基于情景模擬的城市雨洪聯(lián)合調(diào)度策略

唐 明，許文斌

(1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099；2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院 市政工程分院，南昌 330038)

0 引 言

近些年來，業(yè)內(nèi)專家對排水管網(wǎng)、排澇設(shè)施、源頭控制、雨污分流等市政排水與城市排澇工程建設(shè)進(jìn)行了大量深入的研究[1-4]，為提升相關(guān)工程建設(shè)水平發(fā)揮著重要作用；行業(yè)主管部門不斷修訂規(guī)程規(guī)范，指導(dǎo)室外排水管網(wǎng)、排水渠系、雨水調(diào)蓄、排澇泵站建設(shè)[5-8]，市政排水與城市排澇工程建設(shè)取得長足進(jìn)步。但是，從汛期實踐來看，城市內(nèi)澇防治效果依然不盡人意，“城市看?！边€是熱點話題。細(xì)究緣由，一方面，城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)的工程建設(shè)欠賬依舊存在，市政排水與城市排澇能力不足；另一方面，由于對城市雨洪過程的認(rèn)識還不夠，缺少對市政排水與城市排澇設(shè)施運行的針對性調(diào)度，系統(tǒng)能力得不到充分發(fā)揮。

因此，在完善工程體系建設(shè)的同時，加強對雨洪過程的了解，評估不同情景下內(nèi)澇防治系統(tǒng)運行特點，從而確定城市雨洪聯(lián)合調(diào)度策略，協(xié)調(diào)好市政排水的快速收集與城市排澇系統(tǒng)平均排除之間的矛盾，充分發(fā)揮內(nèi)澇防治系統(tǒng)的既有能力，是十分必要的。

1 研究區(qū)域

1.1 青山湖排澇片的基本情況(詳見圖1)

該排澇片瀕臨贛江，地勢平坦，匯水面積 52 km2，地面高程19.0～25.5 m；城市排澇系統(tǒng)由骨干水系與泵閘等排澇設(shè)施組成，設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(一日暴雨一日排除)。雨水通過市政排水管網(wǎng)匯入玉帶河，經(jīng)青山湖調(diào)蓄后，由青山湖電排站(或青山閘)排入贛江。

圖1 青山湖排澇片總平面圖Fig.1 General layout of Qingshanhu drainage area

該片區(qū)主要是老城區(qū)，基本沿用“合流制”排水體系；已建排水體系中部分管網(wǎng)設(shè)施陳舊，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，應(yīng)排水量超過其設(shè)計能力，呈超負(fù)荷運行狀態(tài)。排澇片內(nèi)部各排水分區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)，局部地區(qū)未成體系，存在排水不暢的問題。

城市骨干水系由青山湖與玉帶河(包括總渠和東、西、南、北支)構(gòu)成。新世紀(jì)以來，為了改善水環(huán)境、恢復(fù)水生態(tài)，先后進(jìn)行過兩次較大整治；第一次，以河道拓寬與截污工程(截流倍數(shù)為2)為主；為了保證正常生態(tài)補水期間不倒灌，截流系統(tǒng)沿線溢流堰頂高程按照“常水位+10 cm超高”控制。第二次，是河道清淤與截污管網(wǎng)提升改造(截流倍數(shù)為18)；達(dá)到“1 h降雨不超過6 mm時，不發(fā)生沿線溢流”的截流目標(biāo)；沿線溢流堰頂高程的設(shè)計原則不變，終端溢流口設(shè)在七孔閘(出湖控制閘)下游，3倍設(shè)計污水量以上的超量合流水由此溢出，堰頂高程為16 m。

城市排澇設(shè)施包括自排與抽排兩部分。贛江水位低時，澇水通過青山閘注入贛江；贛江水位高時，啟動電排站，充分利用青山湖調(diào)蓄功能后將澇水抽排至贛江。其中，青山湖電排站裝機10臺，總設(shè)計排澇流量為77.6 m3/s；青山湖水面面積約3.01 km2，承擔(dān)著區(qū)域主要調(diào)蓄功能，設(shè)計最高蓄澇水位17.23 m，蓄澇容積288 萬m3。

1.2 青山湖排澇系統(tǒng)運行調(diào)度方案的變遷過程

青山湖電排站的建站運行規(guī)則是：贛江水位在16.73 m以下，青山閘開啟，澇水通過青山閘自排；贛江水位達(dá)16.73 m，青山閘關(guān)閉，及時啟動電排站，并視來水情況結(jié)合天氣預(yù)報啟動不同臺數(shù)機組。在降雨量不大時，以控制青山湖水位在16.73 m啟用機組；當(dāng)預(yù)報有大暴雨或特大暴雨時，全部機組啟動運行，將青山湖水位預(yù)先降到16.23 m。暴雨過后，調(diào)整開機臺數(shù)，將青山湖水位控制在16.73 m；直至贛江水位回落到16.73 m以下才停機，同時開啟青山閘。

本世紀(jì)初期，鑒于上游玉帶河水體污染嚴(yán)重，城市管理部門一度實行“河湖分家”，將青山湖與玉帶河隔開，以減輕上游水系對其水質(zhì)造成的影響。同時，為了達(dá)到最佳景觀效果，隔離后的青山湖水位控制到17.13 m。由于青山湖和排澇泵閘分屬兩個部門管理，聯(lián)合調(diào)度難度大，青山湖的蓄澇效果受到影響，削弱了該片區(qū)的排水除澇能力。

2011年，市防指明確了汛期水位動態(tài)控制的原則，即根據(jù)預(yù)報實行“雨前預(yù)降”：20～50 mm降雨時，青山湖水位預(yù)降至16.83 m；50～100 mm降雨時，青山湖水位預(yù)降至16.63 m；100 mm以上降雨時，青山湖水位預(yù)降至16.43 m。2018年底，管網(wǎng)整治基本完畢，基于水體活化與污水收集的雙重考慮，恢復(fù)了河湖關(guān)系(玉帶河總干渠直接匯入青山湖)，并重新制定了新的水位控制辦法，將青山湖常水位控制到16.63 m；同時，“雨前預(yù)降”標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為：預(yù)報降雨50～100 mm，青山湖水位預(yù)降至16.43 m；降雨100 mm以上，水位預(yù)降至16.23 m。

1.3 青山湖排澇系統(tǒng)運行調(diào)度存在的問題

歷史上，主管部門對青山湖排澇系統(tǒng)的運行調(diào)度方案作了數(shù)次調(diào)整，取得一定效果。但是，在近兩年的排澇實踐中，系統(tǒng)運行仍然不夠順暢，調(diào)度方案需要進(jìn)一步完善。

(1)對河湖骨干水系在暴雨期間的水位波動過程，及其對市政排水體系影響的認(rèn)識不足。需要借助雨洪模擬軟件，深入了解骨干水系水位變化對市政排水系統(tǒng)的影響機制，從而制定相應(yīng)的策略。

(2)單純針對調(diào)蓄區(qū)“雨前預(yù)降”的調(diào)度理念，已經(jīng)不能滿足實際需求。需要在科學(xué)評估雨洪過程的基礎(chǔ)上，從充分發(fā)揮市政排水與城市排澇系統(tǒng)設(shè)計功能的角度，合理設(shè)定水位的調(diào)控原則，確定水位的控制時機與具體指標(biāo)。

(3)泵站機組、水閘運行規(guī)程的操作性和靈活性不夠。日常運行中，只有基于24h降雨預(yù)報的調(diào)蓄區(qū)“雨前預(yù)降”水位指標(biāo)，難以控制暴雨過程中的河湖水位；既缺乏明確的降雨過程控制規(guī)則，也缺少對短歷時強降雨的響應(yīng)。

2 研究方法

2.1 基于MIKE模型的城市雨洪情景模擬思路

運用情景分析方法進(jìn)行評估和預(yù)測,是其他學(xué)科的理論和方法的綜合集成[9]。目前，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境破壞、災(zāi)害預(yù)警等多個領(lǐng)域[10,11]；水利部門對各流域設(shè)計洪水的災(zāi)害影響都做過不同程度的情景模擬和分析[12]。Mike Flood能夠用于城市管網(wǎng)排水能力及河湖調(diào)蓄能力的評估，應(yīng)用較為廣泛[13]。本文采用控制變量法進(jìn)行情景設(shè)置，利用MIKE開展雨洪數(shù)值模擬，分析城市骨干水系最高水位帶來的影響，統(tǒng)籌考慮蓄澇需求和截流系統(tǒng)的功能影響，合理確定河湖水位的控制時機與閾值，進(jìn)一步優(yōu)化排澇系統(tǒng)運行方案。

2.2 基于MIKE的耦合模型構(gòu)建與率定

2.2.1 模型的構(gòu)建

Step1. 利用地下排水管網(wǎng)普查資料，通過MIKE Urban相應(yīng)的內(nèi)置功能，形成一維管網(wǎng)文件；采用泰森多邊形法進(jìn)行匯水面積的自動劃分和人工調(diào)整，同時給定徑流計算參數(shù)及計算法則；最后，進(jìn)行人工檢查與系統(tǒng)自檢，從而形成完善的一維管網(wǎng)模型(見圖2)。

圖2 一維管網(wǎng)模型Fig.2 One-dimensional pipe network model

Step2. 根據(jù)實際水系走向生成河網(wǎng)shp文件；根據(jù)實測資料定義不同里程的斷面尺寸及河底標(biāo)高；根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)及不同的模擬工況確定邊界數(shù)據(jù)及水力參數(shù),完成河網(wǎng)模型(圖3)。

圖3 河網(wǎng)模型Fig.3 River network model

Step3. 基于實測地形文件，借助ArcMap生成網(wǎng)格大小為5 m×5 m的Dem文件及ASCII數(shù)據(jù)文件，運用Mike Zero，將ASCII轉(zhuǎn)化為dfs2文件，輸入模擬步長、文件輸出路徑、地表徑流曼寧系數(shù)等參數(shù)，構(gòu)建二維地表漫流模型。

Step4. 運行MIKE Flood耦合模型，通過管網(wǎng)模型內(nèi)的入孔與二維地表漫流模型的網(wǎng)格點進(jìn)行自動耦合、管網(wǎng)模型內(nèi)的排水口與河網(wǎng)模型的水位點進(jìn)行耦合、河網(wǎng)模型的兩岸與二維地表漫流模型的網(wǎng)格進(jìn)行耦合。

2.2.2 模型的率定

利用“0712”暴雨的實測雨量、河湖水位、電排站外排流量及排澇片積水點等資料對模型進(jìn)行率定。利用青山湖排澇區(qū)3個雨量站的實測數(shù)據(jù)得到率定工況的降雨時間序列；將電排站實際抽排流量監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mike Zero，形成流量時間序列；將實測的河道初始水位輸入模型；運行耦合模型，得到青山湖水位過程與青山湖排澇區(qū)積水情況(見圖4)。模擬出的積水點位與市排水部門統(tǒng)計信息基本吻合；而且，當(dāng)日實測青山湖最高水位16.83 m與模擬值16.85 m接近；可以認(rèn)為本次構(gòu)建的耦合模型相關(guān)參數(shù)設(shè)定合理。

圖4 “0712”積水圖Fig.4 The ponding distribution map

3 情景模擬與分析

3.1 城市雨洪情景設(shè)置

3.1.1 模擬雨型的選擇

典型暴雨“同倍比”或“同頻率”放大法、綜合雨型“同頻率”放大法，都是規(guī)范允許的計算方法；但是，不同的方法有各自的優(yōu)缺點。

典型暴雨“同倍比放大法”能保證典型降雨的時程形態(tài)不變；且計算簡單，便于時間刻度的細(xì)化。但是，它只能滿足設(shè)計歷時下的頻率要求，而其他主要統(tǒng)計歷時降雨量的重現(xiàn)期差異很大，難以客觀評價市政排水與區(qū)域排澇系統(tǒng)的能力。

典型暴雨“同頻率放大法”能針對工程建設(shè)的設(shè)計或復(fù)核需要，控制主要時段的“同頻”，體現(xiàn)理論上的一致性。但是，受典型暴雨時程隨機分布的影響，排澇進(jìn)程也存在較大差異；需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，尋找多個典型暴雨進(jìn)行比較選擇。

“綜合雨型”是各地水利行業(yè)根據(jù)實測暴雨資料，按地區(qū)氣候特點綜合概化的“雨型表”；是人工構(gòu)造的“單峰”雨型，時序穩(wěn)定，克服了“典型暴雨”時程隨機性帶來的排澇進(jìn)程差異；控制主要時段的“同頻”調(diào)算過程也相對簡單一些。

“同頻”調(diào)算的時間刻度一般為“小時”，當(dāng)進(jìn)行雨洪數(shù)值模擬時，需要將時間刻度進(jìn)一步細(xì)化。為同步考核“大尺度”的城市排澇系統(tǒng)及“小尺度”的市政排水系統(tǒng)的可靠性，將適應(yīng)本地市政系統(tǒng)短歷時排水特點的“芝加哥雨型”嵌入到“綜合雨型”的“最大1 h降雨”當(dāng)中，構(gòu)成一種用于城市雨洪模擬的“復(fù)合雨型”(其余23 h按“小時內(nèi)部均化”處理)。

3.1.2 排澇系統(tǒng)的主要工況確定

(1)結(jié)合運行實際，擬定泵站開機臺數(shù)隨前池水位變化的常規(guī)方案。將泵站10臺機組分3檔啟停，第一檔(設(shè)4臺泵)起排水位16.33，停機水位16.23，第二檔(設(shè)2臺泵)起排水位16.43，停機水位16.33，第三檔(設(shè)4臺泵)起排水位16.63，停機水位16.53。

需要注意的有兩點：其一，學(xué)生佩戴浮具下水后，需要適應(yīng)并掌握在水中的身體平衡，可以先做一些適應(yīng)水性的練習(xí)，再進(jìn)行其他動作學(xué)習(xí)。其二，助力輔助，僅僅是一種輔助教學(xué)手段，換言之，學(xué)生佩戴浮具的時間不宜過長，否則會使學(xué)生對浮具產(chǎn)生身體依賴。當(dāng)動作基本掌握后，應(yīng)當(dāng)逐步減輕或者取消浮具的支持，以避免造成依賴，反而不利于游泳學(xué)習(xí)。

(2)將青山湖設(shè)計常水位(16.73 m)作為泵站初始水位；將其最低調(diào)蓄水位(16.23 m)作為雨洪調(diào)度模擬的泵站停運水位，逐一模擬不同量級暴雨條件下的排澇進(jìn)程，找出對市政排水系統(tǒng)沒有影響的臨界雨量，即青山湖(圖3-控制斷面b)水位、三支匯流處(上游水系雍水效果最明顯的關(guān)鍵節(jié)點，圖3-控制斷面a)水位不高于市政排水管網(wǎng)的設(shè)計外水位。

(3)對臨界雨量以下的暴雨，進(jìn)行多個停運水位的模擬，通過各情景主要斷面水位及外排流量過程分析，量化不同雨量條件下排澇系統(tǒng)的調(diào)蓄需求以及截流系統(tǒng)的功能影響。

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)不同降雨量條件下的排澇進(jìn)程對比分析(圖5、圖6，青山湖最低水位均設(shè)定為16.23 m)。圖5中，6條曲線自下而上分別代表的是24 h暴雨量(以下簡稱“雨量”)達(dá)到50、100、150、200、223.6(20年一遇)、260.4 mm(50年一遇)條件下的青山湖水位過程線；圖6中，6條曲線自下而上分別代表的是相應(yīng)條件下三支匯流處的水位過程線。可以看出，當(dāng)雨量大于200 mm時，青山湖水位才會超過17.23 m，發(fā)生頂托；但是，當(dāng)雨量接近150 mm時，三支匯流處的水位即達(dá)到了該處排水管網(wǎng)的設(shè)計外水位17.78 m，出現(xiàn)頂托效應(yīng)。

圖5 青山湖水位過程線Fig.5 The water level hydrograph of section “c”

圖6 三支匯流處的水位過程線Fig.6 The water level hydrograph of section “a”

(2)不同的青山湖最低控制水位條件下排澇進(jìn)程對比分析(圖7～圖10，50 mm與100 mm)。圖7中，3條曲線自下而上分別代表的是雨量為50 mm條件下最低控制水位為16.23、16.46、16.63 m時的青山湖水位過程線；圖8中，3條曲線自下而上分別代表的是雨量為100 mm條件下最低控制水位為16.23、16.33、16.43 m時的青山湖水位過程線?？梢钥闯觯?dāng)雨量為50 mm時，3種最低水位控制狀態(tài)下，最大漲幅基本上在10 cm左右，不會對市政排水系統(tǒng)造成影響。當(dāng)雨量為100 mm時，最大漲幅已經(jīng)增大到35 cm左右；當(dāng)最低控制水位為16.43 m時，青山湖最高水位達(dá)到16.81 m，接近該處溢流坎頂高程(16.83 m)。

圖7 青山湖水位過程線(50 mm)Fig.7 The water level hydrograph of section “c”(50 mm)

圖8 青山湖水位過程線(100 mm)Fig.8 The water level hydrograph of section “c” (100 mm)

圖9、圖10中的3條線分別代表相應(yīng)條件下的三支匯流處水位過程線?？梢钥闯?，當(dāng)雨量為50 mm時，3種水位控制條件下，對三支匯流處的市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)均不造成頂托；但是，當(dāng)雨量為100 mm時，最低水位控制在16.43 m時，三支匯流處的水位17.49 m，超過該處溢流坎頂高程(17.38 m)，低于該處排水管網(wǎng)的設(shè)計外水位(17.78 m)。

圖9 三支匯流處水位過程線(50 mm)Fig.9 The water level hydrograph of section “a” (50 mm)

圖10 三支匯流處水位過程線(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與排澇流量過程分析(圖11、圖12)。圖11中，2條曲線分別代表雨量為100 mm、最低控制水位為16.43 m時的青山湖水位(黑色)及泵站排澇流量(紅色)過程線；圖12中，2條線分別代表雨量為150 mm、最低控制水位為16.23 m時的青山湖水位(黑色)及泵站排澇流量(藍(lán)色)過程線。可以看出，兩種模擬工況中，機組滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)的時間并不長；在雨洪峰值之前(青山湖水位16.63 m以下時)，存在通過應(yīng)急調(diào)度(非常規(guī)調(diào)度)增加排澇流量，進(jìn)一步削減雨洪峰值的空間。

圖11 青山湖水位及排澇流量過程線(100 mm)Fig.11 The water level and discharge hydrograph of section “c” (100 mm)

圖12 青山湖水位及排澇流量過程線(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澇系統(tǒng)運行情況。不同重現(xiàn)期降雨、不同的調(diào)蓄區(qū)(青山湖)最低控制水位的條件下，因城市骨干水系最高水位差異而帶來市政排水系統(tǒng)受到的頂托影響也存在較大差異(詳見表1)。

表1 不同情景模擬中的排澇系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計Tab.1 Operation statistics of drainage system in different scenarios

當(dāng)預(yù)報的24 h暴雨量為50～100 mm時，河湖水位漲幅增大；隨著降雨量的增加，將青山湖最低控制水位的閾值逐步由16.63減少到16.43 m，可以保證骨干水系水位低于截流系統(tǒng)的溢流水位，減輕河水倒灌對污水收集處理系統(tǒng)的影響。

當(dāng)預(yù)報的24 h暴雨量為100～150 mm時，河湖水位漲幅進(jìn)一步增大；按照16.43～16.23 m控制集中降雨期之前的最低調(diào)蓄水位，除局部地段外，基本上能夠控制骨干水系不對管網(wǎng)系統(tǒng)造成頂托。

當(dāng)預(yù)報的24 h暴雨量大于150 mm時，河湖水位漲幅過大，現(xiàn)有的排澇工程體系已經(jīng)無法保障市政排水系統(tǒng)完全不受骨干水系的頂托影響。

3.3 城市排澇系統(tǒng)的雨洪聯(lián)合調(diào)度策略

(1)進(jìn)一步拓展傳統(tǒng)的“雨前預(yù)降”汛限動態(tài)水位控制理念。關(guān)注降雨的過程控制，在按照常規(guī)泵站調(diào)度規(guī)程(詳見表2)進(jìn)行“雨前預(yù)降”的基礎(chǔ)上，強化“峰前控制”。即根據(jù)不同等級的降雨預(yù)報成果，合理設(shè)置河湖水位控制閾值；根據(jù)不同的降雨強度和前池水位的變化趨勢，加強集中強降雨期的研判，在漲水期，針對機組開展非常規(guī)調(diào)度(詳見表2)，有效削減雨洪峰值，避免或減輕骨干水系對市政排水系統(tǒng)的頂托。

表2 不同降雨、調(diào)蓄水位組合下的最高機組運行臺數(shù)Tab.2 Operation number of pumps under combined conditions of different rainfall and water level

(2)關(guān)注短歷時強降雨，強化應(yīng)急處置意識。細(xì)化短歷時降雨的雨量閾值(表3)；密切跟蹤氣象部門的滾動預(yù)報與短時臨近預(yù)報成果，啟動相應(yīng)的應(yīng)急等級與調(diào)度措施。當(dāng)集中強降雨帶來的快速匯流超過現(xiàn)有工程體系的瞬時排澇能力時，即使通過泵站的非常規(guī)調(diào)度手段，也只能盡量減輕頂托程度；還需要通過增設(shè)“源頭減排設(shè)施”、擴大“排澇除險設(shè)施”行泄能力等應(yīng)急處置，進(jìn)一步緩解城市受澇情況。

表3 青山湖排澇片不同降雨歷時雨量閾值對照表 mm

4 結(jié) 論

城市雨洪聯(lián)合調(diào)度研究不足、工程體系運行管理薄弱，市政排水與城市排澇系統(tǒng)能力得不到充分發(fā)揮，是城市內(nèi)澇防治中一個不容忽視的關(guān)鍵問題。借助MIKE等工具對城市雨洪進(jìn)行多情景分析，既能夠科學(xué)認(rèn)識城市骨干水系在暴雨期間的水位波動過程，及其對市政排水系統(tǒng)的頂托影響；也可以了解泵站機組在排澇進(jìn)程中的負(fù)荷變化，及其運行潛力所在。管理部門可以基于上述認(rèn)識更好地確定雨洪聯(lián)合調(diào)度策略，設(shè)定不同降雨條件下的河湖水位控制時機與閾值，建立健全降雨集中期的機組應(yīng)急調(diào)度規(guī)程，從而有效削減雨洪峰值，最大限度地發(fā)揮內(nèi)澇防治系統(tǒng)的既有功能。

□