不同汛前水位控制方案下平原新城竖向标高研究

王川涛 曹喆 黄丽娇 王茜

摘要：为确定平原河网新建城区的地面基准建设标高，以江苏省丹阳市练湖新城汇水区为研究对象，在50 a一遇城市设防标准下，通过MIKE 11水动力模型与ArcGIS土方挖填分析工具，研究高、低两种不同汛前水位控制方案对最高设计水位与场地竖向方案的影响，并从安全保障、土方平衡、挖填面积以及亲水性4个方面对两个方案进行综合比较。研究结果表明：两种方案均能保证排水的安全性，但相较于汛前高水位方案，低水位方案最高水位控制低、峰现时间延长、土方缺口较小、挖填面积较小，更适宜练湖新城的建设。通过城市水系最高水位控制与场地竖向的挖填方耦合分析，为南方平原地区的新城建设竖向基准标高确定提供了参考思路。

关 键 词：城市防洪; 平原地区; 新城建设; 城市竖向标高; 汛前水位; MIKE 11; ArcGIS; 土方分析

中图法分类号： TU998.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.005

0 引 言

近年来，受极端天气影响，城市洪涝灾害频频发生，并伴随一系列社会经济问题，是困扰城市发展的主要灾害因素[1]。科学合理地确定新城建设的竖向标高，是保障城市防洪排涝水安全、提高城市韧性的重要前提[2-3]。

MIKE 11水动力模型是丹麦水与环境研究所（DHI）开发的一维水动力模型[4]，因其界面友好、功能全面，被广泛用于城市防洪排涝模拟评估中。蒋书伟等[5]运用MIKE 11模型计算了南渡江防洪能力，并预测了防洪水面线;杨洵等[6]基于MIKE 11计算了太子河观一葠河段水面线;崔绍峰等[7]通过MIKE 11模型计算了季节性河流马颊河萃县段的河道水面线。目前已发表的研究主要集中在水利科学领域运用MIKE 11、HEC-RAS等水力模型研究河道粗糙系数、河道断面形式以及水工构筑物调度控制条件等因素对水位的影响，计算河道的水面线，提出最高的防洪排涝设计水位与运行的调度方案，但鲜有研究将水利与城市建设关系耦合，系统性地探讨将汛前控制水位、最高控制水位与开发建设的场地竖向标高耦合，寻找安全、经济合理的新城建设标高。

本研究以江苏省丹阳市练湖新城汇水区作为研究对象，选取MIKE 11一维水动力模型，分别模拟汛前高水位、低水位两种方案在50 a一遇排涝标准下的河道水系设计水面线，并确定对应的最高控制水位，作为道路与场地竖向标高的设计依据;进而采用ArcGIS 10.3 Cut/Fill模块[8]，对规划地形与现状地形进行挖填方测算;最后从防洪排涝水安全、土方平衡、挖填面积、亲水性4个角度综合比选出最优竖向标高方案，对于南方平原地区洪涝灾害问题的改善、新城建设竖向标高的规划设计均具有一定的借鉴意义。

1 研究区概况

1.1 研究区现状分析

本次研究范围为江苏省丹阳市西北部的练湖新城区域，汇水面积约26.7 km2，属太湖流域湖西片区流域范围;研究区域现状地形高程范围为3～22 m（见图1），整体地势低平，为典型的南方平原区域。该地区属北亚热带南部季风湿润气候区，年降雨量充沛，多年平均降雨量1 086 mm（1980～2010年统计），年内降雨分布极不均匀，汛期（6～9月）平均降雨量670.2 mm，占平均雨量的62.9%。区域内地下水主要属于松散岩孔隙水类型，但上部含水层较薄，富水性相对较差;区域下部含水层较厚，颗粒粗，富水性较好，开采难度大。

研究区域内现状用地主要为练湖鱼塘和农田，区域内现状水系为练湖河、弯河（见图2）。研究范围周边的现状河道众多，包括京杭大运河、新河、幸福河、中心河、五龙河、西门运河。

1.2 研究区规划概况

为提高区域的滞洪和调蓄能力，改善区域水系生态环境，规划建设练湖，并与弯河、中心河、京杭大运河、西门运河相联通。规划方案水面面积约2 km2，保留现状弯河与练湖河，练湖分为上练湖、下练湖和湖链（见图3）。练湖汇水范围包括弯河以及湖体直接汇水两部分（见图4），总共约26.7 km2，其中弯河汇水面积15.4 km2，练湖湖体直接汇水范围11.3 km2。汇水范围内规划用地主要以绿地、居住、商業与研发用地为主。结合规划土地利用图以及地形地势，将练湖进一步划分为39个二级汇水分区。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

本次研究涉及的数据主要有雨量数据、河道水位数据、河道断面数据、地面高程数据4个部分，其中雨量数据来源于气象部门，河道水位数据来源于水利部门，现状河道断面数据、地面高程数据来源于相关部门的实测资料，规划断面数据结合制定的方案确定。

2.2 区域概化

MIKE 11模块包括河道平面文件（NWK）、河道断面文件（XNS）、边界条件（BND）、降雨径流（RR）以及参数文件（HD）5个子模块。在河道平面文件中，将研究区域内弯河、上下练湖、练湖河、湖链等水系概化为河段，概化河段总长度31.7 km，并在水位控制处设置9个闸门;在XNS文件中对河段对应的128个关键断面进行断面形式与参数输入，在BND文件中对6个入流边界、3个出流边界条件进行输入;在RR文件中对39个汇水分区的地表产汇流参数以及降雨过程进行数据输入;在HD文件中对初始水位以及河道粗糙系数进行数据输入。

2.3 边界条件

2.3.1 降雨边界条件

（1） 降雨量。

根据江苏省丹阳市气象站1980～2010年实测最大24 h降雨量，利用P-Ⅲ曲线适线分析，得出各频率下的降雨量（见表1）。

（2） 设计降雨过程线。

丹阳市练湖新城的设防标准为50 a一遇，根据《江苏省暴雨查算手册》对降雨进行时程分配（见图5），作为MIKE 11模型长历时降雨的数据输入。4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD

2.3.2 水位边界

京杭大运河是练湖的受纳水体，水位受河道整治、上游水库调度等因素影响，变化较大。本次研究采用年最大值法，根据运河丹阳水位站1961～2010年每年最高水位监测资料进行排频分析，得出各频率下的设计水位（见表2）。

2.3.3 遭遇分析

本次研究分别从年最大日降雨量与对应水位，以及年最大日水位与对应降雨量两个方面，深入研究降雨量与水位的遭遇关系。分析结果表明：2003年最大日降雨量为290.8 mm，接近50 a一遇设计降雨，其对应的水位为5.11 m，接近20 a一遇水位;1991年的最大日水位为5.51 m，接近50 a一遇设计水位，其对应降雨量为178.8 mm，约在5 a一遇与10 a一遇降雨之间。从30 a的逐日降雨量与水位的数据对比分析中可以看出，降雨与受纳水体的水位往往不是同频遭遇，这与刘曾美等[9]的研究结论一致。后续研究分别在MIKE 11中对两种遭遇情况进行分析，得到两种情况下的水面线，并取外包线作为水系的设计水面线。

2.4 模型参数选择与率定

MIKE 11水动力模型需要输入的模型数据主要有两类：一类为基本参数，包括时间设置与模块选择;另一类为物理参数，包括初始水位、粗糙系数、地表产汇流等参数。MIKE 11水动力模型主要设置参数如表3所列。

其中，子汇水区降雨径流参数采用URBAN A模型[11]，参照MIKE 11用户手册中的推荐数值确定地表产汇流参数初始值。使用Nash-Sutcliffe系数评价模拟结果与监测结果的误差，采用R2指标来衡量模拟结果与监测结果间的线性相关程度[12]。最终确定最大、最小初始损失百分数分别为90%和5%，初始洼蓄量为0.6 mm，衰减系数为0.9。

2.5 模型验证

建立现状水系模型，选取练湖河2015年6月27日24 h实测降雨-水位结果验证模型的参数（见图6）。结果显示：在相同的降雨条件下，练湖河各断面处最高水位模拟值范围为5.47～5.72 m，与实际测量值的误差均小于2%，吻合程度高，因此MIKE 11模型参数的选取具有较高的可靠性。

3 结果分析

3.1 基于MIKE 11模型的控制水位分析

汛前水位对河道湖泊的调蓄库容以及最高控制水位有一定的影响。根据现状场地标高的实际情况以及水系景观的亲水性等因素，选取练湖河下游汛前4.7 m低水位方案与汛前5.5 m高水位方案分别进行分析，推求两种情景下设计水面线，进而得到在满足50 a一遇城市排涝标准下河道湖泊的最高控制水位（见表4）。

在汛前低水位方案下，弯河50 a一遇最高控制水位为6.02～6.82 m，练湖、湖链与练湖河控制水位在5.73～5.76 m;弯河区域汛前高水位方案最高控制水位比低方案约高出0.5～0.6 m;在练湖、练湖河以及湖链区域高出约0.3～0.5 m，这表明汛前水位对最高控制水位影响显著。刘志成等[13]使用MIKE 11模拟平原水网感潮区的水系运行情况，研究结果表明，场地建设竖向标高的确定受最高控制水位的影响。本文后续将以最高控制水位作为道路与场地竖向标高的设计依据，进一步讨论高、低水位方案对新城场地竖向标高的影响。

3.2 基于GIS填挖方方法的场地竖向标高

由于弯河汇水范围内有一定比例的现状建设用地，且地势较低，基本以填方为主;而练湖自身的汇水范围是完全新建的新城，待开挖区域较大，存在场地内土方自平衡的可能性，因此本次研究重点分析练湖自身11.3 km2的汇水区域场地的竖向标高与土方平衡（见图7）。为进一步探讨最高控制水位对场地竖向标高的影响，分别对高、低水位方案下规划场地内的湖体区域以及场地区域进行土方平衡分析。

3.2.1 湖体区域挖填方分析

参考太湖流域9个面积大于0.5 km2的湖泊平均水深状况，结果表明：太湖流域湖泊平均水深范围主要分布在1.5～2.0 m之间，为典型的浅水型湖泊[14]。考虑到较深的水深有利于水质净化[15]，且产生的挖方量可用于城市建设用地回填，规划汛前低水位运行方案下的水深范围约为0～4.7 m;汛前高水位运行方案水深范围约0～5.5 m。练湖平均水深取值较太湖流域典型的浅水型湖泊深，低水位控制方案平均水深为2.8 m，高水位控制方案为3.2 m。

练湖的恢复对区域防洪排涝起到积极作用，而湖体的挖深，决定了湖体的库容大小，同时也是练湖汇水区填土土方的重要来源。结合练湖的功能定位、水质保障、景观设置以及现状京杭大运河、练湖河的底高程，确定恢复的练湖深泓线与现状练湖河、京杭大运河基本一致，并从湖体岸边至深泓线均匀放线，营造深潭浅滩景象。不同汛前控制水位方案下水位控制与场地竖向标高关系如图8所示。

绘制两个不同情景下湖体等高线，并输入ArcGIS制作成为10 m×10 m的DEM（见图9），根据规划标高与现状场地标高的叠加，确定不同情景下的挖填方量以及可用于其他场地回填的余方量，如表5所列。结果表明：汛前低水位控制方案总库容约606万m3，产生可用于回填的余方量约为736万m3;汛前高水位控制方案总库容约687万m3，产生可用于回填的余方量约为676万m3。两方案湖最深底高程保持一致，高水位控制方案较低水位控制方案的余方量约少60万m3。

3.2.2 陆地区域的挖填方分析

练湖周边陆地区域现状基本为鱼塘和农田，标高相对较低，主要集中在4.0～9.0 m。本文基于MIKE 11水動力模型确定了区域内各水系最高控制水位;在此基础上考虑一定的安全裕度（超高按0.5 m考虑），以此作为最低场地标高;按照《城乡建设用地竖向规划规范》[16]的排水要求，以0.3%的坡度递增的方式确定最高点，并与现状周边道路场地进行充分衔接，绘制规划区场地规划等高线。将绘制的等高线输入ArcGIS，并制作成10 m×10 m的规划DEM（见图10），利用ArcGIS 10.3的空间挖填方分析（Cut/Fill）模块，找到现状地表数字高程模型（DEM）和设计DEM之间的交线，即为挖填分界线，然后在此基础上运用软件统计分析功能计算每个回填区或开挖区的体积，最终得到挖填的土方量[17]。4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD

在汛前4.7 m低水位控制方案下，如表6所列，练湖的最高控制水位为5.73～5.76 m，规划场地的建设标高主要范围为6.25～7.20 m，挖土方量为164万m3，填土方量为917万m3，缺土方量为753万m3;在汛前5.5 m高水位控制方案下，练湖的最高控制水位为6.03～6.25 m，规划场地的建设标高主要范围为6.53～7.50 m，挖土方量为110万m3，填土方量为1 254万m3，缺土方量为1 144万m3。高水位控制方案由于场地建设的竖向标高较高，缺方量较低水位控制运行方案高出391万m3。

3.2.3 方案比较

从安全性角度考虑，低水位控制方案与高水位控制方案均能保障城市建设安全。

从土方平衡角度考虑，汛前4.7 m低水位控制方案湖体区域产生用于回填的余方量约为736万m3，陆地区域缺土方量约753万m3，恢复湖体产生的土方基本与陆地缺土方量持平，基本实现场地内的自平衡;汛前5.5 m高水位控制方案湖体区域产生用于回填的余方量约为676万m3，缺土方量约1 144万m3，净缺土方量为468万m3，缺口较大，土源压力增加，经济成本增加。

从挖填面积考虑（见图11），低水位控制方案挖方区域面积约为4.0 km2，填方区域面积约7.3 km2;高水位控制方案挖方区域面积约为3.2 km2，填方区域面积约8.1 km2。从经济成本考虑，填方区域比挖方区域成本高，低水位控制方案优于高水位控制方案。

从亲水性角度考虑，低水位控制方案安全建设地坪标高与汛前控制常水位差值为1.5 m，高水位控制方案为1.0 m，高水位方案优于低水位方案。

综合考虑安全性与经济性，推荐采用低水位控制运行方案确定的竖向标高作为练湖新城的建设标高，即汛前常水位控制在4.7 m，非汛期常水位可适当提高至5.0～5.2 m，最高控制水位5.73～5.76 m，建设用地最低安全标高为6.25 m。

4 结 论

（1） 本文通过构建练湖新城汇水区域MIKE 11水动力模型，在满足50 a一遇城市设防标准的前提下，对高、低两种汛前水位方案的河道水面线进行模拟。结果表明：对于低水位控制方案，弯河最高控制水位为6.02～6.82 m，练湖、湖链与练湖河控制水位在5.73～5.76 m;对于高水位控制方案，弯河区域最高控制水位相对低水位控制方案情景下高出0.5～0.6 m;练湖、练湖河以及湖链区域相对高出约0.3～0.5 m，且练湖、练湖河的水位峰现时间相对低水位情景下明显提前。

（2） 分别以两种方案最高控制水位作为道路与场地竖向标高的设计依据，确定了两种方案的基本规划地形等高线DEM;进而使用ArcGIS 10.3软件Cut Fill模块，对练湖自身汇水范围内的湖体区域及场地区域进行土方平衡分析。结果表明：汛前4.7 m低水位控制方案下，湖体区域基本实现场地内的土方自平衡;汛前5.5 m高水位控制方案的净缺土方量为468万m3，缺口较大，土源压力增加。

（3） 从安全性、土方平衡、挖填面积、亲水性4个方面对高、低水位方案进行综合评价后，建议采用低水位控制运行方案确定的竖向标高作为练湖新城的建设标高，即汛前常水位控制在4.7 m，最高控制水位5.73～5.76 m，建设用地最低安全标高为6.25 m。

（4） 本研究通过联合运用MIKE 11水动力模型和ArcGIS 10.3软件，模拟在不同汛前方案下的设计水位、建设标高，实现了城市水系系统与道路场地竖向系统的耦合分析，为南方平原地区的新城建设竖向标高控制提供参考思路，对于保障城市防洪排涝水安全具有较大现实意义。

参考文献：

[1] 刘敏，权瑞松，许世远.城市暴雨内涝灾害风险评估：理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2012.

[2] 张震.刍议如何确定城市防洪内圈堤高程[J].人民珠江，2019，40（2）：148-152，159.

[3] 刘志敏，卢继红，黄兆玮，等.城市水系规划的竖向标高系统研究[J].人民珠江，2015，36（4）：32-35.

[4] 卢士强，徐祖信.平原河网水动力模型及求解方法探讨[J].水资源保护，2003（3）：5-9.

[5] 蒋书伟，武永新.基于MIKE 11与HEC-RAS的南渡江防洪能力对比分析[J].中国农村水利水电，2014（2）：46-49.

[6] 杨洵，梁国华，周惠成.基于MIKE 11的太子河观一葠河段水文水动力模型研究[J].水电能源科学，2010，28（11）：84-87.

[7] 崔绍峰，詹新焕，夏可政，等.季节性河流马颊河萃县段行洪能力分析[J].人民黄河，2021，43（5）：67-70，79.

[8] 陈朝霞，吴向南，朱记伟，等.基于ArcGIS的土地开发整理挖填土方量计算研究及应用[J].测绘与空间地理信息，2015，38（2）：63-65.

[9] 刘曾美，陈子燊.区间暴雨和外江洪水位遭遇组合的风险[J].水科學进展，2009，20（5）：619-625.

[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部.室外排水设计规范：GB 50014-2006[S].北京：中国计划出版社，2016.

[11] 陈璇，杨根林，杨红卫.基于MIKE 11模型的秦淮河流域洪水调度方案[J].水电能源科学，2019，37（1）：70-73.

[12] 马娇娇.基于MIKE模型的行洪区调度方案研究[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[13] 刘志成，雷保瞳.基于MIKE 11模型在智能化调度的感潮区模拟计算[J].陕西水利，2019（4）：72-76.4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD

[14] 王俊杰.太湖流域河網—湖泊水环境安全评价方法构建与应用[D].南京：南京农业大学，2016.

[15] 李思敏，曹灿，白苏媛.城市水系浅水湖泊水环境质量评价与分析[J].环境科学与技术，2014，37（9）：163-167.

[16] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城乡建设用地竖向规划规范：CJJ 83-2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[17] 裴亚军，甘淑，李世明，等.ArcGIS在土地整治项目前期土方计算中的应用[J].江西农业学报，2013，25（6）：103-105.

（编辑：谢玲娴）

Research on vertical elevation in new area of plain city under different flood water level control schemes before flood season：case of Danyang City，Jiangsu Province

WANG Chuantao1，CAO Zhe1，HUANG Lijiao1，2，WANG Xi1

（1.China Academy of Urban Planning & Design Shenzhen Branch，Shenzhen 518040，China; 2.Center for Development Affairs of Airport New Town，Baoan District，Shenzhen 518100，China）

Abstract：

In order to determine the ground datum construction elevation of the new urban area of plain river network，this paper took the Lianhu new town catchment area of Danyang City，Jangsu Province as the research object.On the premise of meeting the flood control standard of a 50-year flood，the influence of high and low flood water level control schemes before flood season on the maximum design water level and site vertical scheme was studied by MIKE 11 hydrodynamic model and cut/fill module of ArcGIS software.And then the two schemes were compared from four aspects：safety guarantee，earthwork balance，excavation and filling area and harmony water-human relation.The results showed that both two schemes can ensure the safety of drainage，but compared with the high water level control scheme，the low water level control scheme was more suitable for the construction elevation of Lianhu new town due to its lower maximum water level control，delayed peak time，smaller earthwork gap，and smaller excavation and filling area.Through the coupling analysis on the highest water level control of urban water system and the vertical elevation of the site，it can provide a reference for the determination of the vertical datum elevation of new towns construction in the southern plain area of China.

Key words：

urban flood protection;plain area;new town construction;city vertical elevation;water level before flood season;MIKE 11;ArcGIS;earthwork analysis4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD