李水娟，梁 璐

(1.深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518001； 2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司 西南分公司，成都 610200)

1 概 述

由于氣候變化及城鎮(zhèn)化進程加快，城市內(nèi)澇問題愈加嚴重。在工程設計中，通常會建立區(qū)域的降雨-徑流模型，對城市管道進行規(guī)劃和設計，優(yōu)化城市排水管理，減少內(nèi)澇損失。其中，模型MIKE URBAN應用尤為廣泛。MIKE URBAN是丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的雨水系統(tǒng)模擬軟件，它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管網(wǎng)模擬軟件，形成一套城市排水模擬系統(tǒng)，該模型廣泛應用于城市排水與防洪、分流制管網(wǎng)的入流或滲流、合流制管網(wǎng)的溢流、受水影響、在線模型、管流監(jiān)控等方面。

但是，由于模型的水文水力參數(shù)較多，各個參數(shù)的變化對輸出結(jié)果的影響程度有較大差異。因此，就需要對參數(shù)進行敏感性分析，定性的分析各參數(shù)敏感性的大小。

本文采用實際案例，綜合分析MIKE Urban模型在實際降雨下的相關水文參數(shù)的敏感性，確定哪些模型參數(shù)是對模型貢獻大的重要參數(shù)[1]，確定不同參數(shù)組合對模型結(jié)果的影響，為模型進一步的參數(shù)率定提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 模型簡介

MIKE Urban降雨-徑流模塊提供了多種適用于城市化地區(qū)的徑流計算模型和靈活的工具，能夠方便快捷地進行集水區(qū)的定義、劃分以及模型水文參數(shù)的設置。徑流模塊的輸出結(jié)果是降雨產(chǎn)生的每個集水區(qū)的流量，計算結(jié)果可用于管流計算。

在Mike Urban徑流模塊中，4種表述地表徑流的模型為：

模型A：時間-面積曲線模型。

模型B：詳細的水文過程描述包括非線性水庫水文過程線。該模型將地面徑流作為開渠流計算，只考慮其中的重力和摩擦力作用；多用于簡單的河網(wǎng)模擬，同時也可作為二維地表徑流模型。

模型C：線性水庫模型。該模型將地面徑流視為通過線性水庫的徑流形式，也就是說每個集水區(qū)的地表徑流和集水區(qū)的當前水深成比例。

UHM：單位水文過程線模型，用過程水文線來模擬單一的暴雨事件。該模型用于無任何流量數(shù)據(jù)或已建立單位水文過程線的區(qū)域的徑流模擬。

本文采用常用的時間-面積曲線模型。

2.2 研究區(qū)域概況

賀州市城市內(nèi)河有里寧河、長龍河、黃安寺河、黃田支渠、獅子崗河等。本文研究MIKE Urban參數(shù)的敏感性分析以黃安寺排洪河流域分區(qū)為單元，采用實測的賀州暴雨-洪水數(shù)據(jù)。

黃安寺河，也稱黃安寺排澇(洪)溝(渠)，位于賀州市城區(qū)的江北片區(qū)內(nèi)，自里寧村白門樓寨起，經(jīng)過白門樓村、里寧村蘋井寨、黎家塘、里寧村壩頭寨。此上游河段稱為里寧河，與另一條流經(jīng)城腳塘的排洪渠(長龍河)在拱橋衛(wèi)生所匯合后進入賀州市城區(qū)，其穿過賀州市最老的城區(qū)，沿途斷面寬8～20 m，在西約街一景橋處匯入賀江。黃安寺集雨面積34.39 km2，河長8.61 km，多年平均流量0.842 m3/s，河底坡比1.65%。城區(qū)中心水系流域圖見圖1。

圖1 模型范圍圖(黃安寺排洪渠分區(qū))

2.3 MIKE Urban模型參數(shù)選擇

MIKE Urban降雨-徑流模型中，需要確定的參數(shù)有不透水率[2]、初期損失、沿程損失系數(shù)、時間面積曲線類型和集水速度。參數(shù)分實測參數(shù)和率定參數(shù)，其中不透水率可以根據(jù)下墊面情況、地形圖等現(xiàn)有資料得出，率定參數(shù)需要根據(jù)實際發(fā)生的降雨以及相應的實測流量率定出來。本文根據(jù)經(jīng)驗和相關工程的實踐，選取3個相關率定參數(shù)進行敏感性分析，分別是初損值Ia、集水速度u和沿程損失系數(shù)hf。見表1。

表1 MIKE Urban參數(shù)表

2.4 分析方法

本文采用擾動分析法[3]分析參數(shù)敏感性。擾動分析法是應用最廣泛的局部參數(shù)靈敏性分析方法，即在某個參數(shù)基準值(模型率定的參數(shù)值)的基礎上，按一定的系數(shù)改變其取值，其他參數(shù)保持基準值不變，計算模型參數(shù)在確定的范圍內(nèi)波動時引起模型變化的輸出規(guī)律。

敏感性系數(shù)表示工程項目評價指標對不確定性因素的敏感程度[4]，計算公式為：

(1)

式中：SAF為敏感性系數(shù)；△F/F為不確定性因素F的變化率，%；△A/A為不確定性因素F發(fā)生△F變化時，評價指標A的相應變化率，%。

|SAF|越大，表明評價指標A對不確定因素F越敏感；反之，則不敏感。

敏感性系數(shù)表示為一個無量綱的指數(shù)，反映了模型輸出結(jié)果隨模型參數(shù)的微小改變而變化的影響程度或敏感程度。敏感性系數(shù)SAF反映影響因子F對模型模擬輸出結(jié)果A的影響程度。敏感性分類表見表2。

表2 敏感性分類

3 結(jié)果與討論

3.1 模型建立與校驗

3.1.1 模型建立

依據(jù)建模區(qū)域內(nèi)的雨水管網(wǎng)布置圖(現(xiàn)狀)，提取排水系統(tǒng)信息，進行相關處理如下：

1) DEM圖。將現(xiàn)狀地形和現(xiàn)狀管網(wǎng)的CAD圖導入至ArcGIS，利用ArcGIS生成DEM圖，并導入至MIKE Urban中，為下一步劃分子匯水分區(qū)和管網(wǎng)拓撲關系的檢查做準備。

2) 管網(wǎng)概化。利用研究區(qū)域的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息建模。首先根據(jù)區(qū)域地形以及管網(wǎng)圖對管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進行篩選，提取有效信息，對管網(wǎng)進行概化，并將該數(shù)據(jù)信息導入MIKE Urban中，生成管網(wǎng)模型[5]。

3) 劃分子集水區(qū)。首先確定集水區(qū)的邊界范圍，并制作成矢量文件導入MIKE Urban中，使用catchment delineation集水區(qū)自動劃分工具進行子集水區(qū)的劃分。以導入的矢量文件為劃分子流域的邊界，以人孔為子流域劃分向?qū)?，使每個人孔對應一個子集水分區(qū)。

4) 集水區(qū)參數(shù)設置。根據(jù)最新地形圖，將不同類別的用地類型分別做成不同圖層的矢量文件，如建筑、道路、綠地、河流等，將其加載進MIKE Urban中。因本次產(chǎn)匯流模型采用T-A模型，不透水系數(shù)的設置采用根據(jù)不同類型的下墊面類型設置，城區(qū)范圍內(nèi)下墊面情況見圖2和表3。不同下墊面的不透水系數(shù)見表4。

圖2 下墊面情況分布圖

表3 城區(qū)范圍內(nèi)下墊面情況表

表4 不同下墊面類型的不透水系數(shù)匯總表

3.1.2 模型率定與驗證

通過分析賀州氣象站以及賀江下游獨嶺水文站的降雨、水位、流量和洪水水位調(diào)查資料可知，從賀州氣象站建站有資料以來，賀州城區(qū)發(fā)生的較大洪水有1994、1996、1998、2002、2006、2008和2010年，其中1994年7月22～27日為最大。本次經(jīng)綜合分析比較，選取1994年洪水作為模型參數(shù)的率定，選取2002年洪水作為模型參數(shù)的驗證。見圖3、圖4和表5。

圖3 1994年模型率定成果圖

圖4 2002年模型率定成果圖

表5 計算成果與實測成果對比表

從圖4和表5可以看出，驗證工況下，黃安寺排洪渠河口的流量過程與實測的流量過程擬合程度較高，且洪峰和洪量的絕對誤差不超過5%。說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數(shù)能較好反映模擬區(qū)間的真實性，模型分析成果可以用于后續(xù)研究。率定好的參數(shù)取值見表6。

表6 MIKE Urban模型率定成果表

3.2 敏感性分析

初步計算給定參數(shù)初始值，見表7。分別在初始值基礎上對各參數(shù)進行增減，求出相應的結(jié)果，利用式(1)求出敏感度SAF，根據(jù)相對敏感度SAF結(jié)果進行敏感性分級。

表7 選取參數(shù)表

3.2.1 初期損失Ia

MIKE Urban模型中的初期損失Ia表征降雨開始時，由于地表土壤的蓄存、植物的吸收、低洼處的截留等造成的沒有生成地表徑流的那部分水量。顯然，初期損失愈大，對雨水管網(wǎng)的初期負荷越小。地表的特征不同，初期損失的計算有較大的差異。如城市地表由于情況復雜，大部分為不可滲透表面，因此初期損失一般小于自然流域的初期損失，因為自然流域中的土壤、植被能大量存蓄初期降雨。見表8、圖5和圖6。

表8 初期損失Ia敏感性分析表

圖5 初期損失Ia-洪峰流量敏感性分析圖

圖6 初期損失Ia-洪水總量敏感性分析圖

由表8可知，初期損失對于洪峰的敏感性系數(shù)SAF絕對值為0.01，洪量的敏感性系數(shù)SAF絕對值為0.01，初期損失Ia對于洪水過程為不敏感系數(shù)。

3.2.2 集水速度u敏感性分析

集水速度u是指從降雨落地到流入臨近雨水口所經(jīng)歷的時間。一般來講，不透水地面的集水流速大，而綠地等自然地表的集水流速相對較小。降低集水速度有助于減緩雨水排水的過程，削減排水流量峰值，從而有效預防內(nèi)澇的發(fā)生。見表9、圖7和圖8。

表9 集水速度u敏感性分析表

由表9可知，集水速度對于洪峰的敏感性系數(shù)SAF絕對值為0.20，洪量的敏感性系數(shù)SAF絕對值為0.04，集水速度u對于洪水過程為敏感系數(shù)，且u與洪水過程成反比。

圖7 集水速度-洪峰流量敏感性分析圖

圖8 集水速度-洪水總量敏感性分析圖

3.2.3 沿程損失系數(shù)hf敏感性分析

沿程損失系數(shù)hf是指降雨落地到流入臨近雨水口所經(jīng)歷的時間中，減去損失后的剩余水量系數(shù)。沿程損失系數(shù)的敏感性分析見表10、圖9和圖10。

表10 沿程損失系數(shù)hf敏感性分析表

圖9 沿程損失系數(shù)-洪峰流量敏感性分析圖

圖10 沿程損失系數(shù)-洪量敏感性分析圖

由表10可知，沿程損失系數(shù)對于洪峰的敏感性系數(shù)I絕對值為2.07，洪量的敏感性系數(shù)SAF絕對值為1.40，沿程損失系數(shù)hf對于洪水過程為極敏感系數(shù)，且hf與洪水過程成反比。

3.3 模型洪水驗證

根據(jù)敏感性分析的結(jié)果，將經(jīng)過調(diào)整的參數(shù)對所在地的小流域進行模擬，其中2009年7月為率定場次，2012年4月為驗證場次。模擬結(jié)果顯示，2009年7月降雨場次擬合的洪峰誤差為11.1%，洪量誤差為1.6%；2012年4月降雨場次擬合的洪峰誤差為5.3%，洪量誤差為0.7%。模擬精度良好，說明Urban模型在該流域適用性良好。見圖11、圖12。

圖11 2009年7月降雨過程線擬合成果圖

圖12 2012年4月降雨過程線擬合成果圖

4 結(jié) 論

根據(jù)上述MIKE Urban模型的參數(shù)敏感性分析成果可知，沿程損失系數(shù)hf和集水速度u對于洪水過程敏感性較高，初期損失Ia對于洪水過程為不敏感系數(shù)。通過本次研究，可以為采用MIKE Urban模型分析城市內(nèi)澇提供參考，在城市內(nèi)澇分析中可以重點關注敏感參數(shù)，加快分析研究效率。