葉陳雷，徐宗學(xué)，雷曉輝，廖衛(wèi)紅，張 瑞，初 祁

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038； 4.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

受氣候變化和快速城市化等的影響，我國(guó)城市屢次遭受洪澇災(zāi)害的威脅，“城市看?！币殉蔀槲覈?guó)許多大中型城市的頑疾[1]。2021年7月，受臺(tái)風(fēng)“煙花”的影響，河南多地遭受?chē)?yán)重的洪澇損失。其中，鄭州市遭遇“7?20”特大暴雨，最大1h降水量高達(dá)201.9 mm，突破了歷史最高值，造成城市大面積嚴(yán)重積水，大批車(chē)輛被淹，城市陷入癱瘓[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這次暴雨洪澇事件導(dǎo)致鄭州市292人遇難，47人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失532億元[3]。

全球氣候變化、副熱帶高壓控制等復(fù)雜氣候條件對(duì)城市洪澇帶來(lái)諸多威脅[4]，城市雨島效應(yīng)等導(dǎo)致城市局部極端強(qiáng)降雨頻發(fā)[5]。快速城市化條件下，不斷擴(kuò)張的城市不透水下墊面逐步取代原先天然狀況下的透水地面，農(nóng)田、植被、濕地等逐步被硬化路面取代，天然狀態(tài)下地表對(duì)降雨的下滲作用被大大削弱[6]。城市中人類(lèi)活動(dòng)集中，湖泊、河道上建設(shè)有各種各樣的水利工程，這些水工設(shè)施的建設(shè)使自然狀態(tài)下的水系特征以及水循環(huán)過(guò)程發(fā)生了較大的改變[7]。此外，城市還具有極為明顯的社會(huì)性，自然水循環(huán)與社會(huì)水循環(huán)并存，使城市水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)與過(guò)程更為復(fù)雜，城市洪澇等城市水問(wèn)題愈加凸顯[8]。

水文水動(dòng)力學(xué)模型是模擬城市暴雨內(nèi)澇的核心技術(shù)，而具體到防洪減災(zāi)措施上，城市水工程調(diào)度和海綿城市建設(shè)是重要的城市水系管理調(diào)控措施[9]。建設(shè)有效的防洪排澇設(shè)施、優(yōu)化水工建筑空間布局、完善城市水系閘泵堰庫(kù)等的工程建設(shè)均能促進(jìn)城市防洪排澇能力的提升。而加快海綿城市建設(shè)也是緩解城市內(nèi)澇的重要途徑[10]。2021年4月，財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)示范工作的通知》，明確指出將系統(tǒng)化全域推進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)。目前，已有不少關(guān)于海綿城市建設(shè)對(duì)城市洪澇減緩效益分析的研究。程濤等[11]通過(guò)對(duì)濟(jì)南海綿示范區(qū)進(jìn)行的海綿改造分析發(fā)現(xiàn)，不同海綿設(shè)施的空間布局和管網(wǎng)改造方案對(duì)徑流量與水深具有不同的影響效果，提出宜針對(duì)城市具體特點(diǎn)，從流域水循環(huán)角度來(lái)制定具體的改造措施。王麗晶等[12]以北京市東城區(qū)為研究區(qū)，研究了不同降雨情景下海綿改造前后管網(wǎng)排水能力與淹沒(méi)情況。高玉琴等[13]綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等因素，基于云模型構(gòu)建了低影響開(kāi)發(fā)(low impact development, LID)效益評(píng)價(jià)體系。此外，不少研究集中在LID方案組合評(píng)估[14-15]，LID對(duì)雨水徑流[16-17]、內(nèi)澇與面源污染[18]和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[19]的影響，以及LID下城市防洪排澇建設(shè)成本等社會(huì)效益[20-21]方面。結(jié)合城市具體的下墊面特點(diǎn)，相應(yīng)提出海綿改造方案，可以有效緩解城市洪澇現(xiàn)狀。

本文以福州主城區(qū)晉安河片區(qū)為研究對(duì)象，在構(gòu)建洪澇模擬模型的基礎(chǔ)上，采用若干套海綿改造方案，基于熵權(quán)法選擇最優(yōu)方案，分析了海綿改造措施與湖庫(kù)調(diào)度對(duì)城市內(nèi)澇的協(xié)同影響。

1 研究區(qū)概況

福州市江北城區(qū)位于福州盆地的中心地帶，為福州市主城區(qū)，東西北三面群山環(huán)抱，東起鼓山，北至北峰山脈，西至洪山，南臨閩江北港。城區(qū)河網(wǎng)水系復(fù)雜，北部天然河道坡度較大；中部屬于平原河網(wǎng)區(qū)，樹(shù)狀、環(huán)狀河網(wǎng)交錯(cuò)；南部與閩江相連接，屬于典型的感潮河網(wǎng)，下游受外江潮位影響，流態(tài)復(fù)雜。城區(qū)共67條內(nèi)河，分為白馬河水系、晉安河水系、光明港水系、磨洋河水系和新店片水系。相比于更接近閩江的白馬河水系與光明港水系，晉安河水系受閩江潮位頂托作用較弱。本文選擇江北城區(qū)內(nèi)的晉安河片區(qū)為研究區(qū)，圖1為研究區(qū)概況。研究區(qū)北部以東北部山區(qū)為界，西部以登云路—連江北路—長(zhǎng)樂(lè)北路—福馬路—遠(yuǎn)洋路為界，東面以華林路—鼓屏路—荷塘路為界，南面以光明港—閩江為界。晉安河片區(qū)城市化集中，居民眾多，是福州市重要的集防洪、排澇、輸水、景觀多功能于一體的主干渠道，在福州城區(qū)具有重要的意義。近年來(lái)，福州市城區(qū)河道實(shí)施了河道整治和“引水沖污”工程，并擴(kuò)建湖庫(kù)、新建排澇閘站，城區(qū)水文情勢(shì)發(fā)生了很大變化，水系的洪水調(diào)蓄能力、河道的行洪能力等均有所改觀。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

2 研究方法

2.1 洪澇模擬模型

城市暴雨內(nèi)澇包含多個(gè)物理過(guò)程，一般突遇短歷時(shí)強(qiáng)降雨后，城市排水系統(tǒng)由于無(wú)法及時(shí)排泄雨洪而使城市發(fā)生洪澇，甚至造成洪澇災(zāi)害。通常用水文學(xué)方法模擬降雨經(jīng)下墊面入滲、填挖、截留等損失后形成的地表徑流和凈雨形成匯水區(qū)出口流量的過(guò)程；用水動(dòng)力學(xué)方法模擬管渠排水以及地表漫溢過(guò)程。本文基于InfoWorks ICM(integrated catchment management)模型完成水文水動(dòng)力過(guò)程模擬。基于泰森多邊形劃分子匯水單元，依據(jù)研究區(qū)遙感影像圖反映的河道、街道、建筑等得到修正后的子匯水單元，并將其作為城市產(chǎn)匯流計(jì)算基本單元。ICM提供了多種內(nèi)置方法模擬城市產(chǎn)匯流，考慮到研究區(qū)下墊面構(gòu)成以及水文模型的分布式特點(diǎn)，利用內(nèi)置的ATO(area take off)模塊確定每個(gè)子匯水區(qū)的土地利用類(lèi)型組成，具體的水文參數(shù)則針對(duì)每一種土地利用類(lèi)型進(jìn)行設(shè)置。匯水區(qū)土地利用類(lèi)型大體上可以看作透水面和不透水面兩種，透水面采用霍頓下滲法計(jì)算下滲過(guò)程，不透水面則采用固定徑流系數(shù)法簡(jiǎn)化計(jì)算。凈雨的坡面匯流過(guò)程模擬采用基于非線性水庫(kù)和動(dòng)力波法的暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)。

本文中一維水動(dòng)力過(guò)程基于完全的圣維南方程組實(shí)現(xiàn)，采用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式求解；二維水動(dòng)力過(guò)程采用求解淺水方程模擬，并采用Roe格式近似黎曼解求解數(shù)值通量。管網(wǎng)匯流與河網(wǎng)匯流均為一維水動(dòng)力過(guò)程，兩者采用河道汊點(diǎn)連接，以實(shí)現(xiàn)水量的交換。一維與二維水動(dòng)力過(guò)程的交互過(guò)程有多種實(shí)現(xiàn)方式，本文采取了其中的兩種：①排水管網(wǎng)超載狀態(tài)下，溢流量形成地表淹沒(méi)；②河道與城區(qū)地表二維網(wǎng)格的橫向交互。在計(jì)算二維網(wǎng)格淹沒(méi)過(guò)程時(shí)，考慮到研究區(qū)內(nèi)建筑物較多，且建筑物所在區(qū)域一般不會(huì)被水流淹沒(méi)，因此，在構(gòu)建模型時(shí)，提前在ArcGIS中對(duì)建筑物圖層進(jìn)行預(yù)處理，并設(shè)置為空白區(qū)，與有效計(jì)算網(wǎng)格間無(wú)質(zhì)量與動(dòng)量交換，使其不參與二維水動(dòng)力過(guò)程的計(jì)算。網(wǎng)格分辨率設(shè)置為25～50 m2，模擬時(shí)間步長(zhǎng)取為10 s。

2.2 洪澇模型合理性分析

相比于天然流域，城市的空間尺度一般較小，這使得城市中的暴雨內(nèi)澇模擬往往缺乏足夠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)[22]。為說(shuō)明模型模擬結(jié)果的合理性，本文從兩個(gè)降雨場(chǎng)次水位數(shù)據(jù)、易澇區(qū)和典型積水點(diǎn)淹沒(méi)特征3個(gè)方面對(duì)模型合理性進(jìn)行分析。詳細(xì)的建模過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[10,23]，城市下墊面在模型中被簡(jiǎn)化為不透水面(道路、房屋等)與透水面(綠地等)。道路面固定徑流系數(shù)取0.95，匯流參數(shù)取0.018；房屋固定徑流系數(shù)取0.9，匯流參數(shù)取0.02；其他透水面采用霍頓下滲模型計(jì)算，匯流參數(shù)取0.025。

降雨是產(chǎn)生內(nèi)澇的主要原因，也是驅(qū)動(dòng)仿真模型的關(guān)鍵因素。暴雨強(qiáng)度公式采用DBJ13-52—2003《福建省城市及部分縣城暴雨強(qiáng)度公式》，其表達(dá)式為

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。設(shè)置10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4種降雨情景，降雨歷時(shí)為2 h降雨情景下，最大雨強(qiáng)分別為211.79 mm/h、238.05 mm/h、272.75 mm/h和298.96 mm/h，總降水量分別為83.04 mm、93.34 mm、106.94 mm和117.24 mm。

收集到2021年6月29日與2021年8月5日兩場(chǎng)降雨下晉安河兩個(gè)水位站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，兩個(gè)水位站(圖1)分別位于晉安河與鳳坂河交匯處(水位站1)和琴亭湖附近(水位站2)，圖2給出了模擬水位與實(shí)測(cè)水位的對(duì)比。經(jīng)分析，對(duì)于20210629場(chǎng)次降雨，均方誤差(mean square error, MSE)為0.012，均方根誤差(root mean square error, RMSE)為0.01；對(duì)于20210805場(chǎng)次降雨，MSE為0.016，RMSE為0.13。結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果基本吻合，模型對(duì)兩場(chǎng)降雨的模擬結(jié)果符合城市洪水的基本規(guī)律，表明模型較為可靠。

(a) 水位站1(20210629場(chǎng)次降雨)

(b) 水位站2(20210805場(chǎng)次降雨)圖2 兩場(chǎng)降雨實(shí)測(cè)水位與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of observed and simulated water levels of two rainfall events

圖3(a)和(b)分別為50年一遇和100年一遇兩種設(shè)計(jì)暴雨下的研究區(qū)模擬淹沒(méi)范圍與實(shí)測(cè)易澇點(diǎn)的對(duì)比，其中，紅色圓點(diǎn)表示30個(gè)實(shí)測(cè)歷史臺(tái)風(fēng)(包括“鲇魚(yú)”、“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)等)出現(xiàn)時(shí)研究區(qū)內(nèi)易澇點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心提供；而圖中藍(lán)色區(qū)域表示模擬出的淹沒(méi)范圍(統(tǒng)計(jì)了淹沒(méi)深度大于0.02 m的城區(qū)范圍)。可以看出：①在研究區(qū)大部分位置模擬效果較好，模擬位置和歷史易澇點(diǎn)位置基本吻合；②研究區(qū)北部模擬得到的淹沒(méi)區(qū)位置明顯多于給出的易澇點(diǎn)位置，這是由于北部區(qū)域位于山區(qū)與中心城區(qū)的銜接處，雖然局部位置有積水，但居民較少，缺乏足夠?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)；③實(shí)測(cè)易澇點(diǎn)是搜集的典型易澇位置，對(duì)其他局部小水深淹沒(méi)區(qū)未完全統(tǒng)計(jì)，因而模擬的淹沒(méi)范圍要更大。

(a) 50年一遇

(b) 100年一遇圖3 模擬淹沒(méi)區(qū)與易澇點(diǎn)位置對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated inundation areas and location of flood prone points

提取二維網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析，圖4為典型積水位置(五四區(qū)易澇位置，見(jiàn)圖3)的模擬淹沒(méi)水深過(guò)程線。淹沒(méi)水深約在模擬開(kāi)始后約100 min達(dá)到最大，比雨峰滯后約40 min；2種重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨的淹沒(méi)水深均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，其中，在淹沒(méi)水深增加階段，曲線斜率的變化反映出水深增加速率呈現(xiàn)由快到慢的過(guò)程，這與設(shè)計(jì)暴雨的雨型相一致。

圖4 五四區(qū)易澇位置模擬水深過(guò)程線Fig.4 Processes of simulated water depth at flood prone location in Wusi area

2.3 海綿改造措施及方案優(yōu)選

發(fā)展可持續(xù)的城市排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage system, SUDS)越來(lái)越被認(rèn)為是小型住宅、商業(yè)或休閑開(kāi)發(fā)計(jì)劃的必要措施。通過(guò)增加水流在下墊面上的入滲和蓄存量，使進(jìn)入地下排水系統(tǒng)的徑流量減少，或是通過(guò)改變匯流路徑等措施延緩各匯水區(qū)峰現(xiàn)時(shí)間，有效限制新開(kāi)發(fā)設(shè)施對(duì)下游現(xiàn)有排水系統(tǒng)的影響。在ICM中，SUDS建模結(jié)構(gòu)參考了建筑業(yè)研究與信息協(xié)會(huì)(Construction Industry Research and Information Association, CIRIA)報(bào)告與SWMM中的LID理念[24]。具體地，ICM中的SUDS模塊采用了池塘節(jié)點(diǎn)、側(cè)向流管道、可滲透連接以及子匯水區(qū)控制等措施。本文在進(jìn)行海綿改造時(shí)，兼顧綠色基礎(chǔ)設(shè)施與灰色基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同作用。綠色基礎(chǔ)設(shè)施是20世紀(jì)90年代中期提出的一個(gè)概念，提倡通過(guò)新的建設(shè)模式最大程度降低對(duì)原有自然生態(tài)環(huán)境的破壞，主要由LID設(shè)施和自然基礎(chǔ)設(shè)施(natural infrastructure，NI)構(gòu)成；灰色基礎(chǔ)設(shè)施指與城市雨洪管理相關(guān)的排水管網(wǎng)、蓄滯設(shè)施以及污水處理設(shè)施等[25]。ICM中，子匯水區(qū)可以采用生物滯留池、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、雨水桶與植草溝等SUDS措施，本研究中根據(jù)研究區(qū)下墊面土地利用類(lèi)型組成，采用生物滯留池、綠色屋頂與透水鋪裝組合的綠色源頭設(shè)施。其中，生物滯留池垂向結(jié)構(gòu)由表面層、土壤層與儲(chǔ)水層構(gòu)成，將降雨與附近徑流轉(zhuǎn)化為地表徑流、盲管排水、下滲量；綠色屋頂布設(shè)在典型房屋面上，由表面層、土壤層、排水墊層構(gòu)成，降雨與附近徑流經(jīng)轉(zhuǎn)化后主要轉(zhuǎn)為地表徑流與下滲量；透水鋪裝由表面層、土壤層、儲(chǔ)水層構(gòu)成，一般用來(lái)對(duì)不透水路面進(jìn)行改造，降雨與附近徑流轉(zhuǎn)化為地表徑流、盲管排水、下滲量。

城市洪澇過(guò)程具有多過(guò)程的特點(diǎn)，包括產(chǎn)匯流、管(渠)道排水、地表漫溢等基本過(guò)程，還伴隨河道漫溢、面源污染等過(guò)程。傳統(tǒng)綠色海綿側(cè)重于從源頭來(lái)治理內(nèi)澇，減少在一次降雨中直接匯入管網(wǎng)的水量，并削弱洪峰流量，而灰色海綿則側(cè)重于對(duì)排水過(guò)程中的水量進(jìn)行控制，不同的海綿改造方案對(duì)各過(guò)程的影響具有不確定性。管網(wǎng)系統(tǒng)、河網(wǎng)與地表是洪澇過(guò)程的基本媒介，本文在設(shè)置不同海綿改造方案后，采用熵權(quán)法賦權(quán)并對(duì)不同改造方案的效益進(jìn)行分析。賦權(quán)過(guò)程主要步驟包括：①確定樣本和指標(biāo)；②將原數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；③計(jì)算各指標(biāo)下樣本的比重；④計(jì)算指標(biāo)的熵值；⑤計(jì)算指標(biāo)的信息效用值；⑥計(jì)算指標(biāo)的熵權(quán)；⑦計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 海綿改造下的洪澇響應(yīng)

不同的海綿改造措施組合及空間布局產(chǎn)生不同的洪澇削減效果。晉安河片區(qū)占地面積較大，首先從全域尺度對(duì)片區(qū)進(jìn)行海綿改造，參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置海綿改造方案[11]。結(jié)合設(shè)計(jì)暴雨下研究區(qū)模擬結(jié)果，識(shí)別出晉安河片區(qū)內(nèi)的兩個(gè)易澇區(qū)域。一是琴亭湖下游至五四片區(qū)附近的中心城區(qū)(區(qū)域A，見(jiàn)圖3)；二是位于研究區(qū)西南部的五一中路與六一中路之間區(qū)域(區(qū)域B，見(jiàn)圖3)。結(jié)合研究區(qū)下墊面土地利用類(lèi)型組分與內(nèi)澇模擬結(jié)果設(shè)置了7種海綿改造方案。方案1為原始狀態(tài)下不添加任何措施，用來(lái)與其他方案進(jìn)行對(duì)比；方案2～4對(duì)片區(qū)全域進(jìn)行綠色海綿改造和灰色海綿改造；方案5～7對(duì)識(shí)別出的易澇區(qū)域A、B分別進(jìn)行海綿改造，但相比方案2～4，改造幅度更大。具體方案見(jiàn)表1。

表1 海綿改造方案Table 1 Sponge reconstruction schemes

采用福州10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4種重現(xiàn)期的降雨驅(qū)動(dòng)模型，在暴雨內(nèi)澇時(shí)，城市河道水位、地表淹沒(méi)面積以及管網(wǎng)溢流狀態(tài)均是內(nèi)澇的重要因素。分別統(tǒng)計(jì)各降雨情景下，沿晉安河的3個(gè)斷面(從上游至下游依次為上斷面、中斷面、下斷面，見(jiàn)圖1)的最高水位、城區(qū)最大淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)。圖5為6個(gè)指標(biāo)在各方案下的模擬結(jié)果，在同一種方案下，隨著重現(xiàn)期增加，河道關(guān)鍵斷面水位、淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在50年一遇的降雨情景下，最大淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)在方案4下表現(xiàn)最優(yōu)；3個(gè)斷面的水位在方案2下表現(xiàn)最優(yōu)。在方案4下，最大淹沒(méi)面積相比方案1(未改造方案)減少了236.4 hm2，占比46.5%；溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)相比方案1減少997個(gè)，占比47.4%；超載管道數(shù)相比方案1減少1 360根，占比33.9%。在方案2下，上斷面最高水位比方案1降低0.34 m，占比5.0%；中斷面最高水位比方案1降低0.21 m，占比3.7%；下斷面最高水位比方案1降低0.16 m，占比3.2%。其他重現(xiàn)期降雨下的規(guī)律與50年一遇降雨類(lèi)似。

(b) 中斷面最高水位

(c) 上斷面最高水位

(d) 最大淹沒(méi)面積

(e) 溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)

(f) 超載管道數(shù)圖5 50年一遇降雨下不同海綿改造方案下的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results in different sponge reconstruction schemes under rainfall with 50-year return period

3.2 海綿改造方案優(yōu)選

將反映管網(wǎng)溢流、河道水位、地表積水的6個(gè)關(guān)鍵洪澇指標(biāo)作為各方案的特征變量，并將不同重現(xiàn)期下各方案模擬結(jié)果代入，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算信息效用值。由于在應(yīng)對(duì)暴雨內(nèi)澇時(shí)，6個(gè)指標(biāo)均為逆指標(biāo)，即數(shù)值越小越優(yōu)，因此采用下式對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理：

(2)

式中：xij為第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)值；x′為歸一化后的指標(biāo)值；xjmax、xjmin分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大和最小值。

計(jì)算得到上斷面最高水位、中斷面最高水位、下斷面最高水位、最大淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)6個(gè)指標(biāo)的信息效用值依次為0.003、0.006、0.052、0.009、0.009、 0.004，指標(biāo)權(quán)重依次為0.037、0.080、0.614、0.112、0.109、0.048。以50年一遇降雨為例，7種方案綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分別為0.17、0.56、0.30、0.86、0.27、0.28、0.43，方案優(yōu)先排序?yàn)榉桨?、方案2、方案7、方案3、方案6、方案5、方案1。在10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇降雨情景下，7種海綿改造方案的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，海綿改造措施效益表現(xiàn)最好的方案均為方案4，且各方案優(yōu)先次序與50年一遇降雨下的結(jié)果基本一致。

表2 不同SUDS方案下的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Table 2 Comprehensive evaluation index under different SUDS schemes

3.3 海綿改造措施與湖庫(kù)調(diào)度的協(xié)同影響

海綿改造措施與湖庫(kù)調(diào)度均對(duì)緩解城市內(nèi)澇有著重要的作用，特別是針對(duì)福州等典型水系復(fù)雜的沿海城市，應(yīng)對(duì)暴雨內(nèi)澇時(shí)，城市湖庫(kù)調(diào)度對(duì)調(diào)節(jié)城市內(nèi)河水位以及防洪排澇起到至關(guān)重要的作用。湖庫(kù)調(diào)度通過(guò)預(yù)排預(yù)泄、錯(cuò)峰調(diào)度等方式加強(qiáng)對(duì)城市水系的控制，進(jìn)而在面對(duì)洪澇災(zāi)害時(shí)能夠維持河湖水位，防止河道漫溢造成后續(xù)災(zāi)害。海綿改造措施則更側(cè)重于減少城市開(kāi)發(fā)等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)原有城市水循環(huán)的干擾，通過(guò)增加地表下滲率等措施，提倡從源頭進(jìn)行治理，兩者相輔相成，共同組成城市防洪排澇協(xié)同治理體系。為進(jìn)一步分析海綿改造措施的影響和模型中的SUDS措施與湖庫(kù)調(diào)度協(xié)同作用下的洪澇響應(yīng)，考慮到與河道距離較近的區(qū)域更易受河湖水位影響，且二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算量一般較大，以琴亭湖下游附近的某排水片區(qū)為研究對(duì)象，分析湖庫(kù)聯(lián)合調(diào)度與SUDS措施組合情景下的城市洪澇情勢(shì)。

排水片區(qū)總面積為117.52 hm2，位于琴亭湖下游附近約0.5 km處，且琴亭湖入湖流量直接受八一水庫(kù)與井店湖調(diào)度控制影響，圖6為排水片區(qū)下墊面組成與水系概況。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，設(shè)置八一水庫(kù)、井店湖與琴亭湖各自的調(diào)度規(guī)則。暴雨前將八一水庫(kù)水位降至44.5 m以下，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)控制暴雨中水庫(kù)的下泄流量，當(dāng)水庫(kù)水位上漲時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟閘門(mén)增加下泄流量；當(dāng)水位超過(guò)48.1 m，維持下泄流量不超過(guò)100 m3/s。井店湖與附近河道由3個(gè)閘門(mén)相連接，通過(guò)比較湖水位與上游來(lái)水控制閘門(mén)啟閉；對(duì)琴亭湖則結(jié)合湖水位與出流量進(jìn)行控制，在湖水位不超過(guò)7.8 m時(shí)，保持出流量不超過(guò)80 m3/s[26]。

圖6 排水片區(qū)下墊面組成及水系Fig.6 Underlying surface composition and water system of drainage area

結(jié)合排水片區(qū)現(xiàn)狀設(shè)置了3組對(duì)比方案。方案1采用原始地塊，不進(jìn)行海綿改造，但由于海綿改造時(shí)往往會(huì)對(duì)原有的子匯水單元作一定調(diào)整，該方案采用的子匯水單元與海綿改造后保持一致；方案2在方案1的基礎(chǔ)上，增加SUDS措施，以綠色海綿為主，增加區(qū)塊土壤的滯蓄能力，不進(jìn)行灰色管道等的改造；方案3在方案2的基礎(chǔ)上，基于兩湖一庫(kù)的調(diào)度規(guī)則，在模型中增加實(shí)時(shí)控制(real time control, RTC)，通過(guò)調(diào)節(jié)管道水位邊界來(lái)緩解內(nèi)澇情勢(shì)，發(fā)揮海綿改造與調(diào)度控制協(xié)同效益。排水片區(qū)內(nèi)共有7種用地類(lèi)型，分別為房屋、道路、滲水廣場(chǎng)、不滲水廣場(chǎng)、裸土、綠地、水體。根據(jù)不同的用地類(lèi)型重新生成精細(xì)化的子匯水區(qū)，將其匯流至附近主干道多根管網(wǎng)中，并根據(jù)管道的長(zhǎng)度權(quán)重將每個(gè)集水區(qū)的徑流量分配到各個(gè)管道中。排水片區(qū)的SUDS措施設(shè)置為綠色屋頂、生物滯留池以及透水鋪裝3種，主要SUDS措施參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 3種SUDS措施主要參數(shù)設(shè)置Table 3 Main parameters of three SUDS measures

采用“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行情景模擬，2015年8月8日0:00至 8月9日0:00,“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)期間總降水量357.8 mm，降雨峰值發(fā)生在當(dāng)日18:25，峰值雨強(qiáng)70.8 mm/h，最大降雨集中在14:00至20:00，降雨過(guò)程線如圖7所示。

圖7 “蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)降雨過(guò)程線Fig.7 Rainfall process of typhoon Soudelor

圖8為“蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)降雨驅(qū)動(dòng)下，城市排水片區(qū)最大淹沒(méi)水深分布。由于河道可能與地表進(jìn)行水量的交互，在模型中將河岸與地表耦合，在統(tǒng)計(jì)淹沒(méi)面積時(shí)將河道漫溢到地表網(wǎng)格的水量也計(jì)入統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，排水片區(qū)在無(wú)海綿改造措施下的總淹沒(méi)面積為22.87 hm2；加入SUDS措施后，淹沒(méi)面積下降為22.48 hm2；進(jìn)一步加入調(diào)度規(guī)則后，總淹沒(méi)面積進(jìn)一步下降為9.83 hm2。排水片區(qū)最大淹沒(méi)水深與流速的模擬結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，在添加SUDS設(shè)施后，各水深分區(qū)及流速分區(qū)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)面積均有不同程度的改善。基于洪水危險(xiǎn)性計(jì)算方法[10,27]，由淹沒(méi)水深和流速得到危險(xiǎn)性值HR。將情景模擬下的淹沒(méi)面積根據(jù)淹沒(méi)水深、淹沒(méi)流速及危險(xiǎn)性值HR進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果見(jiàn)表5。方案2與方案1相比，輕度危險(xiǎn)性區(qū)域面積減少2.2%，中度危險(xiǎn)性區(qū)域面積增加0.7%，重度危險(xiǎn)性區(qū)域面積減少2.4%，極重度危險(xiǎn)性區(qū)域面積無(wú)變化。提取排水片區(qū)西南側(cè)魁爐頭巷的積水過(guò)程發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)海綿改造后，最大淹沒(méi)水深由0.67 m降低為0.64 m，峰現(xiàn)時(shí)刻由19:48延遲到20:08，滯后20 min。這是由于海綿設(shè)施的建設(shè)，使得排水片區(qū)土壤入滲量與存蓄量相應(yīng)增加，且增大的糙率對(duì)水流會(huì)產(chǎn)生一定程度的阻滯作用，因此，海綿改造對(duì)地塊發(fā)生淹沒(méi)具有一定的滯后效應(yīng)。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

圖8 “蘇迪羅”臺(tái)風(fēng)降雨驅(qū)動(dòng)下排水片區(qū)最大淹沒(méi)水深分布Fig.8 Distribution of maximum water depth in drainage area under typhoon Soudelor

表4 不同淹沒(méi)水深與流速對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)面積Table 4 Inundation areas corresponding to different water depths and velocities

表5 不同洪水危險(xiǎn)性值對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)面積Table 5 Inundation areas corresponding to different flood hazards

此外，方案3與方案1相比，輕度、中度、重度、極重度危險(xiǎn)性區(qū)域面積分別減少了45.4%、53.1%、83.1%和38.5%。在考慮河道與地表網(wǎng)格的側(cè)向連接后，相比于僅采用SUDS措施，引入湖庫(kù)聯(lián)合調(diào)度規(guī)則使得城區(qū)內(nèi)澇情勢(shì)緩解明顯，這主要是因?yàn)椋孩俸?kù)調(diào)度直接減弱了河道漫溢的影響。通過(guò)湖庫(kù)調(diào)度利用預(yù)先騰空的庫(kù)容進(jìn)行蓄水，并有效控制了下泄流量。而未采用調(diào)度措施時(shí)，河段水位過(guò)高時(shí)發(fā)生了漫溢，附近地勢(shì)低洼地帶發(fā)生內(nèi)澇，特別是在極端暴雨內(nèi)澇時(shí)，河道漫溢水量與二維地表通過(guò)側(cè)向耦合進(jìn)行交互，相比于提高管網(wǎng)下邊界，河道漫溢的水量造成的淹沒(méi)往往更大。②湖庫(kù)調(diào)度間接減弱了管網(wǎng)下邊界的影響。由于管網(wǎng)下游直接匯入河道，河道水位為這部分管網(wǎng)提供了下邊界條件。通過(guò)湖庫(kù)調(diào)度合理調(diào)蓄水庫(kù)下泄流量與河道斷面水位，進(jìn)而將管網(wǎng)下邊界維持在更安全的范圍，間接提升了管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力。可以看出，單純的源頭海綿治理措施在面對(duì)暴雨或大暴雨時(shí)的效果有一定局限，宜通過(guò)其他工程措施對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行協(xié)同治理。

4 結(jié) 論

a.比較晉安河片區(qū)7種SUDS方案，在同一種方案下，隨著重現(xiàn)期增加，河道關(guān)鍵斷面水位、淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在50年一遇的降雨情景下，最大淹沒(méi)面積、溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)、超載管道數(shù)在方案4下表現(xiàn)最優(yōu)，而3個(gè)斷面的水位在方案2下表現(xiàn)最優(yōu)。方案4與方案1對(duì)比，最大淹沒(méi)面積減少46.5%，溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)減少47.4%，超載管道數(shù)減少33.9%。方案2與方案1對(duì)比，上斷面、中斷面、下斷面最高水位分別降低5.0%、3.7%、3.2%。其他重現(xiàn)期降雨下的規(guī)律與50年一遇降雨類(lèi)似。

b.4種重現(xiàn)期降雨下，經(jīng)過(guò)熵權(quán)法評(píng)估的晉安河片區(qū)7種SUDS方案優(yōu)先選擇次序?yàn)榉桨?、方案2、方案7、方案3、方案6、方案5 和方案1(無(wú)海綿改造)，最佳方案為方案4。

c.對(duì)蘇迪羅臺(tái)風(fēng)降雨模擬結(jié)果顯示，琴亭湖附近排水片區(qū)無(wú)海綿改造措施下的總淹沒(méi)面積為22.87 hm2；加入SUDS措施后，淹沒(méi)面積下降為22.48 hm2；進(jìn)一步加入湖庫(kù)調(diào)度后，總淹沒(méi)面積下降為9.83 hm2。此外，海綿改造對(duì)排水片區(qū)淹沒(méi)有一定的滯后效果，經(jīng)過(guò)海綿改造后，排水片區(qū)西南側(cè)魁爐頭巷最大淹沒(méi)水深由0.67 m降低為0.64 m，峰現(xiàn)時(shí)刻由19:48延遲到20:08，滯后20 min。

d.本文排水片區(qū)算例中考慮了在暴雨洪澇時(shí)河道與地表的交互，針對(duì)河湖蓄存量和下泄量進(jìn)行調(diào)控的湖庫(kù)調(diào)度對(duì)洪澇的減緩作用明顯優(yōu)于海綿改造。