陳文龍，徐宗學，宋利祥，張大偉，劉 培

（1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州 510611；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

1 研究背景

近年來，我國城市洪澇頻發(fā)，已成為影響城市公共安全的突出問題和制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。陳文龍等［1］針對廣州“5·22”特大暴雨洪澇災害，立足整體觀和系統(tǒng)觀，從降雨強度、城市建設(shè)、城市小排水系統(tǒng)、城市大排水系統(tǒng)、外江潮汐影響等五個方面解析了廣州城市洪澇成因，并分析了傳統(tǒng)城市洪澇治理模式“洪歸洪，澇歸澇，水利市政背靠背”的弊端。

設(shè)計雨型描述了暴雨強度過程，不同的設(shè)計雨型對產(chǎn)匯流及調(diào)蓄計算均有重要的影響，是城市洪澇災害防治規(guī)劃的基礎(chǔ)［2］。國外對雨型研究起步較早，已有較多研究成果［3］。國內(nèi)對設(shè)計雨型研究起步相對較晚，主要集中在水文和城市規(guī)劃領(lǐng)域，且不同研究領(lǐng)域?qū)υO(shè)計雨型選樣、場次劃分、場雨間隔時間、雨型的選擇均有不同的理解和爭議［4］。目前，市政部門一般采用超定量法、年多次法，主要研究5 min 間隔3 h 的短歷時設(shè)計雨型；水利部門一般選取年最大值法，主要研究1 h 間隔1 d ～60 d等較長時段的設(shè)計雨型［5］。由于采用不同的采樣方法，水利和市政部門的設(shè)計暴雨成果存在一定差異性，其中，水利長歷時降雨的總量較大，而市政短歷時降雨的峰值較大。針對該問題，近年來學者從暴雨重現(xiàn)期銜接關(guān)系［6］、設(shè)計洪水計算方法［7-10］、暴雨時空分布規(guī)律［11］方面開展了大量研究?？傮w而言，目前市政排水和水利排澇的設(shè)計雨型仍無規(guī)范統(tǒng)一方法，亟需構(gòu)建兩者的銜接關(guān)系，以確保洪澇共治對策的有效性。

城市洪澇模型是城市洪澇災害防治設(shè)施工程規(guī)劃與設(shè)計、洪澇風險評估與預警預報的科學基礎(chǔ)，長期以來是國內(nèi)外研究的熱點問題，主要集中在城市化對徑流特性的影響分析、城市洪澇模擬等方面［12］。張建云等［13］系統(tǒng)歸納了城市化水文效應評估方法和技術(shù)手段，剖析了水循環(huán)過程對快速城市化進程的響應機制。宋曉猛等［14］從城市雨洪模型構(gòu)建的角度，闡述了各種城市雨洪產(chǎn)匯流計算方法的特點、適用性和局限性，提出了城市雨洪模型的概念性框架與基本流程。蔣衛(wèi)威等［15］從降水時空變異性、人工基礎(chǔ)設(shè)施、下墊面空間變異性等三個方面，總結(jié)了城市水文與水動力過程對變化環(huán)境與人類活動的響應機制。徐宗學等［16］詳細總結(jié)了城市化水文效應、城市產(chǎn)匯流理論、城市雨洪模型等方面的國內(nèi)外研究進展，指出城市化水文效應與產(chǎn)匯流理論是當前和未來一段時間研究的重點和難點之一。劉家宏等［17］考慮不同透水性地面的差別和地下建筑物對入滲過程的影響，將城市區(qū)域細分為不透水、透水、半透水、偽透水、強透水等單元，建立了城市水文模型。李娜等［18］將SCS 法降雨產(chǎn)流模型與地面二維水力學模型進行耦合，用于評估低影響開發(fā)措施內(nèi)澇削減效果。戎貴文等［19］提出了屋面雨水源頭調(diào)控技術(shù)，為實現(xiàn)雨水就地積存、滲透提供了支撐。目前已有學者提出并建立了河道-管網(wǎng)-地表耦合的城市洪澇模型［20-23］并用于城市洪澇治理，但是，基于流域系統(tǒng)整體觀，在考慮經(jīng)濟性和用地空間約束性條件下洪澇治理工程優(yōu)化布局方面有待進一步研究。

針對傳統(tǒng)城市洪澇治理模式存在的弊端，本文通過廣州市城市洪澇成因分析，以高度城鎮(zhèn)化的小流域為對象，基于“流域樹”結(jié)構(gòu)，提出了“洪澇同源”的流域系統(tǒng)整體觀，統(tǒng)一了市政和水利設(shè)計雨型，建立了“城市海綿-市政小排水系統(tǒng)-水利大排水系統(tǒng)”耦合的城市洪澇模型，力求準確地模擬城市洪澇過程，合理評估洪澇防治多元措施的效果，為城市洪澇災害防治提供技術(shù)支撐。

2 城市洪澇的流域系統(tǒng)整體觀

2.1 廣州市城市洪澇成因分析在廣州2020年“5·22”特大暴雨洪澇災害調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文把廣州城市洪澇成因歸結(jié)為五個方面。（1）短歷時強降雨是造成城市內(nèi)澇的直接原因?！?·22”特大暴雨具有強度大、范圍廣和面雨量大的特點。降雨強度遠超廣州市現(xiàn)狀河涌排澇能力和城市排水管網(wǎng)排水能力；（2）廣州是高度城市化城市。在城市建設(shè)導致的“硬底化”影響下，廣州的地面徑流系數(shù)由0.3～0.5 增大到0.6～0.9，暴雨匯流速度加快，“龍舟水”徑流峰值出現(xiàn)時間提前了1～2 h；同時城市建設(shè)導致農(nóng)田、池塘、河道、湖泊等“天然調(diào)蓄池”被填平、占用，城市的自然調(diào)蓄能力大幅下降；（3）排水管網(wǎng)的排水能力不足。當降雨強度超過排水管網(wǎng)設(shè)計規(guī)模時，地下管道無法及時將地面雨水排除，導致地表產(chǎn)生積水，發(fā)生內(nèi)澇。目前，廣州新城區(qū)排水管網(wǎng)按3年一遇標準設(shè)計，而老城區(qū)83%左右排水管網(wǎng)為1年一遇標準，僅9%達到2年一遇標準。另外，城市建設(shè)截斷排水管網(wǎng)，破壞排水系統(tǒng)，老城區(qū)排水系統(tǒng)老化失修，淤積堵塞嚴重，進一步降低了排水能力；（4）河道行洪能力不足。城市河道承接上游山洪及兩岸排水區(qū)匯水，排入外江河道。目前廣州市許多內(nèi)河水系尚不能滿足10年一遇的排澇標準，行洪能力不足。河道中的各類阻水橋涵以及垃圾倒棄等使得原本不足的行洪空間被進一步占用，加大了兩岸洪澇災害發(fā)生的概率；（5）外江高水位的頂托。如強降雨遭遇外江天文大潮或風暴潮，外江高潮位頂托使得城市河道洪水不能及時排入外江，河道長時間維持高水位，排水管網(wǎng)排水能力大幅度下降，出現(xiàn)內(nèi)澇。在廣州2020年“5·22”特大暴雨災害調(diào)研基礎(chǔ)上，本文提出了城市洪澇治理的流域系統(tǒng)整體觀，包括“流域樹”、洪澇同源、洪澇共治等核心理念。

2.2 “流域樹”結(jié)構(gòu)大的城市往往可以劃分為若干流域分區(qū)，流域集雨面積一般都不大，流域大范圍同時發(fā)生暴雨的可能性很大，因此城市防洪排澇體系的研究要以流域為單元。傳統(tǒng)的城市防洪排澇體系由排水系統(tǒng)（又稱小排水，包括排水管網(wǎng)、雨水泵站等）和排澇系統(tǒng)（又稱大排水，包括城市河網(wǎng)、水庫、湖泊等）構(gòu)成。地面降水通過排水系統(tǒng)匯入排澇系統(tǒng)，最終直排或泵排到外江。隨著2012年海綿城市概念的提出，城市洪澇治理的理念發(fā)生了質(zhì)的飛躍。城市海綿（如綠地、滲水道路、下凹式廣場等）也成為城市防洪排澇體系的有機組成部分，也就是說，現(xiàn)代城市的防洪排澇體系包括城市海綿、排水系統(tǒng)和排澇系統(tǒng)三部分。城市防洪排澇體系是由“地-管-河”構(gòu)成的“流域樹”（如圖1所示），城市河網(wǎng)構(gòu)成樹干和枝杈，排水分區(qū)為樹葉（地面、城市海綿、地下排水管網(wǎng)）。

圖1 “流域樹”結(jié)構(gòu)示意

2.3 洪澇同源一般把地面雨水排除不及而成災的積水稱之為澇，河道水漫溢造成的水淹稱之為洪。洪澇同源有兩個內(nèi)涵：（1）城市小流域集雨面積一般都不大，大范圍同時發(fā)生暴雨的可能性很大，所以城市洪澇治理規(guī)劃一般應考慮全流域同時降雨；（2）流域是一個有機的整體。從縱向看，城市河網(wǎng)上中下游、干支流相互聯(lián)系，上游流量大，則下游水位高，下游水位高又會頂托上游來水。從橫向看，“地-管-河”相互耦合，地面排水快，管網(wǎng)流量大；管網(wǎng)的水流的慢，地面就會積水。管網(wǎng)排水快，則河道水位高；河道水位高，又會頂托管網(wǎng)排水，甚至滿過堤頂造成水淹。因此，流域是縱向來水和橫向來水相互交錯的有機整體，洪和澇相互交織，相生相伴。

2.4 洪澇共治長期以來，由于水利和市政是兩個獨立的行政部門，水利和市政又分屬兩個不同的學科專業(yè)，市政和水利分別獨立按各自的規(guī)范進行設(shè)計：城市排水標準按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》，針對產(chǎn)生于城市內(nèi)較小匯水面積上較短歷時的雨水徑流進行排除；城市排澇標準按照《城市防洪工程規(guī)劃規(guī)范》，針對解決較大匯流面積較長歷時暴雨產(chǎn)生的澇水排放。“洪歸洪，澇歸澇”的治理模式，就導致洪澇治理不銜接，忽略城市海綿、小排水和大排水的系統(tǒng)性，主要表現(xiàn)在：（1）市政排水和水利排澇設(shè)計采用的設(shè)計雨型不統(tǒng)一，導致對于同樣的致災要素（降雨）采用了兩個不同的標準；（2）未充分考慮排水系統(tǒng)和排澇系統(tǒng)互為邊界條件，市政排水設(shè)計主要考慮局部排水區(qū)的降雨強度，對承泄區(qū)河道的水位頂托考慮不足；水利則一般按照流域面積計算產(chǎn)匯流，無法充分考慮地面的水文物理性質(zhì)和產(chǎn)匯流格局。不銜接的各自達標不等于整體設(shè)防達標。如河道設(shè)計洪水位高，就單一的加高堤防，高水位行洪又會降低排水系統(tǒng)的排水能力；管網(wǎng)的排水能力不足，一味提高排水管網(wǎng)標準，加大排水流量的同時相當于把風險轉(zhuǎn)嫁到河道下游。

洪澇同源意味著洪澇治理必須洪澇共治。一是要樹立防洪排澇體系整體設(shè)防達標的概念。城市洪澇相生相伴，不能刻板地界定洪澇的邊界。城市內(nèi)澇防治標準，是指在發(fā)生相應頻率24 h 設(shè)計暴雨工況下，城市海綿、小排水系統(tǒng)和大排水系統(tǒng)整體設(shè)防、綜合協(xié)調(diào)作用下達到城市內(nèi)澇防治要求。二是城市洪澇治理必須從流域尺度，統(tǒng)籌城市海綿、小排水系統(tǒng)和大排水系統(tǒng)三大要素加強“流域樹”建設(shè)，按照因地制宜的原則把現(xiàn)有的“流域樹”培育得更加粗壯、結(jié)構(gòu)更加合理。（1）樹枝和樹杈建設(shè)。如新建水庫或水庫挖潛（疏浚水庫或降低水庫溢洪道高程），攔蓄進入城市的山洪；把濕地公園改造為臨時蓄滯洪區(qū)，河道流量大時，可以分洪；加高堤防、拓寬河道，增強河道行洪能力等。（2）樹葉建設(shè)：管網(wǎng)擴容，增強管網(wǎng)的排水能力；建設(shè)蓄水池或利用下凹式廣場，實現(xiàn)錯峰功能等。（3）建立科學模擬“洪澇同源”的城市洪澇計算方法，關(guān)鍵是統(tǒng)一市政排水和水利排澇的設(shè)計雨型和建立“城市海綿-小排水-大排水”耦合水文水動力模型，以科學指導洪澇評估和洪澇治理布局。

3 統(tǒng)一市政排水和水利排澇的設(shè)計雨型

市政排水設(shè)計暴雨多采用年多個樣本法，每年選取6～8 個降雨樣本，然后將暴雨樣本不論年份從大到小進行排序，選擇3～4 倍的年數(shù)樣本數(shù)后，采用經(jīng)驗頻率計算公式進行計算。水利排澇設(shè)計暴雨采用年最大樣本法，每年選取一個最大樣本，然后對樣本系列進行由大到小排序，采用經(jīng)驗頻率計算公式進行計算。由于樣本選取方法及統(tǒng)計采用的雨量站不同，水利與市政設(shè)計成果有一定的差異，導致小排水與大排水銜接不匹配?；诤闈持卫淼牧饔蛳到y(tǒng)整體觀，為更好統(tǒng)籌小排水和大排水，必須統(tǒng)一設(shè)計雨型。同時，從偏安全角度考慮，采用的設(shè)計雨型須同時兼顧水利長歷時降雨的量和市政短歷時降雨的峰，即降雨過程統(tǒng)一，長歷時降雨涵蓋短歷時降雨。本文以廣州某流域設(shè)計雨型為例加以說明。

3.1 基于“大包小”概念的暴雨強度目前已有《廣州市中心城區(qū)暴雨強度及計算圖表》（2011年，市政，以下簡稱“暴雨強度公式”）和《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》（2003年，水利，以下簡稱“等值線圖”）等設(shè)計暴雨成果，前者從市政角度出發(fā)，可推求歷時3 h以內(nèi)暴雨強度，后者從水利角度出發(fā)，可推求1 h間隔24 h降雨過程。設(shè)計暴雨成果見表1。

由表1可知，重現(xiàn)期為100年、50年和20年一遇時，“等值線圖”設(shè)計暴雨均大于“暴雨強度公式”；重現(xiàn)期為10年時，10 min“等值線圖”設(shè)計暴雨大于“暴雨強度公式”，1 h、3 h 設(shè)計暴雨相反；重現(xiàn)期為5年時，“等值線圖”設(shè)計暴雨均小于“暴雨強度公式”。綜合“暴雨強度公式”和“等值線圖”成果，采用“大包小”方法統(tǒng)一兩者設(shè)計暴雨，見表2。

表1 A流域“暴雨強度公式”和“等值線圖”設(shè)計暴雨成果（單位：mm）

表2 A流域設(shè)計暴雨成果（單位：mm）

3.2 基于“長包短”概念的暴雨過程根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表》（1991年），A 流域位于珠江三角洲I區(qū)，可得逐時設(shè)計雨型，在保證各歷時降雨與設(shè)計暴雨一致的前提下，采用“長包短”的方法進行1 h、3 h、6 h和24 h分段控制，并進行歸一化處理，見表3。

在表3的基礎(chǔ)上，按照10 min 及逐小時控制各頻率設(shè)計雨量，利用暴雨公式Htp=SP×t1-np，得到逐10 min降雨過程，見圖2。

圖2 A流域設(shè)計暴雨過程

表3 A流域分時段控制設(shè)計雨型（單位：mm）

4 “城市海綿-小排水-大排水”耦合水文水動力模型

4.1 城市洪澇水文水動力耦合模型基于城市洪澇的流域系統(tǒng)整體觀，城市洪澇水文水動力模型需對“地-管-河”構(gòu)成的“流域樹”進行全要素模擬，故本文建立的城市洪澇模型由流域坡面產(chǎn)匯流模型、水庫調(diào)洪演算模型、河道洪水演進模型、管網(wǎng)模型、城區(qū)地表洪水演進模型等耦合組成，以適應統(tǒng)一邊界條件下城市洪澇過程精細化模擬。

（1）流域坡面產(chǎn)匯流模型。采用基于地形指數(shù)的分布式水文模型進行流域坡面產(chǎn)匯流計算。模型假設(shè)在DEM 的每一個柵格上有2 種不同的蓄水單元：河道、坡面。柵格上的徑流形式分為地表徑流和地下徑流兩種。流域產(chǎn)流機制為蓄滿產(chǎn)流，考慮土壤達到柵格點蓄水能力產(chǎn)生地表徑流。柵格上每段河道的流量演算采用馬斯京根法。此外，采用線性疊加方式，將上游幾個河道演算所得到的出口流量對應時段之和作為匯流柵格節(jié)點的流量。據(jù)此可得子流域出口斷面的流量過程，并將之作為水庫調(diào)洪演算模型、河道洪水演進模型的流量邊界條件。

（2）水庫調(diào)洪演算模型。水庫調(diào)洪計算的目的是在入庫洪水過程、庫容曲線、泄洪建筑物的型式尺寸以及調(diào)度規(guī)則確定的條件下，推求下泄流量過程和庫水位過程。水庫調(diào)洪演算的實質(zhì)就是聯(lián)合求解水量平衡方程和蓄泄方程，得到水庫下泄流量過程，并作為河道洪水演進模型的流量邊界條件。

（3）河道洪水演進模型。采用一維圣維南方程組作為河道洪水演進控制方程。水閘斷面的通量由水閘過流公式確定。閘門關(guān)閉情況下，過閘流量為0；閘門開啟情況下，按寬頂堰的自由出流或淹沒出流經(jīng)驗公式計算過閘流量。

（4）管網(wǎng)水動力模型。采用管網(wǎng)明滿流方程作為管道水流控制方程，并結(jié)合Preissmann 狹縫法處理管網(wǎng)明、滿流交替現(xiàn)象。

（5）城區(qū)地表洪水演進模型。高度城鎮(zhèn)化地區(qū)，密集建筑物對城區(qū)地表洪水演進的影響主要表現(xiàn)在蓄、滯兩個方面。一方面，建筑物減少了單元有效蓄水區(qū)域，使得單元蓄水容量減少；另一方面，建筑物使各計算單元過水斷面面積減少，阻礙洪水傳播。本文運用容積率系數(shù)（即網(wǎng)格內(nèi)非建筑區(qū)所占地表的面積率）對淺水方程進行修正，同時結(jié)合人工加糙法，以概化高度城鎮(zhèn)化地區(qū)建筑物對洪水傳播的影響。

（6）耦合模型。河道-地表模型的側(cè)向耦合：側(cè)向耦合界面處需要滿足流量約束條件，即保證一維河道、二維地表模型間水量及動量守恒。因此，通過“互相提供邊界”的方式實現(xiàn)河道-地表模型的側(cè)向耦合。

河道-管網(wǎng)模型的側(cè)向耦合：管網(wǎng)水頭較高時，水流通過排水口進入河道；河道水位較高時，可對管網(wǎng)排水造成頂托甚至倒灌。因此，通過“互相提供邊界”的方式實現(xiàn)河道-管網(wǎng)模型的側(cè)向耦合，即將河道水位作為管網(wǎng)排水口的水位邊界，進行管網(wǎng)計算；將管網(wǎng)排水口的流量計算結(jié)果作為河道的旁側(cè)入流/出流邊界。

管網(wǎng)-地表的豎向耦合：豎向耦合方法與側(cè)向耦合類似，即通過“互相提供邊界”的方式計算管網(wǎng)-地表的交換流量，再進一步對模型狀態(tài)進行更新。

（7）邊界條件及耦合過程?！俺鞘泻＞d-小排水-大排水”耦合水文水動力模型中，首先進行水文模型計算，即將流域產(chǎn)匯流區(qū)域分為山區(qū)坡面產(chǎn)匯流及城區(qū)產(chǎn)匯流，以降雨過程為邊界條件，山區(qū)坡面產(chǎn)匯流計算得到的流量過程作為水庫入庫或河道無控斷面上游流量邊界，城區(qū)產(chǎn)匯流計算得到的流量過程作為雨水井的輸入流量；其次，以水文模型的流量計算過程為邊界條件，并結(jié)合外江潮位過程、閘泵調(diào)度規(guī)則等邊界條件，進行河道-地表-管網(wǎng)的耦合計算。

（8）洪澇治理工程概化方法。洪澇治理工程主要包括水庫挖潛、河道整治、濕地公園、坑塘利用、蓄滯設(shè)施、場坪抬高、泵站等。其中，水庫挖潛通過修正水庫水位-庫容曲線、特征水位、調(diào)度規(guī)則等進行模型概化；河道清淤、拓寬、堤防加高等通過修正河道斷面地形及堤防節(jié)點高程等進行模型概化；濕地公園、坑塘利用、蓄滯設(shè)施等通過修正水文計算中下滲率、洼地蓄水深度等參數(shù)進行模型概化；場坪抬高通過修正二維模型網(wǎng)格節(jié)點高程進行概化。

4.2 數(shù)值求解方法采用一維有限體積法和汊點水位預測-校正法進行河網(wǎng)模型求解［24］，該方法實現(xiàn)了河網(wǎng)內(nèi)各河段、河段內(nèi)各斷面的完全數(shù)值解耦，計算穩(wěn)定性好；采用二維有限體積法進行地表洪水演進模型求解［25］，并結(jié)合GPU 并行計算技術(shù)實現(xiàn)了模型快速計算［26］；通過構(gòu)造并求解Riemann問題實現(xiàn)河道-地表模型的側(cè)向耦合［27］，有效克服了基于堰流公式的傳統(tǒng)方法難以適用于不規(guī)則潰口、堰流公式中流量系數(shù)選取存在不確定性等缺點；基于SWMM 開源模型代碼實現(xiàn)管網(wǎng)模型求解及城市海綿措施模擬，并通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)自主研發(fā)模型與SWMM 模型的耦合計算。相關(guān)求解方法可參考前述文獻，本文在此不再贅述。

5 案例分析

5.1 研究區(qū)域概況研究區(qū)域上游為高丘陵區(qū)，屬侵蝕臺地丘陵，地勢較高，雨水借助地勢匯入河涌，山丘、田野、村落、工廠錯落分布。下游為沖積平原，地勢平坦，地面高程在5.4～8.7 m 左右（廣州城建高程，下同），河涌眾多。干流全長18.5 km，流域面積為56.7 km2，干流上游建有?。↖）型水庫一座，總庫容730萬m3，流域范圍及水系分布見圖3。流域內(nèi)干流及部分支流已按規(guī)劃20年一遇標準進行達標整治，支流2和支流4未整治；排水管網(wǎng)達到5年一遇標準約72 km，占比約50%，其余基本為1 ～ 2年一遇。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014-2006，2016 版本）3.2.4 條，流域中下游城市中心城區(qū)的規(guī)劃內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為100年。

圖3 流域范圍及水系分布示意

該區(qū)域?qū)儆诟叨瘸鞘谢貐^(qū)，內(nèi)澇標準從20年一遇提升到100年一遇，必須充分考慮經(jīng)濟合理性原則和約束性原則。城市土地空間有限，寸土寸金，河道、管網(wǎng)提升空間明顯不足，在有限的土地空間進行防洪排澇的工程布局，洪澇的精細化模擬是個關(guān)鍵問題。以往城市洪澇防治對策研究工作中采用的綜合單位線法推求設(shè)計洪水過程，該方法忽略了管網(wǎng)匯流、城市下墊面水文物理性質(zhì)和產(chǎn)匯流格局等城市化地區(qū)特有的產(chǎn)匯流影響因素，計算相對過于簡化，不能滿足高密度城市化地區(qū)洪澇防治工程布局的要求。本文構(gòu)建“城市海綿-小排水-大排水”耦合水文水動力模型，可以充分考慮城市海綿、小排水、大排水之間以及流域上下游、干支流之間的相互聯(lián)系，通過河道流量、河道水位、地面淹沒情況，整體評估工程布局的洪澇防御效果，科學指導工程布局優(yōu)化。

5.2 模型構(gòu)建

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)概況。所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀管網(wǎng)數(shù)據(jù)、1 m精度DEM 數(shù)據(jù)，基于2020年遙感影像提取的土地利用類型數(shù)據(jù)。干流及主要支流的斷面采用實測資料及最新整治設(shè)計斷面，其余支流通過DEM 和遙感數(shù)據(jù)提取河底高程和河寬，并結(jié)合平均水深對河底高程進行修正，水庫起調(diào)水位按汛限水位考慮。

（2）耦合模型構(gòu)建。一維河道模型范圍上至干流上游的水庫，下至河口。下游采用水位邊界，河道沿程與管網(wǎng)模型耦合；二維模型模擬地面的漫流和內(nèi)澇積水過程，模型范圍共56.7 km2，劃分20萬個三角形網(wǎng)格，最小網(wǎng)格面積100 m2；管網(wǎng)模型模擬研究區(qū)域的管網(wǎng)匯流過程，利用DEM 劃分子匯水區(qū)，根據(jù)土地利用資料確定每個子集水區(qū)的不透水率，模型范圍包括干流水庫以下共49.7 km2的區(qū)域，4223個子匯水區(qū)、4581個管井、4397條管道。三個模型分別構(gòu)建完成后進行耦合，一維河網(wǎng)模型與管網(wǎng)模型排水口之間共構(gòu)建202 個耦合連接，二維模型與管網(wǎng)模型之間共構(gòu)建4195 個耦合連接，一、二維模型之間共構(gòu)建11個耦合鏈接。耦合模型如圖4所示。

圖4 耦合模型示意

5.3 模型驗證基于河道設(shè)計水面線成果對一維模型糙率進行初始率定，基于土地利用數(shù)據(jù)對二維模型糙率進行賦值。結(jié)合“5.22”暴雨洪澇淹沒調(diào)查成果及廣州市水旱災害防御中心一雨一報表數(shù)據(jù)，進一步對耦合模型進行參數(shù)率定驗證，其中，河道糙率為0.02 ～ 0.035，城區(qū)地表糙率為0.035 ～ 0.07。根據(jù)實測降雨資料，“5.22”暴雨歷時約10 h，最大1 h 降雨約3年一遇，最大6 h 降雨約20年一遇。洪澇淹沒水深分布計算結(jié)果見圖5。由計算結(jié)果可知，本次淹沒總面積約為0.12 km2，淹沒范圍與實際水淹點位置基本一致。16處驗證點（位置分布見圖5）的洪澇淹沒最大水深計算值與實測值對比見圖6，由結(jié)果可知，計算值與實測值較為一致，誤差范圍在±0.2 m 以內(nèi)，表明模型精度較高，可有效模擬城市暴雨洪澇淹沒。

圖5 “5.22”暴雨洪澇淹沒水深計算結(jié)果

圖6 16處水淹點最大水深計算值與實測結(jié)果對比

5.4 不同設(shè)計雨型的洪澇模擬結(jié)果對比市政設(shè)計雨型歷時一般為1～3 h，采用10 min間隔的降雨過程表示；水利設(shè)計雨型歷時一般為24 h，采用1 h間隔的降雨過程表示，見圖7。由圖7可知，水利設(shè)計雨型的最大10 min降雨量較小，但從1 h、3 h降雨量來看，水利設(shè)計雨型較大。

圖7 A流域市政、水利100年一遇設(shè)計暴雨過程

采用“城市海綿-小排水-大排水”耦合水文水動力模型，分別輸入市政、水利設(shè)計雨型，計算100年一遇暴雨條件下流域洪澇受淹情況，見圖8。采用市政設(shè)計雨型條件下，管道出口基本不受河道水位頂托，流域共有積水深度大于0.15 m 的積水點17 個，積水區(qū)域面積約為0.48 km2；水深大于0.5 m的積水區(qū)域面積約為0.23 km2；采用水利設(shè)計雨型條件下，管道受河道水位頂托甚至發(fā)生倒灌，且局部河道發(fā)生漫溢，共有水深大于0.15 m 的水淹點23 個，淹沒面積約為1.05 km2；水深大于0.5 m 的淹沒面積約為0.39 km2。由結(jié)果對比可知，100年一遇暴雨條件下，與市政設(shè)計雨型相比，水利設(shè)計雨型的淹沒范圍較大。主要原因包括：①市政設(shè)計雨型歷時小于A 流域匯流歷時（3～6 h），雨峰發(fā)生時，雨水尚未完全匯入河道，河道水位較低、管道基本不受河道水位頂托，故管道溢流主要受自身排水能力影響；②市政設(shè)計雨型歷時短，100年設(shè)計雨型僅最大10 min 降雨超過5年一遇暴雨峰值，超標時段短、總量小，大部分溢流管道尚未造成地面明顯積水時已開始退水，故積水范圍較??；③水利設(shè)計雨型歷時長、總量大，雨峰發(fā)生時河道水位較高，雖然雨峰小于市政5年一遇最大10 min降雨，但受河道水位頂托甚至倒灌影響，管道溢流造成的積水范圍較大。

圖8 100年一遇不同設(shè)計雨型條件下淹沒水深分布

本文提出的統(tǒng)一設(shè)計雨型，既考慮了市政的降雨峰值，又兼顧了水利的降雨時長及雨量，相應的水淹范圍是水利、市政設(shè)計雨型條件下的外包絡范圍，可為流域洪澇共治提供科學、合理的邊界條件。

5.5 現(xiàn)狀洪澇防御能力分析利用率定后的城市洪澇耦合模型，計算發(fā)生20年、100年一遇設(shè)計暴雨條件下流域出口斷面洪水過程（見圖9），20年一遇洪峰流為314 m3/s，100年一遇洪峰流量為390 m3/s。初步估算流域需削峰76 m3/s，滯蓄洪量120 萬m3。作為比較，采用傳統(tǒng)綜合單位線計算流域出口100年一遇洪峰流量為418 m3/s。本次計算設(shè)計洪水較綜合單位線法偏小約6.7%，洪峰提前約2 h，主要因為傳統(tǒng)綜合單位線法未考慮地面淹沒積水、管網(wǎng)和河道過流能力對流域產(chǎn)匯流過程的影響，故本次計算結(jié)果洪峰較綜合單位線法偏小，洪峰提前。

圖9 流域出口斷面洪水過程

現(xiàn)狀河道100年一遇水面線見圖10。由結(jié)果可知，干流及右支河道下游發(fā)生漫溢，堤岸最大欠高0.7 m，發(fā)生漫溢河長2.0 km，占干流河長約11%；左支下游河道局部發(fā)生漫溢，堤岸最大欠高0.3 m，發(fā)生漫溢河長0.6 km，占左支河長約12%；管道充滿度及淹沒水深見圖11，滿管管道長度占比為85%；受排水口處河道水位頂托，管道發(fā)生溢流長度占比約35%，發(fā)生區(qū)域主要為下游干管和標準較低的管段。流域共有淹沒水深大于0.15 m 的積水點37 個，淹沒總面積約為1.34 km2；水深大于0.5 m的淹沒總面積約為0.52 km2；淹沒區(qū)域與河道漫溢、管道溢流位置基本一致，其余部分集中在地勢低洼區(qū)域。綜上，流域現(xiàn)狀與100年一遇內(nèi)澇防治標準差距較大。

圖10 現(xiàn)狀河道100年一遇水面線

圖11 100年一遇設(shè)計降雨條件下管網(wǎng)充滿度及淹沒水深分布

5.6 城市洪澇治理工程布局優(yōu)化傳統(tǒng)城市洪澇治理將洪、澇孤立對待，從內(nèi)澇防治來看，管道溢流采用調(diào)蓄和加大管徑的措施，管道承泄區(qū)水位較高，對管道排水造成頂托，采取局部抽排措施；從防洪來看，如河道發(fā)生漫溢，采取加高堤防、擴寬河道或者上游水庫挖潛等措施予以解決。然而，“洪歸洪，澇歸澇”的治理模式，未充分考慮城市洪澇的聯(lián)系及相互轉(zhuǎn)化，如城市地面集水發(fā)生內(nèi)澇，則加大管網(wǎng)、末端抽排，解決局部問題，隨著管道規(guī)模、抽排泵站規(guī)模增加，入河流量增加，河道水位升高，引起其它區(qū)域河道漫溢，出現(xiàn)“因澇致洪”的問題；城市河道漫溢，采取堤防加高措施，河道水位升高，引起管網(wǎng)排水不暢，出現(xiàn)“因洪致澇”的問題。因此，城市洪澇分治忽略了大、小排水系統(tǒng)之間的聯(lián)系且存在轉(zhuǎn)移城市洪澇風險的弊端，難以從根本解決城市洪澇災害。

基于流域樹建設(shè)理念，從全流域出發(fā)，統(tǒng)籌上下游、左右岸，統(tǒng)籌水庫、坑塘、管網(wǎng)、河道，流域洪澇治理工程布局優(yōu)化技術(shù)路線見圖12。首先，結(jié)合城市洪澇模型對現(xiàn)有流域洪澇防御體系防御能力進行評估，依據(jù)管道充滿度、河道水位、地面高程、淹沒水深分布圖，診斷流域洪澇成因；其次，結(jié)合城市用地規(guī)劃、更新改造、周邊環(huán)境因素及工程經(jīng)驗，干流及右支、左支下游不具備加高、擴寬條件，無法直接提升河道自身防洪標準，通過上游水庫挖潛、結(jié)合城市舊改增加滯蓄設(shè)施、現(xiàn)有坑塘利用、新建濕地公園（蓄滯洪區(qū)）進行滯洪削峰，系統(tǒng)性提高流域設(shè)防標準；管道直接擴容提標難度大，通過上游滯蓄洪水和局部支流河道整治，降低河道水位，減小管網(wǎng)來水量和出口水位頂托，系統(tǒng)提升管道應對暴雨能力；對于局部地勢低洼區(qū)域，結(jié)合城市舊改進行場坪抬升，無舊改區(qū)域，采取泵站抽排措施；依據(jù)流域現(xiàn)狀洪澇體系防御能力，結(jié)合工程經(jīng)驗初步擬定工程措施規(guī)模，流域治理工程措施分布見圖13；最后，采用城市洪澇模型分析流域洪水過程、水位變化、管道充滿度、淹沒水深及范圍，對規(guī)劃工程效果進行評估，如不滿足規(guī)劃目標，則對工程布局及規(guī)模進行優(yōu)化，直至滿足規(guī)劃目標。

圖12 流域洪澇治理工程布局優(yōu)化技術(shù)路線圖

圖13 治理措施分布

流域洪水由城市海綿（坑塘、滯蓄設(shè)施）、小排水、大排水（河道、濕地公園、水庫、泵站）等進行控制，流域規(guī)劃工程措施如下：

（1）水庫挖潛。上游水庫無供水任務，可對其泄流構(gòu)筑物進行改造，降低溢洪道高程，并增設(shè)閘門，提前預泄，確保100年一遇暴雨下，水庫不泄洪，可削峰40 m3/s，增加蓄洪55萬m3。

（2）河道整治。支流2、支流3 兩岸目前及規(guī)劃均有土地空間進行擴寬，《廣州市河涌水系規(guī)劃（2017—2035年）》中擬對其擴寬整治，整治范圍為分別為河口至上游2.1 km 和1.5 km，寬度分別為5 m 和11 m。

（3）濕地公園。新建濕地公園區(qū)域目前為綠地和農(nóng)田，規(guī)劃用地類型為綠地，占地27 hm2，增加調(diào)蓄容積25 萬m3，并增設(shè)閘門控制，當河道水位超過閾值時，進行分洪，可削減洪峰15 m3/s。

（4）場平抬高。低洼區(qū)域共有城市舊改面積約472 hm2，考慮城市舊改過程中的不確定因素，進行整體改造區(qū)域按80%考慮，對378 hm2區(qū)域進行場平抬高。

（5）坑塘利用。對流域內(nèi)已納入河涌水系藍線規(guī)劃的35座坑塘進行改造，占地27.5 hm2，增加調(diào)蓄容積38萬m3，總調(diào)蓄容積69萬m3，對區(qū)域澇水進行削峰控泄，可削減洪峰20 m3/s。

（6）滯蓄設(shè)施。流域內(nèi)舊城改造面積共708 hm2，根據(jù)《廣州市海綿城市專項規(guī)劃（2016—2030）》，城市舊改區(qū)域，每公頃新建500 m3滯蓄設(shè)施，共35.4 萬m3，對片區(qū)澇水進行削峰控泄，可削減洪峰18 m3/s。

（7）低水抽排：對地勢低洼且無舊城改造的局部區(qū)域進行低水抽排，低水區(qū)面積共3.1 km2，分設(shè)4座雨水泵站，規(guī)?？傆?5 m3/s。

100年一遇設(shè)計暴雨工況下，工程后，流域出口斷面洪水過程見圖14，水面線見圖15。流域出口斷面洪峰由390 m3/s 削減至308 m3/s；流域內(nèi)洪澇水淹點減至6 個，最大淹沒水深均不超過0.15 m；河道設(shè)計水位整體基本低于堤頂高程0.5 m。綜上，在規(guī)劃工程實施后，流域整體上可有效應對100年一遇降雨。

圖14 工程后流域出口斷面洪水過程

圖15 工程后河道100年一遇水面線

6 結(jié)論

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市洪澇問題越發(fā)凸顯，然而傳統(tǒng)治理思路缺乏系統(tǒng)性和整體性，無法科學指導城市洪澇治理。本文在廣州“5·22”特大暴雨洪澇災害調(diào)查及成因分析基礎(chǔ)上，提出流域系統(tǒng)整體觀，統(tǒng)一水利和市政雨型，并以典型流域為例，運用“城市海綿-市政小排水系統(tǒng)-水利大排水系統(tǒng)”耦合城市洪澇模擬模型，指導流域洪澇治理工程布局。主要結(jié)論如下：

（1）城市洪澇治理要以流域為研究單元，堅持流域系統(tǒng)整體觀，樹立防洪排澇體系整體設(shè)防達標的概念。流域整體系統(tǒng)觀包括“流域樹”、洪澇同源、洪澇共治等核心內(nèi)涵。

（2）基于流域系統(tǒng)整體觀，采取“大包小、長包短”方法統(tǒng)一市政排水與水利排澇設(shè)計雨型，可實現(xiàn)水利和市政的有機銜接。

（3）城市土地空間有限，城市河道、排水管網(wǎng)的提升改造空間明顯不足，洪澇治理工程布局必須同時考慮經(jīng)濟性和約束性原則，故洪澇過程的精細化模擬尤為關(guān)鍵。運用“城市海綿-市政小排水系統(tǒng)-水利大排水系統(tǒng)”耦合城市洪澇模擬模型，按流域系統(tǒng)整體觀充分考慮了城市海綿、小排水、大排水之間以及流域上下游、干支流之間的相互聯(lián)系，同時又實現(xiàn)洪澇過程精細化模擬，可科學指導工程布局優(yōu)化。

綜上，本文提出城市洪澇治理理念以及相應的城市洪澇模擬方法，可為城市洪澇治理提供技術(shù)支撐，具有較好的推廣應用前景。