基于MIKE URBAN的廣州市東濠涌片區(qū)暴雨內(nèi)澇模擬研究

張旭兆，林蓉璇，徐輝榮，王鑫

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東廣州510635)

城市暴雨內(nèi)澇與城市化進程中水文過程的異變密切相關(guān)。城市化導(dǎo)致熱島效應(yīng)日趨顯著[1]、土地硬化[2-3]、河水頂托、河湖侵占、排水管網(wǎng)設(shè)施滯后等問題是暴雨內(nèi)澇的主要成因。

目前對城市暴雨內(nèi)澇機理與成因分析的研究主要有三類方法：數(shù)理統(tǒng)計法采用長序列水文氣象資料和歷史災(zāi)害資料進行統(tǒng)計分析，該方法結(jié)果較為可靠，但長序列資料一般較難獲取[4]；模型反演法采用歷史影像資料分析城市下墊面變化，結(jié)合水文模型分析城市化對降雨產(chǎn)匯流的影響，該方法對發(fā)展變化不大的城市適用性較差[5]；情景分析法基于地形、管網(wǎng)和土地利用資料構(gòu)建水文、水動力數(shù)學模型，根據(jù)暴雨、水位等邊界條件的設(shè)定模擬暴雨洪水的傳播過程，該方法計算精度較高，但計算復(fù)雜[5]。

歐美國家從20世紀60年代開始采用情景分析法，基于水文、水動力數(shù)學模型研究城市暴雨內(nèi)澇機理，其中應(yīng)用較廣泛的模型包括SWMM模型、Wallingford模型和MIKE模型[6-7]。近年來，國內(nèi)也逐漸采用MIKE、SWMM城市暴雨內(nèi)澇模型對排澇系統(tǒng)進行研究與分析[8-9]，該方法在中國具有較大的應(yīng)用前景。

目前關(guān)于建成區(qū)河涌流域的暴雨內(nèi)澇模擬研究以及基于水文、水動力學模型對內(nèi)澇成因的分析較少，而內(nèi)澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生以及河涌對于防洪排澇的關(guān)鍵作用又使得此類研究意義重大[10]，為此本文以廣州市越秀區(qū)東濠涌排澇片區(qū)為例，基于MIKE URBAN建立模擬管網(wǎng)排水流動、地面漫流、內(nèi)河湖泊的漲退水及珠江漲落潮過程的城市暴雨內(nèi)澇模型，采用2011年“10·14”暴雨和2014年“6·23”暴雨進行模擬計算與分析來驗證模型的模擬效果，并通過模型初步分析了東濠涌排澇片區(qū)積水的主要成因，為城市內(nèi)澇治理和內(nèi)澇風險評估提供一定的參考。

1 區(qū)域概況

本次研究范圍參考《廣州市防洪(潮)排澇規(guī)劃(2010—2020年)》，結(jié)合廣州市1∶2000地形資料，劃定東濠涌排澇片區(qū)[11]，包含東濠涌、新河浦涌和西濠涌的集水范圍，即東起梅花村街道、西至西濠涌，南起珠江、北至廣深鐵路沿線，總面積約14.63 km2。研究區(qū)域范圍見圖1。

研究范圍排水系統(tǒng)主要由市政排水管網(wǎng)，東濠涌、新河浦涌、西濠涌等主要內(nèi)河涌，東山湖、東濠涌水閘、東山湖水閘，東濠涌泵站等排水設(shè)施組成。東濠涌上游為麓湖，麓湖以下的河長4.5 km，下游與東山湖相連，出口為珠江。區(qū)域附近有國家水文站點中大站，主要監(jiān)測潮位及降雨，附近主要降雨測站有氣象大樓站和少年宮站。

2 數(shù)據(jù)資料

2.1 地形數(shù)據(jù)

地形資料采用廣州1∶2000地形圖，得到10 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，見圖2。研究區(qū)域高程的整體趨勢為北高南低，東高西低。南部地勢低洼，高程一般約為3～5 m，中部地區(qū)高程約為5～6 m，西部局部地區(qū)高為7～10 m，東部高程約為9～13 m，東北部地區(qū)為丘陵地區(qū)，高程約為15～25 m。

2.2 水系資料

研究范圍內(nèi)水系由3條河涌(其中西濠涌已改造成暗涵)、1個人工湖以及珠江前航道組成(圖2)，水系的基本信息見表1。東山湖對東濠涌下游以及新河浦涌的蓄澇調(diào)峰起到重要的作用，其正常水面面積30.07萬m2，蓄水量41.07萬m3，根據(jù)調(diào)度原則，東山湖在汛期的調(diào)蓄水位為1.34 m。研究范圍內(nèi)各河涌和湖泊最終匯入珠江前航道。

表1 研究區(qū)主要河道信息

2.3 管網(wǎng)資料

越秀區(qū)為老城區(qū)，主要為雨污合流制。本次重點考慮500 mm以上管徑的骨干管網(wǎng)和箱涵的排水能力，根據(jù)管道流向、管底高程、管徑和坡降對其余管網(wǎng)進行合并。概化后的主干管網(wǎng)示意見圖3。

2.4 降雨潮位資料

本文采用2場暴雨進行模擬研究。2011年“10·14”暴雨采用中大站實測暴雨過程，峰值出現(xiàn)在10月14日0點，為41.5 mm，最小值出現(xiàn)在10月14日3點，約4 mm。2014年“6·23”暴雨采用氣象大樓站和少年宮站實測暴雨過程，峰值出現(xiàn)在6月23日18點，為35～45 mm。潮位過程采用中大站2011年“10·14”和2014年6月23—24日的實測潮位過程。

3 模型構(gòu)建

3.1 一維河網(wǎng)模型

采用MIKE11構(gòu)建一維河網(wǎng)模型[12]，模擬內(nèi)河道行洪、湖泊的調(diào)蓄、外江潮汐漲落和水閘泵站的調(diào)度運行。

一維模型模擬的河道主要為東濠涌和新河浦涌。東濠涌上邊界為麓湖出口，下邊界為珠江前航道，下游通過新河浦涌與東山湖連通。區(qū)域內(nèi)河涌出口處均設(shè)置有水閘或泵站。當珠江潮位高時，水閘關(guān)閉，泵站開啟強排；當外江潮位低時，水閘開啟自排，泵站關(guān)閉。

邊界條件：珠江前航道各河涌出口采用中大站2011年“10·14”實測潮位過程作為邊界條件，其他河流設(shè)置零流量邊界。

水動力學參數(shù)設(shè)置：根據(jù)實際情況將初始水深設(shè)為0.74 m；根據(jù)研究區(qū)域水系河床特征，參考相關(guān)文獻[7]，一維河網(wǎng)模型的河道糙率選取為0.03。模擬時間步長為5 s。

3.2 二維漫流模型

二維漫流模型基于MIKE21構(gòu)建[13]，主要模擬管網(wǎng)溢出水流的漫流過程。

為較好地模擬城市街道細微地形，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對研究區(qū)域進行剖分，網(wǎng)格大小為10 m×10 m，網(wǎng)格單元379 673個。本次基于1∶2000地形圖獲得地形高程，可較好地描述道路高程。為反映建筑物的阻水作用，對所有建筑物高程均拔高5 m。

模型參數(shù)設(shè)置：干濕深分別設(shè)為0.05、0.1 m；二維地表漫流模型的糙率按道路、綠地、建筑等不同下墊面情況分別取為0.035、0.05和0.06。

3.3 一維管網(wǎng)模型

一維管網(wǎng)模型基于MIKE URBAN構(gòu)建[14]，以檢查井為中心，按照泰森多邊形法劃分集水區(qū)，雨水就近匯入檢查井。本文采用時間面積TA模式模擬降雨徑流過程，將其作為管流的邊界條件，采用MOUSE計算引擎計算管網(wǎng)水流運動過程。

根據(jù)黃國如等的研究[6]，徑流系數(shù)等對徑流量和洪峰流量的影響最大，地面坡度的影響因素最小。MIKE URBAN模型與之相對應(yīng)的參數(shù)是不透水系數(shù)。本次一維管網(wǎng)模型根據(jù)1∶2000地形圖確定下墊面分類，主要包括道路、綠地、建筑用地和水系等。各集水區(qū)根據(jù)不同的下墊面設(shè)置不透水率，見表2。

表2 越秀區(qū)不同下墊面類型不透水率

3.4 耦合模型

采用MIKE FLOOD將一維河網(wǎng)模型、二維漫流模型和一維管網(wǎng)模型進行耦合。一維管網(wǎng)模型中的排水人孔與二維漫流模型相應(yīng)位置的計算單元進行連接。管網(wǎng)中的水流從人孔中溢出，在二維計算單元上漫流，或二維單元上的水流沿地勢低洼處匯流至人孔并排入管網(wǎng)。一維管網(wǎng)模型中的排水出口與一維河網(wǎng)模型的斷面進行連接。水流從管網(wǎng)出口流向河道，或受河道水位頂托回流至管網(wǎng)。

4 模型率定驗證

4.1 模型率定

2011年10月13—14日，廣州市發(fā)生嚴重的暴雨內(nèi)澇，有109個區(qū)域自動站記錄到100 mm以上降水，其中最大的是廣州海珠區(qū)的廣州第五中學，達319.8 mm，造成區(qū)域內(nèi)34處以上地段嚴重內(nèi)澇。

本次采用耦合的城市暴雨內(nèi)澇模型對該場暴雨內(nèi)澇進行模擬，計算越秀區(qū)東濠涌排澇片區(qū)地表積水情況，并與實測積水點進行比較，對模型進行率定。降雨過程采用中大站2011年“10·14”實測降雨，暴雨內(nèi)澇模型的參數(shù)見模型構(gòu)建小節(jié)。實測該場暴雨造成的越秀區(qū)主要積水點見圖4，模型模擬與實測的各積水點的最大淹沒水深見表3。從圖4、表3可以看出，實測與模擬的內(nèi)澇分布、最大淹沒水深都較為接近，通過絕對誤差和相對誤差計算，其模擬精度基本符合要求，表明模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合。

表3 積水點最大淹沒水深

監(jiān)測點序號實測值/m模擬/m絕對誤差/m相對誤差P10.450.500.050.10P20.300.20-0.10-0.30P30.450.510.060.10P40.350.30-0.05-0.10P50.500.45-0.05-0.10P60.500.570.070.10P70.500.560.060.10P80.800.74-0.06-0.08P90.350.28-0.07-0.20P100.300.310.010.03P110.600.700.100.16P120.300.25-0.05-0.17P130.200.15-0.05-0.25P140.800.73-0.07-0.09

4.2 模型驗證

采用氣象大樓站和越秀區(qū)少年宮站2個雨量站的實測降雨作為管網(wǎng)降雨邊界條件。該場內(nèi)澇是由典型的短歷時(1 h)強降雨引起，因此具有較強的代表性。珠江前航道各河涌出口采用中大站2014年6月23—24日實測潮位過程作為一維河網(wǎng)模型下邊界條件。

圖5為研究范圍內(nèi)模型驗證的積水分布。廣州市三防辦一雨一報資料僅記錄積水深度為0.3 m及以上的內(nèi)澇點(圖5中黑色三角形所示)。從圖5可以看出，資料記錄的積水點有5處，本次模擬的積水區(qū)域涵蓋了資料記錄的積水點。由于模擬出的其他內(nèi)澇點的積水深度多數(shù)小于0.3 m，因此并不在一雨一報的資料記錄范圍內(nèi)。本文采用圖5中的5個內(nèi)澇點的最大積水深度進行效果評估。表4為實測和模擬積水深度的對比，比較接近，通過相對誤差和絕對誤差計算，基本滿足精度要求，表明該模型能較好地模擬城市暴雨內(nèi)澇積水。

表4 2014年“6·23”暴雨最大積水深度

5 積水成因初步分析

越秀區(qū)內(nèi)澇積水成因包括短歷時強降雨、排水管網(wǎng)過流能力不足、部分地勢低洼、河道和珠江水位頂托、湖泊調(diào)蓄容積不夠等。本次以2011年“10·14”暴雨內(nèi)澇為典型，基于城市暴雨內(nèi)澇模型初步研究珠江潮水及河道水位頂托、湖泊汛期正常蓄水位變化對區(qū)域積水的影響。

研究區(qū)域暴雨過程與珠江漲潮過程一致，且當暴雨強度達到峰值41.5 mm時，珠江接近最高潮。本次考慮將潮位平移，使得暴雨強度大時，珠江前航道處于退水或低潮，見圖6。經(jīng)模型計算，潮位平移后的暴雨積水分布見圖7。對比圖4、圖7可以看出，潮位過程平移前后的積水分布差異微小，平移前后的(最大積水深度，平均積水深度)分別為(0.800，0.158)和(0.802，0.157)，表明潮位頂托對該場暴雨內(nèi)澇積水的影響很小。

東濠涌是研究范圍內(nèi)排水的主要通道。本文將東濠涌斷面拓展到100 m來分析河道沿程水位對排水口的頂托作用。圖8為東濠涌斷面拓寬后的暴雨內(nèi)澇分布。對比圖4、圖8可以看出，斷面拓寬前后的積水分布相差不大，(最大積水深度，平均積水深度)分別為(0.800，0.158)和(0.799，0.158)，表明該場暴雨河道水位對排水口的頂托作用較小。

東山湖在汛期的調(diào)蓄水位為1.34 m，本次考慮降低調(diào)蓄水位至0.74 m，研究其影響。計算結(jié)果見圖9，(最大積水深度，平均積水深度)為(0.801，0.158)，與圖4較為一致，表明東山湖調(diào)蓄水位對本次內(nèi)澇點的積水程度并無顯著影響。

越秀區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的排水能力一般為1～3 a。廣州市排水重現(xiàn)期1、2、3 a的累計小時雨量見表5，其中3年一遇4 h的累計雨量為104 mm。圖10為研究范圍內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)遭遇3年一遇累計4 h雨量的積水分布。對比圖4、10可看出，現(xiàn)狀排水管網(wǎng)遭遇3年一遇4 h累計降水的積水范圍要小于模型所模擬的2011年“10·14”實測暴雨的積水范圍，這是由于在2011年“10·14”實測暴雨中，13日21時至14日0時累計4 h的暴雨量多達124 mm，遠大于其市政排水能力。

表5 越秀區(qū)市政排水不同重現(xiàn)期累計小時暴雨量

因此，從以上分析可以看出造成研究范圍內(nèi)局部積水的主要原因是市政管網(wǎng)排水能力嚴重不足，因此建議進一步提升越秀區(qū)的管網(wǎng)排水能力，同時增加城市下沉式綠地、透水鋪裝等措施，減少地表徑流從而提高雨洪的資源化利用。

6 結(jié)語

本文采用MIKE模型構(gòu)建了能夠模擬外江潮汐、內(nèi)河漲退水、地面積水和管網(wǎng)排水過程的城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學模型。區(qū)域暴雨內(nèi)澇的模擬結(jié)果與實測較為吻合，表明該模型能夠較好地模擬復(fù)雜水文條件下的城市暴雨洪水傳播過程?；谠撃Ｐ头治隽?011年“10·14”暴雨的內(nèi)澇積水成因，結(jié)果表明該區(qū)域暴雨內(nèi)澇受河水頂托、湖泊調(diào)蓄的影響較小，主要原因是排水管網(wǎng)能力不足，這與廣州市的調(diào)查結(jié)果較為一致，表明該模型能較好地分析城市暴雨內(nèi)澇成因。建議結(jié)合海綿城市建設(shè)，進一步提升越秀區(qū)的管網(wǎng)排水能力。