基于MIKE FLOOD的巢湖市主城区现状排水能力与内涝风险评估

刘兴坡，夏澄非，柴耀智，王天宇，贾仁勇，王灵华

(1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306；2.上海海事大学海洋环境与生态模拟研究中心，上海 201306；3.上海市城市建设设计研究总院，上海 200125；4.巢湖市住房和城乡建设局，安徽巢湖 238001)

城市内涝是当前我国城市面临的主要水问题。2013年，国务院办公厅印发的《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发[2013] 23号)文件指出，各城市要在摸清管网现状的基础上，编制完成城市排水防涝设施建设规划，用10年左右的时间建成较为完善的城市排水防涝工程体系。2017年，住房城乡建设部办公厅与国家发展改革委办公厅联合发布的《关于做好城市排水防涝补短板建设的通知》(建办城函[2017] 43号)文件指出，各地既要为全面完善排水防涝工程体系建设做好基础，又要着重解决当前对居民生活生产影响较大的内涝积水问题。在此背景下，我国开始启动城市排水(雨水)防涝综合规划的编制工作，以构建完善的城市排水防涝工程体系[1-3]。

巢湖市地处安徽省中部，毗邻巢湖，城市内涝灾害风险大。特别是2016年7月上旬，巢湖市遭遇暴雨突袭，城区各地普遍降雨达到200 mm以上，仅7月1日的最大雨量就达到291 mm，带来了严重的经济损失。为此，巢湖市提出了编制城市排水(雨水)防涝综合规划的工作。其中，城市排水防涝系统排水能力和内涝风险评估是规划编制的前提和基础，本文对此开展探讨。

1 研究区域及数据准备

1.1 研究区域

巢湖市隶属安徽省，市区内主要河流为裕溪河水系，是长江支流。巢湖市围绕巢湖水系，经过市区流入巢湖的支流众多。其中，裕溪河西连巢湖东接长江，市区南部河段自西向东贯穿，枝杈流主要为西河、抱书河以及清溪河等，直接汇入长江的河流主要为德胜河、太阳河等。南部地区的罗倡河和柯坦河分别流经白荡湖和菜籽湖汇到长江干流，城北的滁河流经位于江苏省的六合县地区最终汇入长江[4][图1(a)]。

巢湖市区位于江淮丘陵以南，三面环山，整体地形为中间较低，南北侧地势较高。市域中部被长江、巢湖两个冲积平原贯穿，南北侧分别为山丘岗地，山体自东北向西南走向。南北部分用地有东北至西南方向的山脉断续相连，形成了沿江水网圩、沿湖碟形圩、波状平原和低山丘陵4种地貌。市区近郊山丘海拔为200～300 m，市区主要坐落在一、二级阶地上，海拔高为6～40 m(黄海高程，下同)，其中最高处卧牛山顶海拔为48 m。旧城区北部为山丘，其余西、南、东三面均是湖漫滩改造而成的圩田，平均海拔为8 m左右。

当前巢湖市的排涝设施现状如下。(1) 城区排水系统不完善，缺乏统一规划。目前，仅中心区内有一些排水管道及排涝箱涵，但这些排涝设施未经过统一规划，大多随道路建设修建而成，任意性大，且至今没有确切的布置图。(2) 排涝站标准低，装机不足且老化严重。巢湖市现有15座排涝泵站(不含漕桥农排站和贾塘圩南农排站)，总排涝流量为119.22 m3/s，总装机容量约为3 182 kW。其中丁家岗站等6座为70年代以前建成，运行年代久远，目前基本超过允许使用年限，老化损坏十分严重。另外，除城防站外，其余站原来大都是按农田排水标准设计，排涝规模仅为0.7～1.1 m3/s/km2。若按照城市雨水公式计算，同时考虑沟塘调蓄及管道坡降等因素后，这些现有的排涝站标准偏低，装机严重不足，远不能满足城区排涝要求。各泵站的具体位置分布如图1(a)所示。

根据当前巢湖市的用地布局、地形特点、水系情况，本着“高水高排、低水泵排、就近排放”的原则，将巢湖市分为14个雨水防涝系统：巢北区、小王庄区、老城区、贾塘圩区、伍贾圩区、官圩区、东安圩区、巢南区、义城圩区、半汤新区、花山工业园区、半汤温泉度假村区、民营经济园区以及放王岗区。其中，巢南区、小王庄区、半汤温泉度假村区及放王岗区均为高排区，其余分区全部或局部为低排区(图2)。

基于上述对巢湖市区地理信息和管网现状的描述，本文利用MIKE FLOOD软件，对巢湖市市区的排水管网系统进行了建模研究，包括对地下雨水管网与地表漫流模型的建模。另外，考虑到巢湖城区位于巢湖流域的中心，穿过裕溪河、双桥河、抱书河等多条河道水系，因此，对河网也进行建模。该研究区域的总面积为22.66 km2，西起湖光路，东至裕溪路，北起金山路，南至前进路[图1(b)]。

图1 区域位置：(a) 巢湖市城区除涝工程布置图；(b) 巢湖市建模区域示意图Fig.1 Area of the Study: (a) Layout of Waterlogging Control Project in Chaohu City;(b) Downtown Area of Chaohu City

图2 雨水防涝分区示意图Fig.2 Schematic Diagram of Rainwater Flood Control Zoning

1.2 排水管网和地形数据

现有的雨水管线和测绘数据、数字高程模型(DEM)信息和地形图由巢湖市住建局提供。主要包括CAD格式的排水管网竣工资料和数字高程模型。

1.3 短历时设计暴雨雨型

鉴于巢湖市目前无自编的暴雨强度公式，故本文采用气候气象类似的合肥市最新修编的暴雨强度公式[5]及K.C法(芝加哥法)生成所需降雨历时曲线[6]。计算重现期分别为1、2、3、5、10 a，降雨历时2 h，雨峰系数取值为0.4的5种不同的典型降雨情景，如图3所示。

图3 设计降雨过程Fig.3 Design Rainfall Process

1.4 长历时设计降雨雨型

为了实现巢湖市城区内涝风险等级的评估与区划，需要设计长历时降雨雨型。城市排水防涝工程的长历时设计暴雨应当选择降雨历时为24 h，步长为5 min，且利用典型年雨型分配法，生成重现期分别为20、50 a的2种不同的典型长历时降雨情景，巢湖市20年一遇和50年一遇24 h设计暴雨分配过程线如图4～图5所示。

2 排水防涝系统现状排水能力评估

2.1 现状排水能力评估

2.1.1 排水防涝计算机模型建立

一般的城市排水管网系统模拟软件仅能对管网内部的一维水流过程进行模拟，但不能模拟出发生内涝时的城市地表积水情况与过程，因而，难以进一步评价内涝对城市地表产生的影响。MIKE FLOOD软件与一般的城市排水管网系统建模软件不同，它集成了一维管网系统的模块(MIKE URBAN CS)、一维城市水系模块(MIKE 11)以及二维地表漫流的模块(MIKE 21)，能够将城市地下排水管网和地表漫流的水流过程耦合起来，从而更全面地反映城市的内涝情况，为防涝体系的构建提供技术支持。

图4 20年一遇24 h设计暴雨过程线Fig.4 Rain Type of Once 20 Years 24 h Storm

图5 50年一遇24 h设计暴雨Fig.5 Rain Type of Once 50 Years 24 h Storm

基于MIKE FLOOD模型，结合巢湖市的各种基础数据资料，实现了对巢湖市城区的模型搭建，其中主城区径流系数取0.60。径流模拟初始损失为0.6 mm，折减系数为0.90。平均不透水系数取55%。同时，必须保证研究区内各地降雨强度一致。该系统具体包括子集水区236个，检查井4 051个，排水管段3 776根，且管道总长度为114.69 km，集水区的面积为22.66 km2，如图6所示。

图6 巢湖市排水管网概化Fig.6 Generalization of Drainage Network in Chaohu City

2.1.2 模型参数的率定

在模型搭建的基础上，需要设置模型参数。主要包括渗透表面选取Horton渗透模型，径流模拟中采用时间面积曲线模型(T-A Curve)。巢湖市除老城区属城市中心区径流系数取0.60以外，其余规划区均按一般规划区考虑，径流系数取0.50，集中公共绿地的径流系数取0.30。

考虑到巢湖市没有直接的排水管网系统监测数据，本文采用内涝点的宏观校准方法对模型参数进行率定，即检验排水管网模型溢流点与巢湖市现状积涝点是否大体一致。

图7 降雨边界条件Fig.7 Rainfall Boundary Condition

本文利用巢湖市2016/7/1 12∶00至2016/7/3 12∶00共计48 h的降雨过程作为模型边界条件(图7)，将其载入巢湖市雨洪模型中，得到了城市内涝结果分布图。图8显示了整个城区积水点的深度和分布情况，其中巢湖中路和健康中路交叉口以北积水最深，最大积水深度为1.09 m。

图8 巢湖市积水深度空间分布Fig.8 Spatial Distribution of Water Depth in Chaohu City

表1 模拟结果内涝点与实际内涝点个数对比Tab.1 Comparison of Simulated Results with Actual Waterlogging Points

将模拟结果与巢湖市2016年7月1日暴雨下实际统计的城市内涝分布点对比。如表2所示，模拟得到的内涝点与巢湖市住建局提供的内涝点吻合比为83.3%。这表明基于MIKE FLOOD构建的城市雨洪模型基本可靠，能够大体反映实际积水情况。

2.1.3 模型结果分析

我国排水系统设计时雨水管道内流态按满管均匀流考虑，在重力管渠中，可将形成压力流但尚未溢出地面造成洪灾的水力状态定义为“超载”，一般当出现超载状态时，可认为管段流量超过设计能力。因此，在模拟结果中，若某段管道出现超载状态，则视为该段雨水管道的排水能力不满足相应的重现期标准。本文采用“管道平均过载倍数”指标对巢湖市现状排水能力进行评估，对于平均过载倍数(峰值)大于1的雨水和合流制管道，均视为能力不足。现状排水能力评估如下。

在1年一遇的设计降雨工况下，巢湖主城区过载管道总长为31.95 km，占27.86%，滨湖大道、健康中路、人民路、官圩路、牡丹路、湖光路、银屏路、向阳南路雨水管道负荷较重，管道过载情况严重；长江西路、东风路以及裕溪路部分路段的排水管道过载。2年一遇设计降雨工况下，过载管道长为41.42 km，占比36.06%，新增过载管道主要位于裕溪路。3年一遇设计降雨工况下，过载管道长为42.71 km，占比37.18%；5年一遇设计降雨工况下，过载管道长为44.58 km，占比38.81%；10年一遇设计降雨工况下，过载管道长为46.14 km，占比40.17%。其中健康西路湖光路段、长江西路、半汤路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路等区域属于内涝高风险区域，如图9和表2所示。

2.2 内涝风险等级评估与区划

基于MIKE FLOOD软件建立了巢湖市城区排水防涝模型。以该市现状雨水管网数据、地形数据和河道数据为基础，分别建立城市排水管道模型、地表漫流模型和河网模型，并进行耦合[7-11]。巢湖市内涝防治标准设计重现期为20年一遇，且采用50年一遇进行校核。针对50年一遇长历时降雨情景进行动态模拟，基于模拟结果，本文采用情景模拟评估法对区域进行内涝风险评估与区划[12]，如图4～图5所示。通过模拟，获得雨水径流的水位变化、积水范围和淹没时间等信息，采用积水深度与积水流速指标叠加，综合评估了城市内涝灾害的危险性；并结合巢湖市不同区域的重要性和敏感性，对城市进行了内涝风险等级划分。具体计算如式(1)[13]。

图9 雨水管道过载空间分布图Fig.9 Spatial Distribution of Rainwater Pipeline Overload

表2 现状排水管渠排水能力评估Tab.2 Existing Drainage Capacity Evaluation

HR=d×(V+0.5)+Df

(1)

其中：d——积水深度，m；

V——流速，m/s；

Df——水深危害参数，d≤0.15 m，Df=0.5；d>0.15 m，Df=1.0。

根据计算的内涝危险指数，城市内涝风险等级划分如下：

①当HR<0.75时，为内涝低风险区；

②当0.75≤HR<1.25时，为内涝中风险；

③当HR≥1.25时，为内涝高风险区。

老城区内涝风险评估的结果包括：内涝中风险区为0.13 km2，占比2.6%，位于团结路(卧牛路至巢湖路段)，巢湖路(健康中路至人民路段)，东风路与卧牛路交叉口；内涝高风险区为0.01 km2，占比0.2%，位于团结路卧牛路交叉口。其余路面均属于低风险区，如表3所示。

表3 老城区中、高风险区域HR指数Tab.3 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Old Urban Area

对于主城区内涝风险区划，其中，健康西路靠近湖光路段、长江西路、半汤路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等区域均属于内涝高风险区域，如表4和图10所示。

表4 主城区中、高风险区域HR指数Tab.4 HR Index of Middle and High Risk Areas in the Main Urban Area

图10 城区内涝风险区划图Fig.10 Risk Zoning Map of Urban Waterlogging

3 结论

为了构建巢湖市完善的城市排水防涝工程体系，编制《巢湖市城市排水(雨水)防涝综合规划(2015—2030)》。本文基于MIKE FLOOD软件，构建了巢湖市排水系统模型，且设计了不同重现期的降雨情景。该模型实现了对巢湖市主城区现状排水能力与内涝风险的评估，主要结论如下。

(1)利用MIKE FLOOD和情景模拟评估方法可为城市排水(雨水)防涝综合规划编制提供技术支撑。

(2)当前巢湖市主城区约61.13%的管网的现状排水能力能够满足5年一遇的排涝设计要求，但仍有27.86%的管网的现状排水能力未能够达到1年一遇的排涝设计要求(2015年)。

(3)《巢湖市城市排水(雨水)防涝综合规划(2015-2030)》能够满足50年一遇设计暴雨的排水防涝要求。

(4)通过对50年一遇的长历时(24 h)降雨情景进行动态分析，结果表明，健康西路靠近湖光路段、长江西路、半汤路靠近太湖山路段、旗山路靠近安成路段等区域属于内涝高风险区域。