0%。（圖12）

深隧工程對于降低極端降水條件下的內(nèi)澇風(fēng)險等級是顯著的，見表3。50年一遇和100年一遇降水條件下，有98.0%和92.4%的1級區(qū)、83.4%和58.0%的2級區(qū)、53.1%和23.9%的3級區(qū)、17.6%和7.19%的4級區(qū)降為無風(fēng)險區(qū)，3.50%和6.98%的2級區(qū)、3.60%和1.71%的3級區(qū)、1.00%和0.03%的4級區(qū)降為1級區(qū)，29.7%和35.8%的3級區(qū)、15.3%和3.87%的4級區(qū)降低為2級風(fēng)區(qū)，25.5%和19.4%的4級區(qū)降為3級區(qū)。

3結(jié)論

以粵港澳大灣區(qū)深圳市西部地區(qū)為例，基于 MIKE 多模型工具耦合了一維河道及管網(wǎng)水流模擬與二維地表漫流模型，模擬了50年和100年一遇2 h 極端降水和風(fēng)暴潮聯(lián)合影響下的濱海城市內(nèi)澇淹沒過程，并評估了深隧工程的排澇效果，主要結(jié)論如下。

a）MIKE11、MIKE21和 MIKE FLOOD 多模型工具相結(jié)合能夠較好地耦合模擬城市內(nèi)澇形成過程及淹沒特征，引入概率矩陣法能夠更清晰地揭示內(nèi)澇風(fēng)險等級之間的變化。

b）極端降水條件下的城市內(nèi)澇淹沒呈現(xiàn)快漲緩?fù)颂卣鳎?0年和100年一遇降水下淹沒范圍分別在2.0、1.6 h 內(nèi)達到最大值，之后快速下降并在6 h 之后變化趨于平緩；內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積分別約為4.24、5.04 km2，以2、3、4級風(fēng)險區(qū)為主，分別約占37.5%和33.7%、28.5%和26.8%、33.0%和35.5%。

c）深隧工程改善排澇效果是顯著的，50年一遇和100年一遇降水下的淹沒范圍分別減少了17.0%和13.4%，內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)面積分別減少了28.8%和30.2%，典型易澇點 L1、L2、L3的淹沒持續(xù)時間分別減少了60.0%和63.9%、80.8%和78.3%、77.5%和80.0%；有83.4%和58.0%的2級風(fēng)險區(qū)、53.1%和23.9%的3級風(fēng)險區(qū)降為無風(fēng)險區(qū)，29.7%和35.8%的3級風(fēng)險區(qū)降為2級風(fēng)險區(qū)，25.5%和19.4%的4級區(qū)降為3級風(fēng)險區(qū)。

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（責(zé)任編輯：李燕珊）