于星濤

（1.濟南市規(guī)劃設計研究院，山東 濟南 250101；2.同濟大學道路交通工程重點實驗室，上海市 200092）

0 引 言

氣候變化帶來的洪澇災害已成為當前國內外城市普遍需要系統(tǒng)解決的的安全隱患[1]。黃河下游段泥沙淤積，成為“地上懸河”[2]；兩岸沖積平原的地勢十分平緩，存在歷史洪澇災害多、承載能力弱等問題[3]。為此，《黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出：沿黃城市群規(guī)劃、建設、管理中要貫穿全生命周期管理理念，加強防洪減災、排水防澇等公共設施建設，增強大中城市抵御災害能力[4]。

黃河下游平原新區(qū)的國土空間規(guī)劃應積極借鑒人與自然和諧共處的綠色發(fā)展理念，科學統(tǒng)籌城市三維空間發(fā)展和防洪排澇安全兩大任務。國內外學者利用洪澇模型對城市防洪排澇規(guī)劃開展了大量研究[5]，并在水文水動力模型耦合應用方面取得了一定進展[6]。但在平原新區(qū)國土空間規(guī)劃的水模型應用方面存在諸多問題，如：與空間規(guī)劃和豎向規(guī)劃銜接不足，模型精度難以滿足多尺度空間下的規(guī)劃要求等。本文結合濟南起步區(qū)實例，探討綜合運用DHI MIKE專業(yè)軟件，構建精細化的一二維耦合的水系統(tǒng)模型，統(tǒng)籌優(yōu)化平原新區(qū)的雨洪安全格局，通過全過程介入為國土空間規(guī)劃提供專業(yè)性強，兼具系統(tǒng)性和實施性的豎向規(guī)劃和防洪排列一體化解決方案。

1 研究范圍及目標

1.1 地形地貌特征。

研究區(qū)是當前正在建設的濟南新舊動能轉換起步區(qū)，位于濟南市北部的黃河沖洪積平原上，其地貌形態(tài)受黃河影響較大[7]。由于黃河多次變遷沖刷淤積，區(qū)內地貌平緩低洼，現(xiàn)狀地面高程多在18～28 m之間，制高點鵲山海拔約110 m。整體地勢南高北低，坡降約萬分之二，屬于平坦易澇地區(qū)。

1.2 雨洪特征分析

研究區(qū)的河道洪水主要由當?shù)氐募斜┯晷纬?，河道連續(xù)最大4 個月天然徑流量占全年徑流量85%～90%。由于流域現(xiàn)狀坡降小，地表匯流速度慢，排水時間長，夏季集中降雨易形成復式洪峰或連續(xù)洪峰。黃河大壩堤頂和堤外高差在10 m 以上，區(qū)內澇水無法直接排入黃河。徒駭河作為主要排水出路，距離建設區(qū)較遠（約30 km），其上游有外洪匯入，下游平緩、排水不暢，易形成頂托并引發(fā)洪澇災害。

1.3 水力模型構建的必要性及應用目標

研究區(qū)現(xiàn)狀建設用地比例低，地表透水率較好，地下水位較淺，新區(qū)的規(guī)劃建設將帶來硬化面積增加。如何堅持城鄉(xiāng)統(tǒng)籌，降低開發(fā)影響，確保用地防洪排水安全，是新區(qū)規(guī)劃建設之初就應當重點協(xié)調解決的難點問題。在國土空間規(guī)劃的初始階段就引入水力模型，對用地空間布局、豎向規(guī)劃、防洪排澇規(guī)劃等領域的現(xiàn)狀評估和劃具編制有支撐作用。通過規(guī)劃模型推演和校核，有助于建立和優(yōu)化新區(qū)的防洪排澇體系，對科學規(guī)劃雨洪蓄滯和利用空間，增強城市藍綠空間的韌性具有積極作用[8]。

2 模型原理及構建

2.1 設計暴雨

濟南市年平均降水量671.1 mm，存在降水時間和空間分布不均的現(xiàn)象。降水集中在汛期（419～568 mm），并由東南山區(qū)往西北平原逐漸減少。

徒駭河干流段無水文站，鄰近水文站有宮家閘、堡集閘水文站，研究區(qū)內及鄰近有垛石、劉家莊、吳家鋪、黃臺橋、孫耿、大陳家莊、夏口、雀許閘等雨量站。對宮家閘水文站（1970—2012 年）實測最大洪峰流量和孫耿站（1965—2016 年）實測短歷時暴雨進行經(jīng)驗頻率分析，對宮家閘實測洪水和孫耿實測暴雨進行遭遇分析，選定50 a 一遇平原澇水遭遇徒駭河干流20 a 一遇洪水作為水文邊界。

徒駭河的設計洪水過程計算采用瞬時單位線參數(shù)公式M1=1.34F0.463。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，借鑒《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》和《山東省水文圖集》推算起步區(qū)設計暴雨參數(shù)，計算各個頻率的年最大24 h 降雨量見表1。

降雨過程選取“魯北及小清河流域”設計雨型，確定起步區(qū)的20 a 一遇和50 a 一遇降雨過程。

2.2 河網(wǎng)水動力學模型

2.2.1 控制方程

利用DHI MIKE 11 對研究區(qū)相關河網(wǎng)水流進行一維的長時間序列的模擬計算，采用圣維南方程組：

式中：x、t 分別為計算點距離和時間；Q 為流量；h 為水位；q 為側向入流流量；R 為水力半徑；α 為動量校正系數(shù)；g 為重力加速度；A 為過水斷面面積；C 為謝才系數(shù)[9]。

2.2.2 定解條件

初始條件設置為斷面測量時的水位，流量設置為零。根據(jù)《海河流域綜合規(guī)劃》，確定徒駭河上游邊界控制點為老趙牛河入河口，下游邊界控制點為李美生上入河口。上游邊界條件結合徒駭河流量設置，下游邊界條件由設計水位進行控制。

模型入流邊界，現(xiàn)狀工況采用研究區(qū)50 a 一遇和20 a 一遇120 h 的平原澇水過程；規(guī)劃工況采用考慮建設區(qū)下墊面變化后研究區(qū)50 a 一遇和20 a一遇120 h 的平原澇水過程。

模型下游水位邊界，現(xiàn)狀工況及規(guī)劃工況均采用徒駭河20 a 一遇和10 a 一遇120 h 設計洪水位過程。

現(xiàn)狀工況平原河網(wǎng)綜合糙率采用0.03，規(guī)劃工況的平原河網(wǎng)綜合糙率采用0.028，基本符合沖積平原地區(qū)河道糙率系數(shù)取值規(guī)律。

2.2.3 水系概化

模型概化骨干河道見圖1，包括：六六河、齊濟河、牧馬河、垛石河、大寺河、青寧河、大王廟干渠、牧鵲河及徒駭河等重要河道。模型中的河道實測斷面間隔為500 m。概化重要水閘包括：六六河閘、齊濟河閘、牧馬河閘、垛石河閘及大寺河閘等。

圖1 研究區(qū)河網(wǎng)模型概化圖

2.3 一、二維耦合水動力模型

2.3.1 參數(shù)設置

在二維潮流數(shù)值模擬中，將研究區(qū)的空間細分為四邊形小單元，在保證計算精度的情況下，模擬研究區(qū)超標準洪水洪泛情況，結合研究區(qū)范圍內各類空間的多樣化組合選取合適的糙率，設定糙率考慮略高于一維河道糙率。

2.3.2 精細化地表模型構建

研究區(qū)屬于平原河網(wǎng)區(qū)，河道匯流出口不清晰，地形DEM 需要精細化建模。根據(jù)高精度地形資料，建立研究區(qū)域二維地形文件，網(wǎng)格精度為20 m×20 m，真實體現(xiàn)復雜地形特征及水流邊界。同時，將建筑物、水系、坑塘和排水溝刻畫到DEM 中，例如賦予房屋建筑一定實體高度，實現(xiàn)屋面雨水下排和建筑、道路等實體阻水效果。

2.3.3 一、二維耦合水動力模型

本文河道采用一維模型（MIKE11），平原洪泛區(qū)采用二維模（MIKE21），并利用MIKE Flood 將二者動態(tài)耦合。一維模型可實現(xiàn)對各水閘進行靈活控制，并對河道水位及流量進行計算；利用二維模型模擬洪水漫堤后在寬淺平原洪泛區(qū)的演進。

3 雨洪模擬及應用

3.1 國土空間規(guī)劃中的雨洪模型應用重點

平原新區(qū)國土空間規(guī)劃應堅持“形與流”的有機一、相互協(xié)調和互為反饋?！靶巍笔菄量臻g規(guī)劃城鄉(xiāng)三維空間形態(tài)，“流”包括水流、氣流和生物流等要素[11]，本文主要是指河流。所謂“形流合一”，就是以高精度數(shù)字地形模型[12]和水文水動力模型為支撐[13]，合理選擇和利用地形條件，有序構筑開放式大排水體系[14]；通過分區(qū)排水、分類施策、分級管控，建立和傳導“生態(tài)、安全、經(jīng)濟、多元”的城市雨洪安全格局和管控傳導機制，從而有序推動空間形態(tài)優(yōu)化，切實增強洪澇安全和城市韌性，實現(xiàn)生態(tài)特色保護和城鄉(xiāng)高質量發(fā)展的耦合協(xié)調[15]。

3.2 現(xiàn)狀洪澇模擬及應用

（1）現(xiàn)狀河道排水能力及淹沒分析

目前，研究區(qū)段的黃河大堤防洪標準可滿足11 000 m3/s 流量，徒駭河起步區(qū)段可滿足50 a 一遇的防洪標準。當研究區(qū)遭遇50 a 一遇暴雨時，易淹河段主要為：大寺河中下游、齊濟河全段、牧馬河中游、垛石河全段、青寧河全段及六六河全段。

通過耦合研究區(qū)的一維水動力學模型及二維地形模型，分析得出現(xiàn)狀二維易淹沒范圍見圖2，淹沒區(qū)域主要在齊濟河、牧馬河及大寺河中、下游，建設區(qū)用地布局應盡量避開這些易淹沒區(qū)域。50 a 一遇工況下，當內河水系遭遇徒駭河高水位，排澇不暢時，內澇范圍主要分布在太平、孫耿、崔寨、濟陽和桑梓店等行政區(qū)域。其中，太平片區(qū)和濟陽片區(qū)受淹范圍最廣，淹沒水深約1～3 m；其余行政區(qū)受淹水深約0.5～1 m。

圖2 遭遇徒駭河高水位情況下50 a 一遇暴雨現(xiàn)狀易澇區(qū)分析

（2）以內澇風險評估為基礎優(yōu)化建設用地選擇

綜合運用GIS 和傾斜攝影等技術支撐，建立高精度數(shù)字地形模型進行綜合評估。結合農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城鎮(zhèn)空間的多樣化組合類型特征[16]，通過內澇風險綜合分析，順應南高北低的平原地形，合理布局“南城、北田、中蓄”的城鄉(xiāng)三維布局形態(tài)。維護北部自然地形和田園風貌，強調“山水林田城鄉(xiāng)”等要素的三維空間融合。按照“建高地、蓄洼地”的原則，優(yōu)先利用南部地勢較高（高于21.2 m）、洪澇災害輕的場地進行集中建設，沿黃河兩岸形成帶狀組團式布局。結合黃河下游平原溝渠水網(wǎng)特色，形成疏密有度、藍綠圍合的“島嶼式”豎向組團發(fā)展模式，應對歷史澇災頻繁的難題。

3.3 規(guī)劃洪澇模擬及應用

3.3.1 模型應用思路

在起步區(qū)現(xiàn)狀河道模型基礎上，疊加規(guī)劃用地條件，分析城市化后大面積建設用地實施對地區(qū)排澇形勢影響，找準現(xiàn)狀河道淹沒較重的薄弱環(huán)節(jié)。在起步區(qū)規(guī)劃用地條件基礎上，針對現(xiàn)狀河網(wǎng)評估結論，對部分河段進行斷面拓寬或底泥清淤，增加必要的規(guī)劃河道，形成規(guī)劃河網(wǎng)，按照50 a 一遇的城市防洪標準，初步添加調蓄體和閘門等調蓄節(jié)制設施，模擬50 a 一遇降雨強度。根據(jù)模擬結果優(yōu)化河道斷面、調蓄體布局、閘門布局等方案，確定防洪排澇工程的最終合理布局。

3.3.2 規(guī)劃排澇整治方案評價

起步區(qū)規(guī)劃排澇整治方案主要包括主干河道清淤、疏浚及拓寬整治、增設調蓄體和拓寬內河水系排澇口門規(guī)模等方面。結合現(xiàn)狀排澇問題和水動力模型計算結果，利用藍綠空間用地增設6 個調蓄空間，總蓄滯容積為2 207 萬m3；同時，增設大寺河與牧馬河交匯處排澇控制閘等閘門工程方案。根據(jù)模擬結果反復調整河道斷面、河道縱坡、蓄滯體和閘門的空間布局、規(guī)模等參數(shù)，同時兼顧橋梁凈空要求、規(guī)劃用地限制及河道性質改變等多方面因素，使得起步區(qū)城建區(qū)滿足50 a 一遇排澇要求，非城建區(qū)滿足20 a一遇排澇要求。

3.3.3 開放式排水體系構建

疏通大寺河、垛石河、牧馬河、牧鵲河、齊濟河、六六河等排澇河道，維護河道生態(tài)岸線，利用現(xiàn)有溝渠水系，構筑間距合理（1～1.5 km）、相互連通的平原水網(wǎng)。降低沿線綠化及生態(tài)用地高程，構筑開放式城鄉(xiāng)排水系統(tǒng)。結合地表徑流和匯水分區(qū)，以藍綠網(wǎng)絡圍合成匯水單元。結合上下游邊界條件和匯水分區(qū)[17]，以水文、水動力模型為支撐進行洪澇分析[18]，確定防洪河道、排澇河道、行泄通道等藍綠廊道的規(guī)劃功能、水位和斷面。藍綠廊道網(wǎng)絡的間距一般在1～2 km，雨季作為蓄滯空間和排水通道，提高內澇防治能力，旱季為綠化等生態(tài)、游憩用地。同時可以協(xié)調土地利用布局，分區(qū)實現(xiàn)雨水就近排放，在保障城市雨洪安全的前提下，有效降低填挖工程造價。

3.3.4 河道規(guī)劃水位控制

規(guī)劃在內部河道銜接徒駭河、小清河防洪水位基礎上，采用水力坡度推算、水力模型校驗、豎向高程校核等方法，綜合確定內部排澇河道主要節(jié)點的排澇水位，作為后續(xù)規(guī)劃設計的水位管控依據(jù)，并提取設計除澇水位，繪制主干排澇河道規(guī)劃河道水面線（見圖3）。

圖3 大寺河水面線

在豎向規(guī)劃高程設計中，豎向排水方向應結合水模型規(guī)劃匯水分區(qū)進行設計。兩者相互銜接和協(xié)調統(tǒng)一，最大程度上保證區(qū)域填挖的經(jīng)濟性。道路最低標高應不小于相鄰河道控制點20 a 一遇水位加1.5 m，且不小于50 a 一遇水位，重要節(jié)點最低標高不小于50 a 一遇水位加0.5 m，保證沿河路不對地表徑流形成阻隔。

4 結 語

國土空間規(guī)劃中的水模型構建和應用需要遵循生態(tài)安全、洪澇安全與城市建設共同迭代進步的思路，緊密結合現(xiàn)狀薄弱點和不斷變化的發(fā)展需求，將城市防洪排澇及豎向系統(tǒng)一體化設計、一體化建設，加強河道系統(tǒng)的優(yōu)先建設，形成防御外洪與治理內澇并重的防災系統(tǒng)。后續(xù)可依托水動力學模型，構建防洪排澇調度決策管理系統(tǒng)。