基于高精度MIKE模型的居住小區(qū)雨水系統(tǒng)評價及內(nèi)澇積水分析

楊 靜，洪德松，張 斌

(新城市規(guī)劃建筑設計股份有限公司 環(huán)境與基礎設施研究中心， 廣東 深圳 518172)

快速的城市化效應就像催化劑，加速了水文循環(huán)。這使得強降雨事件頻發(fā)，城市內(nèi)澇風險不斷攀升[1-3]。雨水管網(wǎng)對于暴雨的脆弱性和區(qū)域內(nèi)的積水風險，一直以來被看作不確定性問題[4-5]。為分析此類問題，一系列的水文水動力模型隨之發(fā)展，如InfoWorks ICM、PCSWMM、MIKE等[6-8]。MIKE模型作為一個較為成熟的雨洪模型，在工程和學術(shù)領域均得到了廣泛的應用。由于MIKE模型包含多個計算模塊，其應用方向也不盡相同。一些研究者單純利用MIKE模型的一個模塊進行建模，如郜國明等[9]利用MIKE21模塊模擬分析了河道潰壩后河水向城市內(nèi)部的演進過程。陳璇等[10]基于MIKE11構(gòu)建流域河道模型，實現(xiàn)洪水的儲蓄和調(diào)度。謝家強等[11]通過MIKE URBAN重點研究了雨水管網(wǎng)在多種降雨下的表現(xiàn)。另一方面，一些學者則將MIKE模型的多個模塊進行耦合，進行1D-2D動態(tài)水文分析。如姚斯洋等[12]將MIKE 11和MIKE 21模塊耦合，分析了多情景下的河岸周邊區(qū)域的洪水風險。任梅芳等[13]在MIKE FLOOD中將MIKE URBAN和MIKE 21耦合，并針對立交橋這一典型城市區(qū)域進行內(nèi)澇積水分析。

上述文獻表明，基于MIKE FLOOD耦合一維管網(wǎng)和二維地表建模的研究相對較少，且研究者們多以流域尺度和行政區(qū)為研究對象。這可能是因為較大區(qū)域的管網(wǎng)涉及到較多數(shù)據(jù)處理難度，此外，二維地表模型對地形精度的要求較高。因此，模型工程師在構(gòu)建1D-2D耦合模型時，其積水柵格的精度往往難以保障(像元大小一般在10 m以上)。居住小區(qū)是城市的重要組成部分，其區(qū)域重要性程度較高。因此，需對其進行雨水系統(tǒng)的安全性分析和積水風險分析。以往的研究多以SWMM或MIKE URBAN模型作為雨水系統(tǒng)的安全性分析的工具，卻無法模擬小區(qū)內(nèi)的實際積水情景。借助于居住小區(qū)尺度小的特點，通過精細劃分實測高程點，高精度的二維地表模型有實現(xiàn)的可能。因此，本文基于MIKE FLOOD構(gòu)建居住小區(qū)的高精度1D-2D耦合模型。以期提供居住小區(qū)耦合建模的思路，以及進一步為小區(qū)雨水系統(tǒng)提供安全性評估和積水風險分析。

1 MIKE模型原理

1.1 MIKE URBAN

MIKE URBAN是城市管網(wǎng)分析的重要工具，包括地表徑流計算、管網(wǎng)匯流計算兩個模塊。MIKE URBAN假定地表和管網(wǎng)的水流為均質(zhì)且不可壓縮流體，并認定水流不同時進行二維流動。所以，MIKE URBAN本質(zhì)上是一個一維模型。以質(zhì)、能守恒方程為前提，其核心控制方程為圣維南方程[14]：

(1)

式中：Q為流量；q為側(cè)流量，m3/s；α為動量修正系數(shù)；R為水力半徑，m；t為時間，s；A為流域單元斷面面積，m2。

1.2 MIKE 21

MIKE 21模型是二維地表模型，可以模擬水流在地表的二維流動。MIKE 21模型建模時，需將二維地表概化為三角形或矩形柵格，以建立數(shù)字高程模型DEM。在水動力計算時，忽略水流跌落的重力加速度，依據(jù)納維-斯托克方程求解模型，方程如下：

連續(xù)方程：

(2)

動量方程：

(3)

式中：u為x方向流速；v為y方向流速；z為水深；h為水位；u′、v′為流速在x、y的分量；g為重力加速度；vt為黏性系數(shù)。

1.3 MIKE FLOOD耦合模型

MIKE URBAN與MIKE 21獨立運行后，可在MIKE FLOOD中通過人孔連接完成一維管網(wǎng)和二維地表模型的耦合，實現(xiàn)水量的動態(tài)交換過程。

2 研究區(qū)及模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)自然概況

2.1.1 研究區(qū)下墊面分析

研究為某居住小區(qū)，位于深圳市鹽田區(qū)，占地面積達61 729 m2。根據(jù)現(xiàn)狀下墊面的特點，將區(qū)域下墊面分為六類：屋面、水體、鋪裝、綠地、裸土、路面，見圖1。經(jīng)采用GIS數(shù)據(jù)功能，對不同下墊面進行分割和分類后解析，綠地(包括生態(tài)草坡和綠地)面積約為16 227 m2，屋面面積為20 182 m2，裸土面積(包括土堆和沙丘)為969 m2，鋪裝面積為32 872 m2，路面面積(包括場地道路和運動場)為10 959 m2，水體面積為1 576 m2。其中綠地占比為19.60%，屋面占比為24.37%，裸土占比為1.17%，鋪裝占比為39.60%，路面占比為13.23%。

圖1研究區(qū)下墊面解析

2.1.2 研究區(qū)豎向分析

為獲取研究區(qū)的高精度DEM模型，本項目前期對居住小區(qū)進行了高程布點和高程實測。隨后，在ArcGIS中利用克里金插值法將高程點制作成1.5 m×1.5 m的高精度柵格。地塊的豎向高程對于地表的產(chǎn)匯流過程和MIKE模型耦合時的積水二維演進都有著極強的影響，坡度在一定程度上可以反映地表徑流的流速和流向。因此，很有必要對研究區(qū)進行豎向高程分析和坡度分析。圖2(a)為研究區(qū)的3D高程圖，不難發(fā)現(xiàn)居住小區(qū)的整體地勢由西北偏向東南，東南區(qū)域由于毗鄰人工湖，其高程在3.68 m左右。研究區(qū)最大高程為8.94 m，絕大部分區(qū)域位于西南角。借助于3D ANALYST工具，可得到研究區(qū)的坡度圖，見圖2(b)。坡度圖表明，研究區(qū)的的坡度起伏并不是很大，大多數(shù)區(qū)域的坡度在6.36°以下。從圖2(b)還可以看出研究區(qū)有較多條狀或環(huán)狀坡度線，這可能是由于小區(qū)內(nèi)存在多處景觀造坡、山體防護擋墻以及下凹田徑場等變坡處。總的來說，借助于高精度DEM模型，研究區(qū)的豎向地形得以被具體化展現(xiàn)。

圖2研究區(qū)豎向分析

2.2 一維管網(wǎng)模型構(gòu)建

2.2.1 設計降雨

以芝加哥雨型作為設計降雨雨型，采用深圳鹽田區(qū)最新的暴雨強度公式[4]計算：

(4)

式中：q為雨強，L/(s·hm2)；t為降雨持續(xù)時間，min；P為重現(xiàn)期，a。

本次建模取雨峰系數(shù)為0.35，降雨持續(xù)時間為120 min。

2.2.2 管網(wǎng)概化

本文用于建模的管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源為研究區(qū)的CAD施工圖，在實際施工過程中，各節(jié)點和管道可能和設計圖紙存在偏差。為此，項目組在建模前對居住小區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)位置、管徑和檢查井井深等情況進行了實地調(diào)研與修正。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)現(xiàn)有排水管道8 733 m，其中雨水管道有5 865 m，污水管道有2 868 m。建模前，需先在ArcGIS中將CAD格式的管網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shp數(shù)據(jù)并建立管網(wǎng)、節(jié)點的建模參數(shù)屬性表。隨后，在MIKE URBAN中將管網(wǎng)系統(tǒng)的空間和數(shù)據(jù)屬性一一對應完成GIS數(shù)據(jù)向MIKE數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。最終，將研究區(qū)的管網(wǎng)概化為711條管段，檢查井共計132個。

2.2.3 子匯水區(qū)劃分

MIKE URBAN提供了子匯水區(qū)自動劃分的功能，其劃分法以泰森多邊形為原理。自動劃分法雖省去了構(gòu)、建筑物輪廓勾勒的繁瑣步驟，但由于缺失了下墊面屬性，使得子匯水區(qū)的徑流系數(shù)、不滲透率等參數(shù)難以估計。為此，本文采用自動加手動劃分的方式，在泰森多邊形劃分的基礎上，將屋頂、運動場等下墊面進行手動劃分。此外，模型運行前，還需計算各子匯水區(qū)的不滲透率。在下墊面分析中，研究區(qū)用地被分為六類，因此，在URBAN模型中，將屋面、道路、鋪裝、裸土、綠地、水體的不滲透率依次設為95%、85%、60%、45%、15%、0%，并完成子匯水區(qū)不滲透率的加權(quán)平均計算。最終，研究區(qū)共概化為580個子匯水區(qū)，子匯水區(qū)和管網(wǎng)概況如圖3所示。

2.3 二維地表模型構(gòu)建

二維地表模型以DEM為基礎，但MIKE無法識別GIRD格式的DEM數(shù)據(jù)。因此，需要在ArcGIS中將GRID高程先轉(zhuǎn)換ASCII碼，再利用MIKE ZERO將DEM輸出為dfs2格式的MIKE21地形文件?？紤]到建筑物對于二維水流的阻礙作用，以及道路對于地表徑流的行泄能力，將建筑物圖層和道路圖層以自然地形為底圖進行疊加。最終，建筑物圖層在底圖的基礎上被設定抬高為30 m，道路圖層設定降低0.15 m。模型的精度依然為1.5 m×1.5 m。

圖3管網(wǎng)及子匯水區(qū)

2.4 模型校驗

采用文獻[15]的方法對耦合模型進行校驗，降雨數(shù)據(jù)來自鹽田區(qū)“20180606”場次降雨，總降雨量為432.5 mm。校驗結(jié)果顯示研究區(qū)3個排放口出流過程線的平均相對誤差分別為6.68%、7.21%、8.56%，納什系數(shù)分別為0.81、0.79、0.77；二維積水深度的平均相對誤差為12.36%。校驗數(shù)據(jù)顯示耦合模型具備良好的擬合精度，可進行后續(xù)分析工作。

3 結(jié)果與分析

3.1 管網(wǎng)及徑流分析

3.1.1 雨水徑流分析

由于市政管網(wǎng)設計重現(xiàn)期一般不超過5 a，所以在進行管網(wǎng)及徑流分析時，以1 a、3 a和5 a降雨作為邊界降雨條件。分析徑流模型模擬結(jié)束后，可以獲取每個子匯水區(qū)的最大、最小和匯流累積量等統(tǒng)計報告。通過結(jié)果加載、計算工具得到每個子匯水區(qū)的徑流系數(shù)。表1、圖4是小區(qū)內(nèi)的雨水徑流統(tǒng)計數(shù)據(jù)和各匯水區(qū)的徑流系數(shù)。

經(jīng)過模擬分析，子匯水區(qū)的徑流系數(shù)隨著降雨量的增加而增大。但筆者發(fā)現(xiàn)若采取同樣的徑流系數(shù)分級間隔點對各匯水區(qū)進行分類，研究區(qū)的徑流系數(shù)分布圖幾乎無變化。故本文以5 a一遇降雨為例，采用自然斷點法對徑流系數(shù)進行分類評估并作出圖4。從圖4可以看出，研究區(qū)大部分匯水區(qū)被分類為第4級，即徑流系數(shù)在0.49～0.64之間。最小一級的徑流系數(shù)出現(xiàn)在研究區(qū)的西南角和東北角，在0.03～0.24之間，說明這兩個片區(qū)的下墊面類型較為一致且可能該區(qū)域植被覆蓋率較高。建筑物由于屋面良好地抗?jié)B性，被分類為第5級徑流系數(shù)，其數(shù)值高于0.65。

為進一步分析系統(tǒng)雨水的徑流情況，筆者統(tǒng)計了徑流參數(shù)，見表1。

圖4 各子匯水區(qū)的徑流系數(shù)分類

由表1可以看出，各指標均與重現(xiàn)期呈正相關(guān)關(guān)系。雖然降雨重現(xiàn)期間隔均為兩年，但各指標的增長幅度卻不均勻。其中從1 a到3 a以及3 a到5 a，系統(tǒng)最大徑流量的增幅分別為33.33%、25.33%，總儲水量的增幅分別為25.89%、14.39%，總?cè)霛B量的增幅分別為1.95%、0.70%，綜合徑流系數(shù)的增幅分別為9.62%、16.13%。上述數(shù)據(jù)表明，僅有綜合徑流系數(shù)的第二次增幅大于第一次增幅，說明3 a以后，大多數(shù)子匯水區(qū)的入滲和儲水量已達到飽和，地表徑流量明顯增多。特別是總?cè)霛B量，在各重現(xiàn)期下，增幅均在個位數(shù)以內(nèi)?？們λ康谝淮卧龇c第二次增幅之差也達到11.60%，說明3 a一遇降雨時，地表洼地蓄水也基本快要達到最大值。

3.1.2 管網(wǎng)排水能力評估

管網(wǎng)排水能力評估，對后續(xù)易澇點原因分析及采用何種工程措施有著重要的意義。本論文以管道最大充滿度作為依據(jù)進行評估。當管道最大充滿度大于1時，則認為不滿足管道排水設計能力；當管道最大充滿度小于等于1時，認為管道能滿足排水設計能力。采用不同重現(xiàn)期1 a、3 a和5 a的降雨來評估管道的排水能力，并將管網(wǎng)的排水能力分為4級，見圖5。管網(wǎng)的排水能力統(tǒng)計見表2。

圖5 管網(wǎng)排水能力圖

由圖5、表2可以看出，研究區(qū)大部分管網(wǎng)的設計重現(xiàn)期超過5 a，其百分比為54.5%。5 a以上重現(xiàn)期的管網(wǎng)主要集中在排放口附近，說明本小區(qū)在設計規(guī)劃階段考慮了排放口附近的排水負荷，對管網(wǎng)的設計重現(xiàn)期留有余地。此外，其余地區(qū)也有一些散亂的5 a以上管網(wǎng)，這可能是由于管網(wǎng)銜接的匯水區(qū)徑流量不大或管網(wǎng)坡度較大，排水能力較好。除5 a以上管網(wǎng)外，小于等于1 a重現(xiàn)期管網(wǎng)的比重也較大，為33%。這表明研究區(qū)的管網(wǎng)規(guī)劃不均衡，呈現(xiàn)兩極分化特征。因為存在較多瓶頸管網(wǎng)，整體的雨水系統(tǒng)極易出現(xiàn)卡脖子現(xiàn)象。由表2還可以看出，3 a～5 a的管網(wǎng)的比重極小，為1.5%，這表明研究區(qū)各設計重現(xiàn)期的管網(wǎng)沒有一個良好的過渡。

3.2 研究區(qū)積水分析

3.2.1 積水深度分析

低重現(xiàn)期下，管網(wǎng)節(jié)點的溢流情況還尚不明顯。但當研究區(qū)遭遇50 a暴雨時，節(jié)點已幾乎全部超載。故本項目以MIKE FLOOD平臺為基礎，將一維排水管網(wǎng)模型(MIKE URBAN)與二維地表徑流模型(MIKE 21)耦合，且認為地表積水是管網(wǎng)無法排除而溢流至地表所產(chǎn)生的。積水模擬分析時，以50 a暴雨為例，并在MIKE FLOOD中將模擬時長設為24 h。研究區(qū)的積水分布圖如圖6所示。

圖6研究區(qū)積水深度(單位：m)

從最大積水深度成果圖可以發(fā)現(xiàn)，地表積水點或區(qū)域多出現(xiàn)在某些道路鋪裝及沿線、地勢低洼等區(qū)域。淹沒區(qū)域大部分集中在中下部，其原因在于部分區(qū)域存在地勢相對低洼，管徑偏小、逆坡等現(xiàn)象，更容易產(chǎn)生積水。研究區(qū)共有六處積水深度在0.3 m以上的區(qū)域，這些積水多數(shù)是由于地勢低洼且管徑偏小的原因造成。特別地，研究區(qū)北部某一區(qū)域積水深度在1.2 m以上。經(jīng)過管網(wǎng)的縱斷面分析和實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的管網(wǎng)逆坡現(xiàn)象嚴重且排水極度不暢。在坡度和地勢的雙重作用下，致使該區(qū)域積水最為嚴重。從整體上來看，研究區(qū)雖局部積水嚴重，但并未發(fā)生大片區(qū)的范圍性積水。臨近管網(wǎng)排放口一帶的積水面積較大，但積水深度均在0.15 m以下，對車輛和行人的出行影響并不大。

3.2.2 積水時長分析

積水時長反映了積水的持續(xù)性作用，圖7給出了研究區(qū)的積水時長分布。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：最大積水時長和最大積水深度的時空分布并不一致。也就是說，積水深度大的區(qū)域積水時長并不一定大。如圖6中最大積水深度大于1.2 m的區(qū)域，其積水時長僅為9.0 h～11.0 h之間，而最大積水深度出現(xiàn)在其東北側(cè)的區(qū)域。這說明積水深度大的局部管網(wǎng)雖瞬時溢流量大，但持續(xù)泄流能力也可能較大。從整體上來看，研究區(qū)的的積水時長多在10 h以下，部分區(qū)域積水時長在19 h以上。其中東北部區(qū)域的積水時長整體高于其他區(qū)域，可能是由于該區(qū)域不滲透率較高和管網(wǎng)密度偏小的緣故。

圖7研究區(qū)積水時長(單位：m)

4 結(jié) 語

本文以高精度MIKE模型構(gòu)建了居住小區(qū)尺度的1D-2D耦合模型，并以此為基礎分析了研究區(qū)管網(wǎng)的排水能力和地表積水情景。得出以下結(jié)論：

(1) 高精度MIKE模型適用于居住小區(qū)尺度的雨洪模擬，但需以高精度的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎。為此，需進行精細的前期高程布點和測量工作。由于小區(qū)車道路的最小寬度為3.5 m，建議MIKE模型的柵格像素元控制在3.5 m×3.5 m以下。

(2) MIKE模型能夠真實地反映研究區(qū)的管網(wǎng)輸送負荷，進而協(xié)助工程師和科研工作者們在規(guī)劃、改造階段進行管網(wǎng)排水能力分析。本案例模擬結(jié)果顯示，雖然半數(shù)以上管網(wǎng)的設計重現(xiàn)期大于等于5 a，但整體的排水管網(wǎng)設計得并不均衡，存在大量卡脖子管網(wǎng)。

(3) 研究區(qū)在50 a的二維淹沒模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)多數(shù)區(qū)域積水深度在0.3 m以下，且積水時長多在10 h以下。小區(qū)整體內(nèi)澇風險不大，但局部區(qū)域的積水深度高度1.2 m以上，積水時長也接近24 h，可借助MIKE模型進行下一步的改造方案設計和結(jié)果分析。