北京城市副中心近域低洼区排水防涝规划研究

霍毅鹏，聂俊坤，李婷婷，杜 飞，王一凡，吴 健，朴希桐，张思瑶

(1.北京市城市规划设计研究院，北京 100045；2.北京市城规技术服务中心，北京 100045)

城市河道排水系统作为防灾减灾体系的重要组成部分，合理地规划城市排水河道系统已经成为保障我国城市健康发展的必要举措。城市近域地区作为核心城市建设地区的周边配套服务区域以及排水尾闾，通常地势相对较低且内涝风险较高，并担负着保障核心城区的防洪排水安全的重任。因此，定量化评估城市近域内涝问题以及科学规划河道排水系统，已经成为防控城市内涝风险的有效途径。针对易发生内涝风险的城市中心城区近域区域，采用传统的经验公式法通常难以综合呈现区域排水河道、地面径流以及排水管网之间的联动关系，也无法高效评估规划排水防涝体系可靠性。近年来，国内外学者针对城市排水防涝方案优化及模型构建开展了一系列有益研究[1- 2]，但针对城市及新建城区近域低洼地区排水防体系开展定量化分析，构建更加适用的城市近域低洼地区排水防涝模型仍需深入。北京城市副中心近域地区作为统筹副中心与近域村庄城镇的联合发展的承载空间，该类区域地势通常低洼且排水防涝压力较大。因此，综合考虑近域地区水系布局、产汇流特征及雨水管网系统等要素，辨识该类低洼地区内涝风险，科学合理制定并优化低洼近域排水防涝规划方案，是处理好北京城市副中心与通州区国土空间关系，完善区域排水防涝体系，保障北京城市副中心及通州区整体排涝安全的重要途径[3- 5]。本研究以北京城市副中心近域典型低洼排水地区为例，构建排水防涝耦合模型模拟分析并辨识区域内涝特征，并优区域水系排水防涝方案，以期为同类型区域排涝规划方案优化设计提供决策依据。

1 模型构建

1.1 模型概化

城市雨洪模型通常涵盖一维及二维模拟分析模块，该类模型基于水动力学基本原理，通过纳入研究区下垫面特征，模拟水流在河道、排水管网以及二维地表产汇流空间上的运动进程。本研究基于Mike Flood及Mike Urban构建综合地表二维产汇流以及城市排水管网的耦合模型，模拟辨识城市近域低洼地区内涝风险，并优化区域排水防涝规划方案[6- 7]。基于耦合模型参数需求，对研究区多类型数据综合梳理、校核并录入，通过网格化对研究区进行空间离散以及竖向概化，构建涵盖该区域不同汇水分区、排水河道、排水管网、雨水泵站以及蓄滞洪区的耦合模型。

1.2 参数率定

1.2.1水动力参数

构建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型主要涉及水动力参数包括：管网曼宁系数、水头损失、时间步长、干湿水深、黏滞系数和河道糙率等参数。其中，曼宁系数依据管网不同材质分别设定为75～85；计算时间步长取值范围为20～80s；局部水头损失取值为0.05m；粘滞系数取1.0；河道糙率取0.025；干湿水深取值范围为0.01～0.03m。

1.2.2地形参数

针对研究区竖向地形高层疏密特征，对地形高程数据以5m×5m的精度进行数据插值，通过校核雨水管网雨水井与规划道路标高，对异常竖向高程实施匹配修整，从而构建低洼区二维地面漫流模型。

1.2.3产汇流参数

基于面积与时长原理计算产汇流主要涵盖参数包括：研究区下垫面不透水率、沿程以及初步水头损失等参数。构建模型时通过将研究区下垫面概化为居住、商业、工业、交通、绿地等图层，设置相应下垫面不透水率范围为15%～80%。基于现场数据采集可将研究区水文径流衰减系数设置为0.8；径流速率设置为0.2m/s;水头损失系数设置为0.001m。

1.3 边界条件

设定区域降雨条件与下游排水边界作为构建的耦合模型计算模拟边界，通过Mike Urban模拟河道径流过程作为模拟雨水管网的边界[8- 10]。

1.3.1降雨条件

针对研究区降雨特征，选取2000—2012年实测年际最大1、3、6、12、24h降雨数据进行经验频率分析。基于皮尔逊Ⅲ型号特征曲线进行降雨分布拟合与适线，并得出研究区不同时间段内典型降雨特征曲线。

1.3.2水位条件

研究区地处北京城市副中心东南部，位于潮白河与北运河环抱的冲积平原，地势相对低洼，排水属于北运河流域。本次模型计算河道下游入北运河水位采用设计频率降频水位衔接，下游北运河洪水位相对较高并对研究区排水造成顶托，不利于区域雨水有效排除。

2 区域概况及内涝风险辨识

2.1 研究区概况

选取具备城市近域典型低洼特征区域A片区作为研究区，A片区位于北京城市副中心东南部，面积约为15km2，属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，多年平均降雨量约为540mm，属于北运河流域。研究区地表岩性以粉性土为主，土壤渗透性较差，地下水位较高。研究区北部规划建设区平均地面高程约为15.5m，南部村庄及农田区平均地面平均高程约为14m，下游北运河规10年一遇洪水位与南部农田区地面高程相近，20年一遇洪水位高于研究区流域平均地面高程，存在内涝风险。研究区作为北京城市副中心近域城市功能的重点承载开发区域，主要包括西和路沟及望金沟两条排水河道，区域排水流域范围内空间用地类型多样。片区两条河道上游穿过规划建设区，下游大部分流域为村庄及农田。现状西和路沟入北运河处有一座吕湾排涝泵站，现状泵站排涝能力不满足规划需求。

2.2 内涝风险辨识与评价

基于构建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，对研究区城市管网3年一遇、5年一遇标准以及排水河道20年一遇、50一遇排涝标准下，采用设计频率降雨边界、水位边界模拟计算区域内涝特征。结合研究区地市低洼、下游水位顶托以及径流演进特征，以模拟时长内研究区淹没水深(h)以及淹没历时(t)作为评估区域内涝风险因素，参照城市内涝风险划分标准对研究区内涝实施评级[11]，并评估不同降雨特征下研究区内涝风险，见表1。

表1 研究区内涝风险等别评估表

依据内涝风险评估等级划分标准，在设计河道及管网设计标准下，研究区较低、中等、较高以及极高内涝风险等级面积分别为3.4、1.1、0.6、0.4km2。模拟计算结果显示，最大积水面积近1.2km2，最大积水深度约为近2m，最长淹没时间约为9h。综合分析研究区内涝产生原因，主要包括：①随着近年来区域城市化快速发展，区域内不透水面积增加，造成河道洪峰流量增大，而大部分现状河道及排水管网洪能力不足；②研究区现状桥梁、涵洞等构筑物过流能力不足，影响行洪安全，此外，泵还系统能力不足则加剧了内涝风险；③下游北运河洪水位过高，当北运河发生超标洪水时，流域内的涝水无法自流排除，加重区域内涝问题。

2.3 近域低洼区域排水防涝规划方案优化路径

针对研究区特定低洼排水特征，通过辨识区域内涝风险点，为满足片区排水河道以及管网系统规划需求，基于构建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，对排水防涝规划方案实施综合评估与迭代优化[12]，规划方案优化路径如图1所示。

图1 规划设计方案优化路径图

通过对排水防涝初步规划设计方案在设定降雨及水位边界条件下进行模拟计算，若结算结果无法实现规划目标，则应对排水河道、管网、泵站以及蓄滞洪区的设定进行综合调整优化，直至模拟结果满足区域内涝防控以及排水安全需求。

3 排水防涝规划方案优化

3.1 规划标准

根据河道所处区位及河道特性来考虑，西和路沟及望金沟规划治理标准为20年一遇排涝设计，建设区段河道20年一遇规划洪水位一般不淹没主要新建规划雨水管道出口内顶，非建设区段按照20年一遇排涝控制河道规划上口线。规划新建及改建河道构筑物按照构筑物等级确定其标准，但不得低于河道治理标准。新建桥梁要求不缩窄规划河道行洪断面，一般桥梁梁底高程应高于50年一遇规划洪水位0.5m以上，规划西和路沟流域内排涝标准为20年一遇，20年一遇24h降雨产生的雨洪量1.5d排除。研究区规划流域范围如图2所示。

图2 研究区规划流域范围图

3.2 区域内涝辨识与影响因素分析

在相应排水河道以及管网标准下，初步排水防涝方案注重通过疏挖拓宽河道规模，增大入北运河排涝泵站能力来保障研究区排水安全，通过模拟对排水防涝初步规划方案进行模拟，辨识研究区内涝防控效果，如图3所示。

图3 研究区初步方案模拟结果

规划针对研究区低洼区产生雨水，经过雨水管网进入西和路沟及望金沟，最终汇入北运河。通过综合分析研究区内涝特征，主要对区域骨干河道方案以及合理的蓄滞洪区划定进行方案调整优化，结合区域国土空间用地特征以及排涝要求，重点解决区域蓄涝用地紧张以及因北运河水位顶托造成的内涝排除问题。经过模拟计算可知，初步方案中西和路沟及望金沟行洪排涝能力设置较大，河道疏挖蓝线占地规模较大。淹没区呈现碎片化特征，不利于区域用地整合及交通布局安全。同时，初步方案中吕湾排涝泵站能力设置较大，经济性不足。因从，优化方案可重点考察充分利用区域用地空间地形特征，选取合理用地空间作为蓄涝漫溢区，从而在保障区域排水防涝安全基础上，有效实现河道蓝线用地集约利用与泵站工程改造的经济性。

3.3 排水防涝方案优化

3.3.1排水防涝规划思路

西和路沟流域地处潮白河、北运河之间，地势低洼，排水条件较差，当北运河发生10年一遇以上洪水时，区域范围内的雨水无法重力流排入北运河，为防止下游北运河洪水倒灌，规划关闭西和路沟出口闸门，规划西和路沟流域内降雨产生的涝水主要通过“调蓄、强排”相结合的方式进行排除。本研究基于构建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型辨识区域内涝风险以及影响因素，重点通过调整排水系统以及选定合理的蓄涝漫溢区，从而优化排水防涝规划方案，最大限度降低内涝对区域排水安全造成的不利影响。

3.3.2排水河道方案优化

研究区两条骨干排水河道上游穿越建设区，下游临近村庄，其周边用较为紧张，其合适的规划平面定线位置对集约河道蓝线用地尤为重要。优化方案中河道平面位置重点考虑遵循在保障排水防涝安全基础上，充分利用现状河道用地空间，尽量减小拆迁，避让村庄、建筑物、树木及基本农田。通过方案优化，西和路沟位于建设区内段，规划将河道布置在市政道路一侧，规划河道左岸上口线距离道路红线5m以上。其中局部位于村庄段河道，河道右岸有大片村庄民建及永久基本农田，为避免大量拆迁及占压永久基本农田，规划以现状河道右岸上口线为基准向左岸拓宽。望金沟位于建设区内，规划将河道布置在市政道路一侧，规划河道右岸上口线距离道路红线5m以上。位于非建设区段，现状河道左岸为市政道路，右岸为农田绿地，规划基本以现状河道左岸上口线为基准向右岸拓宽。通过方案优化，规划西和路沟和望金沟可在协调周边用地、保障行洪能力基础上，有效节约了河道蓝线用以空间，促进了区域国土空间用地集约化利用。

3.3.3蓄涝区方案优化

基于的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，通过划分研究区流域划分居住、商业、工业、交通、绿地等不同下垫面，推求片区干流西和路沟流域蓄滞的涝水量约为115万m3。规划保留西和路沟及支沟附近洼地，考虑在汛期调蓄区域雨水，总面积约为40hm2。为保证河道流域内建设区排涝安全，建设区按地面高程以下0.5m控制最高蓄涝水位。优化方案中，在保证村庄不被淹没的情况下，河道内雨洪可向农田区适当漫溢，农田区按最低处地面高程控制河道最高蓄涝水位。根据地形地貌、水系系统、区域洼地情况基于耦合模型模拟计算可知，额外调蓄涝水量约为45万m3，优化方案通过在西和路沟河口及望金沟农田区域段选择适宜用地范围漫溢，从而优化初步方案中淹没区碎片化的不利因素，优化方案淹没范围约100hm2。规划蓄涝漫溢区优化方案如图4所示。

图4 规划蓄涝漫溢区优化方案

3.3.4泵站方案优化

现状西和路沟入北运河处吕湾排涝泵站，泵站排涝能力为2.5m3/s。根据区域排涝标准，该地区排涝标准为20年一遇，农田区20年一遇24h降雨产生的洪量1.5d排除。经模型计算，初步方案泵站排涝能力为5m3/s，泵站能力设置偏大，工程改造投资较大。因此，优化方案中规划改建现状吕湾排涝泵站，泵站规划能力为3.5m3/s，位于西和路沟入北运河左堤前东侧，对应北运河20一遇洪峰流量约为60m3/s，从而在实现区域排涝安全基础上，有效降低了工程改造费用。吕湾排涝泵站调蓄优化方案如图5所示。

图5 吕湾排涝泵站调蓄方案优化

3.3.5排水防涝方案优化评估

经过方案迭代优化后方案模拟结果显示，通过适当调整优化排水河道平面蓝线范围，优化排涝泵站规模以及划定适宜的蓄涝漫溢区，可以在保障区域排涝安全的同时，利用农田用地作为临时漫溢蓄滞洪区，从而有效集约了城市用地空间并节省了工程投资。同时，方案优化后研究区内涝淹没区碎片化率显著降低，有利于区域国土空间用地整合利用与交通道路布局安全，模拟方案可为区域国土空间格局及地面竖向优化调整提供有益支撑。

4 结语

北京城市副中心部分近域村镇地势低洼，通过对低洼区的河道进行治理及适当安排排涝工程，可有效解决低洼区的排水防涝问题。构建基于Mike Flood及Mike Urban的耦合模型适用于城市近域低洼区排水模拟及内涝风险评估，针对城市近域地区河道周边用地紧张的问题，河道平面位置及断面形式时应与周边充分结合，划定集约经济的河道蓝线用地空间。同时，建设区排涝要兼顾雨水排除系统安排竖向高程，对于近域村庄区域要保证实现内涝不淹没，而农田绿地区域则可以适当临时漫溢淹没，从而可在保障区域排涝安全基础上，有效集约城市用地空间并节约工程改造投资。