基于Mike耦合模型的城市内涝模拟研究

基于Mike耦合模型的城市内涝模拟研究

顾佳丽

上海宏波工程咨询管理有限公司

摘要：针对城市发展过程中的内涝问题，本文以上海市浦东新区金桥汽车产业基地为例，通过GIS处理获取研究区不同下垫面分类信息，结合高程点位获得了研究区5m*5m的高精度数字高程图。随后分别采用Mike Urban和Mike 21构建研究区地块的一维管道和二维地表模型，并在此基础上构建Mike Flood耦合模型，模拟分析不同降雨情景下汽车产业基地的淹没历时、淹没范围和淹没深度，并综合分析基地的内涝成因。结果表明，研究区管网不达标、部分区域下垫面结构不合理等问题，会导致暴雨不能及时排出而形成内涝。

关键词：Mike模型；积水模拟；城市内涝；淹没水深

中图分类号：Tu99       文献标志码：A

1、引言

随着城市建设进程的加速、极端天气事件的频发，内涝灾害的发生愈加频繁，造成了严重的经济财产损失与安全隐患，尤其是下垫面不透水率不断增加的中心城市，更应关注城市内涝带来的风险。针对日益突出的城市内涝问题，众多国内外学者在内涝过程模拟与风险评估分析方面展开了大量研究。杨静等基于Mike Flood构建管网和地表的耦合模型，模拟了50年一遇暴雨条件下深圳某居住小区的内涝积水；张旭等通过建立城市洪水的Mike Flood耦合模型，对比了不同情景下城市绿化对地面积水和内涝风险的削减效果；叶沛成等结合GIS和Mike Flood耦合模型，模拟了不同降雨情景下校园内涝情况并综合分析内涝成因；卢钰以江西省贵溪市城西工业园区为研究对象，通过构建Mike Urban模型实现对研究区域现状管网排水能力的综合评估。

基于以上研究成果，本文以上海市浦东新区金桥汽车产业基地为例，通过大量实地勘测，分别采用Mike Urban和Mike 21构建研究区地块的一维管道和二维地表模型，并在此基础上构建Mike Flood耦合模型，模拟分析不同降雨情景下汽车产业基地的淹没历时、淹没范围和淹没深度，并综合分析基地的内涝成因，为后续采取工程措施缓解内涝提供了科学支撑和理论依据。

2、研究区概况

研究区位于上海市浦东新区金桥镇，基地总面积约为1.86km2。研究区排水系统管道设计为雨污分流，雨水排放口有1个，排入基地西北角雨水泵站。区域地势走向总体较为平坦，基地中部存在地势较低点，暴雨情况下易发生严重内涝。

3、数据处理

3.1管网数据提取

整合处理前期收集到的雨水排水管网的相关资料，提取雨水排水管网设计图中的检查井和管线数据并导入到ArcGIS中，对数据进行异常值核验与合理性判断。通过实地走线与勘察，对管线走向和排放口位置等基本信息进行复核修正。基于修正后的成果，统计出研究区实际检查井总数为115个，雨水管线114条，排水口1处，雨水管线总长为6.3km。

3.2下垫面分类

根据研究区域的高清卫星图、现状及规划道路CAD、现状及规划建筑CAD、现状及规划河道CAD等资料，提取区域内道路、建筑、河流等信息，并在GIS中生成面文件，获得下垫面的四种分类结果：建筑、道路、河流、裸地。

3.3高程数据测量与高精度DEM构建

为解析研究区的高程数据信息，将地形CAD图中标注的高程点提取至GIS软件中，剔除异常点后共获得高程点位385个。针对地形图中高程大片缺失区域，使用RTK设备对高程点位进行补测和修正，并对边界进行手动插值，最终得到整个研究区的431个高程点位。在GIS中将高程点位转化为像元大小为5m*5m的高精度数字高程图。

3.4降雨情景设计

本文选取芝加哥雨型作为设计雨型，芝加哥雨型是单峰雨型，能很好地模拟短历时强降雨过程，也能凸显峰值流量对管网的冲击。基于上海市暴雨强度计算公式生成模拟降雨，降雨强度计算公式为：

式中：

为设计降雨强度，单位为升每秒公顷；

为设计重现期，单位为年（a）；为降雨历时，单位为分（min）。

分别设置5、10、30、50、100年一遇暴雨，降雨历时为180min，雨锋系数为0.405的五种降雨工况，最大峰值雨强分别为57、66、80、87、96mm/h。

4、模型构建与验证

4.1 Mike Urban模型构建

Mike Urban模型，即一维城市排水管网模型，可分为降雨径流模块（RR）和雨水管渠模块（CS）。

降雨径流的结果可以以旁侧入流的方式汇入到水动力模型的河网中。基本方程如下所示：

式中：--流域表面蓄水量；--考虑时间延迟的直接径流；

--时间延迟；P--常数；--径流系数；

--流域平均降雨量；A--流域面积。

排水管流模块假定管网的水流为均质且不可压缩流体，并认定水流不同时进行二维流动，以质、能守恒方程为前提，其核心控制方程均为Saint-Venant方程组，故一维管网模型计算方程为与一维河道模型一致，均采用Abbott-Ionescu六点隐式格式有限差分数值求解。

将GIS数据库中处理好的检查井、排水管线与集水区信息导入Mike Urban中，建立研究区的一维管网模型。选用被广泛使用的T-A模型作为汇流模型，以满足模型计算时间和计算精度要求。对于不同的下垫面设置不同的不透水比例，将不同重现期降雨事件作为边界输入条件，模拟时间步长为1s，模拟得到汇水区的总降雨量与径流过程曲线。

4.2 Mike 21模型构建

Mike 21模型，即二维地表漫流模型，其核心模块为水动力学模块（HD），模型计算原理依据的是二维浅水方程，即二维圣维南方程组。通过水流的连续性方程以及X、Y方向上的动量方程描述水流运动，如下所示：

水流连续方程：

水流运动方程：

式中：--时间；--直角坐标系坐标；

--水位；--静止水深；--动态水深；

--方向上的垂线平均速度；

--柯氏力参数（为地球旋转角速度，为纬度）；

--重力加速度；--水体密度；--水体参照密度；

--辐射应力分量；--剪切应力分量；

--点源的流量；--水质点速度在方向上的分量；

--侧向压力，表达式为：

。

Mike 21模型可评估地形因素对内涝的影响。利用校核后的研究区高程点位构建Bathmetry地形文件，将建筑进行拔高设置以体现现实中实体建筑对水流汇集的阻碍作用，将绿地与道路进行适当高程降低处理以模拟实际绿地与道路对雨水的蓄积与输送作用。

4.3 Mike Flood耦合模型构建

在Mike Flood中共有6种连接方式：标准连接、侧向连接、结构物连接、人孔连接、零流动连接以及河道排水管网连接，标准连接、侧向连接、零流动连接、结构物连接用于2D Overland和River network之间的耦合，人孔连接用于Mike Urban和2D Overland之间耦合，河道排水管网连接用于River network与Mike Urban之间的耦合。本研究选用人孔连接来描述城市地面自由水流与雨水管渠之间的相互影响，完成模型耦合过程中的数据交互。

5 结果与分析

通过Mike Flood耦合模型模拟二维地表的淹没范围、淹没深度及淹没历时，以综合分析基地的内涝成因。

5.1 积水深度分析

通过模拟得到五种降雨情景下最大积水点积水曲线，分析曲线可知随着暴雨重现期的增加，五种情景下基地最大积水点的淹没水深分别达到0.91m、0.96m、1.10m、1.12m和1.15m，增长比分别为5.5%、14.6%、1.8%和2.7%，积水深度在30年重现期时有大幅增加。此外，积水曲线的峰值均出现在1h30min左右，积水深度先呈现急速增长的态势，到达峰值以后，缓慢下降，并逐渐趋于平稳。

5.2 积水面积分析

根据五种降雨情景下最大水深及降雨结束水深空间分布，通过对dsf2结果文件提取栅格计算出各个降雨时段的淹没面积，可获得五种降雨情景下不同降雨时段的淹没面积数值。可知随着暴雨重现期的增加，五种降雨情景下最大水深的淹没面积分别为0.38km2、0.47km2、0.64km2、0.71km2和0.79km2，增长比分别为23.7%、36.2%、10.9%和11.3%，淹没面积在30年重现期时有大幅增加；同时五种降雨情景下降雨结束时的淹没面积分别为0.66km2、0.76km2、0.87km2、0.94km2和1.02km2，增长比分别为15.2%、14.5%、8.0%和8.5%。

5.3 积水时长分析

通过对不同降雨情景下的积水时长分析，发现随着暴雨重现期的增加，出现积水的时间逐渐提前，积水时长也不断增加，五种降雨情景下的积水历时分别为125min、131min、141min、146min和152min，增长比分别为4.8%、7.6%、3.5%和4.1%。

6 结论

（1）利用GIS对基地管网、道路、建筑、地形等基础资料进行数据处理，结合实地勘察成果生成高精度的数字地形图。通过将GIS数据导入Mike软件中，构建了基于Mike Flood的基地耦合内涝模型。

（2）通过分析不同降雨情景下数值模拟结果，得出不同降雨时段的淹没水深、淹没范围及淹没历时。通过模拟结果分析可知，研究区管网不达标、部分区域下垫面结构不合理等问题，会导致暴雨不能及时排出而形成内涝。

参考文献：

[1]杨静,洪德松,张斌.基于高精度MIKE模型的居住小区雨水系统评价及内涝积水分析[J].水利与建筑工程学报,2019,17(03):236-241.

[2]张旭,李占斌,张洋等.基于MIKE耦合模型的绿化率对城市内涝影响研究[J].水资源与水工程学报,2021,32(03):137-144.

[3]叶沛成,郭帅,陈传辉等.基于GIS-Mike Flood耦合模型的校园内涝模拟研究[J].水电能源科学,2023,41(08):85-89.DOI:10.20040/j.cnki.1000-7709.2023.20222046.

[4]卢钰.基于MIKE URBAN模型的排水管网水力评估以及优化方案效果研究[D].南昌大学,2023.DOI:10.27232/d.cnki.gnchu.2023.003027.