基于MIKEFLOOD模型的城市洪涝灾害场景推演研究

来源:用户上传      作者:查斌 刘成帅 杨帆 姚依晨 马炳焱 胡彩虹

　　关键词：城市雨洪；MIKEFLOOD;-维一二维模型耦合；淹没；洛阳市
　　自然灾害给人类社会带来严重的生命威胁和巨大的经济损失，洪涝灾害是全球发生次数最多、影响国民经济发展的自然灾害。随着城市化进程加快、人口密度和经济产值提高，城市洪涝灾害逐渐成为关注和研究的岬恪Ｔ诔鞘薪ㄉ韫程中，城市主城区及周边的自然及生态系统均发生了改变，致使水文过程更加复杂。作为评估及预防城市暴雨灾害的重要方法，数值模型可以为防洪排涝提供重要的技术支撑。
　　城市洪涝场景推演是城市防洪排涝工作的基础。自1986年MIKE系列模型建立，因其推演功能强大而得到了广泛的应用。栾震宇等耦合MIKEURBAN和MIKE21模型构建了湖南省新化县的城市内涝数值模型，科学评估了新化县的排水能力：李品良等应用MIKEURBAN对成都市老城区的排水管网在不同降雨强度下承压运行情况及管点溢流情况进行模拟，并通过设置小型调蓄池和扩增管径两种途径改善城市内涝状况：任梅芳等基于MIKEURBAN和MIKE21模型对济南市历下区立交桥区域进行暴雨内涝积水模拟：黄琳煜等基于MIKEFLOOD平台搭建了暴雨洪涝模型，对上海市浦东新区现状雨水管网的排水能力进行了评估。以上研究表明，MIKEURBAN、MIKE21耦合MIKEFLOOD可以模拟考虑城市管网排水条件下的内涝情况，然而城市洪涝往往是城市排水管网内涝与河网洪水综合作用的结果，因此如何构建城市区域内既考虑城市内河的排水作用又考虑管网排水漫溢的模型就显得非常重要。
　　洛阳市建成区面积不断增大，经济发展迅速，但随之而来的“城市看海”现象也日益增多。本研究以洛阳市中心城区为研究区，以MIKEFLOOD为平台，基于MIKE11、MIKEURBAN和MIKE21构建一维河道、一维管网和二维地表的城市洪涝模拟模型，在不同降雨历时和不同重现期下进行场景推演，分析洛阳市不同降雨条件下的淹没情况，为洛阳市城市防灾减灾提供科学支撑。
　　1研究区概况和研究方法
　　1.1研究区概况和资料获取
　　洛阳市位于河南省西部，其中心城区位于北纬34°29 706＂-34°45＇47＂，东经112°15＇44＂-112°41＇57＂，是一个高度城市化的地区，其不透水区域覆盖率达到72%，同时，区域内有伊河、洛河两条大河干流穿城而过。该区域年平均气温为14.6℃，年平均降水量为600.2mm，其中6-9月降雨量占全年的63.3%。
　　本次研究收集整理了洛阳市中心城区管网、土地利用、河道断面、地形数据以及水文数据。其中，管网数据包括3610条管道，概化4792个雨水井、161个排水口、1006个子汇水区：土地利用数据采用谷歌地图高清影像目视解译结果，分为水体、农田、绿地、居住用地、道路广场、公共设施和工业用地7类；河道断面数据包括伊河、洛河、渡河、涧河及甘水河共195个断面（见表1）；地形数据选用地理空间数据云90 mX90 m的DEM数据。
　　水文数据是模型的输入数据，收集整理了12个雨量站及白马寺和龙门水文站的雨量和流量过程数据，雨量站分布及所划分的泰森多边形见图1，图2为12个雨量站的两场典型降雨过程。
　　1.2研究方法
　　1.2.1设计降雨
　　采用机械工业部第四设计研究院编制的洛阳市暴雨强度公式计算设计降雨，洛阳市暴雨强度公式为
　　本研究取60、120、360、720min4个降雨历时，对应的降雨重现期分别取1、2、5、10、20、50、100a．共28场设计降雨；雨峰系数为0.4。各场设计暴雨过程如图3所示。
　　1.2.2模拟方法
　　MIKEFLOOD由DHIWater&Environment&Health独立开发，它将一维模型MIKE URBAN或MIKE11和二维模型MIKE21整合，是一个动态耦合的模型系统，可以同时模拟排水管网、明渠，排水河道、各种水工建筑物以及二维坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等的模拟研究。
　　本文采用MIKE FLOOD耦合MIKE 11河道模型、MIKEURBAN管网模型、MIKE21地表模型构建研究区的暴雨洪涝模型。MIKE11模拟一维河道洪水演进．MIKEURBAN模拟一维排水管网水流演进，MIKE21模拟二维地表漫流淹没，MIKE11和MIKE21采用侧向连接，MIKE URBAN和MIKE21采用雨水井连接，MIKE11和MIKEURBAN采用排水口连接，模型耦合方法见图4。
　　MIKE11模型模块：MIKE11模型是丹麦DHI公司研发的MIKEFLOOD洪水模拟组件的重要板块。根据城市水系、水文资料，MIKE11可构建一维河网模型，用于城市河道水量模拟，具有节约人力、计算准确和结果可视化的优点，计算原理是一维水动力学，包括连续方程和运动方程，采用有限差分法进行离散，差分格式为6点中心Abbott-Ionescu格式，离散方程求解采用追赶法。
　　MIKEURBAN模型：主要用于模拟城市排水管网系统，分为降雨径流模拟和管网模拟两部分，其中降雨径流模拟的结果是管网模拟的边界条件，模型计算原理主要是一维水流连续方程和水流动力方程，模型采用六点隐式差分法求解计算。
　　MIKE21Flow Model水动力模型：是一个基于结构化地表网格的模拟系统，模型采用二维浅水方程，采用ADI逐行法对二维模型的连续和动量方程分别进行时空上的积分，离散方程求解用追赶法。
　　1.2.3评价指标
　　对应20190804、20190806两场实测降雨，通过网络数据爬取和实地调研得到积水深，以此对模型进行校准验证，并选用绝对误差（AE）、相对误差（RE）、复相关系数（R2）、合格率（PR）和纳什系数（NSE）4个指标进行模型评价。其中，NSE取值范围（－，1]，NSE越接近1．模拟效果越好。

nlc202301041415

　　2模犁校视胙橹
　　耦合后的模型有不透水率、河段糙率和地表糙率3个参数，根据洛阳市区的实际情况，具体取值见表2。
　　采用调研积水深、实测河道流量对耦合模型进行综合校准验证。MIKE模型是分布式物理水文模型，模型参数具有物理意义，参数校准只需要调整时间步长保证模型迭代计算不发散即可，这也是MIKE模型的优势所在。经过校准，时间计算步长设置为2s。
　　根据《洪水风险图编制技术细则（试行）》要求，城区70%的暴雨积水点最高水位的误差控制在20cm以下视为合格。耦合模型积水点校准验证结果见表3。
　　经过计算，20190804场次水深模拟平均绝对误差为14cm，相对误差为21 .2%，经过模拟一实测水深线性相关分析，复相关系数R2为0.7867（见图5（a））；20190806场次水深模拟平均绝对误差为7cm，相对误差为16.0%，R2为0.9439（见图5（b））。
　　模拟和实测流量过程对比见图6。20190804场次白马寺站、龙门站流量模拟校准期NSE分别为0.79、0.94，20190806场次白马寺站、龙门站流量模拟验证期NSE分别为0.96、0.91，可见模型模拟与实测过程比较吻合，所构建模型具有较高的模拟能力。
　　3城市洪涝场景推演
　　根据28场设计降雨，对洛阳市中心城区进行雨洪淹没模拟。结果表明，研究区河流均未发生漫溢，淹没主要为暴雨内涝，淹没分布状况见图7。
　　根据计算结果，4种降雨历时条件下的淹没面积分别为14.532 3～23.968 8km2、16.7886～26.1909km2、24.1164～35.7858km2和4.7797～36.8217km2.这说明降雨历时和降雨量越大，淹没面积越大。结合淹没空间分布和重现期条件，重现期大于20a日寸，淹没面积明显增大。因此，当重现期大于20a时，要提前做好城市防洪措施，可以适当提高防洪减灾级别。
　　降雨历时60、120、360、720 min的淹没水量分别在1804911.66～24064675.2m3、2091859. 56～31751228.07m3、3943031.4～44463856.5m3和3875545.08～54559375.68m3范围内，可根据不同情景的淹没水量合理安排不同的排涝设备和人员。随着降雨历时的增加，各场次降雨均有不同程度的淹没发生，在重现期为1～2a时，城市淹没也有发生，说明现有城市排水能力严重不足，这也是造成城市积水的直接原因之一，合理规划排水系统是城市建设必不可少的环节。
　　在所设计的降雨情景中，虽然都有淹没发生，但是淹没程度和空间分布差异明显。即使相同重现期条件下，降雨历时不同，淹没程度也不尽相同，通常来说，“短历时强降雨造成城市淹没”是不可否认的事实，但从计算结果来看，4种降雨历时条件下的平均淹没水深分别在0. 124 2～1.0040m．0.1246～1.2123m、0.1635～1.2425m和0.1564～1.4817m范围内。降雨历时在120min以内时，1、2、5、10a一遇降雨的淹没水深为0.1m左右，对行人车辆影响不大；20、50、100a一遇降雨的淹没水深大于0.2m，可淹没至道路沿石，严重影响人车通行。降雨历时大于360min时，不同重现期条件下均有大于0.2m的淹没发生。降雨历时越长，淹没状况越严重，这与设计降雨雨型有关。降雨历时越长，降雨量越集中于雨峰位置，这就造成了降雨历时越长，雨峰雨量越集中，淹没也越严重。因此，要做好极端降雨条件下的防洪减灾准备工作。
　　淹没水量、淹没水深以及淹没面积和重现期的关系表明（见图8），淹没水量和淹没水深与重现期为正相关线性关系，重现期越大，淹没水量和淹没水深越大：重现期小于10a时，淹没面积随着重现期增大明显增大；重现期大于10a时，淹没面积增长趋于平缓，这可能与地形因素有关，针对地形低洼地区，可以适当建设一些防洪排涝工程措施。
　　针对洛阳市中心城区构建的MIKEFLOOD耦合模型经过积水点、河道流量双重校准检验，具有良好的可靠性和模拟精度，表明耦合模型具有较强的洪水推演能力。
　　4结论
　　（1）综合考虑城市复杂下垫面条件，构建基于MIKEFLOOD平台的一维河道一一维管网一二维地表的耦合城市洪涝仿真模型，利用两场实测降雨洪水资料对模型进行了参数校准和验证，结果表明MIKEFLOOD模型在城市雨洪淹没模拟中具有较好的精度和可靠性。
　　（2）相同降雨历时条件下，设计暴雨重现期小于20a时，暴雨所产生的淹没范围较小，多集中在中心城区；设计暴雨重现期大于20a时，暴雨所产生的淹没范围较大，淹没范围扩展到郊区。因此，当重现期大于20a时，要提前做好城市防洪措施。
　　（3）两场洪水中洛阳市中心城区无河道漫溢情况发生，淹没主要由暴雨内涝引起，在重现期为1～2a时，城市淹没也有发生，表明现有城市排水能力严重不足。
　　本研究成功构建了一维河道一一维管网一二维地表的耦合城市洪涝仿真模型，研究成果对城市防洪救灾和海绵城市建设工作具有指导意义，但是仍然存在不足，譬如没有考虑城市中的地下空间，由于地下管网资料不齐全，因此仅能采用概化方式处理，城市洪水对暴雨的响应机理和灾后损失评估也有待进一步研究。

nlc202301041415

转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15443683.htm