趙靚芳，莫耀鈞，杜至力，榮天悅，陳志樂，謝穎媛，陳 兵,2

(1.華南理工大學 環(huán)境與能源學院，廣州 510006；2.廣東省環(huán)境風險防控與應急處置工程技術(shù)研究中心，廣州 510006；3.廣州市市政工程設計研究總院，廣州 510060；4.華南理工大學 軟件學院，廣州 510006)

0 引 言

近年來，城市化迅速發(fā)展使得廣州市河涌的雨洪調(diào)蓄功能遭到了削弱和破壞，大部分支涌河道被迫改道、縮窄甚至被填平，導致城市排水能力銳減，內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)，暴雨洪澇災害造成的損失巨大。廣州城區(qū)因管網(wǎng)排水標準低、管道混接亂接、河涌淤積等問題仍存在嚴重水浸和內(nèi)澇現(xiàn)象[1]，2014年“5·23”暴雨造成廣州市4個區(qū)30個鎮(zhèn)受災，受災群眾達22.05萬人，直接經(jīng)濟損失超過7億元；2018年6月8日的暴雨造成廣州市11區(qū)40多個片區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇積水，部分區(qū)域發(fā)生山體泥土滑落。獵德涌是廣州中心城區(qū)唯一流經(jīng)珠江新城中央商務區(qū)的河涌，具有排澇泄洪的主要功能，因此解決該流域的排水排澇問題具有重要現(xiàn)實意義。

當前，利用先進的技術(shù)手段來建立城市排水信息化系統(tǒng)與尋求河湖閘泵最優(yōu)調(diào)控方案的相關研究已成為熱點。在已有的研究中，有學者采用城市雨洪管理模型或河道一二維水動力模型對河網(wǎng)進行排澇模擬，如張彬等[2]采用SWMM模型對感潮河網(wǎng)地區(qū)的管渠系統(tǒng)進行概化，利用無因次潮位單位線法模擬計算排水防澇過程，表明水閘工程可有效控制該河網(wǎng)防洪分區(qū)的水位；張念強等[3]提出了河網(wǎng)排澇單元的概念，并與二維模型耦合，研究在暴潮影響下平原河網(wǎng)區(qū)域的城市洪澇過程和泵閘工程調(diào)度。但傳統(tǒng)水動力學算法計算繁雜，條件要求高，不具有通用性[4]。因而需要尋求簡便實用的優(yōu)化模型，有學者研究通過運用優(yōu)化算法得到最佳泵閘控制方案，如Miguel等[5]提供了一種通用的排水管網(wǎng)污水系統(tǒng)自動優(yōu)化方法，采用Matlab Simulink進行隨機和確定性兩階段的優(yōu)化控制使截污閘處理系統(tǒng)達到最優(yōu)性能，該方法成功應用于哥本哈根某一小流域的優(yōu)化控制策略設計；Fi-John Chang等[6]以臺北市裕城泵站為例，基于CFNN算法在暴雨事件中模擬城市防洪系統(tǒng)的運行策略，得到最優(yōu)的操作規(guī)則。但現(xiàn)有的研究成果多是應用于大型閘泵防洪工程的優(yōu)化調(diào)度，而河網(wǎng)地區(qū)大部分的小型河流未能進行調(diào)度工程的模擬，在小范圍流域內(nèi)基于城市雨洪管理模型的河道不同區(qū)域閘閥的優(yōu)化調(diào)控研究就更少。

因此本文考慮了較小河流上的水閘與排水管網(wǎng)之間的綜合影響，將SWMM模型和GIS技術(shù)運用在廣州市獵德涌流域，針對河道防澇水位控制和流域內(nèi)澇風險的防控問題，構(gòu)建了集河道與排水管道為一體并以城市河道閘閥控制為主的排水防澇模型，模擬了流域的降雨徑流、管道排水、河道泄洪等匯流情況，在不同降雨情形下探究通過不同區(qū)域的閘閥控制對排水系統(tǒng)、河道防澇水位及內(nèi)澇程度的影響，并對模擬結(jié)果進行驗證及分析。該模型具有可靠性，可為河道閘閥的優(yōu)化調(diào)控研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣州市天河區(qū)，全年日照充足，雨量充沛，氣候溫和，年均氣溫為21.7 ℃，年均降水量為1 750 mm，雨季(4-9月)降水量約占全年的85%。該區(qū)域?qū)儆谇鹆甑貛?，地勢西南低、東北高。廣州市河流水系發(fā)達，大小河流(涌)眾多。其中，獵德涌屬于天河區(qū)一類河涌，河涌全長約6.5 km，集雨面積16.2 km2，起源于華南理工大學五山校區(qū)內(nèi)的東、西湖，最終匯入珠江前航道，其中廣深鐵路以北至華工人工湖為暗渠段。該流域內(nèi)大部分區(qū)域為雨污合流制排水系統(tǒng)，雨水管網(wǎng)設計標準P=1～2年，發(fā)生洪澇災害的主要原因是中上游地區(qū)普降暴雨，形成長歷時的流域性洪水，對中下游造成嚴重災害。獵德涌流域概況圖見圖1。

圖1 獵德涌流域概況圖Fig.1 Overall scheme of Liede river basin

結(jié)合廣州市河涌排水口信息及實地調(diào)研，獵德涌河道與排水管道交匯處主要為雨水排入口，截污堰主要分布在獵德涌的上游，截污閘主要分布在獵德涌的中上游；下雨時，雨水會直接經(jīng)過雨水口排入河道，合流污水會通過截污堰、閘、拍門溢流至河道。涌口處有1座水閘，采取自流方式排澇。統(tǒng)計得到雨水排入口35個，拍門25個，截污閘7個，截污堰6個。獵德涌沿岸閘閥的具體分布情況見表1。

表1 獵德涌閘閥的具體分布情況Tab.1 The distribution of gate in Liede river

注：各河段均含有雨水排入口。

1.2 研究區(qū)域概化

(1)子匯水區(qū)域概化。根據(jù)獵德涌流域的街道分布圖、排水管網(wǎng)CAD圖，在ArcGIS中通過50 m精度DEM地形數(shù)據(jù)運用Thiessen多邊形法對研究區(qū)域進行子匯水區(qū)域劃分[7]。采用就近排放原則將與河道相鄰的子匯水區(qū)出水口設在河道節(jié)點上，不與河道相鄰的子匯水區(qū)出水口設在對應的排水管道節(jié)點上。最終將研究區(qū)域劃分成57個子匯水區(qū)，其中，子匯水區(qū)最小面積S57為10.67 hm2，最大面積S5為74.14 hm2。

(2)排水管網(wǎng)概化。獵德涌流域的排水系統(tǒng)主要包括排水(雨水)管道、截污水渠(管)、檢查井、排水口、河涌等，獵德涌與大的市政道路交匯處均有截污水渠(管)匯入。將管網(wǎng)CAD圖導入ArcGIS后生成數(shù)據(jù)庫，包含點、線和面要素，通過SWMM模型的接口程序RunSwmmDll連入SWMM模型中進行運行模擬[8]。由于實際排水管網(wǎng)較復雜而無法準確概化所有的管道，故只保留管長大于200 m且管徑大于300 mm的管道，并進行拓撲檢查。得到該區(qū)域排水系統(tǒng)共有管道節(jié)點120個，管線122條。

(3)河道概化。河道斷面主要概化為明渠，橫斷面設為矩形，河道實際寬度為10～44m。根據(jù)14處跨涌橋涵的分布和河道斷面的寬度變化設置各河道節(jié)點，將排水管道的出水口與河道節(jié)點相連，連接處設置閘閥(孔口閘或堰)，概化時只保留河涌干道。經(jīng)概化得到河道節(jié)點82個，河道管段81條，蓄水池1個，孔口閘7個，堰6個，排水口1個。在SWMM模擬閘閥控制的過程中，通過控制規(guī)則編輯器可設置孔口閘的啟閉條件、堰的溢流水位，本文的閘閥控制主要是對孔口閘的啟閉控制。研究區(qū)域概化結(jié)果見圖2。

圖2 研究區(qū)域概化圖Fig.2 Generalized diagram of the study area

1.3 設計降雨

SWMM模型的降雨輸入主要有兩種方式，一是實測降雨資料，二是根據(jù)暴雨強度公式和經(jīng)典雨型參數(shù)合成得到的設計降雨。本文采用廣州市市政工程研究所編制的廣州市暴雨強度公式，見式(1)：

(1)

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時，min；P為設計重現(xiàn)期，a。

降雨采用芝加哥雨型，設計降雨歷時t為120 min，降雨重現(xiàn)期P分別取1、3、5、10年一遇，雨峰系數(shù)r取0.4。不同重現(xiàn)期設計降雨過程線見圖3。

圖3 不同重現(xiàn)期設計降雨過程線Fig.3 Designed rainfall process line in different return periods

2 模型參數(shù)的率定及驗證

根據(jù)SWMM模型用戶使用手冊[9]，確定各參數(shù)的取值范圍。李春林[10]利用Morris篩選法對SWMM模型中水文水力參數(shù)進行靈敏度分析，研究表明：靈敏度從大到小依次是匯水區(qū)不透水面積比例，管道曼寧系數(shù)，不透水區(qū)域洼蓄量，匯流區(qū)特征寬度，不透水區(qū)域曼寧系數(shù)，透水區(qū)域曼寧系數(shù)，衰減常數(shù)，透水區(qū)域洼蓄量，最大下滲率，透水區(qū)域曼寧系數(shù)和最小下滲率。

本文通過ArcGIS已確定子匯水區(qū)域的各個面積，平均坡度為4.02%，通過遙感數(shù)據(jù)確定子匯水區(qū)透水面積25%，采用周毅[11]提出的匯流區(qū)特征寬度計算方法，其他參數(shù)取值進行率定及確定。采用的降雨事件是獵德涌流域2010-2014年4場實測降雨，各場次降雨特征見表2。選取20100507和20100514兩場實測降雨參考彭竹葳[12]提出的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)法進行參數(shù)率定，根據(jù)各參數(shù)靈敏度，采用對參數(shù)數(shù)值反復試算調(diào)整，確保模擬值與廣州市排水監(jiān)測站的排放口流量實測值之間的NS效率系數(shù)達到0.7以上。再選取20130830和20140511兩場實測降雨進行模型驗證，得到4場降雨事件的模擬與實測流量過程線，如圖4所示。由圖4可知，排放出口流量的模擬曲線、實測曲線與降雨強度變化趨勢基本一致，且兩條曲線的重合度較高。4場降雨事件的NS效率系數(shù)分別為0.75、0.72、0.73和0.73，流量峰值的實測值與模擬值之間的相對誤差分別為-1.06%、0.82%、3.38%和-3.12 %，均在可接受誤差范圍內(nèi)。最終確定的參數(shù)取值見表3。

表2 各場次降雨特征Tab.2 Characteristics of rainfall events

圖4 各場次降雨下的排放出口流量與降雨強度變化過程線Fig.4 The variation process line of discharge flow and rainfall intensity under different rainfall events

表3 SWMM模型參數(shù)的取值Tab.3 Values of SWMM model parameters

3 結(jié)果與分析

3.1 閘閥啟閉控制對排放出口流量的影響分析

在SWMM模型中輸入不同重現(xiàn)期的設計降雨強度過程，將流域內(nèi)河道的7個孔口閘全部開啟或全部關閉，得到孔口閘啟閉控制下的河涌排放出口洪峰流量過程線，見圖5。由圖5可知，在閘閥開啟或關閉狀態(tài)下，不同重現(xiàn)期降雨情形下各洪峰流量曲線變化規(guī)律與降雨強度變化過程基本一致，但均滯后于降雨強度變化過程。隨著降雨重現(xiàn)期的增大，當河道閘閥開啟或關閉時排放出口洪峰均有提前的趨勢。

圖5 閘閥控制下的排放出口洪峰流量過程線Fig.5 The discharge flow process line of flood peak under the control of gate

在孔口閘控制下不同降雨重現(xiàn)期的排放出口洪峰流量見表4。由表4可知，無論閘閥開啟或關閉，排放出口洪峰流量隨降雨重現(xiàn)期的增大而增大，且兩者峰值受閘閥控制的影響也增大。在1、3、5和10年降雨重現(xiàn)期下，在閘閥啟閉控制下的排放出口洪峰流量較降雨強度峰值的滯后時間在27～35 min范圍內(nèi)，對洪峰流量的削減率在6.73%～13.07%之間。由此可見，該河道上中游區(qū)域的閘閥啟閉控制對降雨過程中的排放出口洪峰流量具有明顯削減效果，可實現(xiàn)對雨洪流量的調(diào)控。

表4 在閘閥控制下不同降雨重現(xiàn)期的排放出口洪峰流量Tab.4 The discharge flow of flood peak in different return periods of rainfall under the control of gate

3.2 閘閥啟閉控制對排水管道水位的影響分析

選取河道中游區(qū)域的節(jié)點(天河路橋底，樁號為2+530)與排水管道節(jié)點之間的單個孔口閘進行啟閉控制，該排水管道管徑為2 200 mm，得到閘前排水管道節(jié)點的水深變化過程線見圖6。由圖6可知，無論該孔口閘開啟或關閉，該排水管道在不同降雨條件下的水深均小于最大管徑，能夠滿足基本的排水需求。降雨重現(xiàn)期增大，該管道在閘閥開啟或關閉時達到的水深最大值也隨之增大。與閘閥關閉狀態(tài)相比，閘閥開啟時管道排出雨水的速率越快。這是因為閘閥開啟使管道能更快地排出積聚的雨水，水深下降速率相對較快，說明單個閘閥的啟閉控制會影響與之相連的排水管道的水深變化速率。

3.3 閘閥啟閉控制對河道水位的影響分析

在模型中選取11個河道節(jié)點進行模擬分析，并在圖1中標注各斷面的具體分布位置，其中，斷面1～6位于河道上游，斷面7、8位于河道中游，斷面9、10位于河道下游，斷面11位于河涌排放口。將河道中游區(qū)域的3個孔口閘全部開啟或關閉，選取與孔口閘相連的各河道節(jié)點，得到河道斷面最大水深變化過程線見圖7。由圖7可知，在不同降雨重現(xiàn)期情形下，無論閘閥開啟或關閉，各斷面的最大水深變化過程線的趨勢基本一致，且河道下游的水深變化量相對較大。河道中游和下游的最大水深變化受閘閥啟閉的影響較明顯，這是因為閘閥關閉阻礙了排水管道節(jié)點與河道節(jié)點之間的水流流動，使得河道水深變化量較小。在不同降雨條件下，并根據(jù)流域內(nèi)河道斷面水深的變化結(jié)果，該模型可用于評估各河道斷面的過水能力。

圖6 閘前排水管道節(jié)點的水深變化過程線Fig.6 The water depth variation process line of the drainage pipe nodes in front of the gate

圖7 閘閥控制下的河道各斷面最大水深變化過程線Fig.7 The variation process line of maximum depth in the river section under the control of gate

在孔口閘控制下的河道下游區(qū)域斷面最大水深變化量見表5。由表5可知，無論閘閥開啟或閘閥關閉，河道下游的各斷面最大水深變化量隨降雨重現(xiàn)期的增大而增大，且斷面11相對其他斷面的最大水深變化量較大。而降雨量的增加會使得河道排放口的最高水位被抬高，不利于下游河道和管道的排澇。隨著降雨重現(xiàn)期從1年增大到10年，斷面9、10、11在閘閥開啟時和關閉時水深最大變化量之間的差值分別從0.12 m到0.04 m，從0.12 m到0.05 m，從0.11 m到0.05 m，二者變化量的差值在逐漸減小。說明河道中游閘閥的啟閉控制對河道下游斷面最高水位波動的影響會隨降雨強度的增大而減小，由此可知，在暴雨情形下采用河道所有閘閥的統(tǒng)一調(diào)控方案對河道防洪控制起到的效果并不佳，因此研究河道不同區(qū)域內(nèi)閘閥的組合優(yōu)化調(diào)控對河道的防澇控制極為重要。

表5 閘閥控制下的河道下游區(qū)域斷面最大水深變化量Tab.5 The maximum depth variation in the river section under the control of gate

3.4 閘閥啟閉控制對流域內(nèi)澇程度的影響分析

獵德涌現(xiàn)行的閘閥控制方式為重力自排與抽排相結(jié)合，在內(nèi)河最大水位高于外河潮位2.50 m時閘閥開啟采取重力自排，否則關閘擋潮并開啟雨水泵站抽排。通過模型結(jié)果進行對比和優(yōu)化，確定優(yōu)化方案工況：分別在1、3、5和10年不同降雨重現(xiàn)期條件下，當河道各斷面的最大防澇水位高于2.23、2.20、2.18和2.14 m時分別開啟河道中上游區(qū)域的4、5、6和7個閘閥進行排澇，否則關閘擋潮并開啟河涌排澇泵站強排。閘閥控制方案的具體工況見表6。

對獵德涌流域內(nèi)河道中上游區(qū)域各孔口閘進行啟閉控制，得到在優(yōu)化方案運行下不同降雨重現(xiàn)期的節(jié)點溢流情況見表7。由表7可知，無論閘閥開啟或關閉，該流域排水系統(tǒng)均出現(xiàn)節(jié)點溢流和超載現(xiàn)象，且內(nèi)澇嚴重程度與降雨強度大小呈正相關。在1、3、5和10年不同降雨重現(xiàn)期條件下，優(yōu)化后積水節(jié)點數(shù)較閘閥關閉時的數(shù)量分別減少了50.00%、45.71%、46.15%和45.45%，優(yōu)化后節(jié)點溢流量較閘閥關閉時的溢流量分別減少了9.80%、9.22%、10.46%和12.47%。隨著降雨重現(xiàn)期從1年增大到10年，現(xiàn)行方案中最大超載時長從3.47 h到4.81 h，優(yōu)化后最大超載時長從1.89 h到2.68 h。表明在河道中上游區(qū)域內(nèi)閘閥的優(yōu)化控制對該流域的內(nèi)澇嚴重程度有明顯緩解作用，通過合理調(diào)控河道中上游的閘閥可達到減少積水和內(nèi)澇現(xiàn)象的效果。

表6 兩種閘閥控制方案的具體工況Tab.6 Two gate control schemes of the specific conditions

注：表中“/”表示閘閥關閉。

表7 不同降雨重現(xiàn)期節(jié)點溢流情況Tab.7 Node overflow in different rainfall return periods

4 結(jié) 語

本文以廣州市獵德涌流域為研究區(qū)域，基于SWMM模型和ArcGIS構(gòu)建了在城市河道閘閥控制下集河道與排水管道為一體的排水防澇模型，結(jié)果表明：

(1)該模型的模擬結(jié)果與該流域?qū)嶋H的排水排澇情況相吻合，可用于評估河道斷面及管道的過水能力，模擬在城市流域內(nèi)小型河流的實際排澇情況，具有一定的適用性。

(2)河道不同區(qū)域的閘閥合理啟閉控制對降雨過程中的排放出口流量及斷面水位具有明顯影響，中上游區(qū)域閘閥控制對水深變化的影響較顯著。

(3)河網(wǎng)地區(qū)內(nèi)小型河流的閘泵工程優(yōu)化調(diào)度需重點關注，河道中上游區(qū)域閘閥的合理優(yōu)化控制方案可以對河段防澇水位進行調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對雨洪流量及防澇水位的有效調(diào)控，減輕城市內(nèi)澇災害。

排水防澇模型的建立本身就是一個不斷改進完善的過程，由于本文建模數(shù)據(jù)與資料有限，本模型尚存在不足之處，如缺乏該地區(qū)詳細的地形和下墊面資料，以至于影響模型參數(shù)的選取和模型的精度，因此仍然有許多研究工作需要進一步探討和改進。