基于MIKE FLOOD的济南市雨洪模拟及其应用研究

基于MIKE FLOOD的济南市雨洪模拟及其应用研究济南市是山东省省会所在地，也是山东省的重要社会经济文化中心，作为著名的泉水景观城市，济南拥有悠久的水文化。近年来，随着城市的不断扩大，人口增多，环境不断恶化，水资源日趋紧张，同时，受城市地形及降雨分布特点的影响，城市强降雨事件屡有发生，且发生的频率不断增大，破坏力不断增强。1987年，国家防汛总指挥部把济南定为全国二十五座重点防洪城市之一。在1840年至1948年的109年中，共发生有记录的洪涝灾害16次，建国后的41年里共发生洪涝灾害27次，以1942年、1960年、1963年、1964年、1987、2007年六个年，份受灾最重，防洪压力较大。

对城市雨洪灾害的预防与治理离不开对市域内雨洪水运行规律及汇聚淹没区域的研究。目前对于城市雨洪水的研究，最为科学、流行的方法是通过建模的模拟途径得以实现。通过模型模拟能够重现历史洪水灾害的行灾过程，更能够对未来可能发生的灾害进行预防，并根据模拟结果提出减灾相关策略。本研究经过对比诸多研究城市雨洪水的模型，选取了建立在对水动力学方程进行离散求解的MIKE相关模型，利用模型的一维、二维及其耦合建模对研究区内的主城区部分雨洪水进行了模拟。

并在模拟结果的基础上对区域的灾害风险进行了划分，对区域防洪减灾作了规划。本研究在第一章主要介绍了选题的背景、意义和国内外城市雨洪水的研究进展。第二章介绍了研究区的概况，包含自然地理状况和社会经济状况。在获取研究区的地形、水文、气象资料的基础上，在第三章对研究区的河网及流域划分，摸清其水文、地形特征。

文章在第四章简要介绍了研究所选用的模型。在第五章建立了一维的降雨径流模型和非连续流模型，对区域内降雨产生的径流进行模拟，并进一步模拟了河道的水文状况。在建立区域三维地形后，对区域内的二维漫流的产流过程进行了模拟，并与一维模型相耦合，较为真实的模拟了区域在较大降雨条件下，城市所面临的淹没状态。在第六章结合区域的人口、经济状况，做出了区域的雨洪灾害风险图，能够较为直观的展现出在城市中某处所处的雨洪灾害风险级别。

结合对研究区的风险划分，在第七章从建立城市水体景观的视角提出相关治理与规划策略。本研究的主要结论如下：（1）利用MIKE11RR模型，对区域内的

降雨径流状况进行了模拟，较好呈现了一维径流状况。本研究通过建立MIKE11RR 模型，利用区域内的六个雨量站的2008至2012年的逐日降雨数据，对降雨形成的径流进行了模拟。将研究区拟定为一个流域，通过对区域的流量、水位进行模拟，将模拟所得到的水文数据与区域出口处黄台水文站的实测水文资料进行比对验证，模拟结果较为合理。

因为整个流域出口处有水文站实测水文数据控制，对于整个研究区来说，建立的模型较为可靠。率定后的模型可进行流域地表水、浅层地下水资源量模拟计算，以及对区域内沿所有河道形成的洪水开展预报的有效工具。对于研究区域内较小的次级流域，因具有类似的下垫面及地形条件，虽没有实测水文资料，但可以通过本模型对研究区的模拟，进行区域的水文模拟分析和估算。（2）利用MIKE11HD模型，对区域内的河道进行了一维模拟，比较直观可靠的呈现了区域内河道的水文状况。

根据模型需要，对区域内的河道进行了概化，除去对模拟影响较小的部分河道，选择对模型模拟影响较大的河网建立了河网模型。根据所掌握的济南河道资料及历年河道整治的图件，对概化河道设置了113个断面，建立了模拟所需要时间序列文件，共完善1826个雨量数据，对相关模拟参数进行了初始设置。通过MIKE11HD模型与NAM耦合对区域水文状况的模拟，较好地呈现出2008年1月1日0时到2012年12月31日24时的区域内河道水文情况。模拟结果较好的复原了区域内这个时间段的河道的水文状况。

利用模型对未来一定降雨强度情景下的河道水文状况进行了模拟，并利用1987年和2007年两个典型高强度降雨事件对模型进行了验证，结果较为理想。（3）针对区域内硬化面不透水情况，对区域内建筑情况及道路情况进行了梳理，结合模拟区域的地形，建立了模拟区域的三维模型，对修正后的地形数据进行了属性设置。选择2007年7月18日的降雨逐时雨量数据建立时间序列文件，设置1秒为模拟的时间步长，对区域的二维漫流进行了模拟，济南市水文局暴雨灾害情况调查记录的25个积水区在模拟结果中都有体现，且积水深度基本一致。模拟结果与灾后的调查结果的一致，说明所建立的二维漫流模型可以对区域降雨形成的漫流进行有效模拟，能够较为真实地复原已经发生的暴雨洪灾，也能对区域各种降雨强度情景下可能发生的雨洪灾害及灾情进行模拟，为区域的暴雨洪涝灾

害的预报、灾情评估及救灾和灾后重建提供支持。

（4）在二维模型的模拟中，部分河道附近的实际淹没范围与单纯使用二维模拟的结果不相符合，根据二维模型的模拟结果，部分区域淹没范围或者淹没程度较小，而在现实调查淹没情况较为严重。如模拟的泉城广场北侧护城河南岸淹没结果较实际调查情况要轻，分析表明在于河道出现的漫流。通过对二维模型与一维模型进行耦合后，问题得到了解决。说明对于主要通过河道进行排洪的区域模拟研究，一维模型与二维模型的耦合是必要的，可以更为合理地真实再现区域的雨洪水情况。

（5）城市雨洪水灾情是区域洪水的淹没范围及其社会、经济等多方面因素的综合影响。通过综合考虑淹没区域的社会经济情况才能更为有效地厘清一次降雨过程后给区域带来的破坏程度，这对区域的风险识别有着重要意义。通过对不同降雨强度下区域内的雨洪灾害风险的分析和风险识别，按照风险预警的分类，将区域的雨洪灾风险划分为四级，为区域的抗灾、救灾提供了可靠依据。通过对风险图的分析发现，在降雨强度达到灾害级别后，市区中由经十路向北直至小清河的区域，风险级别具有逐渐增高的趋势，尤其以下几个区域随着降雨强度的增大，级别明显增加。

这几个区域是：二环西路与济齐路、纬六路、与京沪铁路所包围的区域；顺河高架以东，泺源大街以北，大明湖路以南，历山路以西所包围的区域；北园路以北的济泺路以东，顺河高架路以西区域；历山北路与小清河北路面状区域；全福立交桥以东的工业北路两侧；南全福区域与洪家楼区域。（6）根据城市内暴雨洪水灾害的成因，依据区域的地形变化、降雨径流情况，以及城市建设状况，提出将市域范围划分为三个区域进行治理规划。对南部山地丘陵区生态及水源涵养景观区以保护生态为主题的规划与治理。包括小流域治理、发展生态观光农业等策略。

对中部山前倾斜过度平原区域进行以保护泉群为主题的生态水体景观治理，将河道的景观化、湖区的公园化、雨水的资源化，将市区建成一个亲水的城市，恢复济南的“泉城”美誉。对北部沿黄低平平原区域提出了蓄洪人工湖泊建设的建议。通过在有限的区域内合理设置人工水体，即能达到美化和生态城市的建设目的，又能对市区的洪水进行调蓄，达到减灾和水资源科学利用的双重效果。本

研究主要的创新点如下：（1）利用区域数字高程数据，对区域内的水文进行了分析，完善了区域内的河网分布状况。

在数字高程数据的基础上，通过对区域的水文分析，能够较好对区内河网进行梳理，对已经进行了人工改造的河道进行强迫校正，以求得到真实可靠的区内河网数据。在梳理河网的同时，对分水区进行了划分，能为防洪规划和水利工程建设提供依据。（2）构建了济南市主城区的雨洪数据库。本文较为系统的构建了济南主城区的雨洪数据库，包括空间数据库和属性数据库。

空间数据库主要有通过对区域内的DEM数据进行处理得到了分辨率为10m 的地形数据。对市区内的建筑、道路进行矢量化得到了较为完整的建筑、道路图层，与地形数据时行叠加，得到了区域的较为精确的地形数据。利用GIS相关工具获取了区域内的行政区划图、气象水文站点图、河网概化图等。建立了区域的雨洪属性数据库，包括气象数据、水文数据、河道的断面数据、蒸发量数据。

率定了与区域水文有关的径流系数、地表储水层最大含水量、土壤层最大含水量、坡面流系数、库朗数、涡粘系数、曼宁系数等，为区域的雨洪灾害研究提供了基础。（3）对区域内的雨洪运行进行了建模并分析了区域的雨洪风险。从两个维度，利用三个模型对区域的雨洪模拟进行建模。利用一维与二维模型耦合对区域内的降雨洪水情况进行了模拟并进行了率定，建立了区域雨洪研究的动态模型，为区域的雨洪灾害预报、救灾提供了更为量化的支持。

将不同的降雨强度作为输入数据，模拟出了四个不同降雨强度下区域内的淹没及洪水发展情况，结合社会经济数据划分出区域的风险等级，相关防灾救灾决策提供依据。