石成亮，孫 翔,2,3，李水娟

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150090；3. 南方科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

隨著城市化擴(kuò)張的加速，我國(guó)的濱水城市往往受到暴雨及水位頂托的雙重的影響，不能及時(shí)排除城市積水，導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)的無法正常運(yùn)行，面臨洪澇雙重風(fēng)險(xiǎn)[1]。根據(jù)國(guó)家各部委及相關(guān)規(guī)范文件，數(shù)學(xué)模型法是現(xiàn)階段確定雨水設(shè)計(jì)流量，并校核內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下地面的積水深度等要素的重要手段[2]。

在流域洪水尺度相關(guān)研究中，除概化的蓄滿產(chǎn)流/超滲產(chǎn)流、單位線法等傳統(tǒng)方法外，20世紀(jì)后期水文模型、水動(dòng)力模型得到廣泛應(yīng)用。 水文模型均是流域洪水預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段，典型的我國(guó)有新安江流域模型、陜北模型、流溪河模型，國(guó)外有Tank、Hec-RAS以及Mike 11模型等；而城市排水評(píng)估近年在傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式方法上也有長(zhǎng)足進(jìn)步，SWMM、Infoworks ICM和MIKE Urban等采用有限差分、有限體積法的水動(dòng)力模型逐漸成為各城市評(píng)估排水防澇方案的重要工具[3]。

考慮單獨(dú)應(yīng)用水文模型和水動(dòng)力模型均難以處理城市排水、洪水組合的問題[4]，早期Hsu等假設(shè)水流從管網(wǎng)向地面為單向過程，將SWMM水動(dòng)力模型與地表二維模型耦合[5]；隨著研究深入，Seyoum將SWMM與二維地表耦合實(shí)現(xiàn)雙向水流交換；通過耦合模型研究流域水文-城市排水的方法走向“多維度多過程”的方向[6]。在模型的率定驗(yàn)證過程中，基于我國(guó)大多數(shù)城市相關(guān)河道、內(nèi)澇觀測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尤其是水文資料缺失嚴(yán)重，不足以提供完整邊界條件和率定基礎(chǔ)的情況，也不在拘泥于水文站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而把現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、新聞報(bào)道等多渠道的到的管道運(yùn)行情況、地表淹沒深度納入數(shù)據(jù)集。

本文以賀州市水環(huán)境綜合治理為例，針對(duì)當(dāng)?shù)貜?fù)雜的洪澇工況[7]，在傳統(tǒng)水文分析基礎(chǔ)上采用MIKE11、MIKE urban多模型耦合的研究方法，并利用歷史上洪水淹沒的水位、范圍等信息進(jìn)行驗(yàn)證，并探索其在優(yōu)化工程方案中的作用，分析模型在城市流域應(yīng)用的可行性。

1 研究區(qū)域概況

賀州市位于廣西壯族自治區(qū)東北部，北緯23°39′0″～25°09′0″，東經(jīng)111°05′0″～112°03′0″，地處湘、粵、桂三省(區(qū))交界地。總面積約為11 855 km2，其中山地為4 062 km2，平原為1 420 km2，丘陵為6 373 km2。城區(qū)有賀江穿城而過，屬珠江流域西江水系，是西江的一級(jí)支流，全長(zhǎng)為357.3 km，流域面積為11 599 km2，廣西境內(nèi)流域面積為7 029 km2，河長(zhǎng)為242 km，干流河道平均坡降為0.47‰。賀州市城區(qū)與賀州市位置關(guān)系見圖1。

圖1 研究范圍流域及中心區(qū)關(guān)系示意

2 研究方法

針對(duì)以上3個(gè)水安全目標(biāo)，首先根據(jù)流域洪水組合的特性，建立由MIKE11、NAM、MIKE21、MIKE Urban各獨(dú)立模型耦合的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)暴雨、洪水資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證，最后采用不同標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)暴雨分析賀州主城區(qū)的淹沒情況，并對(duì)其進(jìn)行淹沒風(fēng)險(xiǎn)分析，并優(yōu)化選取工程方案組合，同時(shí)為非工程決策輔助提供依據(jù)(技術(shù)分析路線流程見圖2)。

圖2 分析技術(shù)路線示意

3 流域水文—區(qū)域排水模型模型建立及率定驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)及資料基礎(chǔ)

1) 地形資料

地表匯流模型根據(jù)賀州市城區(qū)1∶1 000地形圖、賀江流域1∶10 000地形圖，提取地形地貌信息。

2) 管網(wǎng)及用地屬性

管網(wǎng)資料根據(jù)收集到的2015年賀州城區(qū)管網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行概化(見圖3)，用地屬性數(shù)據(jù)源于當(dāng)?shù)貒?guó)土部門。

圖3 賀州市城區(qū)管網(wǎng)布置及流域用地屬性示意

3) 河網(wǎng)、斷面及設(shè)計(jì)降雨

賀江賀州城區(qū)段上游有龜石水庫(kù)，因此，上游龜石水庫(kù)為模型建立的起點(diǎn)，以獨(dú)嶺水文站為終點(diǎn)建立賀江干流全長(zhǎng)為74.2 km，斷面數(shù)據(jù)為河道控制斷面和水工建筑物的位置選擇典型斷面。

4) 流量邊界的確定

水文資料主要有龜石水庫(kù)上游富陽(yáng)站50 a以上流量、雨量資料，核心區(qū)下游獨(dú)嶺站21 a流量、雨量資料，獨(dú)嶺站下游信都水文站60 a流量、雨量資料，另有龜石水庫(kù)調(diào)度原則及1963年至今的下泄流量。

流量邊界采用插補(bǔ)延長(zhǎng)后的獨(dú)嶺站洪峰流量系列，考慮上游龜石水庫(kù)1963年建成，綜合計(jì)算后的獨(dú)嶺站典型洪水過程，作為水動(dòng)力模型分析率定的主要依據(jù)。各站點(diǎn)水文資料刊印于《珠江流域水文年鑒》，可靠性較高，各站點(diǎn)及資料情況見表1，位置相關(guān)關(guān)系如圖4所示。

表1 采用的主要水位、水文、雨量站情況

3.2 模型建立與率定驗(yàn)證

全流域模型中的降雨-徑流模型采用MIKE11-NAM模型[12]，從《珠江流域水文年鑒》中摘錄賀州1994年和2002年的暴雨和獨(dú)嶺水文站洪水資料用于流域水文模型率定和驗(yàn)證。其中1994年洪水用于模型率定，采用2002年洪水進(jìn)行驗(yàn)證，主要手段為獨(dú)嶺水文站洪水流量線曲線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。

驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)在Umax=10、Lmax=35、CK1，2=28和CQOF=0.8的情況下，洪峰和洪量的的誤差最小，均小于10%，驗(yàn)證結(jié)果見圖5。因此，該組參數(shù)能夠?qū)δM區(qū)域1 766 km2的雨洪過程進(jìn)行有效還原，說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數(shù)能較好的反映模擬區(qū)間的真實(shí)性，流域模型分析成果可以用于指導(dǎo)相關(guān)的工程設(shè)計(jì)。

4 模型支持的工程方案結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)狀洪澇工況模擬

基于現(xiàn)狀，通過耦合模型演算不同標(biāo)準(zhǔn)下各支流的設(shè)計(jì)流量，發(fā)現(xiàn)三大主要問題：① 賀州城區(qū)賀江左岸堤防不滿足50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)；② 江北主要排洪溝渠黃安寺排洪河、獅子崗排洪河過水?dāng)嗝妾M小，難以滿足汛期過流能力要求；③ 獅子崗下游西約歷史保護(hù)街區(qū)低洼內(nèi)澇，賀江漲水期間雨水無法自排。

4.2 對(duì)工程方案的驗(yàn)證

1) 工程方案簡(jiǎn)介

針對(duì)模擬發(fā)現(xiàn)的主要問題，分別對(duì)干流河道、支流水系、內(nèi)澇點(diǎn)采取工程措施，干流去阻水、降壅水、擋漫水，支流分洪、調(diào)蓄、調(diào)洪，內(nèi)澇點(diǎn)分別整治。針對(duì)以上工程方案采用模型進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證(見圖6)。

2) 模型評(píng)估

考慮城市規(guī)劃、外江整治和城市內(nèi)部排水系統(tǒng)改善具有不同步性，城市規(guī)劃地形未抬高前，淹沒較為嚴(yán)重，導(dǎo)致采用工程方案的內(nèi)外排水系統(tǒng)改善效果無法評(píng)估，因此，考慮系統(tǒng)整治前后工況，也將現(xiàn)狀規(guī)劃地形作為獨(dú)立工況，共分為現(xiàn)狀地形—工前、規(guī)劃地形—工前、規(guī)劃地形—工后3種工況。

① 現(xiàn)狀地形—工前：計(jì)算結(jié)果見圖7，淹沒區(qū)主要集中在中下游段及部分上游段：發(fā)生20年一遇洪水時(shí)，桃源河下游及桃源河南岸區(qū)域。干流堤岸高程局部不足導(dǎo)致干流兩側(cè)的淹沒；黃安寺排洪河河口處水位為105.58 m，黃安寺上游現(xiàn)狀農(nóng)田處局部地面高程為104～105 m，最低點(diǎn)僅104.2 m，而黃安寺下游河口處為文物保護(hù)區(qū)，最低地面高程僅102.96 m，上游現(xiàn)狀農(nóng)田為低洼地而下游受干流頂托和自身排水不暢導(dǎo)致淹沒；桃源河河口處干流水位為103.36 m，其上游太白湖處現(xiàn)狀地面為101～103 m，最低點(diǎn)僅為101.75 m，而桃源河匯入口處的南岸(廈島村鴨仔寨東面)現(xiàn)狀地面高程為100～103 m，最低點(diǎn)僅為100.91 m，兩側(cè)堤岸高程不足且受干流水位頂托，導(dǎo)致淹沒。芳林電站下游水位為107.08 m，因現(xiàn)狀電站下游右岸高程不足，平均地面高程為106 m，最低為103.86 m，芳林電站在此標(biāo)準(zhǔn)下電站下游右岸有局部淹沒。對(duì)淹沒面積及深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2所示。

圖7 現(xiàn)狀地形—工前工況20年一遇淹沒范圍示意

表2 工況1不同標(biāo)準(zhǔn)下淹沒面積及最大深度統(tǒng)計(jì)

② 規(guī)劃地形—工前：計(jì)算結(jié)果見圖8，規(guī)劃地形淹沒分析的邊界條件基于賀州城區(qū)正按照城市規(guī)劃拓展城市建設(shè)，規(guī)劃地形下的淹沒分析對(duì)城市防洪功能的效益體現(xiàn)將逐步顯現(xiàn)。依據(jù)賀州市總體規(guī)劃的豎向高程作為遠(yuǎn)期賀州城市淹沒分析的邊界條件，在本工程范圍內(nèi)不采取工程措施的情況下，賀江干流兩岸的淹沒原因是干流堤岸高程局部不足導(dǎo)致溢流；芳林電站附近處的平均高程為106 m，最低點(diǎn)高程僅為103.86 m，芳林電站壩下處的水位為107.05 m，因此，芳林電站南岸淹沒是因?yàn)楦闪鞯贪陡叱叹植坎蛔銓?dǎo)致溢流以及地勢(shì)低洼導(dǎo)致；黃安寺排洪河河口處水位為105.86 m，黃安寺中游規(guī)劃道路高程為105.22～106.1 m，最低點(diǎn)僅為105.22 m，而黃安寺下游河口處為文物保護(hù)區(qū)，最低地面高程僅為102.96 m。對(duì)淹沒面積及深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3所示。

圖8 規(guī)劃地形—工前工況20年一遇淹沒范圍示意

表3 工況2不同標(biāo)準(zhǔn)下淹沒面積及最大水深統(tǒng)計(jì)

③ 規(guī)劃地形—工后：計(jì)算結(jié)果見圖9，規(guī)劃地形淹沒分析的邊界條件基于賀州城區(qū)正按照城市規(guī)劃拓展城市建設(shè)，規(guī)劃地形下的淹沒分析對(duì)城市防洪功能的效益體現(xiàn)將逐步顯現(xiàn)。再通過工程方案，外江、內(nèi)部排水分離后，黃安寺排洪河河口處水位為105.81 m，黃安寺中游規(guī)劃道路高程為105.22～106.1 m，最低點(diǎn)僅為105.22 m，而黃安寺下游河口處為文物保護(hù)區(qū)，最低地面高程僅為102.96 m。因此，黃安寺淹沒的原因是下游河口受干流頂托和地勢(shì)低洼導(dǎo)致淹沒。獅子崗河口處的水位為103.97 m，獅子崗支流的水位為103.97～105.8 m，獅子崗下游處的最低的地面標(biāo)高為103.5 m，上游處最低的地面標(biāo)高為105.4 m。因此，獅子崗淹沒的原因是上游及下游局部點(diǎn)地勢(shì)低洼。對(duì)淹沒面積及深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

圖9 規(guī)劃地形—工后工況20年一遇淹沒范圍示意

表4 工況3不同標(biāo)準(zhǔn)下淹沒面積及最大水深統(tǒng)計(jì)

4.3 模型應(yīng)用小結(jié)

本次研究針對(duì)3種工況(現(xiàn)狀地形—工前、規(guī)劃地形—工前、規(guī)劃地形—工后)研究洪澇淹沒情況進(jìn)行了模擬，工況1淹沒區(qū)主要集中在中下游段及部分上游段，工況2依據(jù)賀州市總體規(guī)劃的豎向高程作為遠(yuǎn)期賀州城市淹沒分析的邊界條件，在本工程范圍內(nèi)不采取工程措施的情況下，淹沒面積較現(xiàn)狀明顯減少，淹沒區(qū)域主要集中在賀江中游段及下游段，工況3遠(yuǎn)期規(guī)劃落實(shí)后淹沒區(qū)域主要集中在黃安寺下游西約歷史文化保護(hù)街區(qū)部分低洼地帶及部分老城區(qū)規(guī)劃道路，工程實(shí)施后淹沒范圍減少95%，減災(zāi)效果較為明顯。

5 結(jié)語

通過驗(yàn)證，洪峰和洪量的絕對(duì)誤差不超過10%，說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數(shù)能較好反映模擬區(qū)間的真實(shí)性。研究表明：采用MIKE11、MIKE urban多模型耦合的研究方法對(duì)城市復(fù)雜的洪澇工況進(jìn)行模擬并根據(jù)實(shí)際洪水淹沒進(jìn)行驗(yàn)證是合理的。

解決了模型本身穩(wěn)定性導(dǎo)致的發(fā)散問題后，根據(jù)模型成果與成果的合理性分析，其能夠有效對(duì)工程規(guī)模、工程布置提供有效指導(dǎo)，可為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。