李虎成，王天宇，王靈華，劉興坡，賈仁勇

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；2.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306； 3.上海海事大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)模擬研究中心，上海 201306; 4.安徽省巢湖市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，安徽 巢湖 238001； 5.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

為消除城市內(nèi)澇，城市排水規(guī)劃方案的制定已刻不容緩。國(guó)內(nèi)外都基于暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做了相關(guān)研究。內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估目前常用的方法有歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，指標(biāo)體系法，基于情景模擬評(píng)估法。

此外毛緒昱等人可通過(guò)一種基于推理公式的簡(jiǎn)便方法進(jìn)行評(píng)估，即通過(guò)將管網(wǎng)系統(tǒng)在臨界狀態(tài)下的理論過(guò)流能力與基于推理公式的內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)雨量進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)積水程度的評(píng)估。張弘針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模糊不確定性問(wèn)題，采用可變模糊聚類方法，通過(guò)相對(duì)隸屬度與聚類中心之問(wèn)的動(dòng)態(tài)迭代，得到城市雨水內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。蘇伯尼等人建立了一套針對(duì)城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。通過(guò)二維水力學(xué)模型模擬積水的時(shí)空分布，采用基于國(guó)內(nèi)實(shí)地調(diào)查獲得的脆弱性曲線估算內(nèi)澇災(zāi)害損失。朱剛等人將精細(xì)模型應(yīng)用于排水分區(qū)的系統(tǒng)排水能力評(píng)估和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析中，繪制內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖與泄流路徑，為工程和非工程性組合措施的規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。王乾勛等人介紹了建模軟件MIKE URBAN對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分，在內(nèi)澇分析的基礎(chǔ)上制定規(guī)劃方案。Boughton等對(duì)利用水文模型的長(zhǎng)期模擬結(jié)果評(píng)價(jià)洪錯(cuò)災(zāi)害設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行了總結(jié)。

針對(duì)此情況，筆者在規(guī)劃層面應(yīng)用MIKE FLOOD(一維和二維動(dòng)態(tài)耦合的雨洪模擬軟件)對(duì)巢湖市主城區(qū)進(jìn)行了城市排水防澇系統(tǒng)評(píng)估模型的構(gòu)建，為其他城市開(kāi)展模型構(gòu)建工作以及城市排澇規(guī)劃的編制提供技術(shù)參考。

1 建模區(qū)域概況及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

巢湖市城市排水模型構(gòu)建區(qū)域主要位于巢湖市城區(qū)，西起湖光路、東至裕溪路，北起金山路，南至前進(jìn)路(見(jiàn)圖1)。主要包括老城區(qū)、小王莊區(qū)、巢北區(qū)、半湯新區(qū)、東安圩區(qū)、民營(yíng)經(jīng)濟(jì)園區(qū)、賈塘圩區(qū)以及官圩區(qū)。

圖1 建模區(qū)域示意圖Fig.1 Modeling area

建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括Excel格式存在的管道以及檢查井等管網(wǎng)信息、主要為CAD文件中的高程點(diǎn)信息構(gòu)成的地形數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)勘察照片和衛(wèi)星圖片等。

2 模型構(gòu)建流程

2.1 建模軟件

MIKE FLOOD是一個(gè)把一維模型(MIKE URBAN和MIKE11)和二維模型(MIKE 21)進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合的建模系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。其中MIKE URBAN是排水管網(wǎng)系統(tǒng)模塊，用于雨水徑流模擬和管網(wǎng)模擬；MIKE 21是地表漫流模塊，通過(guò)生成地形文件模擬地面雨水的流動(dòng)情況。二者結(jié)合，模擬主城區(qū)排水以及內(nèi)澇狀況。

圖2 建模技術(shù)路線框圖Fig.2 Modeling technology route

2.2 一維模型的構(gòu)建

2.2.1 模型概化

(1)管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將巢湖城區(qū)檢查井的管頂管底高程、大小以及排水管道的管長(zhǎng)、管徑、起點(diǎn)終點(diǎn)的管底高程等空間數(shù)據(jù)以及屬性導(dǎo)入MIKE URBAN軟件中。

(2)拓?fù)錂z查與修正：對(duì)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查與修正，拓?fù)溴e(cuò)誤主要包括管道數(shù)據(jù)缺失、管道逆坡、雨污混接等。對(duì)管道拓?fù)鋯?wèn)題的類型、數(shù)量以及處理方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3)匯水區(qū)域劃分：根據(jù)管道走向、建筑物特點(diǎn)和街道分布，人工劃分集水區(qū)。再結(jié)合實(shí)際地形情況，對(duì)集水區(qū)邊界進(jìn)行修正，形成建模的匯水區(qū)域236個(gè)。

基于上述步驟，完成巢湖市老城區(qū)模型搭建，結(jié)果如圖3所示。該系統(tǒng)包括管段3 776個(gè)，檢查井4 051個(gè)，236個(gè)集水區(qū)，管道總長(zhǎng)114.69 km。

圖3 排水系統(tǒng)骨架搭建成果Fig.3 Skeleton of drainage system

2.2.2 河網(wǎng)模型概化

長(zhǎng)江流經(jīng)市域東南邊緣，市域內(nèi)河流主要屬于長(zhǎng)江流域的巢湖—裕溪河水系。巢湖城區(qū)位于巢湖流域的中心，穿過(guò)城區(qū)的河道主要有裕溪河、清溪河、雙橋河、抱書(shū)河、天河、環(huán)城河等。需要概化的有河流長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)水位、河流斷面以及河底高程、流向、河流連接等屬性和參數(shù)。進(jìn)而生成河網(wǎng)文件、斷面文件、時(shí)間序列文件以及參數(shù)文件，綜合模擬得到MIKE 11模擬文件。

2.2.3 降雨設(shè)置

采用合肥市最新修編的暴雨強(qiáng)度公式(代巢湖市暴雨強(qiáng)度公式)及雨型分析結(jié)果，利用雨型設(shè)計(jì)軟件生成所需降雨歷時(shí)曲線。

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度， L/(s·hm2)；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)，min。

本文主要研究1、2、3、5、10 a 5種重現(xiàn)期的短降雨歷時(shí)，以2 a重現(xiàn)期為例，巢湖市120 min芝加哥雨型的主要設(shè)置情景如圖4所示。

圖4 2年一遇120 min雨型Fig.4 The rain type of 2 years once 120 min

為開(kāi)展內(nèi)澇防治設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，需研究長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨雨型。城市排水防澇工程的長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨選擇歷時(shí)24 h，步長(zhǎng)為5 min的雨型(采用K.C法雨型分配圖)，以對(duì)各防澇分區(qū)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期防澇標(biāo)準(zhǔn)下的排澇能力進(jìn)行評(píng)估。首先采用20年一遇24 h的長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行防澇工程設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5)，然后采用50年一遇24h長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行防澇工程校核(見(jiàn)圖6)。

圖5 20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨Fig.5 20 years once in a 24 h design storm

圖6 50年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨Fig.6 50 years once in a 24 h design storm

2.2.4 參數(shù)設(shè)置

MIKE URBAN雨水系統(tǒng)模型模擬由徑流(Runoff)模擬和管網(wǎng)(Network)模擬兩部分組成。徑流模擬得出雨水經(jīng)過(guò)集水區(qū)匯入管道前到底產(chǎn)生的徑流量，所以首先要進(jìn)行徑流模擬，徑流模擬的結(jié)果要作為條件導(dǎo)入到管網(wǎng)模擬中。

徑流模擬中采用的模型是時(shí)間面積曲線模型(T-A Curve)，連續(xù)的匯流過(guò)程是通過(guò)離散的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算得出的，在空間上假定的恒定匯流速度是基于將區(qū)域表面劃分為若干個(gè)單元的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。涉及的參數(shù)主要有徑流系數(shù)和匯流面積曲線等。

隨著城市化程度的提高，巢湖市老城區(qū)建筑密度增大，城市下墊面構(gòu)成較為復(fù)雜，同時(shí)城市局部微地形較多，這些因素均會(huì)對(duì)城市地表流行的糙率帶來(lái)影響。選取典型街區(qū)，按照加權(quán)平均計(jì)算得出徑流系數(shù)為0.59。結(jié)合國(guó)內(nèi)類似城市及巢湖市以往的經(jīng)驗(yàn)，考慮建設(shè)的連續(xù)性，巢湖市除老城區(qū)屬城市中心區(qū)徑流系數(shù)取0.60以外，其余規(guī)劃區(qū)均按一般規(guī)劃區(qū)考慮，徑流系數(shù)取0.50，集中公共綠地的徑流系數(shù)采用0.30。匯流面積曲線選取MIKE URBAN中的規(guī)則的匯水區(qū)域?qū)?yīng)的匯流曲線。徑流模擬的初始損失為0.000 6 m，衰減系數(shù)為0.90。

2.3 二維模型的構(gòu)建

(1)地面高程文件的處理。使用MIKE ZERO中Arctoolbox中的工具，將帶有高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的巢湖主城區(qū)CAD圖導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再利用Raster Interpolation對(duì)柵格的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的轉(zhuǎn)化，生成地形圖層。

(2)二維模型的生成。將CAD中的道路和建筑圖形也轉(zhuǎn)換為于高程?hào)鸥窬W(wǎng)格大小一致的柵格圖層，將所有的道路、建筑以及地形圖層輸出為ASCII格式保存。利用軟件工具分別得到道路建筑的dfs2文件，形成巢湖的道路、建筑、地形的整體dfs2文件。在MIKE21中載入該dfs2文件，定義匯水范圍以及陸地邊界值，得到最終的二維模型。

在MIKE FLOOD中將一維管網(wǎng)模型、河網(wǎng)模型和二維地形建筑模型進(jìn)行耦合模擬得到巢湖市主城區(qū)內(nèi)澇分布圖。

3 模擬結(jié)果與誤差分析

3.1 現(xiàn)狀排水能力評(píng)估

重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災(zāi)的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當(dāng)出現(xiàn)超載狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為管段流量超過(guò)設(shè)計(jì)能力。因此，在評(píng)估中，若管道出現(xiàn)超載狀態(tài)，則視為該段雨水管道的排水能力不滿足相應(yīng)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。由表1可以看出，城區(qū)現(xiàn)狀排水管道約36%重現(xiàn)期小于2年一遇，此部分管道重現(xiàn)期偏小。

表1 現(xiàn)狀排水管渠排水能力評(píng)估表Tab.1 The status of drain ditch drainage ability assessment

3.2 模型宏觀校準(zhǔn)

為了便于分析內(nèi)澇模擬的準(zhǔn)確性，選取巢湖市老城區(qū)作為分析對(duì)象。巢湖老城區(qū)2年一遇積水深度空間分布如圖7所示。

圖7 巢湖老城區(qū)2年一遇積水深度空間分布Fig.7 Chaohu city 2 years once in a spatial distribution of water depth

通過(guò)實(shí)際與模擬結(jié)果的對(duì)比，可以看出模擬的內(nèi)澇點(diǎn)與實(shí)際情況基本符合，又載入1、3、5、10年重現(xiàn)期的降雨，發(fā)現(xiàn)最大的誤差區(qū)域在東風(fēng)路，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

為了識(shí)別模型校準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)老城區(qū)21個(gè)不同大小的集水區(qū)、12個(gè)水文模型參數(shù)，采用5種不同的降雨情境進(jìn)行局部分析。按照各個(gè)參數(shù)設(shè)置的總體情況，介于模型的概化已經(jīng)確定，所以認(rèn)為匯水子區(qū)域面積、平均坡度、排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù)等為可信度較高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不需要再次進(jìn)行調(diào)整。所以只有通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的水文參數(shù)來(lái)優(yōu)化內(nèi)澇模型。集水區(qū)地表徑流過(guò)程采取的是時(shí)間面積曲線模型，模型校準(zhǔn)主要調(diào)整集水區(qū)徑流系數(shù)系數(shù)、(透水區(qū))初始入滲率，以及時(shí)間面積曲線的優(yōu)化。

在誤差較大的集中區(qū)域，對(duì)其下墊面情況進(jìn)行系統(tǒng)分類，大致為：不透水區(qū)、林區(qū)、草坪、土壤以及水域。根據(jù)《場(chǎng)地規(guī)劃與設(shè)計(jì)手冊(cè)》，結(jié)合集水區(qū)坡度特點(diǎn)，得到單一下墊面徑流系數(shù)，應(yīng)用面積加權(quán)公式對(duì)相應(yīng)的集水區(qū)徑流系數(shù)做出了細(xì)化和調(diào)整。對(duì)調(diào)整后的結(jié)果做了如下歸納(見(jiàn)表2)。

表2 巢湖老城區(qū)2年一遇積水區(qū)域分布表Tab.2 Chaohu city 2 years in a regional distribution of water

3.3 巢湖市積水點(diǎn)分析

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步參數(shù)調(diào)整之后，以巢湖市的主城區(qū)為研究對(duì)象，分別采取1、2、3、5和10年降雨重現(xiàn)期的短歷時(shí)降雨對(duì)巢湖市主城區(qū)進(jìn)行內(nèi)澇分析模擬，發(fā)現(xiàn)巢湖市易產(chǎn)生內(nèi)澇的區(qū)域主要如下：長(zhǎng)江西路上巢湖水泥廠路段；長(zhǎng)江西路上巢湖鑄造廠立交橋路段；長(zhǎng)江西路和龜山路交界處東部路段；龜山路和湖光路交界處；龜山路麗景國(guó)際路段；健康西路和愛(ài)心路交叉處南部；東塘路和向陽(yáng)南路交界處路段；向陽(yáng)南路和裕溪路交界處北部路段；半湯路華仁堂藥房路段；半湯路鳳凰商業(yè)街路段；姥山路和紫薇路交界處西部路段；金湖大道和金山路交界處南部路段；姥山路和金湖大道交界處西部路段等。

不同降雨重現(xiàn)期情景下，內(nèi)澇點(diǎn)位置變化不大，只是在積水深度和淹沒(méi)面積方面稍有差異，內(nèi)澇評(píng)估結(jié)果與巢湖市現(xiàn)狀易澇點(diǎn)調(diào)查資料吻合度較好(見(jiàn)圖8)。

圖8 巢湖市2年一遇2 h降雨工況積水深度空間分布Fig.8 Chaohu city 2 years once in a 2 hour rainfall spatial distribution condition of water depth

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于MIKE FLOOD平臺(tái)對(duì)巢湖市內(nèi)澇進(jìn)行了模擬研究和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，主要結(jié)論如下。

(1)極端降雨天氣是決定城市積澇成災(zāi)程度的自然因素，降雨強(qiáng)度增強(qiáng)，排水管網(wǎng)負(fù)荷加大，雨水不能及時(shí)排出即可導(dǎo)致內(nèi)澇發(fā)生，同一內(nèi)澇點(diǎn)，10年一遇的降雨條件下的積水面積是1年一遇降雨條件下的2倍。

(2)不同降雨重現(xiàn)期情景下，只是積水深度和淹沒(méi)面積的改變。內(nèi)澇點(diǎn)位置大體不變，這對(duì)排水系統(tǒng)的整治提供了參考。

(3)內(nèi)澇以及排水管網(wǎng)模型的參數(shù)校準(zhǔn)主要體現(xiàn)在集水區(qū)徑流系數(shù)系數(shù)、(透水區(qū))初始入滲率，即集水區(qū)下墊面參數(shù)對(duì)模型的印象較為顯著。

(4)基于MIKE FLOOD平臺(tái)，建立了巢湖市主城區(qū)的雨水以及內(nèi)澇模型，模擬效果較好，結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，適用于城市防澇規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

□

[1] MIKE FLOOD 2014版用戶幫助手冊(cè)[Z]. 丹麥水利研究院，2014.

[2] 毛緒昱,黃麗萍,章衛(wèi)軍,等. 基于推理公式的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法探討[J]. 中國(guó)給水排水,2015,31(19):130-132.

[3] 張 弘. 基于可變模糊聚類的城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 東北水利水電,2015,33(5):60-62.

[4] 蘇伯尼,黃 弘,張 楠. 基于情景模擬的城市內(nèi)澇動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,55(6):684-690.

[5] 朱 鋼,楊 森. 精細(xì)模型在成都市中心城區(qū)排澇規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2014,(15):159-162.

[6] 呂放放,胡 俊,盧愛(ài)國(guó),等. 北京某下凹橋區(qū)排水系統(tǒng)建模研究[J].中國(guó)給水排水,2014,(7):103-108.

[7] 王乾勛,趙樹(shù)旗,周玉文,等. 基于建模技術(shù)對(duì)城市排水防澇規(guī)劃方案的探討----以深圳市沙頭角片區(qū)為例[J]. 給水排水,2015,(3):34-38.

[8] 李建勇. Infoworks ICM在城市排水系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)給水排水,2014,(8):21-24.

[9] 戴立峰,陳雄志,金 溪. 基于SWMM模型的城市下穿隧道排水設(shè)計(jì)及校核[J]. 中國(guó)給水排水,2014,(8):45-48.

[10] Boughton W Environmental, O Droop. Continuous simulation for design flood estimation-a review[J]. Modelling&Software, 2003,18(4):309-318.