基于情景模拟的城市雨洪联合调度策略

唐 明，许文斌

(1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌 330099；2.南昌市城市规划设计研究总院 市政工程分院，南昌 330038)

0 引 言

近些年来，业内专家对排水管网、排涝设施、源头控制、雨污分流等市政排水与城市排涝工程建设进行了大量深入的研究[1-4]，为提升相关工程建设水平发挥着重要作用；行业主管部门不断修订规程规范，指导室外排水管网、排水渠系、雨水调蓄、排涝泵站建设[5-8]，市政排水与城市排涝工程建设取得长足进步。但是，从汛期实践来看，城市内涝防治效果依然不尽人意，“城市看海”还是热点话题。细究缘由，一方面，城市内涝防治系统的工程建设欠账依旧存在，市政排水与城市排涝能力不足；另一方面，由于对城市雨洪过程的认识还不够，缺少对市政排水与城市排涝设施运行的针对性调度，系统能力得不到充分发挥。

因此，在完善工程体系建设的同时，加强对雨洪过程的了解，评估不同情景下内涝防治系统运行特点，从而确定城市雨洪联合调度策略，协调好市政排水的快速收集与城市排涝系统平均排除之间的矛盾，充分发挥内涝防治系统的既有能力，是十分必要的。

1 研究区域

1.1 青山湖排涝片的基本情况(详见图1)

该排涝片濒临赣江，地势平坦，汇水面积 52 km2，地面高程19.0～25.5 m；城市排涝系统由骨干水系与泵闸等排涝设施组成，设计排涝标准为20年一遇(一日暴雨一日排除)。雨水通过市政排水管网汇入玉带河，经青山湖调蓄后，由青山湖电排站(或青山闸)排入赣江。

图1 青山湖排涝片总平面图Fig.1 General layout of Qingshanhu drainage area

该片区主要是老城区，基本沿用“合流制”排水体系；已建排水体系中部分管网设施陈旧，设计标准偏低，应排水量超过其设计能力，呈超负荷运行状态。排涝片内部各排水分区建设标准不协调，局部地区未成体系，存在排水不畅的问题。

城市骨干水系由青山湖与玉带河(包括总渠和东、西、南、北支)构成。新世纪以来，为了改善水环境、恢复水生态，先后进行过两次较大整治；第一次，以河道拓宽与截污工程(截流倍数为2)为主；为了保证正常生态补水期间不倒灌，截流系统沿线溢流堰顶高程按照“常水位+10 cm超高”控制。第二次，是河道清淤与截污管网提升改造(截流倍数为18)；达到“1 h降雨不超过6 mm时，不发生沿线溢流”的截流目标；沿线溢流堰顶高程的设计原则不变，终端溢流口设在七孔闸(出湖控制闸)下游，3倍设计污水量以上的超量合流水由此溢出，堰顶高程为16 m。

城市排涝设施包括自排与抽排两部分。赣江水位低时，涝水通过青山闸注入赣江；赣江水位高时，启动电排站，充分利用青山湖调蓄功能后将涝水抽排至赣江。其中，青山湖电排站装机10台，总设计排涝流量为77.6 m3/s；青山湖水面面积约3.01 km2，承担着区域主要调蓄功能，设计最高蓄涝水位17.23 m，蓄涝容积288 万m3。

1.2 青山湖排涝系统运行调度方案的变迁过程

青山湖电排站的建站运行规则是：赣江水位在16.73 m以下，青山闸开启，涝水通过青山闸自排；赣江水位达16.73 m，青山闸关闭，及时启动电排站，并视来水情况结合天气预报启动不同台数机组。在降雨量不大时，以控制青山湖水位在16.73 m启用机组；当预报有大暴雨或特大暴雨时，全部机组启动运行，将青山湖水位预先降到16.23 m。暴雨过后，调整开机台数，将青山湖水位控制在16.73 m；直至赣江水位回落到16.73 m以下才停机，同时开启青山闸。

本世纪初期，鉴于上游玉带河水体污染严重，城市管理部门一度实行“河湖分家”，将青山湖与玉带河隔开，以减轻上游水系对其水质造成的影响。同时，为了达到最佳景观效果，隔离后的青山湖水位控制到17.13 m。由于青山湖和排涝泵闸分属两个部门管理，联合调度难度大，青山湖的蓄涝效果受到影响，削弱了该片区的排水除涝能力。

2011年，市防指明确了汛期水位动态控制的原则，即根据预报实行“雨前预降”：20～50 mm降雨时，青山湖水位预降至16.83 m；50～100 mm降雨时，青山湖水位预降至16.63 m；100 mm以上降雨时，青山湖水位预降至16.43 m。2018年底，管网整治基本完毕，基于水体活化与污水收集的双重考虑，恢复了河湖关系(玉带河总干渠直接汇入青山湖)，并重新制定了新的水位控制办法，将青山湖常水位控制到16.63 m；同时，“雨前预降”标准调整为：预报降雨50～100 mm，青山湖水位预降至16.43 m；降雨100 mm以上，水位预降至16.23 m。

1.3 青山湖排涝系统运行调度存在的问题

历史上，主管部门对青山湖排涝系统的运行调度方案作了数次调整，取得一定效果。但是，在近两年的排涝实践中，系统运行仍然不够顺畅，调度方案需要进一步完善。

(1)对河湖骨干水系在暴雨期间的水位波动过程，及其对市政排水体系影响的认识不足。需要借助雨洪模拟软件，深入了解骨干水系水位变化对市政排水系统的影响机制，从而制定相应的策略。

(2)单纯针对调蓄区“雨前预降”的调度理念，已经不能满足实际需求。需要在科学评估雨洪过程的基础上，从充分发挥市政排水与城市排涝系统设计功能的角度，合理设定水位的调控原则，确定水位的控制时机与具体指标。

(3)泵站机组、水闸运行规程的操作性和灵活性不够。日常运行中，只有基于24h降雨预报的调蓄区“雨前预降”水位指标，难以控制暴雨过程中的河湖水位；既缺乏明确的降雨过程控制规则，也缺少对短历时强降雨的响应。

2 研究方法

2.1 基于MIKE模型的城市雨洪情景模拟思路

运用情景分析方法进行评估和预测,是其他学科的理论和方法的综合集成[9]。目前，该方法已经广泛应用于环境破坏、灾害预警等多个领域[10,11]；水利部门对各流域设计洪水的灾害影响都做过不同程度的情景模拟和分析[12]。Mike Flood能够用于城市管网排水能力及河湖调蓄能力的评估，应用较为广泛[13]。本文采用控制变量法进行情景设置，利用MIKE开展雨洪数值模拟，分析城市骨干水系最高水位带来的影响，统筹考虑蓄涝需求和截流系统的功能影响，合理确定河湖水位的控制时机与阈值，进一步优化排涝系统运行方案。

2.2 基于MIKE的耦合模型构建与率定

2.2.1 模型的构建

Step1. 利用地下排水管网普查资料，通过MIKE Urban相应的内置功能，形成一维管网文件；采用泰森多边形法进行汇水面积的自动划分和人工调整，同时给定径流计算参数及计算法则；最后，进行人工检查与系统自检，从而形成完善的一维管网模型(见图2)。

图2 一维管网模型Fig.2 One-dimensional pipe network model

Step2. 根据实际水系走向生成河网shp文件；根据实测资料定义不同里程的断面尺寸及河底标高；根据工程设计参数及不同的模拟工况确定边界数据及水力参数,完成河网模型(图3)。

图3 河网模型Fig.3 River network model

Step3. 基于实测地形文件，借助ArcMap生成网格大小为5 m×5 m的Dem文件及ASCII数据文件，运用Mike Zero，将ASCII转化为dfs2文件，输入模拟步长、文件输出路径、地表径流曼宁系数等参数，构建二维地表漫流模型。

Step4. 运行MIKE Flood耦合模型，通过管网模型内的入孔与二维地表漫流模型的网格点进行自动耦合、管网模型内的排水口与河网模型的水位点进行耦合、河网模型的两岸与二维地表漫流模型的网格进行耦合。

2.2.2 模型的率定

利用“0712”暴雨的实测雨量、河湖水位、电排站外排流量及排涝片积水点等资料对模型进行率定。利用青山湖排涝区3个雨量站的实测数据得到率定工况的降雨时间序列；将电排站实际抽排流量监测数据导入Mike Zero，形成流量时间序列；将实测的河道初始水位输入模型；运行耦合模型，得到青山湖水位过程与青山湖排涝区积水情况(见图4)。模拟出的积水点位与市排水部门统计信息基本吻合；而且，当日实测青山湖最高水位16.83 m与模拟值16.85 m接近；可以认为本次构建的耦合模型相关参数设定合理。

图4 “0712”积水图Fig.4 The ponding distribution map

3 情景模拟与分析

3.1 城市雨洪情景设置

3.1.1 模拟雨型的选择

典型暴雨“同倍比”或“同频率”放大法、综合雨型“同频率”放大法，都是规范允许的计算方法；但是，不同的方法有各自的优缺点。

典型暴雨“同倍比放大法”能保证典型降雨的时程形态不变；且计算简单，便于时间刻度的细化。但是，它只能满足设计历时下的频率要求，而其他主要统计历时降雨量的重现期差异很大，难以客观评价市政排水与区域排涝系统的能力。

典型暴雨“同频率放大法”能针对工程建设的设计或复核需要，控制主要时段的“同频”，体现理论上的一致性。但是，受典型暴雨时程随机分布的影响，排涝进程也存在较大差异；需要结合当地气候特点，寻找多个典型暴雨进行比较选择。

“综合雨型”是各地水利行业根据实测暴雨资料，按地区气候特点综合概化的“雨型表”；是人工构造的“单峰”雨型，时序稳定，克服了“典型暴雨”时程随机性带来的排涝进程差异；控制主要时段的“同频”调算过程也相对简单一些。

“同频”调算的时间刻度一般为“小时”，当进行雨洪数值模拟时，需要将时间刻度进一步细化。为同步考核“大尺度”的城市排涝系统及“小尺度”的市政排水系统的可靠性，将适应本地市政系统短历时排水特点的“芝加哥雨型”嵌入到“综合雨型”的“最大1 h降雨”当中，构成一种用于城市雨洪模拟的“复合雨型”(其余23 h按“小时内部均化”处理)。

3.1.2 排涝系统的主要工况确定

(1)结合运行实际，拟定泵站开机台数随前池水位变化的常规方案。将泵站10台机组分3档启停，第一档(设4台泵)起排水位16.33，停机水位16.23，第二档(设2台泵)起排水位16.43，停机水位16.33，第三档(设4台泵)起排水位16.63，停机水位16.53。

需要注意的有两点：其一，学生佩戴浮具下水后，需要适应并掌握在水中的身体平衡，可以先做一些适应水性的练习，再进行其他动作学习。其二，助力辅助，仅仅是一种辅助教学手段，换言之，学生佩戴浮具的时间不宜过长，否则会使学生对浮具产生身体依赖。当动作基本掌握后，应当逐步减轻或者取消浮具的支持，以避免造成依赖，反而不利于游泳学习。

(2)将青山湖设计常水位(16.73 m)作为泵站初始水位；将其最低调蓄水位(16.23 m)作为雨洪调度模拟的泵站停运水位，逐一模拟不同量级暴雨条件下的排涝进程，找出对市政排水系统没有影响的临界雨量，即青山湖(图3-控制断面b)水位、三支汇流处(上游水系雍水效果最明显的关键节点，图3-控制断面a)水位不高于市政排水管网的设计外水位。

(3)对临界雨量以下的暴雨，进行多个停运水位的模拟，通过各情景主要断面水位及外排流量过程分析，量化不同雨量条件下排涝系统的调蓄需求以及截流系统的功能影响。

3.2 模拟结果分析

(1)不同降雨量条件下的排涝进程对比分析(图5、图6，青山湖最低水位均设定为16.23 m)。图5中，6条曲线自下而上分别代表的是24 h暴雨量(以下简称“雨量”)达到50、100、150、200、223.6(20年一遇)、260.4 mm(50年一遇)条件下的青山湖水位过程线；图6中，6条曲线自下而上分别代表的是相应条件下三支汇流处的水位过程线。可以看出，当雨量大于200 mm时，青山湖水位才会超过17.23 m，发生顶托；但是，当雨量接近150 mm时，三支汇流处的水位即达到了该处排水管网的设计外水位17.78 m，出现顶托效应。

图5 青山湖水位过程线Fig.5 The water level hydrograph of section “c”

图6 三支汇流处的水位过程线Fig.6 The water level hydrograph of section “a”

(2)不同的青山湖最低控制水位条件下排涝进程对比分析(图7～图10，50 mm与100 mm)。图7中，3条曲线自下而上分别代表的是雨量为50 mm条件下最低控制水位为16.23、16.46、16.63 m时的青山湖水位过程线；图8中，3条曲线自下而上分别代表的是雨量为100 mm条件下最低控制水位为16.23、16.33、16.43 m时的青山湖水位过程线。可以看出，当雨量为50 mm时，3种最低水位控制状态下，最大涨幅基本上在10 cm左右，不会对市政排水系统造成影响。当雨量为100 mm时，最大涨幅已经增大到35 cm左右；当最低控制水位为16.43 m时，青山湖最高水位达到16.81 m，接近该处溢流坎顶高程(16.83 m)。

图7 青山湖水位过程线(50 mm)Fig.7 The water level hydrograph of section “c”(50 mm)

图8 青山湖水位过程线(100 mm)Fig.8 The water level hydrograph of section “c” (100 mm)

图9、图10中的3条线分别代表相应条件下的三支汇流处水位过程线。可以看出，当雨量为50 mm时，3种水位控制条件下，对三支汇流处的市政排水管网系统均不造成顶托；但是，当雨量为100 mm时，最低水位控制在16.43 m时，三支汇流处的水位17.49 m，超过该处溢流坎顶高程(17.38 m)，低于该处排水管网的设计外水位(17.78 m)。

图9 三支汇流处水位过程线(50 mm)Fig.9 The water level hydrograph of section “a” (50 mm)

图10 三支汇流处水位过程线(100 mm)Fig.10 The water level hydrograph of section “a” (100 mm)

(3)不同雨洪情景下青山湖水位与排涝流量过程分析(图11、图12)。图11中，2条曲线分别代表雨量为100 mm、最低控制水位为16.43 m时的青山湖水位(黑色)及泵站排涝流量(红色)过程线；图12中，2条线分别代表雨量为150 mm、最低控制水位为16.23 m时的青山湖水位(黑色)及泵站排涝流量(蓝色)过程线。可以看出，两种模拟工况中，机组满负荷运转的时间并不长；在雨洪峰值之前(青山湖水位16.63 m以下时)，存在通过应急调度(非常规调度)增加排涝流量，进一步削减雨洪峰值的空间。

图11 青山湖水位及排涝流量过程线(100 mm)Fig.11 The water level and discharge hydrograph of section “c” (100 mm)

图12 青山湖水位及排涝流量过程线(150 mm)Fig.12 The water level and discharge hydrograph of section “c” (150 mm)

(4)不同雨洪情景下的排涝系统运行情况。不同重现期降雨、不同的调蓄区(青山湖)最低控制水位的条件下，因城市骨干水系最高水位差异而带来市政排水系统受到的顶托影响也存在较大差异(详见表1)。

表1 不同情景模拟中的排涝系统运行情况统计Tab.1 Operation statistics of drainage system in different scenarios

当预报的24 h暴雨量为50～100 mm时，河湖水位涨幅增大；随着降雨量的增加，将青山湖最低控制水位的阈值逐步由16.63减少到16.43 m，可以保证骨干水系水位低于截流系统的溢流水位，减轻河水倒灌对污水收集处理系统的影响。

当预报的24 h暴雨量为100～150 mm时，河湖水位涨幅进一步增大；按照16.43～16.23 m控制集中降雨期之前的最低调蓄水位，除局部地段外，基本上能够控制骨干水系不对管网系统造成顶托。

当预报的24 h暴雨量大于150 mm时，河湖水位涨幅过大，现有的排涝工程体系已经无法保障市政排水系统完全不受骨干水系的顶托影响。

3.3 城市排涝系统的雨洪联合调度策略

(1)进一步拓展传统的“雨前预降”汛限动态水位控制理念。关注降雨的过程控制，在按照常规泵站调度规程(详见表2)进行“雨前预降”的基础上，强化“峰前控制”。即根据不同等级的降雨预报成果，合理设置河湖水位控制阈值；根据不同的降雨强度和前池水位的变化趋势，加强集中强降雨期的研判，在涨水期，针对机组开展非常规调度(详见表2)，有效削减雨洪峰值，避免或减轻骨干水系对市政排水系统的顶托。

表2 不同降雨、调蓄水位组合下的最高机组运行台数Tab.2 Operation number of pumps under combined conditions of different rainfall and water level

(2)关注短历时强降雨，强化应急处置意识。细化短历时降雨的雨量阈值(表3)；密切跟踪气象部门的滚动预报与短时临近预报成果，启动相应的应急等级与调度措施。当集中强降雨带来的快速汇流超过现有工程体系的瞬时排涝能力时，即使通过泵站的非常规调度手段，也只能尽量减轻顶托程度；还需要通过增设“源头减排设施”、扩大“排涝除险设施”行泄能力等应急处置，进一步缓解城市受涝情况。

表3 青山湖排涝片不同降雨历时雨量阈值对照表 mm

4 结 论

城市雨洪联合调度研究不足、工程体系运行管理薄弱，市政排水与城市排涝系统能力得不到充分发挥，是城市内涝防治中一个不容忽视的关键问题。借助MIKE等工具对城市雨洪进行多情景分析，既能够科学认识城市骨干水系在暴雨期间的水位波动过程，及其对市政排水系统的顶托影响；也可以了解泵站机组在排涝进程中的负荷变化，及其运行潜力所在。管理部门可以基于上述认识更好地确定雨洪联合调度策略，设定不同降雨条件下的河湖水位控制时机与阈值，建立健全降雨集中期的机组应急调度规程，从而有效削减雨洪峰值，最大限度地发挥内涝防治系统的既有功能。

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