流域水文—區域排水模型支持下濱水城市洪澇風險評估

石成亮，孫 翔,2,3，李水娟

(1.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.哈爾濱工業大學 環境學院，哈爾濱 150090；3. 南方科技大學 環境科學與工程學院，廣東 深圳 518055)

隨著城市化擴張的加速，我國的濱水城市往往受到暴雨及水位頂托的雙重的影響，不能及時排除城市積水，導致城市排水系統的無法正常運行，面臨洪澇雙重風險[1]。根據國家各部委及相關規范文件，數學模型法是現階段確定雨水設計流量，并校核內澇防治設計重現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研究中，除概化的蓄滿產流/超滲產流、單位線法等傳統方法外，20世紀后期水文模型、水動力模型得到廣泛應用。 水文模型均是流域洪水預報和風險評估的重要手段，典型的我國有新安江流域模型、陜北模型、流溪河模型，國外有Tank、Hec-RAS以及Mike 11模型等；而城市排水評估近年在傳統的經驗公式方法上也有長足進步，SWMM、Infoworks ICM和MIKE Urban等采用有限差分、有限體積法的水動力模型逐漸成為各城市評估排水防澇方案的重要工具[3]。

考慮單獨應用水文模型和水動力模型均難以處理城市排水、洪水組合的問題[4]，早期Hsu等假設水流從管網向地面為單向過程，將SWMM水動力模型與地表二維模型耦合[5]；隨著研究深入，Seyoum將SWMM與二維地表耦合實現雙向水流交換；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]。在模型的率定驗證過程中，基于我國大多數城市相關河道、內澇觀測的基礎數據尤其是水文資料缺失嚴重，不足以提供完整邊界條件和率定基礎的情況，也不在拘泥于水文站的監測數據，而把現場調查、新聞報道等多渠道的到的管道運行情況、地表淹沒深度納入數據集。

本文以賀州市水環境綜合治理為例，針對當地復雜的洪澇工況[7]，在傳統水文分析基礎上采用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、范圍等信息進行驗證，并探索其在優化工程方案中的作用，分析模型在城市流域應用的可行性。

1 研究區域概況

賀州市位于廣西壯族自治區東北部，北緯23°39′0″～25°09′0″，東經111°05′0″～112°03′0″，地處湘、粵、桂三省(區)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。城區有賀江穿城而過，屬珠江流域西江水系，是西江的一級支流，全長為357.3 km，流域面積為11 599 km2，廣西境內流域面積為7 029 km2，河長為242 km，干流河道平均坡降為0.47‰。賀州市城區與賀州市位置關系見圖1。

圖1 研究范圍流域及中心區關系示意

2 研究方法

針對以上3個水安全目標，首先根據流域洪水組合的特性，建立由MIKE11、NAM、MIKE21、MIKE Urban各獨立模型耦合的復雜數學模型，根據實測暴雨、洪水資料進行率定和驗證，最后采用不同標準下的設計暴雨分析賀州主城區的淹沒情況，并對其進行淹沒風險分析，并優化選取工程方案組合，同時為非工程決策輔助提供依據(技術分析路線流程見圖2)。

圖2 分析技術路線示意

3 流域水文—區域排水模型模型建立及率定驗證

3.1 數據及資料基礎

1) 地形資料

地表匯流模型根據賀州市城區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) 管網及用地屬性

管網資料根據收集到的2015年賀州城區管網規劃進行概化(見圖3)，用地屬性數據源于當地國土部門。

圖3 賀州市城區管網布置及流域用地屬性示意

3) 河網、斷面及設計降雨

賀江賀州城區段上游有龜石水庫，因此，上游龜石水庫為模型建立的起點，以獨嶺水文站為終點建立賀江干流全長為74.2 km，斷面數據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上游富陽站50 a以上流量、雨量資料，核心區下游獨嶺站21 a流量、雨量資料，獨嶺站下游信都水文站60 a流量、雨量資料，另有龜石水庫調度原則及1963年至今的下泄流量。

流量邊界采用插補延長后的獨嶺站洪峰流量系列，考慮上游龜石水庫1963年建成，綜合計算后的獨嶺站典型洪水過程，作為水動力模型分析率定的主要依據。各站點水文資料刊印于《珠江流域水文年鑒》，可靠性較高，各站點及資料情況見表1，位置相關關系如圖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年的暴雨和獨嶺水文站洪水資料用于流域水文模型率定和驗證。其中1994年洪水用于模型率定，采用2002年洪水進行驗證，主要手段為獨嶺水文站洪水流量線曲線計算值與實測值的對比。

驗算后發現在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%，驗證結果見圖5。因此，該組參數能夠對模擬區域1 766 km2的雨洪過程進行有效還原，說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數能較好的反映模擬區間的真實性，流域模型分析成果可以用于指導相關的工程設計。

4 模型支持的工程方案結果分析

4.1 現狀洪澇工況模擬

基于現狀，通過耦合模型演算不同標準下各支流的設計流量，發現三大主要問題：① 賀州城區賀江左岸堤防不滿足50年一遇防洪標準；② 江北主要排洪溝渠黃安寺排洪河、獅子崗排洪河過水斷面狹小，難以滿足汛期過流能力要求；③ 獅子崗下游西約歷史保護街區低洼內澇，賀江漲水期間雨水無法自排。

4.2 對工程方案的驗證

1) 工程方案簡介

針對模擬發現的主要問題，分別對干流河道、支流水系、內澇點采取工程措施，干流去阻水、降壅水、擋漫水，支流分洪、調蓄、調洪，內澇點分別整治。針對以上工程方案采用模型進行系統驗證(見圖6)。

2) 模型評估

考慮城市規劃、外江整治和城市內部排水系統改善具有不同步性，城市規劃地形未抬高前，淹沒較為嚴重，導致采用工程方案的內外排水系統改善效果無法評估，因此，考慮系統整治前后工況，也將現狀規劃地形作為獨立工況，共分為現狀地形—工前、規劃地形—工前、規劃地形—工后3種工況。

① 現狀地形—工前：計算結果見圖7，淹沒區主要集中在中下游段及部分上游段：發生20年一遇洪水時，桃源河下游及桃源河南岸區域。干流堤岸高程局部不足導致干流兩側的淹沒；黃安寺排洪河河口處水位為105.58 m，黃安寺上游現狀農田處局部地面高程為104～105 m，最低點僅104.2 m，而黃安寺下游河口處為文物保護區，最低地面高程僅102.96 m，上游現狀農田為低洼地而下游受干流頂托和自身排水不暢導致淹沒；桃源河河口處干流水位為103.36 m，其上游太白湖處現狀地面為101～103 m，最低點僅為101.75 m，而桃源河匯入口處的南岸(廈島村鴨仔寨東面)現狀地面高程為100～103 m，最低點僅為100.91 m，兩側堤岸高程不足且受干流水位頂托，導致淹沒。芳林電站下游水位為107.08 m，因現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，芳林電站在此標準下電站下游右岸有局部淹沒。對淹沒面積及深度進行統計結果見表2所示。

圖7 現狀地形—工前工況20年一遇淹沒范圍示意

表2 工況1不同標準下淹沒面積及最大深度統計

② 規劃地形—工前：計算結果見圖8，規劃地形淹沒分析的邊界條件基于賀州城區正按照城市規劃拓展城市建設，規劃地形下的淹沒分析對城市防洪功能的效益體現將逐步顯現。依據賀州市總體規劃的豎向高程作為遠期賀州城市淹沒分析的邊界條件，在本工程范圍內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致溢流；芳林電站附近處的平均高程為106 m，最低點高程僅為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為干流堤岸高程局部不足導致溢流以及地勢低洼導致；黃安寺排洪河河口處水位為105.86 m，黃安寺中游規劃道路高程為105.22～106.1 m，最低點僅為105.22 m，而黃安寺下游河口處為文物保護區，最低地面高程僅為102.96 m。對淹沒面積及深度進行統計結果見表3所示。

圖8 規劃地形—工前工況20年一遇淹沒范圍示意

表3 工況2不同標準下淹沒面積及最大水深統計

③ 規劃地形—工后：計算結果見圖9，規劃地形淹沒分析的邊界條件基于賀州城區正按照城市規劃拓展城市建設，規劃地形下的淹沒分析對城市防洪功能的效益體現將逐步顯現。再通過工程方案，外江、內部排水分離后，黃安寺排洪河河口處水位為105.81 m，黃安寺中游規劃道路高程為105.22～106.1 m，最低點僅為105.22 m，而黃安寺下游河口處為文物保護區，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低洼導致淹沒。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高為103.5 m，上游處最低的地面標高為105.4 m。因此，獅子崗淹沒的原因是上游及下游局部點地勢低洼。對淹沒面積及深度進行統計結果如表4所示。

圖9 規劃地形—工后工況20年一遇淹沒范圍示意

表4 工況3不同標準下淹沒面積及最大水深統計

4.3 模型應用小結

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

5 結語

通過驗證，洪峰和洪量的絕對誤差不超過10%，說明該模型具有很高的模型精度，模型所取的參數能較好反映模擬區間的真實性。研究表明：采用MIKE11、MIKE urban多模型耦合的研究方法對城市復雜的洪澇工況進行模擬并根據實際洪水淹沒進行驗證是合理的。

解決了模型本身穩定性導致的發散問題后，根據模型成果與成果的合理性分析，其能夠有效對工程規模、工程布置提供有效指導，可為工程設計提供依據。