水工程调度与低影响开发协同作用下典型城市片区洪涝过程模拟——以福州市为例

叶陈雷，徐宗学

(1.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875)

1 研究背景

我国地处欧亚大陆东南部，位于东亚季风气候区，受季风气候影响，我国城市面临严峻的暴雨洪涝问题，其近年来愈发呈现广发、频发的态势。随着地表温度上升，陆地区域极端降水强度更大、频率更高[1]。每逢汛期，我国“城市看海”现象层出不穷，近年来甚至已成为城市的一种常态[2]，典型的暴雨洪涝事件如北京“2012.7.21”、武汉“2016.7.6”、长沙“2017.6.22”、广州“2020.5.22”。2021年郑州“7·20”特大暴雨和北京“8·16”强降雨事件再次引起民众对于城市暴雨内涝的思考[3-4]。据预测，到21世纪中叶，我国人口城镇化率预计达到80%，保障城市水安全，特别是防洪安全将是我国各级政府面临的重大挑战[5]。快速城市化背景下，城市热岛效应、凝结核效应、高层建筑障碍效应等增强，下垫面热量及风动力条件发生改变，不透水面积增加，截留过程、下渗过程、填洼过程、蒸散发过程等均有不同程度变化[6-7]。城市下垫面不断硬化，原有的水体调蓄功能受到削弱，河湖水系连通也遭受一定程度的破坏[8]。水利渠道工程的建设改变了原先自然状态下的水系特征[9]，城市排水管网的老化或拓扑结构上存在缺陷，这些均直接或间接导致城市内涝的出现。

城市水工程调度与低影响开发措施在应对城市暴雨洪涝时发挥着重要作用。由水库、湖泊、人工渠、闸门、排涝泵站等重要基础设施组成水工程群，在雨前预先降低调蓄设施水位，腾空库容，雨中存水调蓄，雨后维持城市水生态，改善城市水系水动力条件，全方位保障城市水安全[10]。北京2016年7月20日暴雨洪水时，相关部门采用“西蓄、东排、南北分洪”的调度方案，实现了防汛排涝安全[11]。此外，我国提出“海绵城市”建设理念成为各界关注的热点问题[12]。“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在应对变化环境与自然灾害时具有良好的弹性与韧性，不仅增加城市的抗风险性，也增加城市的恢复力，旨在解决城市内涝、水环境、缺水等问题，其内涵包括水量上削峰、水质上减污、雨水资源合理化利用[13]。随着海绵城市建设实践不断进行，人们对海绵城市的理解也更为深刻。相关研究指出，海绵城市是对城市水系统的综合管理，不仅要实现雨洪资源综合管理利用，还要统筹市政、生态、景观、交通等多种功能[12]。2021年4月，国务院办公厅发布《关于加强城市内涝治理的实施意见》，提出因地制宜形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系。

本文以福州市江北晋安河片区为研究区，研究水工程联合调度与低影响开发措施对于城市内涝的协同作用。构建水文水动力模型，结合城市上游湖库联合调度规则，预设组合的降雨情景与调度工况，分析河道水位与内涝淹没对联合调度的响应。同时，选择典型社区进行海绵城市改造，分析在联合调度规则影响下，低影响开发措施与水工程联合调度的协同影响。

2 数据与方法

2.1 研究区概况福州市属于亚热带海洋性气候，年平均降水量为900～2100 mm，主要集中在5—9月，强降水频繁发生，占全年降水量的80%以上。福州市江北城区东西北三面环山，主城区外围山形陡峭，水系上游山洪频发；中间城区城市化进程较快，蓄滞空间较小，雨水调蓄及排水能力不足；江北城区南临闽江，闽江下游又属感潮河段，受一日两潮的海水顶托，遇外江水位较高时，闸排条件受限，防洪排涝压力大。2005年，“龙王”强台风袭击福州，五四路、五一路、华林路等重要街道被淹，淹没深度达0.5～1 m[14]。2015年的“苏迪罗”台风，2016年的“鲶鱼”“莫兰蒂”台风使福州正常的生产生活遭受极大影响[15]。2021年8月，“卢碧”台风再次造成福州严重内涝。位于主城区的晋安河是福州城区重要的排水渠道，承担防洪排涝的任务。福州市城区河道近年来不断进行河道整治以及“引水冲污”等工程建设，并扩建库湖、新建排涝闸站，城区水系调蓄洪水能力、河道行洪能力等均有所改变。本文选择福州江北晋安河片区为研究区，研究区总面积约为54.01 km2，研究区内涝严重，有多处历史记录易涝点，河网密布，图1为研究区概况图。

图1 研究区概况

2.2 建模数据

2.2.1 基础数据 本文所用数据主要包括研究区基础水文、地形、管网、河道数据，并采用联合调度方式调节内河水位，涉及多个调度工程，包括位于研究区上游的八一水库、井店湖，作为水系枢纽的琴亭湖，以及沿江的多个闸门和泵站。这些水工建筑及调度工况数据主要来自于福州市城区水系联排联调中心，以及前期的实地调研工作。图2为前期工作中收集的研究区基础建模所需要的管网、DEM(2 m分辨率)、建筑物分布。在具体建模过程中，对原始数据进行了一定的简化。

图2 基础建模数据

2.2.2 水工程数据 晋安河片区上游有八一水库、井店湖两个主要水库，八一水库下泄流量沿新店溪而下汇入琴亭湖，新店溪河长约2.5 km，河宽约10～25 m。井店湖顺解放溪而下汇入琴亭湖，解放溪河长约3.4 km，河宽约9～16 m。琴亭湖上承上游入流、下接中心城区排水主渠道，起到重要的枢纽作用。

八一水库是福州市重要的小(一)型水库，位于新店镇赤桥村，是一座以防洪为主，结合城市旅游、景观、供水的综合利用水库。八一水库按50年一遇标准进行设计，防洪库容为111万m3，正常水位为48.2 m，汛限水位为46.0 m。在防洪排涝调度中，水库蓄滞洪水的作用明显，可以缓解下游城区发生内涝的压力。1996年改造后的溢洪道采用开敞式的宽顶堰式，堰顶高程43.90 m，最大过水深5.60 m，最大泄流能力549.14 m3/s。堰上设闸门，闸门孔数为4孔，每孔净宽6.5 m，闸门平面尺寸6.5 m×4.8 m(宽×高)，为平面定轮钢闸门。

井店湖位于福州晋安区新店镇井店村，北起山北路，南临解放溪。井店湖位于东北侧山区和城区的连接地带，井店湖可有效起到分洪排涝的作用。湖体面积约5.89 hm2，总库容29.1万m3，最大可调节库容为18.4万m3。常水位为12.5 m。暴雨时河道水位迅速上涨时，井店湖通过分流解放溪洪水，减小汇入琴亭湖水量，缓解区域排涝压力。

琴亭湖位于江北城区北部，汇水面积达43.0 km2，扩湖后湖底高程为-0.5～-0.75 m，水位7.80 m时库容达到111万m3。琴亭湖最大可调节库容105万m3，常水位5.0 m。琴亭湖以上集水面积大，承接上游五四片区山地洪水，下连江北城区主要排涝通道晋安河，琴亭湖在整个江北城区排涝体系中作用至关重要。

2.2.3 设计暴雨 为减缓城市受洪涝的影响，采用河湖库联合调度模式，分别控制对应上游流域产汇流以及不同河段洪水的传播。降雨是导致城市洪涝问题的关键，且城市小气候更易促发短历时强降水事件给城市防洪排涝带来极大压力[16]。降雨系列的选样是设计暴雨计算的基础和前提，样本情况决定了设计暴雨计算的代表性及可靠性[17]。本研究采用芝加哥雨型，设计暴雨强度公式来自福建省《城市及部分县城暴雨强度公式》(DB J13-52—2003)[18]，见下式：

(1)

式中：q为暴雨强度，mm/min；T为重现期，a；t为降雨历时，min。

2.3 研究方法城市平原河网水系、地下管网系统、街道与人工湖等共同组成了城市排水体系。以福州市主城区晋安河片区为例，基于Info Works ICM(下文简称ICM)平台，构建水文水动力耦合模型，实现对山区汇流-平原河网-城市内涝-低影响开发-水工程联合调度的一体化模拟。根据水工建筑布局现状以及研究区的地形特征，充分考虑上游水库与人工湖调度工况，设置实时控制规则。在实际防汛排涝中，城市内涝淹水、管网排水能力、河道水位等均是需要关注的要素。由于调度更直接地影响河道水位的调控，同时本文在全域上构建的模型并未考虑河道漫溢过程中的一二维耦合，因此在全域尺度模型中重点对河道水位进行分析。在此基础上，构建典型社区尺度模型，考虑河道漫溢过程，进一步分析海绵改造及其与水工程联合调度措施下的洪涝响应过程。本文主要技术路线如图3所示。

图3 技术路线图

2.3.1 水文水动力模型 本文借助ICM平台完成城市暴雨内涝水文水动力全过程模拟。采用ICM内嵌的PDM(Probability Distributed Model)水文模型计算山区产汇流。PDM模型是英国CEH Wallingford水利研究所在1990年代研发的集总式水文模型，模型输入数据为地形、降雨、蒸发等，模拟得到集水区出口断面流量过程[19-20]。通过蓄满产流计算地表径流与地下水，进而得到流域出口流量过程，地表径流通过线性水库串联求解[21]。其中，PDM模型利用概率密度函数描述流域各点土壤蓄水能力。流域各点蓄水能力分布函数F(c)与概率密度函数f(c)如下所示：

(2)

(3)

式中：c为流域任意点蓄水能力，mm；cmax为流域任意点土壤最大蓄水量，mm；b为能够反映流域土壤蓄水量在空间上差异的参数。

山区产汇流模型为平原城区模型提供了入流边界。ICM提供了一系列方法模拟城市产汇流。基于泰森多边形划分子汇水单元，并依据研究区遥感影像，按照河道、街道、建筑等空间分布对子汇水单元进行修正，并将其作为城市产汇流计算基本单元。产流过程采用固定径流系数法及霍顿下渗公式计算，汇流过程采用基于非线性水库的SWMM(Storm Water Management Model)汇流模型。ICM采用一、二维水动力模型模拟平原复杂河网以及地表内涝过程，具体原理的介绍已在相关文献中阐述[22-24]。

2.3.2 实时调度控制 模型中的水工程调度通过可控的工程调度规则来实现，本文采用ICM模型的实时控制功能(Real Time Control，RTC)，通过感应具有水力联系的参考节点水位或入流信息，来动态调节调度点位的控制规则。本文采用的调度规则参考福州市城区水系联排联调中心提供的现行调度方案。调度过程需要计算堰和闸门的过流量，ICM模型中的堰用于溢流建筑物和贮水池的出口，堰对两个流动方向具有相同性质。对于闸门，模型基于上游水深与开口高度的大小确定了两种不同的状态，当上游水深低于开口高度时，采用薄板矩形堰模型计算过流量；当上游水深高于开口高度时，取堰流公式和孔流公式计算的较小值。在对堰的调控中，通过对堰顶高程的改变实现对堰的实时控制。当上游水深小于开口高度时，堰流自由出流采用式(4)计算，淹没出流采用式(5)计算，具体表达式分别为：

(4)

(5)

式中：Q为出流量，m3/s；Cd为流量系数；g为重力加速度，m/s2；B为堰宽，m；Du为上游水面相对堰顶的高度，m；Dd为下游水面相对堰顶的高度，m。

2.3.3 低影响开发设施 传统城市开发模式往往伴随着城市内涝、黑臭水体、城市热岛等问题，影响城市可持续发展和功能提升[25]。而“海绵城市”建设理念以低影响开发为核心建设理念，以“渗、滞、蓄、净、用、排”为主要方针，采用透水性能更好的材料代替原硬化路面，从源头减少污染雨水排放至河湖水系，统筹考虑城市内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标，同时对水从“量”和“质”上进行管理[26]。通过合理的海绵设施方案组合，在一定程度上有效缓解马路行洪风险与内涝风险[27]。本文在对全域调度研究的基础上，在社区尺度上进行低影响开发布设，与SWMM的低影响开发(Low Impact Development，LID)模块类似，本文使用的ICM平台提供的SUDS(Sustainable Urban Drainage System)模块用于模拟低影响开发设施功能，通过对下垫面特征的合理改造，增加下垫面的下渗量，从而减小管网系统的径流量，限制新开发设施对下游现状管网输水的影响。ICM提供的SUDS元素包括侧向流管道、可渗透连接、池塘节点以及子集水区SUDS控制，汇水区SUDS措施包括生物滞留池、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、植草沟等设施。本文在社区尺度上，根据社区的影像图显示的景观布局，并参考相关文献中的海绵改造方案[27]，分别设置绿色屋顶、透水铺装及生物滞留池等SUDS措施。

3 结果分析

3.1 模型参数及合理性分析依据福州现有资料对模型参数进行率定和调整，表1是山丘区PDM模型参数取值，表2是平原城区产汇流参数取值。在研究城市洪涝问题时，缺乏充分的观测数据是模拟中一个广泛存在的问题[28]，该问题在本研究中也同样存在。在前期研究中已对参数进行了率定[22-24]，这里通过采集更多场次的实测数据，对关键参数作进一步微调，结果见表1，并对不同水位站6个场次的实测数据与模拟结果进行对比，以及对实测内涝点的空间位置与模拟结果进行对比，来验证本文所构建模型的合理性。

表1 ICM模型主要参数

6个场次的实测数据分别为：(1)凤坂-晋安水位站20210629场次；(2)五四-晋安水位站20210805场次；(3)琴亭-晋安水位站20210629场次；(4)东郊-晋安水位站20210801场次；(5)晋安-光明水位站20210801场次；(6)琴亭-晋安水位站20210805场次。各站点的位置分布已在图1作标注。由图4可以看到，尽管传感器监测得到的数据有一定的波动，但模拟得到的水位与监测水位仍较为接近，表明模型具有较好的模拟效果。根据福州市联排联调中心提供的历史台风暴雨监测的福州城区重点易涝位置，利用ArcGIS进行提取，得到研究区历史内涝事件记录的典型易涝点分布。这些易涝点是在“鲇鱼”“苏迪罗”等台风暴雨时记录，这里采用重现期为50 a的设计暴雨驱动ICM模型，得到模拟的淹没范围，并与实测易涝点位置进行对比，如图5所示。可以看到，在研究区内的积水位置与易涝点吻合度较高。同时，模拟得到的淹没区比实测积水点范围更大，考虑到模型计算以及山前区域未被监测等原因，可以认为模型的模拟效果比较好。

图4 水位模拟值与实测值对比

图5 模拟得到淹没分布与历史记录易涝点位置对比

3.2 实时调度分析采用ICM模型提供的RTC实时控制模块，对闸、泵站、堰、孔口等水工程进行调节。结合对研究区水工程调研情况，考虑上游来水、下游排放和相应湖库水位，拟定湖库联合调度规则，见表2。八一水库上游山区的来水通过八一水库4个闸门进行控制，在遭遇突降暴雨前，开启两中孔闸门各0.3 m进行预泄，提前将闸门水位降低，设置模型从44.0 m开始计算。对于井店湖，首先将湖水位降至10.6 m，当琴亭湖水位超过7.8 m时，开启闸#1与闸#2，引水进入井店湖，直至井店湖达到最大调蓄库容。当晋安河得贵路及琴亭湖水位开始下降，解放溪水位回落时，适当开启井店湖泄水闸#3，控制最高下泄流量在20 m3/s，逐渐降低水位。琴亭湖连接上游水库与晋安河干流，统一设置5个堰的过堰流量。

3.2.1 河段水位响应分析 研究区在“苏迪罗”台风期间内涝极为严重，这里采用“苏迪罗”台风实测降雨数据驱动模型。2015年8月8日0∶00到8月9日0∶00期间“苏迪罗”台风降雨数据，总降雨量357.8 mm，峰值雨强70.8 mm/h，最大时段降雨量集中在14∶00至20∶00，降雨过程如图6所示。分别计算河道水位与过流量对不同调度工况的响应。三种工况分别设置为：两湖一库(琴亭湖、井店湖、八一水库)联合调度方案、八一水库单点调度方案以及无调度方案。

表2 水工程联合调度规则

图6 苏迪罗台风降雨过程

图7为3种调度方式下河段水位的模拟结果，在晋安河上游和中游两处选取横断面。在两湖一库联合调度、八一水库单点调度以及无调度3种情况下，上游断面水位分别达到7.760、8.018、8.393 m，联合调度与无调度时的水位峰值相差0.633 m。中游断面水位在3种调度情景下分别达到5.993、6.007、6.223 m，联合调度与无调度时的水位峰值相差0.23 m。图8分别为3种调度方式下的河段流量的模拟结果，在晋安河上游和中游两处选取横断面。在两湖一库联合调度、八一水库单点调度以及无调度3种情况下，上游断面流量分别达到210.339、239.551、274.014 m3/s。中游断面流量在3种调度情景下分别为291.836、303.661、353.861 m3/s。比较不同情景的模拟结果，上游河道对联合调度的响应更为明显，由于上游山区汇水面积较大，不同位置水库或人工湖通过其调蓄作用，充分发挥在雨前腾空库容，在雨中分流上游来水，减轻排水中枢琴亭湖的排涝压力，在雨后逐步泄水，达到错峰调度的效果。

3.2.2 内涝淹没响应分析 本节采用模型在处理洪涝多过程耦合方式时，仅考虑管网与二维地表，以及管网与一维河道的耦合，而未考虑二维地表与一维河道的耦合。这主要是考虑到以下原因：(1)研究区内有多个调度工程，根据预警信息调节闸泵运行方案，可有效控制内河水位，一般情形下直接溢流较少；(2)全域二维地表与一维河道耦合的计算量较大，后续分析中在街区尺度上对河道漫溢进行模拟。这里为进一步量化实时调度下内涝淹没的响应，采用10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4种降雨情景驱动模型，设置模拟时长为3 h，步长为10 s，对溢流节点数与淹没面积进行统计，结果见表3。可以看到，加入调度方案前后，无论是溢流节点数还是淹没面积均变化不明显。这主要是由于全域模型中未考虑河道漫溢过程，使内涝淹没面积仅来自于溢流节点。这也反映出在实际中通过合理的调度方案调节河道水位，对于控制淹没面积具有重要作用。

图7 3种调度方式下河道水位过程线

图8 3种调度方式下河道流量过程线

表3 设计暴雨下内涝淹没特征统计

3.3 典型社区协同治理分析在研究区内选择琴亭湖下游附近某典型排水片区为例，在社区尺度上进行SUDS措施对内涝的影响分析。该社区位于研究区的西北部，距离琴亭湖出口较近，总面积约117.52 hm2。社区主要由居民区、街道、草地、广场等组成。社区占地面积较小，相应地，原模型中的下垫面被概化为透水面积和不透水面积两类，而在设置SUDS措施时，结合遥感影像显示的街景情况，在街道覆盖的子汇水区添加透水铺装设施，在屋顶图层对应的子汇水区添加绿色屋顶设施，在广场等不透水面增加生物滞留池。而在原本为绿地铺装的区域，由于其本身已具有较强的海绵功能，因此不再添加另外的SUDS措施。SUDS在模型中的空间布设情况见图9，SUDS各垂向层的参数设置参考ICM手册以及文献[20]，如表4所示。

表4 社区SUDS措施主要参数

图9 社区影像及模型SUDS设施概化图

该排水片区接收的雨水经管道系统排至晋安河，与其它片区无明显的水量交换。在模型中对一维河道与二维地表进行耦合，实现对河道漫溢过程的模拟。特别是河段水位超过河岸线时，通过河岸漫溢的水量甚至是内涝积水的主要来源。采用重现期为100 a，降雨历时为2 h的降雨驱动模型，在各减灾措施作用下统计其内涝特征，见表5。结果显示，协同治理模式的效果最好，除了超载管网变化不明显外，溢流节点个数和淹没面积都有明显减小。相比于原始模式，低影响开发模式下受淹面积减小29.06%，而联合调度模式仅使受淹面积减小0.79%。通过两者结合的协同治理模式，受淹面积减小35.93%。可以看到，在社区尺度上，在设置较精细的低影响开发措施后，通过改善硬化路面的产汇流性能，能够有效地缓解预设降雨情景下的内涝状态。

联合调度可充分利用降雨及潮位等关键致涝因子的预报预警信息，做好预案模拟，通过雨前泄水、雨中错峰、雨后逐步排水等方式，降低关键河段洪峰水位，避免洪涝事件进一步升级。为充分说明联合调度的作用，采用2015年8月8日“苏迪罗”台风福州站点降雨数据驱动模型，模拟时长设置为24 h，模拟结果显示(表6)，在苏迪罗台风降雨驱动下，协同治理模式效果与表5的模拟结果不同，此时联合调度的作用比低影响开发模式要更为显著。通过低影响开发模式，受淹面积仅减小1.71%，而通过联合调度模式，受淹面积减小37.78%。通过两者结合的协同治理模式，受淹面积减小57.02%，减灾效果明显。

表5 洪涝特征统计

表6 苏迪罗台风洪涝特征统计

水深和流速是常用的表征洪涝致灾特征的物理量。不仅较大水深会造成严重损失，较高流速时的街道洪水携带着动量和动能，对街道上的行人和车辆造成极大威胁。为分析表7中联合调度作用更大工况时的淹没空间分布特征，提取苏迪罗台风降雨驱动下的模拟结果，统计在协同治理前后该社区淹没特征，见表7。图10给出了原始模式与协同治理模式的淹没空间分布。

表7 协同治理前后排水片区淹没特征 (单位：hm2)

图10 社区尺度淹没图

图10表明，该社区大水深与高流速区域在空间上具有较高的重合度。在原始模式转变为协同治理模式后，总淹没面积由22.87 hm2减少至9.83 hm2，不同取值区间的水深与流速均有较大程度减小。对于最大淹没水深，在协同治理前后，(0，0.2)、[0.2，0.6)、[0.6，∞)三个水深区间对应面积分别减少45.44%、67.56%、66.03%。五四路西侧、思儿亭路中段、五四路、魁炉头巷等水深较大处治理后淹没状态明显改善。对于最大流速，在协同治理前后，(0，0.5)、[0.5，1)、[1，∞)三个流速区间对应面积分别减少52.21%、89.25%、70.27%。流速大于1 m/s的高流速区面积在治理后仅剩0.11 hm2。

4 结论

本文重点针对水工程联合调度以及低影响开发作用下的洪涝过程响应进行了量化分析，以福州晋安河片区为研究区，分别在全域尺度和社区尺度上进行模拟，主要结论如下：(1)全域尺度下的模拟结果显示，在实时调度方案下，通过上游水工程联合调度可以有效控制下游内河水位，更靠近琴亭湖的晋安河主河道上游断面相比于下游断面，其对调度方案的响应更为明显。上游断面流量在联合调度前后，断面流量由274.014 m3/s下降为210.339 m3/s，断面水位由8.393 m下降为7.760 m。(2)社区尺度下的模拟结果显示，在考虑河道漫溢的条件下，低影响开发措施与水工程调度对于内涝淹没的影响效果明显。重现期为100 a，历时2 h降雨驱动下，协同治理前后，典型社区总淹没面积由7.57 hm2减少至4.85 hm2。而采用历时24 h的苏迪罗台风降雨数据驱动下，总淹没面积由22.87 hm2减少至9.83 hm2。

低影响开发措施与水工程调度对改善城市洪涝情势具有积极作用，随着城市防洪工程调度能力的逐步提高，应对暴雨洪涝灾害的能力进一步提升，城市抗灾韧性逐步增强。通过水工程联合调度打通城市水系间的连接，改善城市水动力条件，这也属于城市大海绵系统的一部分。本文案例中，通过联合调度实现对河道水位的调节，可以避免发生河道的漫溢。相关研究表明，低影响开发措施难以应对极端强降雨事件[27，29]，而本文社区尺度下的模拟结果与其相符。后续工作中，可以结合联合调度工况与具体的海绵布局，动态评估调度与海绵措施的影响，深入研究两者协同治理下的洪涝响应机制。