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MIKE FLOOD城市内涝模型介绍


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1 MIKE FLOOD 软件包介绍
MIKE FLOOD 由 DHI Water & Environment & Health 独立开发,它将一维模型 MIKE URBAN 或 MIKE 11 和二维模型 MIKE 21 整合,是一个动态耦合的模型系统,可进行流域洪水、城市洪水

等的模拟研究。 耦合技术可以有效发挥一维和二维模型各自具备的优势,取长补短,避免在单独使用 MIKE 11、MIKE URBAN(MOUSE)或 MIKE 21 时所遇到的模型分辨率和模型准确率的限制问题。

MIKE FLOOD 主要具有以下特色和优势:
1.1.1 集成的工作环境
MIKE FLOOD 集成的工作环境,使用户可以灵活的选择 MIKE11(河道)、MIKE URBAN (管网)、MIKE 21(二维地面漫流)三个模型进行任意的耦合,同时集成式的工作环境使得协 同工作更加容易,用户可以分别进行管网、河道和二维模型的建立,最终在平台进行耦合,极大 的提高了工作效率并省去了模型合并带来的工作量。

MIKE FLOOD 用户操作界面

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1.1.2 具有友好的用户界面和前后处理工具
MIKE FLOOD 给用户提供了通用的数据文件编辑器 Data Manager、图象及动画处理工具 Plot Composer、网格生成器 Mesh Generator 和数据预览工具 Result Viewer 等一系列实用的前后处理工 具,可在集成的工作环境下进行二维计算网格的生成、水下二维地形的处理、河口潮波及径流水 文数据的分析、计算参数的输入等前期数据的处理输入及后期模拟结果的显示。 其中建立 MIKE FLOOD 模型涉及到的前处理工具有: ? ? ? ? ? ? ? ? Time series :建立点的时间序列作为边界条件 Profile series:建立线的时间序列作为边界条件 Grid series:二维地形编辑器和平面网格模型输入条件 Bathymetries:根据散点坐标建立二维矩形网格地形文件 Mesh Generator:二维地形编辑器和平面网格模型输入条件(FM 网格)

MIKE FLOOD 模型涉及到的后处理工具主要有: Plot composer:绘制水深变化和流场图和二维动态演示 Result viewer:绘制水深变化和流场图和二维动态演示 Data Extraction FM:提取验证点或者断面计算结果

1.1.3 支持水工建筑物
MIKE FLOOD 支持各种水工构筑物,包括:堰、闸门、桥墩、涵洞、涡轮机等。可以根据不 同需求用一维或者二维模型模拟水工构筑物。

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涵 洞 闸 门 桥 墩

涡 轮 机

1.1.4 多种结果后处理工具及丰富的结果表现形式
MIKE FLOOD 模拟结果包括管网、河道以及二维地面漫滩文件。MIKE 软件产品提供多种结 果处理工具,可以根据客户需求生成各式结果展现方式以方便客户展示模拟效果、分析模型结果:
? 城市内涝风险图

内涝风险图结果展示不同降雨下管网、河道水位变化、地面积水范围和淹没时间等信息。模 拟结 果可 以生 成最 大淹 没 图 , 帮助 规划 人员 评估 3

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各个区域的内涝风险级别。
? 城市排水管网现状能力评估图

分析模型对不同降雨重现期下的管网的模拟结果,利用分析统计工具可以得到排水管网现状 能力评估图,如下图中不同颜色表示不同重现期的管网,同时可以统计出各类管网的长度、管径、 管材等信息。

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分析排水分区

MIKE URBAN 中提供排水分区划分工具,可以根据管道、人孔以及 DEM 自动划分管网分区。 同时可以借助二维坡面流模拟结果分析,对大区域或自然流域(郊区、农田、绿化区域)进行排 水分析的划分。下图为根据二维坡面流模拟结果分析的水流流向图,根据该图可以合理的划分排 水分区。

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Google Earth 中显示计算结果

Flood maps in Google Earth 是一款连接 MIKE FLOOD 和 Google Earth 浏览器的可视化插件, 主要用来显示 MIKE 11、MIKE 21 或 MIKE FLOOD 的 dfs2 格式结果文件。

1.1.5 并行计算
MIKE FLOOD 的并行计算技术使用共享内存的 OpenMP 协议,可以最大程度的地发挥多 CPU 或多内核 CPU 的优势。
# CPU 个数 *) 计算速度倍数**) 1 ~1.3 2 ~3 4 ~5 8 ~8

1.1.6 专业的技术支持
DHI 在上海设有全资子公司,拥有 100 多名专业工程师,负责中国区域内的技术支持和咨询 服务。

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2 DHI 城市排水解决方案
DHI 排水模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流/渗流、合流制管网的溢流、排 水泵站优化管理、受水影响、在线模型、管流监控等方面。 DHI 的城市排水模型和咨询服务可以为用户提供系统性的解决方案,可以对水量,水质和综 合水体系进行分析。DHI 的城市水模型是建立在科学框架的基础之上,可以用于协调管理和规划。 其模型可以在进行高昂费用工程投资之前进行必要的各种预案的模拟分析。DHI 的城市水模型也 可以帮助人们了解系统的复杂性,对决策提供建议和支持。

2.1 规划篇
市政排水管网是城市市政建设的重要组成部分,城市排水规划对排水管网的投资和维护有直 接的影响。总体规划着眼于排水管网的主要问题,为将来提供动态的综合规划。 DHI 提供的基于 GIS 基础之上的数学模型和 CAD 接口为总体规划之间架起了一座桥梁,在排 水管网总体规划中起到了奠基石的作用。

2.1.1 城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲
受全球气候变化影响,暴雨等极端天气频发, 为保障人民群众的生命财产安全,加强城市排 水防涝设施建设,2013 年 7 月住建部出台《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》。要求各
城市结合当地实际,在 2014 年 6 月底前编制完成各地城市排水(雨水)防涝综合规划。 该大纲对城市排水防涝规划提出了新要求:城市排水防涝规划的编制需全面考虑城市排水体系, 即包括城市排水管网、受纳水体(城市河道)、城市防涝设施等;规划需充分了解当地实际情况(现 状评估),制定当地内涝标准,完成防涝规划目标的硬性要求(发生城市雨水管网设计标准以内的降

雨时,地面不应有明显积水;发生城市内涝防治标准以内的降雨时,城市不能出现内涝灾害;发生超 过城市内涝防治标准的降雨时,城市运转基本正常,不得造成重大财产损失和人员伤亡)。 DHI 提供的城市内涝模拟技术可以为城市排水(雨水)防涝综合规划的编制提供有力的技术支 撑。城市内涝模拟通过模拟城市排水管网、城市排水河道以及地面积水漫流过程,动态、清晰地 反映城市排水体系的排水能力,防涝设施的效果、城市积水的过程等。就《城市排水(雨水)防 涝综合规划编制大纲》,城市内涝模拟可以提供:

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城市排水分区 MIKE URBAN 中提供排水分区划分工具,可以根据管道、人孔以及 DEM 自动划分管网分区。 同时可以借助二维坡面流模拟结果分析,对大区域或自然流域(郊区、农田、绿化区域) 进行排水分析的划分。

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城市排水管网现状能力评估 通过 MIKE URBAN 排水管网模拟,分析不同降雨下管网充满度、压力以及管网水力负荷情 况。评估管网排水能力,统计排水管渠的达标率和排水泵站能力。

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城市内涝风险评估 结合河道模型和二维模型,综合模拟城市管网、河道以及地面漫流过程,结果展示不同降 雨下管网、河道水位变化、地面积水范围和淹没时间等信息。模拟结果可以生成最大淹没 图,帮助规划人员评估各个区域的内涝风险级别。

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规划方案的评估 大纲中要求城市排水防涝规划须符合雨水径流控制标准、管渠泵站设计标准以及城市内涝 防治标准。对于城市建成区,须提出城市排水防涝设施的改造方案。利用模型,可以简单 快速的分析各种规划方案的效果,以帮助规划人员确定最优的规划方案。

2.1.2 城市室外排水设计规划
最新“《室外排水设计规范(2013 版)》(GB50014-2006)局部修订征求意见稿”中建议在传统 规划设计的基础上,对于有条件的地区宜使用模型方法进行雨水量的计算,并使用模型校核城市排水 系统: ? 进行雨水量计算时汇水面积超过 2 平方公里时,宜采用数学模型法计算;

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应根据内涝设计重现期计算校核城镇排水系统排除地面积水的能力。根据内涝设计重现期 校核地面积水排除能力时,应根据当地历史数据合理确定用于校核的降雨历时及该时段内 的降雨量分布情况,有条件的地方宜采用计算机模型计算。

使用数据模型进行雨水量的计算,与推理公式法相比,其优点在于可以考虑降雨事件中降雨强度 在不同时间和空间的分布情况。同时,模型是根据水文学中基本的产流和汇流原理模拟地面径流的形 成过程,因而可以更加准确地反映地面径流的产生过程和径流流量。 MIKE URBAN 中径流模块提供多种降雨径流模型,包括等流时线模型、线性水库模型、动力波模型、 单位水文过程线模型。模型可以针对任意降雨事件,选用合适的径流模型模拟研究区域雨水量在时间 和空间上的分布情况。 此外,对于降雨时间序列的生成,DHI 根据中国排水管网设计规范中各地的设计暴雨强度公式及国 际上常用的城市雨型开发了雨型设计工具,有利于工程师方便快捷的生成雨型。该工具中内置全国多 个城市设计暴雨强度公式,可选用芝加哥雨型、Huff 雨型、均布雨型构建降雨时间序列。同时,该工 具支持用户自定义设计暴雨强度公式及自定义雨型。

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2.2 评估分析篇
排水模型用于城市排水系统的评估分析。通过分析复杂管网的网络结构、上下游关系,有助 于管理者准确了解污水管网的结构特征;通过雨污水排水现状的动态模拟分析,可以全面反映污 水管网的排水负荷现状,发现雨污水管网系统中的薄弱环节和区域,为管网的改扩建及管理提供 支持。同时为管网养护和事故处理提供决策支持。

2.2.1 排水管网(雨水、污水、合流)现状及预案分析
排水模型用于城市排水系统的现状评估、改造规划和预案分析中。模型建立过程就是排水管 网系统静态结构分析过程,分析内容包括管网的连通性、上下游、管网高程的衔接、不同排水分 区管网的互通性等。 排水管网水文学和水动力学模型建立之后用户在平台中可以同时浏览管线充满度和出水口流 量、流速等的模拟曲线图,并可通过对时间轴的控制实时查看不同时间点管道的运行状态,也可 以分析整个系统和系统内各要素(管道、节点、汇水区等)的流量、流速、液位等状态参数的统 计结果。

排水模型可以针对不同用水工况进行水力计算,包括最高时、事故时、降雨期间等工况校核 分析功能,通过管网水力计算,分析排水管网系统的工况,找出危险管段以及管网潜在缺陷,提 出改造建议。

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排水模型可以模拟区域内不同降雨条件下各种雨洪利用措施(如蓄水池,绿地及透水铺装等) 对区域防洪减轻的作用。评估雨洪利用措施的效果,同时考虑雨洪利用方案的造价,从而得到最 优的雨洪利用方案。

2.2.2 泵站运行分析
排水泵站是排水管网系统中非常重要的构筑物。雨水泵站、立交泵站合理配置可以最大程度 减少降雨期间的城市积水、最大程度的利用雨水排除系统的排水能力;污水泵站的运行管理对污 水管网以及污水厂的运行至关重要。另外,泵站也是排水系统中能耗最大的设施,泵站的优化运 行有利于节能降耗。 泵站运行现状评估,泵站评估包括泵站单独评估和多级泵站联合调度评估。泵站单独评估是 指对每个泵站其泵运行情况,能耗以及泵站内泵和前池的匹配与否进行评估分析。多级泵站联合 调度评估的目的是清楚了解目前多级泵站之间的水量、及其泵站运行规则之间的关系,为优化泵 站运行和合理调度提供基础。 MIKE URBAN 中对泵站精确的模拟可以提供泵站的调度预案。根据管网评估结果,根据泵站和 管网运行情况,对日常运行和特殊日(大水量)运行就泵站调度制定多种预案。就制定的预案和 现场的操作人员和泵站管理人员沟通,并确定最终的预案进行模拟,比较不同方案下管网运行情 况。日常泵站的调度方案在保证正常运行的状态下以节能降耗为目标。降雨期的预案模拟,目的 在于充分发挥泵站能力,利用管网系统将雨水排出系统,减少降雨期间的城市积水以及合流制污 水溢流。 同时,MIKE URBAN RTC 模块可以模拟现实中对泵站的高级控制策略。模型中可以对水泵进行 控制设置,可以直接以指定的起始/结束水位或位置来控制,或者通过 PID 设置,用管网中的任意 点的水位和流量来控制。比如,对于污水管网中梯级泵站的控制,我们根据污水厂处理能力以及 上一次污水泵站的启停状态结合泵站前池水位,控制泵站中各泵的启停。

2.2.3 管网淤积分析
排水管网尤其是污水管网很容易产生淤积,管道淤积后管道过流断面减小、管网粗糙度增大,严 重影响管网的排水能力,容易造成污水的外溢。传统的方法,在设计时以不淤流速作为控制管网淤积 的措施。在实际中,合流制管网在旱季时流速低容易发生淤积,污水管网在用水低峰期管网中流速很 难达到不淤流速。

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通过 MIKE URBAN 模型模拟,可以灵活的动态的分析管网流速,如污水管网一天 24 小时管网内的 流速,合流制管网在旱季的流速分布。结合模型模拟计算结果,综合考虑管网材质、建设年代、管线 重要性等因素,分析容易淤积的管线,可以辅助排水公司制定清淤方案。 进一步,管道泥沙输移模块(ST)可以模拟管网中污染物的传输,模拟排水管网泥沙输送包括非 均匀(分级)沉积物的沉积和侵蚀。ST 的模块与动力流联合运行可以模拟泥沙动态沉积,并反馈泥沙 沉积引起的管道面积和糙率的变化。可以解决以下问题: ? ? ? 预测泥沙淤积的位置以及相关的下水道系统中的污染物和金属 通过观测和模拟的沉积物,预测水力容量减少 分析调整运行策略后的排水系统

2.2.4 管网水质分析
MOUSE 引擎提供了几个模块,模拟城市集水区地表和排水系统泥沙输送和水质。使用其地表径流 水质(SRQ) ,管道泥沙输移(ST) ,管道对流扩散(AD) ,管道水质(WQ)模块,MOUSE 可以模拟这 些复杂的机制。这些模块的结果,如排水溢流中的污染物图表,可以直接应用 DHI 的受纳水体模型 MIKE11 和 MIKE21。MOUSE 结合 MIKE11 或 MIKE21 使用,可以评估接收下水道溢流的受纳水体水质, 如河流,溪流,湖泊和沿海水域。 例如,对于排水管网的管理来说,硫化氢气体和其他臭味的气体是一个很大的问题。由于硫化氢 气体腐蚀所造成的管道坍塌给排水公司造成了很大的负担。 所以有必要对管道中的过多的硫化氢气体 的产生的成因进行分析和研究。DHI 的先进的模拟工具可以模拟排水管网中的硫化氢气体的形成,来调 查相应的措施对于减轻腐蚀速率和臭气的效果。

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2.3 排水运营篇
2.3.1 在线模型
URBAN 在线排水系统的理念是基于 MIKE URBAN 的 MOUSE 水力计算引擎及数据管理和在线连接 SCADA 和其他系统的数据处理软件。DHI 排水在线模型根据不同客户不同情况,进行定制开发。 URBAN 在线系统 URBAN 在线排水系统有助于:

? ? ? ?

提供快速运行决策支持 预测系统方案 补充 SCADA 数据 自动模拟

URBAN 在线模型可以通过实时、预测等模式调用 SCADA 实测数据自动进行模拟计算,输出的流量、 压力、能耗等参数可以很好地应用于水泵运行优化、管网异常判断、城市内涝积水预报等实际工作中。

如上图所示,SCADA 流程表示的是实地测量的数据传入 SCADA 系统后在用户界面上实时显示;在 线分析流程是将实时调度系统中的实时数据输入到在线模块中进行自动模拟,输出的模拟数据可以与 实测数据进行比较,对于异常情况予以报警,还可以预测排水系统未来时段的运行情况,制定合理的 调度方案;最终,将分析结果返回到实时调度系统系统并在用户界面上显示出来。也可以将模型建议 的调度方案经过人工确定后直接传输到控制系统,实现自动控制功能。 在线模拟有两种执行模式:实时模式和预测模式。每种模式的运行机理表述如下: ? 实时模式:在线模块实时接收 SCADA 实测数据,自动循环执行水力模拟,输出的数据保存 到 SCADA 数据库并在用户界面中显示。 ? 预测模式:预测排水系统在未来时段(如未来 4h,6h 或 12h)的运行情况。其初始条件

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取自 SCADA 当前的实测雨量、流量数据,边界条件由用户结合历史数据预测生成。 此外,为了配合 URBAN 在线模型在城市洪水管理中的应用,DHI 开发了用于短期预报的高精度气 象雷达,可以用来探测当地降雨的空间变化。这对于提供几个小时之内的降雨预报是很有帮助的。根 据不同的应用情况,气象雷达上云团单元的大小一般可设置为 100x100m,250x250m 或 500x500m。气 象雷达可提供降雨模式的高清晰图像,通常每 5 分钟或 1 分钟一次。雷达监测数据可以表达为排水流 域上的降雨时间序列或雷达图像。雷达监测信息可以通过网络实时发布。 DHI 的气象雷达系统可以和 DHI 的城市排水模型耦合,组成城市水的信息和洪水管理系统。

URBAN 在线排水模型项目应用: ? ? ? ? 信息系统-市政工程师使用该系统分析降雨后的情况。URBAN 在线系统把新增信息设为本 地软件传感器而不是直接监控。此外该系统可以统计降雨信息。 大型泵站决策支持-URBAN 在线排水模型作为大型雨水泵站决策支持系统的一部分。 CSO/内涝控制-运行人员用来自 URBAN 在线排水模型的信息评估控制策略并为可控装置选 择设定点以减少 CSO 和避免内涝危险。 浴场水质-基于来自 URBAN 在线排水模型的结果评估浴场等级。该模型用来评估未被监控 的本地 CSO。

2.3.2 基于模型的排水管理系统
城市水务局和政府机构的信息和决策支持系统管理大型复杂的基础设施,这意味着巨大的投资。 这些机构也付出很大努力来实现自动化,从而产生了一些不不同的计算机系统。今天,他们收集了大 量的数据,但是管理人员发现很难快速地获得想要的数据。 为了做出合理的决策,市政管理人员需要快速地获得和处理保存在各种不同计算机系统的信息和 应用软件。如果用户易于获得数据、正确理解及应用,那么数据就有巨大的价值。如果不能恰当地确 认、存储和处理,数据就很难使用并失去很多价值。市政人员是要理解和恰当地使用数据。DHI 的任务 是为支持决策过程提供最好的技术支持。 排水管网模型软件作为专业性很强软件平台,对使用者的专业要求较高,为了使更多的用户可以 较为方便的使用率定好的模型查看结果,充分发挥模型对日常工作的决策指导作用,同时最大限度的 实现模型数据及分析结果的共享性,DHI 提供基于管网水动力学模型排水管理系统。 管理系统将以水力模型软件为基础应用平台,以 GIS 软件为辅助平台,结合最新的计算机技术和 网络技术,通过对水力模型系统的应用在 GIS 地图上展示排水管网水力学模型的分析计算结果,动态 模拟管网运行状况,直观分析预估不同调度方案下管网运行状况,提供暴雨积水点、污水溢流点的预 警预报信息,为不同调度方案的分析、评估和决策提供支撑,实现对排水模型系统的科学管理、预测 分析。

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3 DHI 排水内涝相关项目
3.1 项目实施流程

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3.2 项目案例
北京市奥运中心区雨水系统研究
项目简介: 为了保证奥运的正常进行,北京市城市规划设计研究院聘请 DHI 对奥运中心区雨水系统进行模拟,分 析在不同暴雨强度及极端暴雨天气下奥运中心区及周边地区的积水情况,对奥运中心区及周边区域洪水管理 提供决策支持。该项目的主要目的: ? ? ? 确定积水原因 校核奥运中心区雨水系统各组成部分的规划设计标准,校核各组成部分之间的衔接关系 验证奥运中心区雨水系统抗洪灾能力,模拟超标暴雨情况下奥运中心区的可能积水情况,提出应对 可能积水情况的对策建议。

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奥运中心区雨水系统模型利用 MIKE FLOOD 将城市雨水管网系统(Mike Urban)和二维模型(Mike21) 动态耦合。其排水系统包括市政雨水管线、主要奥运场馆内部雨水管线、北部的人工渠道以及奥运中心区各 种雨洪利用构筑物,同时模型还模拟了一些敏感区域如下穿道路、地下环隧等。 Mike21 地表径流模型模拟 了暴雨期间城市地面积水情况。耦合后的模型反应了地面水和管网水流的互动过程模型直观的模拟出不同暴 雨强度下,奥运中心区地面的积水范围、历时及积水深度。模型很好的再现了历史洪水事件,预测了大暴雨 期间奥运中心区的积水情况,为相关部门制定相应的应急预案提供了科学依据。同时,该模型被用于校核现 行雨水管网是否负荷设计标准,并针对设计较早、标准较低的雨水管网提出了最优的改进方案。

客户:北京市城市规划设计研究院 项目经理:杨正宇 时间:2007

项目特点及难点: ? ? ? ? 城市核心区域,面积约 20km2 项目最终须结合模型和设计规范给出切实可行的改造措施及非工程性措施 项目涉及市政管网、地下环形隧道以及下穿式道路 项目单体内设计多种雨水利用及调蓄设施

模型实施: ? ? ? 市政管网、地下环形隧道以及下穿式道路均用管网概化以反映不同敏感点的积水情况 对重点的单体及小区加入其单体管线及调蓄设施 提出不同的改造措施,用模型来验证改造措施的效果并结合经济、工程实施性等因素最终确定切实 可行的措施

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而后,经过无数次改正无效后,花了几天时间重做的模型。难啊! 6. Error No 415: Networkfile: E:\mike11\C:\Documents and Settings\桌面\flood sim6g.nwk11...
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