高麗莎，高程程，汪 濤

(上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233)

實(shí)現(xiàn)城市管理精細(xì)化成為全國(guó)大中型城市的一項(xiàng)重要任務(wù)。城市防洪除澇精細(xì)化管理是城市精細(xì)化管理的重要組成部分。加強(qiáng)城市防洪除澇精細(xì)化管理，有助于全面提升城市防洪除澇能力，是新時(shí)代水務(wù)管理的重要內(nèi)容，更是城市安全之所需。

近年來(lái)，大中城市洪澇問(wèn)題頻發(fā)，嚴(yán)重影響了城市正常運(yùn)行和人民生產(chǎn)生活。賈紹鳳[1]指出我國(guó)城市雨洪管理近期應(yīng)以除澇能力達(dá)標(biāo)為重點(diǎn)。除澇能力評(píng)估已成為解決城市防洪除澇問(wèn)題的前提和基礎(chǔ)。近年來(lái)，基于水動(dòng)力模型的方法已成為評(píng)估城市防洪除澇能力的常用方法，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在這方面開展了大量研究[2-9]。

平原河網(wǎng)地區(qū)河湖密布，泵閘眾多，且調(diào)控復(fù)雜，這對(duì)數(shù)值模擬提出了很高的要求。受模型計(jì)算條件和資料完整度的限制，當(dāng)前對(duì)于大型復(fù)雜感潮河網(wǎng)水動(dòng)力的模擬不夠精細(xì)化，不能達(dá)到城市防洪除澇精細(xì)化管理的要求。如，韓超等[10-11]在利用河網(wǎng)模型分析嘉興市洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，只對(duì)圩外骨干河道進(jìn)行了概化，對(duì)圩內(nèi)河道等規(guī)模較小的河道采用虛擬河道的方式進(jìn)行處理，并不能精細(xì)反映整個(gè)河網(wǎng)的水流變化規(guī)律；楊振榮等[12-13]在利用河網(wǎng)模型分別分析杭嘉湖東部平原和福州市主城區(qū)的洪澇問(wèn)題時(shí)，只針對(duì)主要河道和其上水工建筑物等進(jìn)行了概化；朱曉琳等[14-16]用河網(wǎng)模型來(lái)研究河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)變化規(guī)律時(shí)，僅概化了鎮(zhèn)級(jí)及以上河道，模擬結(jié)果不夠精細(xì)，尤其是對(duì)于某些規(guī)模較小的河道來(lái)說(shuō)，模擬結(jié)果不能反映其水流的變化規(guī)律。

本文基于翔實(shí)的數(shù)據(jù)資料，構(gòu)建了精細(xì)化的蘇州河水系水動(dòng)力模型，用來(lái)評(píng)估上海長(zhǎng)寧區(qū)在現(xiàn)狀和規(guī)劃條件下的除澇能力，據(jù)此為長(zhǎng)寧區(qū)除澇工作提供建議，為上海防洪除澇精細(xì)化管理提供示范。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

長(zhǎng)寧區(qū)位于上海中心城區(qū)西部，北靠蘇州河，是淀北水利片的一部分，屬于典型的平原感潮河網(wǎng)區(qū)，總面積38.30 km2。區(qū)域地形總體西高東低，中西部地面高程不低于3.2 m(吳淞高程，下同)，東部最低2.0 m左右，如圖1所示。區(qū)域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)北部，溫和濕潤(rùn)，多年平均降水量1 143.5 mm，汛期(6—9月)降雨較為集中，其中6月多年平均降水量達(dá)176.1 mm。

圖1 長(zhǎng)寧區(qū)地面高程

1.2 除澇系統(tǒng)存在的問(wèn)題

當(dāng)前長(zhǎng)寧區(qū)除澇系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要有：①河道分布不均。區(qū)域有大小河汊32條，集中于區(qū)域境內(nèi)西部，并且以東西向居多，南北向僅有新涇港和外環(huán)西河，數(shù)量偏少。②泵閘工程分布集中。區(qū)域32條河道上有17個(gè)泵閘，分布集中，河道規(guī)模小、瓶頸段制約多，在一定程度上阻礙了水系的暢通性。③河湖水面率低。根據(jù)《2018年上海市河道(湖泊)報(bào)告》，區(qū)域河道總長(zhǎng)45.74 km，河網(wǎng)密度 1.19 km/km2，河湖總面積1.10 km2，河湖水面率僅為2.88%，區(qū)域可調(diào)蓄能力有限。

2 精細(xì)化河網(wǎng)水動(dòng)力模型構(gòu)建

根據(jù)平原感潮河網(wǎng)地區(qū)河道密布、受潮汐作用和泵閘調(diào)控等影響顯著的特點(diǎn)，上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)了數(shù)字河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型。經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)和完善，該模型能夠真實(shí)客觀地反映感潮河網(wǎng)在多因素影響、多動(dòng)力作用下的水流和水質(zhì)變化規(guī)律，已廣泛應(yīng)用于上海的防洪排澇[4,17]、水環(huán)境綜合整治[18]、水資源利用與保護(hù)[19]等方面的課題研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)以及調(diào)度管理工作中。

2.1 模型原理

降雨徑流模型將下墊面分為水面(包括河道、湖泊等水面)、水田(魚塘)、旱地、綠地和城鎮(zhèn)道路等類型，按照水文學(xué)的原理和方法并結(jié)合圩區(qū)和非圩區(qū)的特點(diǎn)，分別計(jì)算不同下墊面的產(chǎn)匯流。

水動(dòng)力模型的基本方程采用圣維南方程組[20](式(1))，數(shù)值離散采用成熟的四點(diǎn)線性隱式差分格式，使用矩陣標(biāo)識(shí)法求解河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位方程組。

(1)

式中：t為時(shí)間坐標(biāo)；x、z為空間坐標(biāo)；Q為流量，m3/s；Z為水位，m；u為斷面平均流速，m/s；n為糙率系數(shù)；A為過(guò)流斷面面積，m2；B為主流斷面寬度，m；R為水力半徑；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；BW為水面寬度(包括主流寬度B及起調(diào)蓄作用的附加水面寬度),m；g為重力加速度,m/s2。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1河網(wǎng)概化

歷次蘇州河治理的經(jīng)驗(yàn)[21]表明，蘇州河水系具有較強(qiáng)的整體性，因此為準(zhǔn)確模擬區(qū)域河網(wǎng)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文將河網(wǎng)模型的構(gòu)建范圍擴(kuò)展到整個(gè)蘇州河水系。按照概化河網(wǎng)輸水能力和調(diào)蓄能力與實(shí)際情況一致的原則，基于高精度河網(wǎng)水系、泵閘分布、河道斷面等數(shù)據(jù)進(jìn)行了河網(wǎng)概化，將村級(jí)及以上河道均在模型中進(jìn)行了體現(xiàn)，并根據(jù)各水利片的實(shí)際水面率對(duì)模型進(jìn)行了校核。

精細(xì)化河網(wǎng)模型共包含河道6 875條，水工建筑物(泵、閘、橋、涵等)1 464個(gè)，外邊界25個(gè)，分別為墅溝閘(外)、吳淞口、馬家宅、嘉善、楓圍、東團(tuán)、金澤、河祝、淀浦河西閘(外)、趙屯10個(gè)實(shí)測(cè)水(潮)位邊界和15個(gè)插值邊界，具體見圖2。

圖2 蘇州河水系河網(wǎng)概化圖

2.2.2模型率定

選用區(qū)域內(nèi)2017年8月18個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)水位(潮位)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行率定。模型中泵閘調(diào)度規(guī)則按照實(shí)際調(diào)度規(guī)則確定，初始水位設(shè)為2.5～2.8 m，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為5 min。經(jīng)過(guò)率定，黃浦江及其主要支流糙率系數(shù)為0.015～0.035，蘇州河糙率系數(shù)為0.025～0.035，其他河道糙率系數(shù)為 0.022 5～0.032。部分站點(diǎn)的水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示，可以看出，典型斷面水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，平均誤差約為5 cm。

(a) 泖旬

2.2.3 模型驗(yàn)證

選擇2017年7月實(shí)測(cè)水位(潮位)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，部分站點(diǎn)的水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4所示。并選用均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)來(lái)度量模型的誤差大小，結(jié)果見表1。

(a) 吳淞(蘊(yùn))

(c) 許漁河外河

表1 模型誤差統(tǒng)計(jì)

由圖4和表1可知，模型水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，MAE最大值為6.6 cm，MAPE最大值為3.71%?？傮w來(lái)看，模型誤差較小，可用來(lái)模擬研究區(qū)域的水流規(guī)律。

3 長(zhǎng)寧區(qū)除澇能力評(píng)估

3.1 方案設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確評(píng)估長(zhǎng)寧區(qū)除澇能力，分析了現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種工況。現(xiàn)狀工況即在現(xiàn)狀河道和泵閘規(guī)?；A(chǔ)上，組合5年一遇、10年一遇、20年一遇、30年一遇4種重現(xiàn)期的降雨，共設(shè)計(jì)4個(gè)計(jì)算方案；規(guī)劃工況是依據(jù)中心城區(qū)河道藍(lán)線編制方案和淀北片除澇規(guī)劃方案，在規(guī)劃河道和泵閘規(guī)?；A(chǔ)上，組合20年一遇、30年一遇兩種重現(xiàn)期的降雨，共設(shè)計(jì)2個(gè)計(jì)算方案。與現(xiàn)狀工況相比，規(guī)劃工況打通新漁浦上4個(gè)縮窄斷面，同時(shí)對(duì)河道進(jìn)行疏浚，并新增南新涇泵閘(流量40 m3/s)、中橫瀝北閘(流量40 m3/s)、西界河泵閘(流量15 m3/s)、擴(kuò)大龍華港泵閘(流量增至90 m3/s)和張家塘港泵閘(流量增至60 m3/s)。根據(jù)DB31/T 1121—2018《治澇標(biāo)準(zhǔn)》，各方案降雨均選取“63·9”雨型最大24 h面暴雨，各方案潮(水)位邊界相同，均選取1963年9月10日8:00～9月15日23:00同步實(shí)測(cè)潮(水)位過(guò)程，預(yù)降最低水位均為2.00 m，各方案具體情況見表2。

表2 計(jì)算方案

3.2 結(jié)果分析

上海各區(qū)域的除澇能力主要用除澇面平均最高水位來(lái)衡量。根據(jù)DB31/T 1121—2018《治澇標(biāo)準(zhǔn)》，長(zhǎng)寧區(qū)所在淀北水利片除澇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到30年一遇，相應(yīng)的除澇面平均最高水位控制為3.80 m。圖5為不同方案下長(zhǎng)寧區(qū)面平均水位變化過(guò)程。

(a) 現(xiàn)狀工況

表3為各方案面平均最高水位特征值，表4為各方案主要河道最高水位。

表3 各方案面平均最高水位特征值

表4 各方案主要河道最高水位

通過(guò)分析各方案面平均最高水位可知，在現(xiàn)狀工況下，長(zhǎng)寧區(qū)除澇能力能夠達(dá)到10年一遇，不到20年一遇，不滿足DB31/T 1121—2018《治澇標(biāo)準(zhǔn)》30年一遇的要求；在規(guī)劃工況下，長(zhǎng)寧區(qū)除澇能力能夠達(dá)到20年一遇，不到30年一遇，仍然不滿足DB31/T 1121—2018《治澇標(biāo)準(zhǔn)》的要求(圖5)。通過(guò)對(duì)比方案3和5、方案4和6可知，與現(xiàn)狀工況相比，規(guī)劃工況下面平均最高水位顯著降低，面平均水位達(dá)到3.80 m時(shí)間有所推遲，降水峰值與最高水位出現(xiàn)的時(shí)間差有所增加，超過(guò)3.80 m時(shí)長(zhǎng)顯著縮短(表3)；主要河道最高水位顯著下降，下降值均在40 cm左右，與面平均最高水位下降幅度基本一致(表4)。由此可見，規(guī)劃工況下長(zhǎng)寧區(qū)的除澇能力有了顯著提高，由不足20年一遇提高到了不足30年一遇，說(shuō)明打通河道瓶頸段、對(duì)河道進(jìn)行疏浚、新增或擴(kuò)大泵閘規(guī)模，能顯著提高區(qū)域的排澇能力。但是在規(guī)劃工況下長(zhǎng)寧區(qū)仍未達(dá)到30年一遇的目標(biāo)，需進(jìn)一步提高其除澇能力。

考慮到長(zhǎng)寧區(qū)河湖水面率(2.88%)相對(duì)較低，雨洪調(diào)蓄能力較差，建議增加臨時(shí)滯蓄區(qū)來(lái)提高區(qū)域的除澇能力。從現(xiàn)狀地物構(gòu)成來(lái)看，外環(huán)高架路縱穿長(zhǎng)寧區(qū)西部，其下是面積約0.94 km2的下沉式綠地(地面高程約3.30 m)，且與區(qū)域大部分東西向河道均相交，具備作為臨時(shí)滯蓄區(qū)的基本條件。

在不改變地面高程條件下，當(dāng)河道水位達(dá) 3.30 m時(shí)，啟用臨時(shí)滯蓄區(qū)進(jìn)行雨洪調(diào)蓄。通過(guò)分析計(jì)算，當(dāng)臨時(shí)滯蓄區(qū)面積為0.504 km2時(shí)，長(zhǎng)寧區(qū)面平均水位變化過(guò)程如圖6所示，可見長(zhǎng)寧區(qū)可滿足區(qū)域除澇30年一遇的要求。

圖6 臨時(shí)滯蓄區(qū)面積0.504 km2時(shí)長(zhǎng)寧區(qū)面平均水位變化過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建了精細(xì)化河網(wǎng)水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘇州河水系從市區(qū)級(jí)到鎮(zhèn)村級(jí)河道的精細(xì)模擬。該模型能反映蘇州河水系的河網(wǎng)水流規(guī)律。長(zhǎng)寧區(qū)在現(xiàn)狀和規(guī)劃工況下均未達(dá)到DB31/T 1121—2018《治澇標(biāo)準(zhǔn)》30年一遇的除澇標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)進(jìn)一步增加臨時(shí)滯蓄區(qū)，提高調(diào)蓄能力，可促進(jìn)長(zhǎng)寧區(qū)除澇能力達(dá)標(biāo)。在中心城區(qū)河道藍(lán)線編制方案和淀北片除澇規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，建議利用長(zhǎng)寧區(qū)外環(huán)高架路下現(xiàn)有的下沉式綠地，構(gòu)建0.504 km2的臨時(shí)滯蓄區(qū)，既可滿足景觀生態(tài)需求，同時(shí)也可作為應(yīng)急滯蓄雨水，從而保障長(zhǎng)寧區(qū)防洪除澇安全。