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user: 3. 模型构建 城市排涝模型将一维模型MIKE URBAN、MIKE 11和二维模型MIKE 21整合，是一个动态耦合的模型系统，模型可以同时模拟排水管网、明渠，排水河道、各种水工构筑物以及二维坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等方面的模拟研究。其中MIKE URBAN是排水管网系统模块，用于雨水径流模拟和管网模拟；MIKE 11是水动力模块，用于防洪、水资源保护及水利工程规划；MIKE21是地表漫流模块，通过生成地形文件模拟地面雨水的流动情况。 图1. 芜湖市城区排涝分区划分示意图 3.1. 边界条件 1) 降雨数据 模型中的降雨边界条件主要为长历时24小时设计降雨数据。依据规范采用30年一遇24小时的设计降雨，30年24小时总降雨276 mm，长历时降雨雨量过程线见下图2。 图2. 长历时设计降雨雨型 2) 下垫面数据 根据现状土地利用类型对收集到的数据进行下垫面的数据处理，分为建设、草地、水域、林地、耕地和未建设用地，各片区的排水分区内各下垫面的面积统计见表1。 Table 1 Area statistics of different surface types (km2 地表类型 城北片 城南片 三山片 建筑 116.49 25.52 16.23 道路 1.1 0.27 0.26 绿地 11.06 0.8 0.81 水系 7.24 0.08 0.76 裸土 108.28 7.24 22.24 其他 1.58 0.31 0.17 合计 245.75 34.22 40.47 表1. 不同地表类型面积统计(km 2 ) 3) 城市水文模型构建 1、汇水范围划分 根据圩区和排口的信息首先划分子汇水范围如图3所示，且由于模型中研究区域大部分为已建区且面积较小，在模型中利用泰森多边形法自动为管道中每个节点分配子集水区。设置集水区水文模型参数，设置降雨水位边界条件后，即建立该区域管网水文模型。 2、不透水系数 参照《室外排水设计规范》，对不同用地性质取相应径流系数。此外，考虑长历时降雨对产流的影响，30年长历时24 h降雨条件下，综合径流系数取0.9。 图3. 三个片区的子汇水分区 3、水力学参数 地表平均流速取定默认值为0.3 m/s，初始损失为0，沿程损失系数为1。时间/面积曲线要考虑汇水区的形状，选择相应的时间/面积曲线。 3.2. 管网模型构建 管网水动力模型用于模拟城市集水区和排水系统的地表径流、管流、水质和泥沙传输。本文采用MIKE URBAN CS管流模块模拟芜湖城区范围内整个管网系统中的水动力情况。 目前收集到的资料主要来源于研究区域内2015年的普查CAD数据，经过排查分析，此次模型的基础数据可靠，可以用于雨洪模型的建立。 该研究区域的排水管网除了城北区6.7 km 2 的老城区采用合流制，城北区其他区域、城南片区和三山片区现状均采用雨污分流的排水体制，雨天降雨径流通过雨水管网系统进入城市内河(渠)及景观水系。城北区的6.7 km 2 老城区管网末端通过5座泵站直接外排至青弋江和长江。MIKE URBAN水文模型计算所得到的径流量作为流量边界条件用以计算管流模型。 在MIKE URBAN搭建的排水管网模型中，城北片区共有管线5002条，节点5723个，圆管管径DN300~2000，方管尺寸300G300~10700G2500，管线总长561.30 km；城南片区共有管线6360条，节点6623个，圆管管径DN300~2000，方管尺寸400G400~4000G2000，管线总长203.78 km；三山片区共有管线2835条，节点2972个，圆管管径DN300~2000，方管尺寸500G900~1800G1600，管线总长79.23 km。三个片区的排水系统如图4~6。 图4. 城北区城市管网现状水动力模型 图5. 城南区城市管网现状水动力模型 图6. 三山区城市管网现状水动力模型 3.3. 河网水动力模型构建 河网水动力模拟的基本目的是提供河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息，并可以模拟水库调度、闸坝调度、桥涵等对河道水文条件的影响。本文采用MIKE 11 HD和SO模型用于模拟研究区域复杂河网、模拟闸门、水泵等各类水工建筑物的运营调度。 芜湖市中心城区的主要建成区的一维河道水文水动力模型也分为城北片区、城南片区、三山片区分别进行模拟和计算。每个片区的河道分为外河(长江、青弋江等)及圩区内河道，圩内河道通过泵站与外江相连。研究区域内所有的外河被概化为一整套框架模型，并被搭建到各片区的水动力模型中，为各片区的水动力模型提供边界。 1) 河网概化 城北片区共概化河道156条，城南片区共概化河道112条，三山片区共概化河道115条。 2) 断面及水面率概化 现状工况河道断面采用实测断面。湖泊采用了大断面和额外库容的方法进行概化，水库采用了大断面在模型中进行了概化。 3) 圩区内泵站设置 城北片共有闸门8座，泵站25座，排涝能力共计490 m 3 /s。城南片共有泵站31座，排涝能力共计223.9 m 3 /s。三山片共有闸门4座，泵站39座，排涝能力共计225 m 3 /s。 3.4. 城市排涝模型构建 1) 模型构建 本文研究区域的耦合模型是将一维管网模型、河道模型以及二维地表漫流模型进行耦合模拟计算。具体分为：城区管网模型与二维地表模型耦合；城区管网模型与河道模型耦合；河道模型与二维地表模型耦合。如图7~9所示。 图7. 城北片耦合模型示意图 2) 模型率定及验证 耦合模型模拟30年一遇24 h降雨条件下的积水情况，并结合实际积水点资料进行模型的定性校验。将模拟得到的内涝积水结果与实测的渍水点分布进行比对，各片区的主要积水点基本与易涝点相吻和，反应出芜湖市城市内涝基本情况。 3) 模型成果 图8. 城南片耦合模型示意图 图9. 三山片耦合模型示意图 根据芜湖市的排涝规划分区和中心城区内涝防治标准，按照积水深度和积水时间将内涝风险分为三个等级，如表2所示： Table 2 Waterlogging risk leve 内涝风险等级 积水深度h(cm) 积水时间t(h) 低风险区 15 < h ≤ 30 >1.0 中风险区 30 < h ≤ 50 >1.0 高风险区 H > 50 >1.0 表2. 内涝风险等级 通过模拟30年一遇24 h降雨条件下的积水情况，发现各片区模型积水范围较大。根据模型可以定量得到芜湖市中心城区内涝风险分布情况如表3所示。由于芜湖市城北片属于老城区，大部分管网标准不满足3年一遇，对应的各等级风险区面积最大。通过分析各片区不同等级的内涝面积跟相应片区建成区的面积的比值，可以发现城南片对应的高风险区比例最大，通过模型结果和实际地图对比发现，城南片的大片积水区域均处于道路两边的施工地或建筑附近的大片空地，市政管线雨峰期间溢流，溢流雨水根据地形流入地势低洼处且不易退去。 通过模型分析得到城区内涝风险分布情况，可以为后续的城区内涝防治工程实施和管理提供依据。各片区内涝风险点见下图10~12。 图10. 城北片内涝风险分布情况 图11. 城南片内涝风险分布情况 图12. 三山片内涝风险分布情况 Table 3 Waterlogging risk distribution in Wuhu urban area (km2 片区 低风险区 中风险区 高风险区 城北 面积 10.3 5.4 3.4 比例 4.19% 2.20% 1.38% 城南 面积 1.35 0.78 0.53 比例 3.95% 2.28% 1.55% 三山 面积 3 1.26 0.6 比例 7.41% 3.11% 1.48% 合计 面积 14.65 7.44 4.53 比例 4.57% 2.32% 1.41% 表3. 芜湖市中心城区内涝风险分布情况(km 2 )