基于Mike Urban的城市易澇區(qū)分析與優(yōu)化

李子鈺，余 嶸，房 平

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，西安 710048）

城市雨洪徑流模型屬于城市水文模型的一種，其利用現(xiàn)代水文學(xué)、水力學(xué)的知識(shí)，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)雨洪徑流和排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析水流水位和淹沒區(qū)域等情況。對(duì)不同情景下城市雨洪過程的模擬和預(yù)測(cè)，可以為城市防洪預(yù)警和排水規(guī)劃提供科學(xué)的決策支持。Mike Urban模型具有技術(shù)集成度高、數(shù)據(jù)接口廣泛、建模與運(yùn)行簡單且精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已被廣泛用于城市地表產(chǎn)匯流計(jì)算的雨洪模型研究、排水管網(wǎng)的模擬評(píng)估等。

廣州市花都區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量為1 777 mm，一年中大部分時(shí)間雨量充沛，雨季明顯，常有大到暴雨出現(xiàn)。花都區(qū)平原海拔為5～50 m，城區(qū)排水防洪的主要問題有：部分區(qū)域排澇工程先天不足，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低；水利工程維護(hù)管理不足，水毀沖蝕嚴(yán)重；污水處理系統(tǒng)不完善，污水處理廠效能不足。因此，花都區(qū)城區(qū)形成了18處不同程度的內(nèi)澇點(diǎn)。本文選擇Mike Urban軟件作為工具，在概化研究區(qū)排水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，模擬易澇點(diǎn)不同情境下的區(qū)域積水情況及管道充滿度，評(píng)估管網(wǎng)排水能力，以提出相應(yīng)的優(yōu)化方式，解決區(qū)域內(nèi)澇問題，為防洪排澇提供技術(shù)支持。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將管網(wǎng)數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中處理為節(jié)點(diǎn)及管道的shp文件后導(dǎo)入Mike Urban，通過Urban自帶的數(shù)據(jù)檢查與插值賦值工具對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行檢查，根據(jù)收集的排水管網(wǎng)資料（包括管道及檢查井基本數(shù)據(jù)、土地利用情況等），統(tǒng)計(jì)并完善管道和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性及類型，篩選出錯(cuò)誤和不合理的數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。之后，將CAD格式的下墊面資料導(dǎo)入ArcGIS，分解出不同土地利用類型處理為不同圖層的shp文件，再將其導(dǎo)入Mike Urban中。

1.2 暴雨過程推求

為模擬市政排水管網(wǎng)在不同降雨情境下的狀態(tài)，擬采用同頻率分析方法確定一種長歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨過程線，推求出20年一遇和30年一遇的24 h設(shè)計(jì)暴雨過程。

2 模型與方法

2.1 Mike Urban模型

Mike Urban管網(wǎng)內(nèi)澇模型主要分為降雨徑流模擬和管流模擬兩個(gè)階段。第一個(gè)階段的降雨徑流模型采用簡單、常用的時(shí)間面積曲線模型模擬降雨徑流過程。第二階段的管流模擬中的水動(dòng)力模型將管網(wǎng)中的水流視為非恒定流，用一維圣維南方程組與Abbott—Ionescu六點(diǎn)隱式差分交替格式求解方程組的數(shù)值解，一維圣維南方程組是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)能守恒方程，六點(diǎn)隱式差分分別交替計(jì)算相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的水位和流量。

2.2 城區(qū)內(nèi)澇模型構(gòu)建

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際土地利用情況，將下墊面信息概化，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定相應(yīng)的不透水率，如表1所示。在Mike Urban建立的排水系統(tǒng)模型上劃分子匯水區(qū)，最終將區(qū)域概化為330個(gè)子匯水區(qū)。

表1 研究區(qū)下墊面情況

根據(jù)Mike Urban模型參數(shù)敏感性分析的相關(guān)研究成果，選擇降雨初損、水文衰減系數(shù)、地面徑流平均流速及管道曼寧數(shù)作為率定參數(shù)。從研究區(qū)18處內(nèi)澇點(diǎn)（均設(shè)置檢查井）中確定4處典型易澇點(diǎn)（XY01、XY09、XY10和XY15），選取典型降雨徑流過程用于區(qū)域排水管網(wǎng)模型參數(shù)率定和驗(yàn)證。典型易澇點(diǎn)的特征如表2、表3所示。

表2 典型易澇點(diǎn)降雨要素

表3 典型易澇點(diǎn)最大積水深度對(duì)比

從表3模擬結(jié)果來看，典型易澇點(diǎn)積水深度實(shí)測(cè)與模擬數(shù)值的相對(duì)誤差分別為-12.10%、5.60%、3.20%和-9.50%，在城市排水系統(tǒng)徑流模擬設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)（-20%～10%），率定通過。因此，該模型可在研究區(qū)使用。

3 結(jié)果分析

研究區(qū)30年下的設(shè)計(jì)降雨徑流過程模擬結(jié)果顯示，18處檢查井均存在溢流，溢流點(diǎn)最大積水深度為1 m，最大積水時(shí)間為72 h。造成18處溢流點(diǎn)的主要原因有三點(diǎn)：地勢(shì)低洼；無排水設(shè)施或相關(guān)排水設(shè)施不足；下游頂托、倒灌。選取18處溢流點(diǎn)中典型的4處（XY01、XY09、XY10和XY15），模擬其在30年下的管道充滿度，結(jié)果顯示，管道充滿度超過最大允許值甚至出現(xiàn)滿流情況，4處易澇點(diǎn)充滿度相似，使其無法滿足設(shè)計(jì)最高峰流量，導(dǎo)致溢流。

3.1 調(diào)整匯水區(qū)域，優(yōu)化排水線路

類似于XY01的典型易澇點(diǎn)，地勢(shì)低洼，排水管道管徑不足，又無法增大，每遇暴雨，當(dāng)?shù)貥O易發(fā)生雨水倒灌現(xiàn)象。因此，有必要提出整治方案，規(guī)劃完善周圍的雨水干管，減少此段管網(wǎng)匯水面積。同時(shí)，組織澇區(qū)排水流向，自西向東新建雨水干管（管徑1 000～1 200 mm），收集此范圍雨水。根據(jù)Mike Urban模型模擬結(jié)果，在重現(xiàn)期=30年的長歷時(shí)降雨下，管道在峰值可以順利排水，地面排水風(fēng)險(xiǎn)較低，滿足管道排水要求，如圖1所示。

圖1 XY01易澇點(diǎn)規(guī)劃后管道充滿度剖面（P=30年）

3.2 疏通下游管道，增加必要泵站

XY09易澇點(diǎn)積水深度為0.4～0.5 m，歷時(shí)1 d后才能排出，積水原因?yàn)榈貏?shì)低洼以及排水管網(wǎng)老舊、堵塞。本次規(guī)劃需要新建和完善雨水管道，外部在積水點(diǎn)東側(cè)規(guī)劃道路上新建雨水管道（管徑800 mm）。根據(jù)Mike Urban模型模擬結(jié)果，在重現(xiàn)期=30年的長歷時(shí)降雨下，管道在峰值可以順利排水，如圖2所示。

圖2 XY09易澇點(diǎn)規(guī)劃后管道充滿度剖面（P=30年）

XY10易澇點(diǎn)積水水深高于0.5 m，歷時(shí)1 d才能排完，主要原因是地勢(shì)低洼、排水管網(wǎng)老舊。該片區(qū)現(xiàn)狀雨水通過鏡湖大道北4 600 mm（寬）×2 800 mm（高）渠箱最終排入雅瑤涌，為減小鏡湖大道北排水渠匯水面積，在迎春路新建雨水管道（管徑1 650 mm），同時(shí)新建東莊雨水泵站，加強(qiáng)市政雨水排入雅瑤涌的能力。MIKE Urban模型模擬結(jié)果類比圖2，在重現(xiàn)期=30年的長歷時(shí)降雨下，現(xiàn)狀管道在峰值可以順利排水，地面積水風(fēng)險(xiǎn)較低，能夠滿足排水要求。

3.3 強(qiáng)化水域整治，防止倒灌

鄺家村現(xiàn)狀排水管渠可以正常工作，主要問題是附近支涌水倒灌。規(guī)劃鄺家西路新建雨水管道（1 350 mm）與2 500 mm（寬）×1 800 mm（高）渠箱，下游新西莊新建雨水泵站。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)狀三講排水渠進(jìn)行整治。設(shè)計(jì)雨水管渠采用DN1 000 mm雨水管（箱涵橫截面尺寸5 m×2 m），由于地形標(biāo)高條件的限制，雨水管出水口標(biāo)高為4～6 m，部分雨水管需要采用淹沒出流，雨水就近排入新街河，規(guī)劃在河北岸新建雨水泵。MIKE Urban模型模擬結(jié)果類比圖2，在重現(xiàn)期=30年的長歷時(shí)降雨下，現(xiàn)狀管道在峰值可以順利排水，地面積水風(fēng)險(xiǎn)較低，能夠滿足排水要求。

4 結(jié)論

本文借助Mike Urban構(gòu)建區(qū)域排水管網(wǎng)模型，將研究區(qū)劃分為330個(gè)匯水區(qū)，模擬出18處內(nèi)澇點(diǎn)，以Mike Urban展開30年暴雨情景下的防洪排澇模擬分析。其間通過實(shí)地調(diào)查分析典型易澇點(diǎn)積水深度、積水歷時(shí)以及積水的原因，根據(jù)Mike Urban建立水力模型并模擬分析，通過新建管道、擴(kuò)增管徑和新建泵站與渠箱，改善排水能力。在防洪排澇方面，擴(kuò)增管徑、新建泵站等都是輔助性措施，而解決城市內(nèi)澇問題還是要從源頭進(jìn)行控制。要加強(qiáng)城市規(guī)劃指導(dǎo)，改變下墊面條件，恢復(fù)城市良性水文循環(huán)，從根本上緩解城市內(nèi)澇。