流域水文—区域排水模型支持下滨水城市洪涝风险评估

石成亮，孙 翔,2,3，李水娟

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000；2.哈尔滨工业大学 环境学院，哈尔滨 150090；3. 南方科技大学 环境科学与工程学院，广东 深圳 518055)

随着城市化扩张的加速，我国的滨水城市往往受到暴雨及水位顶托的双重的影响，不能及时排除城市积水，导致城市排水系统的无法正常运行，面临洪涝双重风险[1]。根据国家各部委及相关规范文件，数学模型法是现阶段确定雨水设计流量，并校核内涝防治设计重现期下地面的积水深度等要素的重要手段[2]。

在流域洪水尺度相关研究中，除概化的蓄满产流/超渗产流、单位线法等传统方法外，20世纪后期水文模型、水动力模型得到广泛应用。 水文模型均是流域洪水预报和风险评估的重要手段，典型的我国有新安江流域模型、陕北模型、流溪河模型，国外有Tank、Hec-RAS以及Mike 11模型等；而城市排水评估近年在传统的经验公式方法上也有长足进步，SWMM、Infoworks ICM和MIKE Urban等采用有限差分、有限体积法的水动力模型逐渐成为各城市评估排水防涝方案的重要工具[3]。

考虑单独应用水文模型和水动力模型均难以处理城市排水、洪水组合的问题[4]，早期Hsu等假设水流从管网向地面为单向过程，将SWMM水动力模型与地表二维模型耦合[5]；随着研究深入，Seyoum将SWMM与二维地表耦合实现双向水流交换；通过耦合模型研究流域水文-城市排水的方法走向“多维度多过程”的方向[6]。在模型的率定验证过程中，基于我国大多数城市相关河道、内涝观测的基础数据尤其是水文资料缺失严重，不足以提供完整边界条件和率定基础的情况，也不在拘泥于水文站的监测数据，而把现场调查、新闻报道等多渠道的到的管道运行情况、地表淹没深度纳入数据集。

本文以贺州市水环境综合治理为例，针对当地复杂的洪涝工况[7]，在传统水文分析基础上采用MIKE11、MIKE urban多模型耦合的研究方法，并利用历史上洪水淹没的水位、范围等信息进行验证，并探索其在优化工程方案中的作用，分析模型在城市流域应用的可行性。

1 研究区域概况

贺州市位于广西壮族自治区东北部，北纬23°39′0″～25°09′0″，东经111°05′0″～112°03′0″，地处湘、粤、桂三省(区)交界地。总面积约为11 855 km2，其中山地为4 062 km2，平原为1 420 km2，丘陵为6 373 km2。城区有贺江穿城而过，属珠江流域西江水系，是西江的一级支流，全长为357.3 km，流域面积为11 599 km2，广西境内流域面积为7 029 km2，河长为242 km，干流河道平均坡降为0.47‰。贺州市城区与贺州市位置关系见图1。

图1 研究范围流域及中心区关系示意

2 研究方法

针对以上3个水安全目标，首先根据流域洪水组合的特性，建立由MIKE11、NAM、MIKE21、MIKE Urban各独立模型耦合的复杂数学模型，根据实测暴雨、洪水资料进行率定和验证，最后采用不同标准下的设计暴雨分析贺州主城区的淹没情况，并对其进行淹没风险分析，并优化选取工程方案组合，同时为非工程决策辅助提供依据(技术分析路线流程见图2)。

图2 分析技术路线示意

3 流域水文—区域排水模型模型建立及率定验证

3.1 数据及资料基础

1) 地形资料

地表汇流模型根据贺州市城区1∶1 000地形图、贺江流域1∶10 000地形图，提取地形地貌信息。

2) 管网及用地属性

管网资料根据收集到的2015年贺州城区管网规划进行概化(见图3)，用地属性数据源于当地国土部门。

图3 贺州市城区管网布置及流域用地属性示意

3) 河网、断面及设计降雨

贺江贺州城区段上游有龟石水库，因此，上游龟石水库为模型建立的起点，以独岭水文站为终点建立贺江干流全长为74.2 km，断面数据为河道控制断面和水工建筑物的位置选择典型断面。

4) 流量边界的确定

水文资料主要有龟石水库上游富阳站50 a以上流量、雨量资料，核心区下游独岭站21 a流量、雨量资料，独岭站下游信都水文站60 a流量、雨量资料，另有龟石水库调度原则及1963年至今的下泄流量。

流量边界采用插补延长后的独岭站洪峰流量系列，考虑上游龟石水库1963年建成，综合计算后的独岭站典型洪水过程，作为水动力模型分析率定的主要依据。各站点水文资料刊印于《珠江流域水文年鉴》，可靠性较高，各站点及资料情况见表1，位置相关关系如图4所示。

表1 采用的主要水位、水文、雨量站情况

3.2 模型建立与率定验证

全流域模型中的降雨-径流模型采用MIKE11-NAM模型[12]，从《珠江流域水文年鉴》中摘录贺州1994年和2002年的暴雨和独岭水文站洪水资料用于流域水文模型率定和验证。其中1994年洪水用于模型率定，采用2002年洪水进行验证，主要手段为独岭水文站洪水流量线曲线计算值与实测值的对比。

验算后发现在Umax=10、Lmax=35、CK1，2=28和CQOF=0.8的情况下，洪峰和洪量的的误差最小，均小于10%，验证结果见图5。因此，该组参数能够对模拟区域1 766 km2的雨洪过程进行有效还原，说明该模型具有很高的模型精度，模型所取的参数能较好的反映模拟区间的真实性，流域模型分析成果可以用于指导相关的工程设计。

4 模型支持的工程方案结果分析

4.1 现状洪涝工况模拟

基于现状，通过耦合模型演算不同标准下各支流的设计流量，发现三大主要问题：① 贺州城区贺江左岸堤防不满足50年一遇防洪标准；② 江北主要排洪沟渠黄安寺排洪河、狮子岗排洪河过水断面狭小，难以满足汛期过流能力要求；③ 狮子岗下游西约历史保护街区低洼内涝，贺江涨水期间雨水无法自排。

4.2 对工程方案的验证

1) 工程方案简介

针对模拟发现的主要问题，分别对干流河道、支流水系、内涝点采取工程措施，干流去阻水、降壅水、挡漫水，支流分洪、调蓄、调洪，内涝点分别整治。针对以上工程方案采用模型进行系统验证(见图6)。

2) 模型评估

考虑城市规划、外江整治和城市内部排水系统改善具有不同步性，城市规划地形未抬高前，淹没较为严重，导致采用工程方案的内外排水系统改善效果无法评估，因此，考虑系统整治前后工况，也将现状规划地形作为独立工况，共分为现状地形—工前、规划地形—工前、规划地形—工后3种工况。

① 现状地形—工前：计算结果见图7，淹没区主要集中在中下游段及部分上游段：发生20年一遇洪水时，桃源河下游及桃源河南岸区域。干流堤岸高程局部不足导致干流两侧的淹没；黄安寺排洪河河口处水位为105.58 m，黄安寺上游现状农田处局部地面高程为104～105 m，最低点仅104.2 m，而黄安寺下游河口处为文物保护区，最低地面高程仅102.96 m，上游现状农田为低洼地而下游受干流顶托和自身排水不畅导致淹没；桃源河河口处干流水位为103.36 m，其上游太白湖处现状地面为101～103 m，最低点仅为101.75 m，而桃源河汇入口处的南岸(厦岛村鸭仔寨东面)现状地面高程为100～103 m，最低点仅为100.91 m，两侧堤岸高程不足且受干流水位顶托，导致淹没。芳林电站下游水位为107.08 m，因现状电站下游右岸高程不足，平均地面高程为106 m，最低为103.86 m，芳林电站在此标准下电站下游右岸有局部淹没。对淹没面积及深度进行统计结果见表2所示。

图7 现状地形—工前工况20年一遇淹没范围示意

表2 工况1不同标准下淹没面积及最大深度统计

② 规划地形—工前：计算结果见图8，规划地形淹没分析的边界条件基于贺州城区正按照城市规划拓展城市建设，规划地形下的淹没分析对城市防洪功能的效益体现将逐步显现。依据贺州市总体规划的竖向高程作为远期贺州城市淹没分析的边界条件，在本工程范围内不采取工程措施的情况下，贺江干流两岸的淹没原因是干流堤岸高程局部不足导致溢流；芳林电站附近处的平均高程为106 m，最低点高程仅为103.86 m，芳林电站坝下处的水位为107.05 m，因此，芳林电站南岸淹没是因为干流堤岸高程局部不足导致溢流以及地势低洼导致；黄安寺排洪河河口处水位为105.86 m，黄安寺中游规划道路高程为105.22～106.1 m，最低点仅为105.22 m，而黄安寺下游河口处为文物保护区，最低地面高程仅为102.96 m。对淹没面积及深度进行统计结果见表3所示。

图8 规划地形—工前工况20年一遇淹没范围示意

表3 工况2不同标准下淹没面积及最大水深统计

③ 规划地形—工后：计算结果见图9，规划地形淹没分析的边界条件基于贺州城区正按照城市规划拓展城市建设，规划地形下的淹没分析对城市防洪功能的效益体现将逐步显现。再通过工程方案，外江、内部排水分离后，黄安寺排洪河河口处水位为105.81 m，黄安寺中游规划道路高程为105.22～106.1 m，最低点仅为105.22 m，而黄安寺下游河口处为文物保护区，最低地面高程仅为102.96 m。因此，黄安寺淹没的原因是下游河口受干流顶托和地势低洼导致淹没。狮子岗河口处的水位为103.97 m，狮子岗支流的水位为103.97～105.8 m，狮子岗下游处的最低的地面标高为103.5 m，上游处最低的地面标高为105.4 m。因此，狮子岗淹没的原因是上游及下游局部点地势低洼。对淹没面积及深度进行统计结果如表4所示。

图9 规划地形—工后工况20年一遇淹没范围示意

表4 工况3不同标准下淹没面积及最大水深统计

4.3 模型应用小结

本次研究针对3种工况(现状地形—工前、规划地形—工前、规划地形—工后)研究洪涝淹没情况进行了模拟，工况1淹没区主要集中在中下游段及部分上游段，工况2依据贺州市总体规划的竖向高程作为远期贺州城市淹没分析的边界条件，在本工程范围内不采取工程措施的情况下，淹没面积较现状明显减少，淹没区域主要集中在贺江中游段及下游段，工况3远期规划落实后淹没区域主要集中在黄安寺下游西约历史文化保护街区部分低洼地带及部分老城区规划道路，工程实施后淹没范围减少95%，减灾效果较为明显。

5 结语

通过验证，洪峰和洪量的绝对误差不超过10%，说明该模型具有很高的模型精度，模型所取的参数能较好反映模拟区间的真实性。研究表明：采用MIKE11、MIKE urban多模型耦合的研究方法对城市复杂的洪涝工况进行模拟并根据实际洪水淹没进行验证是合理的。

解决了模型本身稳定性导致的发散问题后，根据模型成果与成果的合理性分析，其能够有效对工程规模、工程布置提供有效指导，可为工程设计提供依据。