唐 明，許文斌

(1.南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099；2.南昌市城市規(guī)劃設計研究總院 市政工程分院，南昌 330038)

0 引 言

近些年來，業(yè)內專家對排水管網、排澇設施、源頭控制、雨污分流等市政排水與城市排澇工程建設進行了大量深入的研究[1-4]，為提升相關工程建設水平發(fā)揮著重要作用；行業(yè)主管部門不斷修訂規(guī)程規(guī)范，指導室外排水管網、排水渠系、雨水調蓄、排澇泵站建設[5-8]，市政排水與城市排澇工程建設取得長足進步。但是，從汛期實踐來看，城市內澇防治效果依然不盡人意，“城市看?！边€是熱點話題。細究緣由，一方面，城市內澇防治系統(tǒng)的工程建設欠賬依舊存在，市政排水與城市排澇能力不足；另一方面，由于對城市雨洪過程的認識還不夠，缺少對市政排水與城市排澇設施運行的針對性調度，系統(tǒng)能力得不到充分發(fā)揮。

因此，在完善工程體系建設的同時，加強對雨洪過程的了解，評估不同情景下內澇防治系統(tǒng)運行特點，從而確定城市雨洪聯合調度策略，協調好市政排水的快速收集與城市排澇系統(tǒng)平均排除之間的矛盾，充分發(fā)揮內澇防治系統(tǒng)的既有能力，是十分必要的。

1 研究區(qū)域

1.1 青山湖排澇片的基本情況(詳見圖1)

該排澇片瀕臨贛江，地勢平坦，匯水面積 52 km2，地面高程19.0～25.5 m；城市排澇系統(tǒng)由骨干水系與泵閘等排澇設施組成，設計排澇標準為20年一遇(一日暴雨一日排除)。雨水通過市政排水管網匯入玉帶河，經青山湖調蓄后，由青山湖電排站(或青山閘)排入贛江。

圖1 青山湖排澇片總平面圖Fig.1 General layout of Qingshanhu drainage area

該片區(qū)主要是老城區(qū)，基本沿用“合流制”排水體系；已建排水體系中部分管網設施陳舊，設計標準偏低，應排水量超過其設計能力，呈超負荷運行狀態(tài)。排澇片內部各排水分區(qū)建設標準不協調，局部地區(qū)未成體系，存在排水不暢的問題。

城市骨干水系由青山湖與玉帶河(包括總渠和東、西、南、北支)構成。新世紀以來，為了改善水環(huán)境、恢復水生態(tài)，先后進行過兩次較大整治；第一次，以河道拓寬與截污工程(截流倍數為2)為主；為了保證正常生態(tài)補水期間不倒灌，截流系統(tǒng)沿線溢流堰頂高程按照“常水位+10 cm超高”控制。第二次，是河道清淤與截污管網提升改造(截流倍數為18)；達到“1 h降雨不超過6 mm時，不發(fā)生沿線溢流”的截流目標；沿線溢流堰頂高程的設計原則不變，終端溢流口設在七孔閘(出湖控制閘)下游，3倍設計污水量以上的超量合流水由此溢出，堰頂高程為16 m。

城市排澇設施包括自排與抽排兩部分。贛江水位低時，澇水通過青山閘注入贛江；贛江水位高時，啟動電排站，充分利用青山湖調蓄功能后將澇水抽排至贛江。其中，青山湖電排站裝機10臺，總設計排澇流量為77.6 m3/s；青山湖水面面積約3.01 km2，承擔著區(qū)域主要調蓄功能，設計最高蓄澇水位17.23 m，蓄澇容積288 萬m3。

1.2 青山湖排澇系統(tǒng)運行調度方案的變遷過程

青山湖電排站的建站運行規(guī)則是：贛江水位在16.73 m以下，青山閘開啟，澇水通過青山閘自排；贛江水位達16.73 m，青山閘關閉，及時啟動電排站，并視來水情況結合天氣預報啟動不同臺數機組。在降雨量不大時，以控制青山湖水位在16.73 m啟用機組；當預報有大暴雨或特大暴雨時，全部機組啟動運行，將青山湖水位預先降到16.23 m。暴雨過后，調整開機臺數，將青山湖水位控制在16.73 m；直至贛江水位回落到16.73 m以下才停機，同時開啟青山閘。

本世紀初期，鑒于上游玉帶河水體污染嚴重，城市管理部門一度實行“河湖分家”，將青山湖與玉帶河隔開，以減輕上游水系對其水質造成的影響。同時，為了達到最佳景觀效果，隔離后的青山湖水位控制到17.13 m。由于青山湖和排澇泵閘分屬兩個部門管理，聯合調度難度大，青山湖的蓄澇效果受到影響，削弱了該片區(qū)的排水除澇能力。

2011年，市防指明確了汛期水位動態(tài)控制的原則，即根據預報實行“雨前預降”：20～50 mm降雨時，青山湖水位預降至16.83 m；50～100 mm降雨時，青山湖水位預降至16.63 m；100 mm以上降雨時，青山湖水位預降至16.43 m。2018年底，管網整治基本完畢，基于水體活化與污水收集的雙重考慮，恢復了河湖關系(玉帶河總干渠直接匯入青山湖)，并重新制定了新的水位控制辦法，將青山湖常水位控制到16.63 m；同時，“雨前預降”標準調整為：預報降雨50～100 mm，青山湖水位預降至16.43 m；降雨100 mm以上，水位預降至16.23 m。

1.3 青山湖排澇系統(tǒng)運行調度存在的問題

歷史上，主管部門對青山湖排澇系統(tǒng)的運行調度方案作了數次調整，取得一定效果。但是，在近兩年的排澇實踐中，系統(tǒng)運行仍然不夠順暢，調度方案需要進一步完善。

(1)對河湖骨干水系在暴雨期間的水位波動過程，及其對市政排水體系影響的認識不足。需要借助雨洪模擬軟件，深入了解骨干水系水位變化對市政排水系統(tǒng)的影響機制，從而制定相應的策略。

(2)單純針對調蓄區(qū)“雨前預降”的調度理念，已經不能滿足實際需求。需要在科學評估雨洪過程的基礎上，從充分發(fā)揮市政排水與城市排澇系統(tǒng)設計功能的角度，合理設定水位的調控原則，確定水位的控制時機與具體指標。

(3)泵站機組、水閘運行規(guī)程的操作性和靈活性不夠。日常運行中，只有基于24h降雨預報的調蓄區(qū)“雨前預降”水位指標，難以控制暴雨過程中的河湖水位；既缺乏明確的降雨過程控制規(guī)則，也缺少對短歷時強降雨的響應。

2 研究方法

2.1 基于MIKE模型的城市雨洪情景模擬思路

運用情景分析方法進行評估和預測,是其他學科的理論和方法的綜合集成[9]。目前，該方法已經廣泛應用于環(huán)境破壞、災害預警等多個領域[10,11]；水利部門對各流域設計洪水的災害影響都做過不同程度的情景模擬和分析[12]。Mike Flood能夠用于城市管網排水能力及河湖調蓄能力的評估，應用較為廣泛[13]。本文采用控制變量法進行情景設置，利用MIKE開展雨洪數值模擬，分析城市骨干水系最高水位帶來的影響，統(tǒng)籌考慮蓄澇需求和截流系統(tǒng)的功能影響，合理確定河湖水位的控制時機與閾值，進一步優(yōu)化排澇系統(tǒng)運行方案。

2.2 基于MIKE的耦合模型構建與率定

2.2.1 模型的構建

Step1. 利用地下排水管網普查資料，通過MIKE Urban相應的內置功能，形成一維管網文件；采用泰森多邊形法進行匯水面積的自動劃分和人工調整，同時給定徑流計算參數及計算法則；最后，進行人工檢查與系統(tǒng)自檢，從而形成完善的一維管網模型(見圖2)。

圖2 一維管網模型Fig.2 One-dimensional pipe network model

Step2. 根據實際水系走向生成河網shp文件；根據實測資料定義不同里程的斷面尺寸及河底標高；根據工程設計參數及不同的模擬工況確定邊界數據及水力參數,完成河網模型(圖3)。

圖3 河網模型Fig.3 River network model

Step3. 基于實測地形文件，借助ArcMap生成網格大小為5 m×5 m的Dem文件及ASCII數據文件，運用Mike Zero，將ASCII轉化為dfs2文件，輸入模擬步長、文件輸出路徑、地表徑流曼寧系數等參數，構建二維地表漫流模型。

Step4. 運行MIKE Flood耦合模型，通過管網模型內的入孔與二維地表漫流模型的網格點進行自動耦合、管網模型內的排水口與河網模型的水位點進行耦合、河網模型的兩岸與二維地表漫流模型的網格進行耦合。

2.2.2 模型的率定

利用“0712”暴雨的實測雨量、河湖水位、電排站外排流量及排澇片積水點等資料對模型進行率定。利用青山湖排澇區(qū)3個雨量站的實測數據得到率定工況的降雨時間序列；將電排站實際抽排流量監(jiān)測數據導入Mike Zero，形成流量時間序列；將實測的河道初始水位輸入模型；運行耦合模型，得到青山湖水位過程與青山湖排澇區(qū)積水情況(見圖4)。模擬出的積水點位與市排水部門統(tǒng)計信息基本吻合；而且，當日實測青山湖最高水位16.83 m與模擬值16.85 m接近；可以認為本次構建的耦合模型相關參數設定合理。

圖4 “0712”積水圖Fig.4 The ponding distribution map

3 情景模擬與分析

3.1 城市雨洪情景設置

3.1.1 模擬雨型的選擇

典型暴雨“同倍比”或“同頻率”放大法、綜合雨型“同頻率”放大法，都是規(guī)范允許的計算方法；但是，不同的方法有各自的優(yōu)缺點。

典型暴雨“同倍比放大法”能保證典型降雨的時程形態(tài)不變；且計算簡單，便于時間刻度的細化。但是，它只能滿足設計歷時下的頻率要求，而其他主要統(tǒng)計歷時降雨量的重現期差異很大，難以客觀評價市政排水與區(qū)域排澇系統(tǒng)的能力。

典型暴雨“同頻率放大法”能針對工程建設的設計或復核需要，控制主要時段的“同頻”，體現理論上的一致性。但是，受典型暴雨時程隨機分布的影響，排澇進程也存在較大差異；需要結合當地氣候特點，尋找多個典型暴雨進行比較選擇。

“綜合雨型”是各地水利行業(yè)根據實測暴雨資料，按地區(qū)氣候特點綜合概化的“雨型表”；是人工構造的“單峰”雨型，時序穩(wěn)定，克服了“典型暴雨”時程隨機性帶來的排澇進程差異；控制主要時段的“同頻”調算過程也相對簡單一些。

“同頻”調算的時間刻度一般為“小時”，當進行雨洪數值模擬時，需要將時間刻度進一步細化。為同步考核“大尺度”的城市排澇系統(tǒng)及“小尺度”的市政排水系統(tǒng)的可靠性，將適應本地市政系統(tǒng)短歷時排水特點的“芝加哥雨型”嵌入到“綜合雨型”的“最大1 h降雨”當中，構成一種用于城市雨洪模擬的“復合雨型”(其余23 h按“小時內部均化”處理)。

3.1.2 排澇系統(tǒng)的主要工況確定

(1)結合運行實際，擬定泵站開機臺數隨前池水位變化的常規(guī)方案。將泵站10臺機組分3檔啟停，第一檔(設4臺泵)起排水位16.33，停機水位16.23，第二檔(設2臺泵)起排水位16.43，停機水位16.33，第三檔(設4臺泵)起排水位16.63，停機水位16.53。

需要注意的有兩點：其一，學生佩戴浮具下水后，需要適應并掌握在水中的身體平衡，可以先做一些適應水性的練習，再進行其他動作學習。其二，助力輔助，僅僅是一種輔助教學手段，換言之，學生佩戴浮具的時間不宜過長，否則會使學生對浮具產生身體依賴。當動作基本掌握后，應當逐步減輕或者取消浮具的支持，以避免造成依賴，反而不利于游泳學習。

(2)將青山湖設計常水位(16.73 m)作為泵站初始水位；將其最低調蓄水位(16.23 m)作為雨洪調度模擬的泵站停運水位，逐一模擬不同量級暴雨條件下的排澇進程，找出對市政排水系統(tǒng)沒有影響的臨界雨量，即青山湖(圖3-控制斷面b)水位、三支匯流處(上游水系雍水效果最明顯的關鍵節(jié)點，圖3-控制斷面a)水位不高于市政排水管網的設計外水位。

(3)對臨界雨量以下的暴雨，進行多個停運水位的模擬，通過各情景主要斷面水位及外排流量過程分析，量化不同雨量條件下排澇系統(tǒng)的調蓄需求以及截流系統(tǒng)的功能影響。

3.2 模擬結果分析

(1)不同降雨量條件下的排澇進程對比分析(圖5、圖6，青山湖最低水位均設定為16.23 m)。圖5中，6條曲線自下而上分別代表的是24 h暴雨量(以下簡稱“雨量”)達到50、100、150、200、223.6(20年一遇)、260.4 mm(50年一遇)條件下的青山湖水位過程線；圖6中，6條曲線自下而上分別代表的是相應條件下三支匯流處的水位過程線。可以看出，當雨量大于200 mm時，青山湖水位才會超過17.23 m，發(fā)生頂托；但是，當雨量接近150 mm時，三支匯流處的水位即達到了該處排水管網的設計外水位17.78 m，出現頂托效應。

圖5 青山湖水位過程線Fig.5 The water level hydrograph of section “c”

圖6 三支匯流處的水位過程線Fig.6 The water level hydrograph of section “a”

(2)不同的青山湖最低控制水位條件下排澇進程對比分析(圖7～圖10，50 mm與100 mm)。圖7中，3條曲線自下而上分別代表的是雨量為50 mm條件下最低控制水位為16.23、16.46、16.63 m時的青山湖水位過程線；圖8中，3條曲線自下而上分別代表的是雨量為100 mm條件下最低控制水位為16.23、16.33、16.43 m時的青山湖水位過程線?？梢钥闯觯斢炅繛?0 mm時，3種最低水位控制狀態(tài)下，最大漲幅基本上在10 cm左右，不會對市政排水系統(tǒng)造成影響。當雨量為100 mm時，最大漲幅已經增大到35 cm左右；當最低控制水位為16.43 m時，青山湖最高水位達到16.81 m，接近該處溢流坎頂高程(16.83 m)。

圖7 青山湖水位過程線(50 mm)Fig.7 The water level hydrograph of section “c”(50 mm)

圖8 青山湖水位過程線(100 mm)Fig.8 The water level hydrograph of section “c” (100 mm)

圖9、圖10中的3條線分別代表相應條件下的三支匯流處水位過程線。可以看出，當雨量為50 mm時，3種水位控制條件下，對三支匯流處的市政排水管網系統(tǒng)均不造成頂托；但是，當雨量為100 mm時，最低水位控制在16.43 m時，三支匯流處的水位17.49 m，超過該處溢流坎頂高程(17.38 m)，低于該處排水管網的設計外水位(17.78 m)。

圖9 三支匯流處水位過程線(50 mm)Fig.9 The water level hydrograph of section “a” (50 mm)

圖10 三支匯流處水位過程線(100 mm)Fig.10 The water level hydrograph of section “a” (100 mm)

(3)不同雨洪情景下青山湖水位與排澇流量過程分析(圖11、圖12)。圖11中，2條曲線分別代表雨量為100 mm、最低控制水位為16.43 m時的青山湖水位(黑色)及泵站排澇流量(紅色)過程線；圖12中，2條線分別代表雨量為150 mm、最低控制水位為16.23 m時的青山湖水位(黑色)及泵站排澇流量(藍色)過程線?？梢钥闯?，兩種模擬工況中，機組滿負荷運轉的時間并不長；在雨洪峰值之前(青山湖水位16.63 m以下時)，存在通過應急調度(非常規(guī)調度)增加排澇流量，進一步削減雨洪峰值的空間。

圖11 青山湖水位及排澇流量過程線(100 mm)Fig.11 The water level and discharge hydrograph of section “c” (100 mm)

圖12 青山湖水位及排澇流量過程線(150 mm)Fig.12 The water level and discharge hydrograph of section “c” (150 mm)

(4)不同雨洪情景下的排澇系統(tǒng)運行情況。不同重現期降雨、不同的調蓄區(qū)(青山湖)最低控制水位的條件下，因城市骨干水系最高水位差異而帶來市政排水系統(tǒng)受到的頂托影響也存在較大差異(詳見表1)。

表1 不同情景模擬中的排澇系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計Tab.1 Operation statistics of drainage system in different scenarios

當預報的24 h暴雨量為50～100 mm時，河湖水位漲幅增大；隨著降雨量的增加，將青山湖最低控制水位的閾值逐步由16.63減少到16.43 m，可以保證骨干水系水位低于截流系統(tǒng)的溢流水位，減輕河水倒灌對污水收集處理系統(tǒng)的影響。

當預報的24 h暴雨量為100～150 mm時，河湖水位漲幅進一步增大；按照16.43～16.23 m控制集中降雨期之前的最低調蓄水位，除局部地段外，基本上能夠控制骨干水系不對管網系統(tǒng)造成頂托。

當預報的24 h暴雨量大于150 mm時，河湖水位漲幅過大，現有的排澇工程體系已經無法保障市政排水系統(tǒng)完全不受骨干水系的頂托影響。

3.3 城市排澇系統(tǒng)的雨洪聯合調度策略

(1)進一步拓展傳統(tǒng)的“雨前預降”汛限動態(tài)水位控制理念。關注降雨的過程控制，在按照常規(guī)泵站調度規(guī)程(詳見表2)進行“雨前預降”的基礎上，強化“峰前控制”。即根據不同等級的降雨預報成果，合理設置河湖水位控制閾值；根據不同的降雨強度和前池水位的變化趨勢，加強集中強降雨期的研判，在漲水期，針對機組開展非常規(guī)調度(詳見表2)，有效削減雨洪峰值，避免或減輕骨干水系對市政排水系統(tǒng)的頂托。

表2 不同降雨、調蓄水位組合下的最高機組運行臺數Tab.2 Operation number of pumps under combined conditions of different rainfall and water level

(2)關注短歷時強降雨，強化應急處置意識。細化短歷時降雨的雨量閾值(表3)；密切跟蹤氣象部門的滾動預報與短時臨近預報成果，啟動相應的應急等級與調度措施。當集中強降雨帶來的快速匯流超過現有工程體系的瞬時排澇能力時，即使通過泵站的非常規(guī)調度手段，也只能盡量減輕頂托程度；還需要通過增設“源頭減排設施”、擴大“排澇除險設施”行泄能力等應急處置，進一步緩解城市受澇情況。

表3 青山湖排澇片不同降雨歷時雨量閾值對照表 mm

4 結 論

城市雨洪聯合調度研究不足、工程體系運行管理薄弱，市政排水與城市排澇系統(tǒng)能力得不到充分發(fā)揮，是城市內澇防治中一個不容忽視的關鍵問題。借助MIKE等工具對城市雨洪進行多情景分析，既能夠科學認識城市骨干水系在暴雨期間的水位波動過程，及其對市政排水系統(tǒng)的頂托影響；也可以了解泵站機組在排澇進程中的負荷變化，及其運行潛力所在。管理部門可以基于上述認識更好地確定雨洪聯合調度策略，設定不同降雨條件下的河湖水位控制時機與閾值，建立健全降雨集中期的機組應急調度規(guī)程，從而有效削減雨洪峰值，最大限度地發(fā)揮內澇防治系統(tǒng)的既有功能。

□