徐 冰 ，雷曉輝 ，王 昊 ，康愛卿

（1.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

受城市大規(guī)模建設影響，內河水系萎縮，雨水調蓄能力下降，城區(qū)水循環(huán)系統和地表徑流過程變差，造成嚴重的內澇災害［1-3］。構建內澇防治體系，提高管網設計標準，積極推進水力模型新技術應用，是應對城市內澇的重要舉措［4-5］。SWMM［6］可用于城市排澇系統的全過程模擬和規(guī)劃管理，在國外已得到廣泛應用［7-8］。在國內，董欣等［9］利用SWMM模型，驗證其在區(qū)域排水分析計算方面的有效應用，結合不確定性分析算法，研究不透水下墊面區(qū)的徑流過程和污染負荷［10］。劉俊等［11］基于SWMM模擬上海市區(qū)的地面積水全過程，并引入了防汛決策系統。陳睿星等［12］通過構建SWMM模型，對城市管網排水能力進行評估，在分析節(jié)點溢流和管道過載的基礎上提出了管網優(yōu)化方案。李彥偉等［13］基于SWMM模擬不同重現期和淤積狀態(tài)下兩種管網優(yōu)化方案，發(fā)現增大管徑比改變節(jié)點高程更高效，緩解溢流量的效果更好。由于SWMM在二維模型方面的局限性，黃國如等［14］基于英國Wallingford公司開發(fā)的Infoworks ICM軟件模擬城市暴雨內澇，研究不同重現期下積水范圍和淹水深度的變化?？艿盍嫉龋?5］結合SWMM和Infoworks的各自優(yōu)勢建立雨水徑流模型，對三種低影響開發(fā)措施的水文效果做出了詳細的對比分析。此外，何嘉莉等［16］通過開發(fā)設計監(jiān)測系統，對城市內澇實現了數字化管理。來麗芳等［17］基于物聯網監(jiān)測技術，結合閘站要素提出聯合調度方案。對沿海城市而言，改造管網或整改河道等工程耗時耗力，而有效利用庫湖閘站聯合調度的研究更具經濟效益，可與物聯網監(jiān)測系統和智慧水務接軌，根據洪澇情況及時調整調度方案，發(fā)揮現有工程的價值，具有較高的靈活性。本文以福州市晉安河流域為例，同時考慮山區(qū)水庫泄洪和外江漲潮影響，利用SWMM模型模擬管網節(jié)點溢流情況，基于Infoworks模擬地表淹沒，結合現有工程，提出以上游水庫調洪和下游閘站調度相結合的方式削減洪峰，緩解城市內澇，為當地防洪排澇和水系調度提供借鑒措施。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)基本信息福州位于東南沿海的閩江下游地區(qū)，氣候屬于海洋性亞熱帶季風氣候，年降雨量1367.5 mm。每年7—9月是臺風活動期，將帶來特大暴雨。本文選擇福州市內澇最為嚴重且水系復雜的晉安河流域作為研究區(qū)域，研究區(qū)西側為白馬河水系，東側為磨洋河水系，可通過關閉內河水閘切斷與晉安河流域的水力聯系。研究區(qū)面積79.5 km2，其中城區(qū)面積49.3 km2，上游山區(qū)面積30.2 km2。晉安河主河道自琴亭湖始，經光明港流入閩江，全長6682.7 m，平均河寬38 m。研究區(qū)內河網密集，共計24條河流。具有調蓄功能的庫湖僅為八一水庫、井店湖、琴亭湖。河道基本信息如表1所示，水系分布如圖1所示。研究區(qū)平均坡度3.86%，以綠地、水系為主的透水地表面積48.2 km2，占比60.58%，以房屋、道路為主的不透水地表面積31.3 km2，占比39.41%。研究區(qū)地形如圖2所示，城區(qū)北側緊靠山地，南側瀕臨閩江。

表1 研究區(qū)河道基本信息

圖1 研究區(qū)水系

圖2 研究區(qū)DEM示意

2.2 歷史洪澇災害2005年以來，共有23場強臺風或超強臺風登陸福州，造成7次大范圍內澇災害。僅2016年9月，“莫蘭蒂”和“鯰魚”兩場臺風接連登陸，平均降雨量高達173 mm，遠超同期歷史極值。2005年10月，強臺風“龍王”帶來的降雨造成市區(qū)重要路段全淹，淹沒面積多達14 km2，歷時20 h，全市交通陷入癱瘓。2015年8月，“蘇迪羅”臺風創(chuàng)下福州市歷史單日最大雨量，晉安站最大1 h雨量52.7 mm，最大3 h雨量222.6 mm，最大12 h雨量296.1 mm。受強臺風風暴潮影響，閩江高潮水位6.7 m，超過警戒水位0.41 m，城區(qū)共出現97處積澇點，受災人數近48.66萬人，造成嚴重的經濟損失。

2.3 現行防澇標準研究區(qū)現行暴雨強度公式根據福建省《城市及部分縣城暴雨強度公式》選用。在重要主干道和下沉廣場等易澇區(qū)，雨水管網系統設計重現期2～3年，管徑0.8～3 m，一般地區(qū)重現期為1年，管徑0.15～0.5 m。下游閩江防洪堤按200年一遇防洪標準建設，堤頂搶險道寬度大于10 m。江北山洪防治標準為50年一遇，八一水庫按50年一遇標準設計，按500年一遇標準校核，防洪庫容111萬m3，正常水位48.2 m，汛限水位46.0 m。為降低山洪對城區(qū)的壓力，修建井店湖和琴亭湖。井店湖最大可調節(jié)庫容18.4萬m3，常水位12.5 m。琴亭湖最大可調節(jié)庫容105萬m3，常水位5.0 m。晉安河上游五四北片區(qū)的排澇標準可達5年一遇，不滿足10年一遇。當前內河建設標準為5年一遇，城區(qū)河道寬度約4～48 m。

3 內澇模型構建

本文內澇模型包括一維管網模型和二維地表模型，前者基于SWMM計算管網溢流和河道水位，后者基于Infoworks ICM計算地表淹沒。SWMM利用非線性水庫模型與Horton模型相結合的方法計算產匯流，利用運動波方程計算管渠間水力關系［18］。Infoworks采用二維有限體積法來求解淺水流方程組，利用Rienmann求解器計算洪水流向和深度。

3.1 模型概化根據當地相關部門提供的庫湖、河道、管網和地形等測繪數據進行內澇模型構建。水庫和湖泊統一概化為蓄水節(jié)點。中心城區(qū)河道斷面間隔10～50 m，山區(qū)和入江河道斷面間隔100～150 m。建模時將河道概化為矩形明渠，根據當地資料，河道綜合糙率取0.036，光明港河段取0.029。保留主干道和街區(qū)內主要管網，梳理管網平面結構，圓管總長271.8 km，平均管徑0.56 m，矩形暗渠總長20.4 km，橫截面平均面積0.44 m2，管道糙率取0.013。管底高程1.51～65.6 m，檢查井深度5～12.6 m。匯水區(qū)先按河道分區(qū)，再通過泰森多邊形法創(chuàng)建，可概化為非線性蓄水池。水流路徑長度按水流速度0.5 m和地表漫流時長10 min計算，從而推出相應匯水區(qū)寬度。依據地表土地利用分布情況提取模型的產、匯流參數，按面積加權平均后，算得不透水百分比58.23%，不滲透表面粗糙系數0.04，滲透表面粗糙系數0.041，不滲透洼地蓄水2.662 mm，滲透洼地蓄水3.041 mm，無洼地蓄水百分比25%，最大下滲75.27 mm/h，最小下滲15.67 mm/h，以上均為研究區(qū)平均值。

最終構建SWMM模型包括：河道總長64.4 km；管網節(jié)點13 163個，管段13 768條，總長292.2 km；上游包括3座水庫和2個人工湖；共劃分匯水區(qū)13 770個，總面積79.5 km2。SWMM模型的GIS數據和建成的模型如圖3和圖4所示，放大部分的節(jié)點代表管網節(jié)點和河道節(jié)點，居中較粗的為河道中心線，其余為管道線，匯水區(qū)以小多邊形表示。管網模型建立完成后，結合地形構建地表二維漫流模型，用于模擬內澇積水淹沒。

圖3 研究區(qū)基礎數據GIS圖

圖4 研究區(qū)SWMM模型

3.2 模型率定依據2016年鯰魚臺風降雨的實測水位數據和實測淹沒數據對模型進行率定。該次降雨總量265.5 mm，1∶00-8∶00為第一個降雨峰值，平均雨強16.7 mm/h，第二個降雨峰值出現在17∶00，降雨強度48.4mm/h。管網模型中，不同下墊面的不透水百分比、粗糙系數、洼地蓄水、下滲、衰減系數等產匯流參數和管道糙率值，是根據經驗值選取，不完全適用于晉安河流域，需在率定過程中調整。本次模擬最大淹沒時刻出現于4∶15，最大水深2.55 m，淹沒面積11.76 km2。如圖5所示，模擬淹沒范圍和實測淹沒點分布基本吻合。河道實測水位取晉安河自琴亭湖以下第3個斷面，位置如圖4所示。據歷史資料統計該斷面區(qū)域受災情況最為嚴重。率定后的實測水位過程與模型模擬的水位過程如圖6所示。隨著1∶00-4∶00時高強度降雨，水位在5∶00-6∶00迎來第一個峰值，峰值誤差7.3%，后因降雨減小，水位回落，18∶00-19∶00出現第二個峰值，峰值誤差8.2%。如圖7所示，兩次峰值的模擬水位和實測水位誤差均在10%以內，說明模型擬合度較高，可用于研究區(qū)的內澇模擬評估。

圖5 淹沒范圍與淹沒點分布

圖6 同場降雨時段實測水位與模擬水位過程線

圖7 同場降雨模擬淹沒水深與實測水深柱狀圖

4 現狀排水系統分析

4.1 降雨及邊界條件經調研，由于缺乏有效的調度措施，研究區(qū)在強降雨事件下經常出現內澇，“蘇迪羅”臺風期間災害尤為嚴重，因此，針對“蘇迪羅”降雨事件對研究區(qū)排水系統進行分析。將臺風實測降雨數據作為模型計算的輸入條件，為和潮位時間序列保持一致，取2015年8月8日0∶00到8月9日0∶00期間“蘇迪羅”臺風降雨數據，總降雨量357.8 mm，峰值雨強70.8 mm/h，最大降雨集中在14∶00至20∶00，降雨過程線如圖8所示。處理下游邊界時，選取瀛洲河下游的江四水閘、光明港一支河下游的東風水閘、光明港下游的魁岐水閘作為出水口，將每個水閘的外江潮位過程線作為出水口的水位輸入數據，如圖9所示。

4.2 模擬分析未加入調度規(guī)則時，模擬研究區(qū)在該臺風降雨情景下的管網溢流和淹沒范圍，總溢流量2682.6×103m3，淹沒面積15.84 km2，最大水深2.76 m，分布如圖10所示。北部山區(qū)淹沒水深普遍在0.1 m以下，考慮到山區(qū)防洪標準為50年一遇，管網分布少，河道較深，所以內澇情況并不嚴重，山洪可及時通過下泄河道匯入琴亭湖。平原區(qū)晉安河中上游段，尤其是河兩岸出現超過1.0 m的水深，多處在0.1～0.5 m之間，同時管網溢流量較大，表明管道積水無法順暢地排入河道，以致于大面積溢流，造成內澇災害。城區(qū)下游地勢較低，淹沒水深普遍大于0.5 m。因集中降雨時間與外江漲潮一致，受潮位頂托影響，內河高水位無法通過光明港排入閩江，只能漫流至地表，成為內澇重災區(qū)。共計1655個管網節(jié)點出現溢流，其中1532個節(jié)點溢流量小于5000 m3，3個節(jié)點溢流量大于50 000 m3，統計結果如表2所示。最大節(jié)點溢流量85.5×103m3，位于琴亭湖下游，緊靠晉安河主河道，受河水倒灌影響最為顯著。

圖9 下游水閘外江潮位過程線

圖8 “蘇迪羅”臺風晉安站實測降雨過程線

仍取圖4標注的斷面位置為例，繪制河道水位變化過程線，如圖11所示，排水管出口高程3.1 m。當庫湖自由泄流無調度時，河道水位變化與降雨過程線保持一致，初期水位較低，自14∶00開始升高，最大淹沒時刻較最大降雨時刻有延遲，集中在16∶00至20∶00之間。最高水位4.03 m，高于排水管出口0.93 m。21∶00后降雨量減小，河道水位回落，由于地面積水通過管網匯入河道，水位線發(fā)生明顯震蕩。管網排水結束后，河道水位平穩(wěn)下降。

圖10 無調度時研究區(qū)管網節(jié)點溢流與淹沒水深

表2 無調度時研究區(qū)管網節(jié)點溢流量

圖11 無調度時受災區(qū)河道水位變化過程線

結合現行防洪標準，研究區(qū)內管網設計重現期不足10年一遇，難以承受強降雨。從琴亭湖下游的河道水位變化可以發(fā)現，山區(qū)洪水幾乎在同一時段全部匯集到琴亭湖。由于琴亭湖自由泄流，下游晉安河主河道的水位迅速抬高，高于管道排放口，迫使管網節(jié)點發(fā)生溢流，形成地表淹沒。這一過程中，山區(qū)庫湖沒有發(fā)揮有效調蓄作用。同時，受漲潮影響，外江水位抬高，導致城區(qū)內河河道排水不暢，形成更嚴重的內澇災害。而下游閩江防洪堤的設計標準為200年一遇，可見沿江閘站沒有發(fā)揮有效作用。

5 庫湖閘站調度

經調查，研究區(qū)共有上游具備調洪功能的水庫1座，人工湖2個，下游沿江泵站2座，沿江水閘3個。為緩解該研究區(qū)內澇影響，結合現有工程現狀，分別從上游源頭和下游排水兩個方面擬定調度規(guī)則，如表3所示。根據汛限水位、5年一遇和20年一遇入庫洪水流量及相應庫水位，設定水庫的下泄流量。根據10年一遇來水對應的湖泊水位，設定湖泊下泄流量。沿江泵站的起排水位4.0 m，停泵水位3.5 m，東風排澇站抽排流量80 m3/s，魁岐排澇站抽排流量160 m3/s。沿江閘站的關閘水位均為5 m，水位高時，關閘開泵，防止江水倒灌入內河，水位低時，開閘關泵，讓內河水流自然排入外江中。

表3 湖庫調度規(guī)則

保持降雨輸入條件不變，加入調度規(guī)則后再次模擬管網溢流和淹沒范圍，總溢流量1946.5×103m3，淹沒面積11.13 km2，最大水深1.83m。共計1664個管網節(jié)點出現溢流，其中1584個節(jié)點溢流量小于5000 m3，溢流量大于50 000 m3的節(jié)點數減小至0個，最大節(jié)點溢流量48.2×103m3，統計結果如表4所示。

表4 調度后研究區(qū)管網節(jié)點溢流量

在同一個河道節(jié)點繪制水位變化過程線，如圖12所示。受庫湖調蓄影響，降雨初期水位有小幅波動，利于水庫騰出庫容應對暴雨。最大淹沒時刻出現在17∶00-21∶00，較無調度時整體后移，說明山區(qū)庫湖發(fā)揮了攔截洪水的作用。此時由于閩江漲潮影響，沿江閘門關閉，開啟泵站機組排水，河道水位出現明顯震蕩，但起伏不超過0.8 m。最高水位3.01 m，低于管道排水口高程0.09 m，管網水流可以自然排入河道中。

圖12 調度后受災區(qū)河道水位變化過程線

因為光明港河道寬闊，對晉安河下游分流最大，取光明港匯入閩江的魁岐水閘處，繪制調度前后出水口流量過程線，添加閘前水位輔以分析，如圖13所示。降雨初期，閩江處于漲潮階段，外江水位高于內河水位時發(fā)生倒灌，流量值出現負值。調度前倒灌現象較為嚴重，通過減小閘門開度，外江倒灌得以緩解，出水口流量幾乎接近于零。7∶00-12∶00期間，閩江處于退潮階段，外江水位低于內河水位，此時開啟閘門，出水口流量迅速增大，閘前水位迅速減小，在12∶00-15∶00時段趨于平緩。自16∶00開始，受降雨增強與閩江漲潮共同影響，閘前水位迅速升高，出水口流量逐漸增大，出現短期震蕩。當水位高于4.0 m起排水位時，關閉閘門，開啟排澇泵站，出水口保持160 m3/s排水流量，直到水位降至3.5 m停泵。此后保持閘門全開，閘前水位持續(xù)減小，與出水口流量下降保持一致。

分析可知，設置庫湖閘泵的調度規(guī)則后，總溢流量減少27.44%，節(jié)點最大溢流量由85.5×103m3降為48.2×103m3，減少43.63%，溢流量在5000～5000 m3之間的管網均有明顯減少。淹沒面積減少29.73%，最大淹沒水深降低0.93 m，地表淹沒情況得到有效控制。受災嚴重區(qū)的河道最高水位降低1.02 m，上游來水和外江頂托對內河水位的抬高效果得到顯著改善。

圖13 調度前后出水口流量過程線

6 結論

通過構建城市內澇模擬模型，分析晉安河流域內澇成因發(fā)現，山區(qū)湖庫出流匯入城區(qū)內河河道，受漲潮影響下游外江水位較高，致使河道水位高漲，高于排水管出口后，地下管網排水不暢，只能通過節(jié)點溢流的方式涌向地表。管網設計標準和河道防洪標準滯后于城市發(fā)展，難以抵抗近年頻發(fā)的強臺風降雨，現有湖庫閘站工程也未發(fā)揮攔截洪水和保障排澇暢通的作用，共同造成晉安河流域內澇災害。針對山區(qū)來水量較大問題，根據汛限水位合理控制水庫湖泊的下泄流量，發(fā)揮水庫的調蓄作用和人工湖的滯洪作用，將河道峰值水位降低至管網排水口以下，保障城區(qū)河道不溢流。針對下游潮位頂托問題，當外江水位高于內河水位時，及時關閉沿江閘站，防止江水倒灌。該方案實施后，管網節(jié)點溢流量降低27.44%，淹沒面積縮減29.73%，內澇嚴重區(qū)河道最高水位降低了1.02 m，有效緩解地表淹沒情況。