平原新區雨洪模型的研究及其在國土空間規劃中的應用

于星濤

（1.濟南市規劃設計研究院，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，《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》明確提出：沿黃城市群規劃、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]。

黃河下游平原新區的國土空間規劃應積極借鑒人與自然和諧共處的綠色發展理念，科學統籌城市三維空間發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]。但在平原新區國土空間規劃的水模型應用方面存在諸多問題，如：與空間規劃和豎向規劃銜接不足，模型精度難以滿足多尺度空間下的規劃要求等。本文結合濟南起步區實例，探討綜合運用DHI MIKE專業軟件，構建精細化的一二維耦合的水系統模型，統籌優化平原新區的雨洪安全格局，通過全過程介入為國土空間規劃提供專業性強，兼具系統性和實施性的豎向規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。

研究區是當前正在建設的濟南新舊動能轉換起步區，位于濟南市北部的黃河沖洪積平原上，其地貌形態受黃河影響較大[7]。由于黃河多次變遷沖刷淤積，區內地貌平緩低洼，現狀地面高程多在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。

1.2 雨洪特征分析

研究區的河道洪水主要由當地的集中暴雨形成，河道連續最大4 個月天然徑流量占全年徑流量85%～90%。由于流域現狀坡降小，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洪峰。黃河大壩堤頂和堤外高差在10 m 以上，區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，易形成頂托并引發洪澇災害。

1.3 水力模型構建的必要性及應用目標

研究區現狀建設用地比例低，地表透水率較好，地下水位較淺，新區的規劃建設將帶來硬化面積增加。如何堅持城鄉統籌，降低開發影響，確保用地防洪排水安全，是新區規劃建設之初就應當重點協調解決的難點問題。在國土空間規劃的初始階段就引入水力模型，對用地空間布局、豎向規劃、防洪排澇規劃等領域的現狀評估和劃具編制有支撐作用。通過規劃模型推演和校核，有助于建立和優化新區的防洪排澇體系，對科學規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象。降水集中在汛期（419～568 mm），并由東南山區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公式M1=1.34F0.463。根據歷史數據統計分析，借鑒《中國暴雨統計參數圖集》和《山東省水文圖集》推算起步區設計暴雨參數，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，確定起步區的20 a 一遇和50 a 一遇降雨過程。

2.2 河網水動力學模型

2.2.1 控制方程

利用DHI MIKE 11 對研究區相關河網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；g 為重力加速度；A 為過水斷面面積；C 為謝才系數[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《海河流域綜合規劃》，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，現狀工況采用研究區50 a 一遇和20 a 一遇120 h 的平原澇水過程；規劃工況采用考慮建設區下墊面變化后研究區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，現狀工況及規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。

現狀工況平原河網綜合糙率采用0.03，規劃工況的平原河網綜合糙率采用0.028，基本符合沖積平原地區河道糙率系數取值規律。

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 研究區河網模型概化圖

2.3 一、二維耦合水動力模型

2.3.1 參數設置

在二維潮流數值模擬中，將研究區的空間細分為四邊形小單元，在保證計算精度的情況下，模擬研究區超標準洪水洪泛情況，結合研究區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

研究區屬于平原河網區，河道匯流出口不清晰，地形DEM 需要精細化建模。根據高精度地形資料，建立研究區域二維地形文件，網格精度為20 m×20 m，真實體現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），平原洪泛區采用二維模（MIKE21），并利用MIKE Flood 將二者動態耦合。一維模型可實現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的演進。

3 雨洪模擬及應用

3.1 國土空間規劃中的雨洪模型應用重點

平原新區國土空間規劃應堅持“形與流”的有機一、相互協調和互為反饋?！靶巍笔菄量臻g規劃城鄉三維空間形態，“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]；通過分區排水、分類施策、分級管控，建立和傳導“生態、安全、經濟、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優化，切實增強洪澇安全和城市韌性，實現生態特色保護和城鄉高質量發展的耦合協調[15]。

3.2 現狀洪澇模擬及應用

（1）現狀河道排水能力及淹沒分析

目前，研究區段的黃河大堤防洪標準可滿足11 000 m3/s 流量，徒駭河起步區段可滿足50 a 一遇的防洪標準。當研究區遭遇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。

通過耦合研究區的一維水動力學模型及二維地形模型，分析得出現狀二維易淹沒范圍見圖2，淹沒區域主要在齊濟河、牧馬河及大寺河中、下游，建設區用地布局應盡量避開這些易淹沒區域。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域。其中，太平片區和濟陽片區受淹范圍最廣，淹沒水深約1～3 m；其余行政區受淹水深約0.5～1 m。

圖2 遭遇徒駭河高水位情況下50 a 一遇暴雨現狀易澇區分析

（2）以內澇風險評估為基礎優化建設用地選擇

綜合運用GIS 和傾斜攝影等技術支撐，建立高精度數字地形模型進行綜合評估。結合農業、生態、城鎮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”的城鄉三維布局形態。維護北部自然地形和田園風貌，強調“山水林田城鄉”等要素的三維空間融合。按照“建高地、蓄洼地”的原則，優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特色，形成疏密有度、藍綠圍合的“島嶼式”豎向組團發展模式，應對歷史澇災頻繁的難題。

3.3 規劃洪澇模擬及應用

3.3.1 模型應用思路

在起步區現狀河道模型基礎上，疊加規劃用地條件，分析城市化后大面積建設用地實施對地區排澇形勢影響，找準現狀河道淹沒較重的薄弱環節。在起步區規劃用地條件基礎上，針對現狀河網評估結論，對部分河段進行斷面拓寬或底泥清淤，增加必要的規劃河道，形成規劃河網，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制設施，模擬50 a 一遇降雨強度。根據模擬結果優化河道斷面、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 規劃排澇整治方案評價

起步區規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模等方面。結合現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、規模等參數，同時兼顧橋梁凈空要求、規劃用地限制及河道性質改變等多方面因素，使得起步區城建區滿足50 a 一遇排澇要求，非城建區滿足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，維護河道生態岸線，利用現有溝渠水系，構筑間距合理（1～1.5 km）、相互連通的平原水網。降低沿線綠化及生態用地高程，構筑開放式城鄉排水系統。結合地表徑流和匯水分區，以藍綠網絡圍合成匯水單元。結合上下游邊界條件和匯水分區[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劃功能、水位和斷面。藍綠廊道網絡的間距一般在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、游憩用地。同時可以協調土地利用布局，分區實現雨水就近排放，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 河道規劃水位控制

規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點的排澇水位，作為后續規劃設計的水位管控依據，并提取設計除澇水位，繪制主干排澇河道規劃河道水面線（見圖3）。

圖3 大寺河水面線

在豎向規劃高程設計中，豎向排水方向應結合水模型規劃匯水分區進行設計。兩者相互銜接和協調統一，最大程度上保證區域填挖的經濟性。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

國土空間規劃中的水模型構建和應用需要遵循生態安全、洪澇安全與城市建設共同迭代進步的思路，緊密結合現狀薄弱點和不斷變化的發展需求，將城市防洪排澇及豎向系統一體化設計、一體化建設，加強河道系統的優先建設，形成防御外洪與治理內澇并重的防災系統。后續可依托水動力學模型，構建防洪排澇調度決策管理系統。