基于MIKE FLOOD的巢湖市主城區(qū)現(xiàn)狀排水能力與內(nèi)澇風險評估

劉興坡，夏澄非，柴耀智，王天宇，賈仁勇，王靈華

(1.上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海海事大學海洋環(huán)境與生態(tài)模擬研究中心，上海 201306；3.上海市城市建設設計研究總院，上海 200125；4.巢湖市住房和城鄉(xiāng)建設局，安徽巢湖 238001)

城市內(nèi)澇是當前我國城市面臨的主要水問題。2013年，國務院辦公廳印發(fā)的《關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》(國辦發(fā)[2013] 23號)文件指出，各城市要在摸清管網(wǎng)現(xiàn)狀的基礎上，編制完成城市排水防澇設施建設規(guī)劃，用10年左右的時間建成較為完善的城市排水防澇工程體系。2017年，住房城鄉(xiāng)建設部辦公廳與國家發(fā)展改革委辦公廳聯(lián)合發(fā)布的《關于做好城市排水防澇補短板建設的通知》(建辦城函[2017] 43號)文件指出，各地既要為全面完善排水防澇工程體系建設做好基礎，又要著重解決當前對居民生活生產(chǎn)影響較大的內(nèi)澇積水問題。在此背景下，我國開始啟動城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃的編制工作，以構(gòu)建完善的城市排水防澇工程體系[1-3]。

巢湖市地處安徽省中部，毗鄰巢湖，城市內(nèi)澇災害風險大。特別是2016年7月上旬，巢湖市遭遇暴雨突襲，城區(qū)各地普遍降雨達到200 mm以上，僅7月1日的最大雨量就達到291 mm，帶來了嚴重的經(jīng)濟損失。為此，巢湖市提出了編制城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃的工作。其中，城市排水防澇系統(tǒng)排水能力和內(nèi)澇風險評估是規(guī)劃編制的前提和基礎，本文對此開展探討。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)準備

1.1 研究區(qū)域

巢湖市隸屬安徽省，市區(qū)內(nèi)主要河流為裕溪河水系，是長江支流。巢湖市圍繞巢湖水系，經(jīng)過市區(qū)流入巢湖的支流眾多。其中，裕溪河西連巢湖東接長江，市區(qū)南部河段自西向東貫穿，枝杈流主要為西河、抱書河以及清溪河等，直接匯入長江的河流主要為德勝河、太陽河等。南部地區(qū)的羅倡河和柯坦河分別流經(jīng)白蕩湖和菜籽湖匯到長江干流，城北的滁河流經(jīng)位于江蘇省的六合縣地區(qū)最終匯入長江[4][圖1(a)]。

巢湖市區(qū)位于江淮丘陵以南，三面環(huán)山，整體地形為中間較低，南北側(cè)地勢較高。市域中部被長江、巢湖兩個沖積平原貫穿，南北側(cè)分別為山丘崗地，山體自東北向西南走向。南北部分用地有東北至西南方向的山脈斷續(xù)相連，形成了沿江水網(wǎng)圩、沿湖碟形圩、波狀平原和低山丘陵4種地貌。市區(qū)近郊山丘海拔為200～300 m，市區(qū)主要坐落在一、二級階地上，海拔高為6～40 m(黃海高程，下同)，其中最高處臥牛山頂海拔為48 m。舊城區(qū)北部為山丘，其余西、南、東三面均是湖漫灘改造而成的圩田，平均海拔為8 m左右。

當前巢湖市的排澇設施現(xiàn)狀如下。(1) 城區(qū)排水系統(tǒng)不完善，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。目前，僅中心區(qū)內(nèi)有一些排水管道及排澇箱涵，但這些排澇設施未經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃，大多隨道路建設修建而成，任意性大，且至今沒有確切的布置圖。(2) 排澇站標準低，裝機不足且老化嚴重。巢湖市現(xiàn)有15座排澇泵站(不含漕橋農(nóng)排站和賈塘圩南農(nóng)排站)，總排澇流量為119.22 m3/s，總裝機容量約為3 182 kW。其中丁家崗站等6座為70年代以前建成，運行年代久遠，目前基本超過允許使用年限，老化損壞十分嚴重。另外，除城防站外，其余站原來大都是按農(nóng)田排水標準設計，排澇規(guī)模僅為0.7～1.1 m3/s/km2。若按照城市雨水公式計算，同時考慮溝塘調(diào)蓄及管道坡降等因素后，這些現(xiàn)有的排澇站標準偏低，裝機嚴重不足，遠不能滿足城區(qū)排澇要求。各泵站的具體位置分布如圖1(a)所示。

根據(jù)當前巢湖市的用地布局、地形特點、水系情況，本著“高水高排、低水泵排、就近排放”的原則，將巢湖市分為14個雨水防澇系統(tǒng)：巢北區(qū)、小王莊區(qū)、老城區(qū)、賈塘圩區(qū)、伍賈圩區(qū)、官圩區(qū)、東安圩區(qū)、巢南區(qū)、義城圩區(qū)、半湯新區(qū)、花山工業(yè)園區(qū)、半湯溫泉度假村區(qū)、民營經(jīng)濟園區(qū)以及放王崗區(qū)。其中，巢南區(qū)、小王莊區(qū)、半湯溫泉度假村區(qū)及放王崗區(qū)均為高排區(qū)，其余分區(qū)全部或局部為低排區(qū)(圖2)。

基于上述對巢湖市區(qū)地理信息和管網(wǎng)現(xiàn)狀的描述，本文利用MIKE FLOOD軟件，對巢湖市市區(qū)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行了建模研究，包括對地下雨水管網(wǎng)與地表漫流模型的建模。另外，考慮到巢湖城區(qū)位于巢湖流域的中心，穿過裕溪河、雙橋河、抱書河等多條河道水系，因此，對河網(wǎng)也進行建模。該研究區(qū)域的總面積為22.66 km2，西起湖光路，東至裕溪路，北起金山路，南至前進路[圖1(b)]。

圖1 區(qū)域位置：(a) 巢湖市城區(qū)除澇工程布置圖；(b) 巢湖市建模區(qū)域示意圖Fig.1 Area of the Study: (a) Layout of Waterlogging Control Project in Chaohu City;(b) Downtown Area of Chaohu City

圖2 雨水防澇分區(qū)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Rainwater Flood Control Zoning

1.2 排水管網(wǎng)和地形數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的雨水管線和測繪數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)信息和地形圖由巢湖市住建局提供。主要包括CAD格式的排水管網(wǎng)竣工資料和數(shù)字高程模型。

1.3 短歷時設計暴雨雨型

鑒于巢湖市目前無自編的暴雨強度公式，故本文采用氣候氣象類似的合肥市最新修編的暴雨強度公式[5]及K.C法(芝加哥法)生成所需降雨歷時曲線[6]。計算重現(xiàn)期分別為1、2、3、5、10 a，降雨歷時2 h，雨峰系數(shù)取值為0.4的5種不同的典型降雨情景，如圖3所示。

圖3 設計降雨過程Fig.3 Design Rainfall Process

1.4 長歷時設計降雨雨型

為了實現(xiàn)巢湖市城區(qū)內(nèi)澇風險等級的評估與區(qū)劃，需要設計長歷時降雨雨型。城市排水防澇工程的長歷時設計暴雨應當選擇降雨歷時為24 h，步長為5 min，且利用典型年雨型分配法，生成重現(xiàn)期分別為20、50 a的2種不同的典型長歷時降雨情景，巢湖市20年一遇和50年一遇24 h設計暴雨分配過程線如圖4～圖5所示。

2 排水防澇系統(tǒng)現(xiàn)狀排水能力評估

2.1 現(xiàn)狀排水能力評估

2.1.1 排水防澇計算機模型建立

一般的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬軟件僅能對管網(wǎng)內(nèi)部的一維水流過程進行模擬，但不能模擬出發(fā)生內(nèi)澇時的城市地表積水情況與過程，因而，難以進一步評價內(nèi)澇對城市地表產(chǎn)生的影響。MIKE FLOOD軟件與一般的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模軟件不同，它集成了一維管網(wǎng)系統(tǒng)的模塊(MIKE URBAN CS)、一維城市水系模塊(MIKE 11)以及二維地表漫流的模塊(MIKE 21)，能夠?qū)⒊鞘械叵屡潘芫W(wǎng)和地表漫流的水流過程耦合起來，從而更全面地反映城市的內(nèi)澇情況，為防澇體系的構(gòu)建提供技術支持。

圖4 20年一遇24 h設計暴雨過程線Fig.4 Rain Type of Once 20 Years 24 h Storm

圖5 50年一遇24 h設計暴雨Fig.5 Rain Type of Once 50 Years 24 h Storm

基于MIKE FLOOD模型，結(jié)合巢湖市的各種基礎數(shù)據(jù)資料，實現(xiàn)了對巢湖市城區(qū)的模型搭建，其中主城區(qū)徑流系數(shù)取0.60。徑流模擬初始損失為0.6 mm，折減系數(shù)為0.90。平均不透水系數(shù)取55%。同時，必須保證研究區(qū)內(nèi)各地降雨強度一致。該系統(tǒng)具體包括子集水區(qū)236個，檢查井4 051個，排水管段3 776根，且管道總長度為114.69 km，集水區(qū)的面積為22.66 km2，如圖6所示。

圖6 巢湖市排水管網(wǎng)概化Fig.6 Generalization of Drainage Network in Chaohu City

2.1.2 模型參數(shù)的率定

在模型搭建的基礎上，需要設置模型參數(shù)。主要包括滲透表面選取Horton滲透模型，徑流模擬中采用時間面積曲線模型(T-A Curve)。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)取0.30。

考慮到巢湖市沒有直接的排水管網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文采用內(nèi)澇點的宏觀校準方法對模型參數(shù)進行率定，即檢驗排水管網(wǎng)模型溢流點與巢湖市現(xiàn)狀積澇點是否大體一致。

圖7 降雨邊界條件Fig.7 Rainfall Boundary Condition

本文利用巢湖市2016/7/1 12∶00至2016/7/3 12∶00共計48 h的降雨過程作為模型邊界條件(圖7)，將其載入巢湖市雨洪模型中，得到了城市內(nèi)澇結(jié)果分布圖。圖8顯示了整個城區(qū)積水點的深度和分布情況，其中巢湖中路和健康中路交叉口以北積水最深，最大積水深度為1.09 m。

圖8 巢湖市積水深度空間分布Fig.8 Spatial Distribution of Water Depth in Chaohu City

表1 模擬結(jié)果內(nèi)澇點與實際內(nèi)澇點個數(shù)對比Tab.1 Comparison of Simulated Results with Actual Waterlogging Points

將模擬結(jié)果與巢湖市2016年7月1日暴雨下實際統(tǒng)計的城市內(nèi)澇分布點對比。如表2所示，模擬得到的內(nèi)澇點與巢湖市住建局提供的內(nèi)澇點吻合比為83.3%。這表明基于MIKE FLOOD構(gòu)建的城市雨洪模型基本可靠，能夠大體反映實際積水情況。

2.1.3 模型結(jié)果分析

我國排水系統(tǒng)設計時雨水管道內(nèi)流態(tài)按滿管均勻流考慮，在重力管渠中，可將形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當出現(xiàn)超載狀態(tài)時，可認為管段流量超過設計能力。因此，在模擬結(jié)果中，若某段管道出現(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的重現(xiàn)期標準。本文采用“管道平均過載倍數(shù)”指標對巢湖市現(xiàn)狀排水能力進行評估，對于平均過載倍數(shù)(峰值)大于1的雨水和合流制管道，均視為能力不足。現(xiàn)狀排水能力評估如下。

在1年一遇的設計降雨工況下，巢湖主城區(qū)過載管道總長為31.95 km，占27.86%，濱湖大道、健康中路、人民路、官圩路、牡丹路、湖光路、銀屏路、向陽南路雨水管道負荷較重，管道過載情況嚴重；長江西路、東風路以及裕溪路部分路段的排水管道過載。2年一遇設計降雨工況下，過載管道長為41.42 km，占比36.06%，新增過載管道主要位于裕溪路。3年一遇設計降雨工況下，過載管道長為42.71 km，占比37.18%；5年一遇設計降雨工況下，過載管道長為44.58 km，占比38.81%；10年一遇設計降雨工況下，過載管道長為46.14 km，占比40.17%。其中健康西路湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路等區(qū)域?qū)儆趦?nèi)澇高風險區(qū)域，如圖9和表2所示。

2.2 內(nèi)澇風險等級評估與區(qū)劃

基于MIKE FLOOD軟件建立了巢湖市城區(qū)排水防澇模型。以該市現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和河道數(shù)據(jù)為基礎，分別建立城市排水管道模型、地表漫流模型和河網(wǎng)模型，并進行耦合[7-11]。巢湖市內(nèi)澇防治標準設計重現(xiàn)期為20年一遇，且采用50年一遇進行校核。針對50年一遇長歷時降雨情景進行動態(tài)模擬，基于模擬結(jié)果，本文采用情景模擬評估法對區(qū)域進行內(nèi)澇風險評估與區(qū)劃[12]，如圖4～圖5所示。通過模擬，獲得雨水徑流的水位變化、積水范圍和淹沒時間等信息，采用積水深度與積水流速指標疊加，綜合評估了城市內(nèi)澇災害的危險性；并結(jié)合巢湖市不同區(qū)域的重要性和敏感性，對城市進行了內(nèi)澇風險等級劃分。具體計算如式(1)[13]。

圖9 雨水管道過載空間分布圖Fig.9 Spatial Distribution of Rainwater Pipeline Overload

表2 現(xiàn)狀排水管渠排水能力評估Tab.2 Existing Drainage Capacity Evaluation

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d——積水深度，m；

V——流速，m/s；

Df——水深危害參數(shù)，d≤0.15 m，Df=0.5；d>0.15 m，Df=1.0。

根據(jù)計算的內(nèi)澇危險指數(shù)，城市內(nèi)澇風險等級劃分如下：

①當HR<0.75時，為內(nèi)澇低風險區(qū)；

②當0.75≤HR<1.25時，為內(nèi)澇中風險；

③當HR≥1.25時，為內(nèi)澇高風險區(qū)。

老城區(qū)內(nèi)澇風險評估的結(jié)果包括：內(nèi)澇中風險區(qū)為0.13 km2，占比2.6%，位于團結(jié)路(臥牛路至巢湖路段)，巢湖路(健康中路至人民路段)，東風路與臥牛路交叉口；內(nèi)澇高風險區(qū)為0.01 km2，占比0.2%，位于團結(jié)路臥牛路交叉口。其余路面均屬于低風險區(qū)，如表3所示。

表3 老城區(qū)中、高風險區(qū)域HR指數(shù)Tab.3 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Old Urban Area

對于主城區(qū)內(nèi)澇風險區(qū)劃，其中，健康西路靠近湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等區(qū)域均屬于內(nèi)澇高風險區(qū)域，如表4和圖10所示。

表4 主城區(qū)中、高風險區(qū)域HR指數(shù)Tab.4 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Main Urban Area

圖10 城區(qū)內(nèi)澇風險區(qū)劃圖Fig.10 Risk Zoning Map of Urban Waterlogging

3 結(jié)論

為了構(gòu)建巢湖市完善的城市排水防澇工程體系，編制《巢湖市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2015—2030)》。本文基于MIKE FLOOD軟件，構(gòu)建了巢湖市排水系統(tǒng)模型，且設計了不同重現(xiàn)期的降雨情景。該模型實現(xiàn)了對巢湖市主城區(qū)現(xiàn)狀排水能力與內(nèi)澇風險的評估，主要結(jié)論如下。

(1)利用MIKE FLOOD和情景模擬評估方法可為城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制提供技術支撐。

(2)當前巢湖市主城區(qū)約61.13%的管網(wǎng)的現(xiàn)狀排水能力能夠滿足5年一遇的排澇設計要求，但仍有27.86%的管網(wǎng)的現(xiàn)狀排水能力未能夠達到1年一遇的排澇設計要求(2015年)。

(3)《巢湖市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃(2015-2030)》能夠滿足50年一遇設計暴雨的排水防澇要求。

(4)通過對50年一遇的長歷時(24 h)降雨情景進行動態(tài)分析，結(jié)果表明，健康西路靠近湖光路段、長江西路、半湯路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等區(qū)域?qū)儆趦?nèi)澇高風險區(qū)域。