北京城市副中心近域低洼區(qū)排水防澇規(guī)劃研究

霍毅鵬，聶俊坤，李婷婷，杜 飛，王一凡，吳 健，樸希桐，張思瑤

(1.北京市城市規(guī)劃設計研究院，北京 100045；2.北京市城規(guī)技術服務中心，北京 100045)

城市河道排水系統(tǒng)作為防災減災體系的重要組成部分，合理地規(guī)劃城市排水河道系統(tǒng)已經成為保障我國城市健康發(fā)展的必要舉措。城市近域地區(qū)作為核心城市建設地區(qū)的周邊配套服務區(qū)域以及排水尾閭，通常地勢相對較低且內澇風險較高，并擔負著保障核心城區(qū)的防洪排水安全的重任。因此，定量化評估城市近域內澇問題以及科學規(guī)劃河道排水系統(tǒng)，已經成為防控城市內澇風險的有效途徑。針對易發(fā)生內澇風險的城市中心城區(qū)近域區(qū)域，采用傳統(tǒng)的經驗公式法通常難以綜合呈現(xiàn)區(qū)域排水河道、地面徑流以及排水管網(wǎng)之間的聯(lián)動關系，也無法高效評估規(guī)劃排水防澇體系可靠性。近年來，國內外學者針對城市排水防澇方案優(yōu)化及模型構建開展了一系列有益研究[1- 2]，但針對城市及新建城區(qū)近域低洼地區(qū)排水防體系開展定量化分析，構建更加適用的城市近域低洼地區(qū)排水防澇模型仍需深入。北京城市副中心近域地區(qū)作為統(tǒng)籌副中心與近域村莊城鎮(zhèn)的聯(lián)合發(fā)展的承載空間，該類區(qū)域地勢通常低洼且排水防澇壓力較大。因此，綜合考慮近域地區(qū)水系布局、產匯流特征及雨水管網(wǎng)系統(tǒng)等要素，辨識該類低洼地區(qū)內澇風險，科學合理制定并優(yōu)化低洼近域排水防澇規(guī)劃方案，是處理好北京城市副中心與通州區(qū)國土空間關系，完善區(qū)域排水防澇體系，保障北京城市副中心及通州區(qū)整體排澇安全的重要途徑[3- 5]。本研究以北京城市副中心近域典型低洼排水地區(qū)為例，構建排水防澇耦合模型模擬分析并辨識區(qū)域內澇特征，并優(yōu)區(qū)域水系排水防澇方案，以期為同類型區(qū)域排澇規(guī)劃方案優(yōu)化設計提供決策依據(jù)。

1 模型構建

1.1 模型概化

城市雨洪模型通常涵蓋一維及二維模擬分析模塊，該類模型基于水動力學基本原理，通過納入研究區(qū)下墊面特征，模擬水流在河道、排水管網(wǎng)以及二維地表產匯流空間上的運動進程。本研究基于Mike Flood及Mike Urban構建綜合地表二維產匯流以及城市排水管網(wǎng)的耦合模型，模擬辨識城市近域低洼地區(qū)內澇風險，并優(yōu)化區(qū)域排水防澇規(guī)劃方案[6- 7]?；隈詈夏Ｐ蛥?shù)需求，對研究區(qū)多類型數(shù)據(jù)綜合梳理、校核并錄入，通過網(wǎng)格化對研究區(qū)進行空間離散以及豎向概化，構建涵蓋該區(qū)域不同匯水分區(qū)、排水河道、排水管網(wǎng)、雨水泵站以及蓄滯洪區(qū)的耦合模型。

1.2 參數(shù)率定

1.2.1水動力參數(shù)

構建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型主要涉及水動力參數(shù)包括：管網(wǎng)曼寧系數(shù)、水頭損失、時間步長、干濕水深、黏滯系數(shù)和河道糙率等參數(shù)。其中，曼寧系數(shù)依據(jù)管網(wǎng)不同材質分別設定為75～85；計算時間步長取值范圍為20～80s；局部水頭損失取值為0.05m；粘滯系數(shù)取1.0；河道糙率取0.025；干濕水深取值范圍為0.01～0.03m。

1.2.2地形參數(shù)

針對研究區(qū)豎向地形高層疏密特征，對地形高程數(shù)據(jù)以5m×5m的精度進行數(shù)據(jù)插值，通過校核雨水管網(wǎng)雨水井與規(guī)劃道路標高，對異常豎向高程實施匹配修整，從而構建低洼區(qū)二維地面漫流模型。

1.2.3產匯流參數(shù)

基于面積與時長原理計算產匯流主要涵蓋參數(shù)包括：研究區(qū)下墊面不透水率、沿程以及初步水頭損失等參數(shù)。構建模型時通過將研究區(qū)下墊面概化為居住、商業(yè)、工業(yè)、交通、綠地等圖層，設置相應下墊面不透水率范圍為15%～80%?；诂F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集可將研究區(qū)水文徑流衰減系數(shù)設置為0.8；徑流速率設置為0.2m/s;水頭損失系數(shù)設置為0.001m。

1.3 邊界條件

設定區(qū)域降雨條件與下游排水邊界作為構建的耦合模型計算模擬邊界，通過Mike Urban模擬河道徑流過程作為模擬雨水管網(wǎng)的邊界[8- 10]。

1.3.1降雨條件

針對研究區(qū)降雨特征，選取2000—2012年實測年際最大1、3、6、12、24h降雨數(shù)據(jù)進行經驗頻率分析。基于皮爾遜Ⅲ型號特征曲線進行降雨分布擬合與適線，并得出研究區(qū)不同時間段內典型降雨特征曲線。

1.3.2水位條件

研究區(qū)地處北京城市副中心東南部，位于潮白河與北運河環(huán)抱的沖積平原，地勢相對低洼，排水屬于北運河流域。本次模型計算河道下游入北運河水位采用設計頻率降頻水位銜接，下游北運河洪水位相對較高并對研究區(qū)排水造成頂托，不利于區(qū)域雨水有效排除。

2 區(qū)域概況及內澇風險辨識

2.1 研究區(qū)概況

選取具備城市近域典型低洼特征區(qū)域A片區(qū)作為研究區(qū)，A片區(qū)位于北京城市副中心東南部，面積約為15km2，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，多年平均降雨量約為540mm，屬于北運河流域。研究區(qū)地表巖性以粉性土為主，土壤滲透性較差，地下水位較高。研究區(qū)北部規(guī)劃建設區(qū)平均地面高程約為15.5m，南部村莊及農田區(qū)平均地面平均高程約為14m，下游北運河規(guī)10年一遇洪水位與南部農田區(qū)地面高程相近，20年一遇洪水位高于研究區(qū)流域平均地面高程，存在內澇風險。研究區(qū)作為北京城市副中心近域城市功能的重點承載開發(fā)區(qū)域，主要包括西和路溝及望金溝兩條排水河道，區(qū)域排水流域范圍內空間用地類型多樣。片區(qū)兩條河道上游穿過規(guī)劃建設區(qū)，下游大部分流域為村莊及農田?，F(xiàn)狀西和路溝入北運河處有一座呂灣排澇泵站，現(xiàn)狀泵站排澇能力不滿足規(guī)劃需求。

2.2 內澇風險辨識與評價

基于構建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，對研究區(qū)城市管網(wǎng)3年一遇、5年一遇標準以及排水河道20年一遇、50一遇排澇標準下，采用設計頻率降雨邊界、水位邊界模擬計算區(qū)域內澇特征。結合研究區(qū)地市低洼、下游水位頂托以及徑流演進特征，以模擬時長內研究區(qū)淹沒水深(h)以及淹沒歷時(t)作為評估區(qū)域內澇風險因素，參照城市內澇風險劃分標準對研究區(qū)內澇實施評級[11]，并評估不同降雨特征下研究區(qū)內澇風險，見表1。

表1 研究區(qū)內澇風險等別評估表

依據(jù)內澇風險評估等級劃分標準，在設計河道及管網(wǎng)設計標準下，研究區(qū)較低、中等、較高以及極高內澇風險等級面積分別為3.4、1.1、0.6、0.4km2。模擬計算結果顯示，最大積水面積近1.2km2，最大積水深度約為近2m，最長淹沒時間約為9h。綜合分析研究區(qū)內澇產生原因，主要包括：①隨著近年來區(qū)域城市化快速發(fā)展，區(qū)域內不透水面積增加，造成河道洪峰流量增大，而大部分現(xiàn)狀河道及排水管網(wǎng)洪能力不足；②研究區(qū)現(xiàn)狀橋梁、涵洞等構筑物過流能力不足，影響行洪安全，此外，泵還系統(tǒng)能力不足則加劇了內澇風險；③下游北運河洪水位過高，當北運河發(fā)生超標洪水時，流域內的澇水無法自流排除，加重區(qū)域內澇問題。

2.3 近域低洼區(qū)域排水防澇規(guī)劃方案優(yōu)化路徑

針對研究區(qū)特定低洼排水特征，通過辨識區(qū)域內澇風險點，為滿足片區(qū)排水河道以及管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃需求，基于構建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，對排水防澇規(guī)劃方案實施綜合評估與迭代優(yōu)化[12]，規(guī)劃方案優(yōu)化路徑如圖1所示。

圖1 規(guī)劃設計方案優(yōu)化路徑圖

通過對排水防澇初步規(guī)劃設計方案在設定降雨及水位邊界條件下進行模擬計算，若結算結果無法實現(xiàn)規(guī)劃目標，則應對排水河道、管網(wǎng)、泵站以及蓄滯洪區(qū)的設定進行綜合調整優(yōu)化，直至模擬結果滿足區(qū)域內澇防控以及排水安全需求。

3 排水防澇規(guī)劃方案優(yōu)化

3.1 規(guī)劃標準

根據(jù)河道所處區(qū)位及河道特性來考慮，西和路溝及望金溝規(guī)劃治理標準為20年一遇排澇設計，建設區(qū)段河道20年一遇規(guī)劃洪水位一般不淹沒主要新建規(guī)劃雨水管道出口內頂，非建設區(qū)段按照20年一遇排澇控制河道規(guī)劃上口線。規(guī)劃新建及改建河道構筑物按照構筑物等級確定其標準，但不得低于河道治理標準。新建橋梁要求不縮窄規(guī)劃河道行洪斷面，一般橋梁梁底高程應高于50年一遇規(guī)劃洪水位0.5m以上，規(guī)劃西和路溝流域內排澇標準為20年一遇，20年一遇24h降雨產生的雨洪量1.5d排除。研究區(qū)規(guī)劃流域范圍如圖2所示。

圖2 研究區(qū)規(guī)劃流域范圍圖

3.2 區(qū)域內澇辨識與影響因素分析

在相應排水河道以及管網(wǎng)標準下，初步排水防澇方案注重通過疏挖拓寬河道規(guī)模，增大入北運河排澇泵站能力來保障研究區(qū)排水安全，通過模擬對排水防澇初步規(guī)劃方案進行模擬，辨識研究區(qū)內澇防控效果，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)初步方案模擬結果

規(guī)劃針對研究區(qū)低洼區(qū)產生雨水，經過雨水管網(wǎng)進入西和路溝及望金溝，最終匯入北運河。通過綜合分析研究區(qū)內澇特征，主要對區(qū)域骨干河道方案以及合理的蓄滯洪區(qū)劃定進行方案調整優(yōu)化，結合區(qū)域國土空間用地特征以及排澇要求，重點解決區(qū)域蓄澇用地緊張以及因北運河水位頂托造成的內澇排除問題。經過模擬計算可知，初步方案中西和路溝及望金溝行洪排澇能力設置較大，河道疏挖藍線占地規(guī)模較大。淹沒區(qū)呈現(xiàn)碎片化特征，不利于區(qū)域用地整合及交通布局安全。同時，初步方案中呂灣排澇泵站能力設置較大，經濟性不足。因從，優(yōu)化方案可重點考察充分利用區(qū)域用地空間地形特征，選取合理用地空間作為蓄澇漫溢區(qū)，從而在保障區(qū)域排水防澇安全基礎上，有效實現(xiàn)河道藍線用地集約利用與泵站工程改造的經濟性。

3.3 排水防澇方案優(yōu)化

3.3.1排水防澇規(guī)劃思路

西和路溝流域地處潮白河、北運河之間，地勢低洼，排水條件較差，當北運河發(fā)生10年一遇以上洪水時，區(qū)域范圍內的雨水無法重力流排入北運河，為防止下游北運河洪水倒灌，規(guī)劃關閉西和路溝出口閘門，規(guī)劃西和路溝流域內降雨產生的澇水主要通過“調蓄、強排”相結合的方式進行排除。本研究基于構建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型辨識區(qū)域內澇風險以及影響因素，重點通過調整排水系統(tǒng)以及選定合理的蓄澇漫溢區(qū)，從而優(yōu)化排水防澇規(guī)劃方案，最大限度降低內澇對區(qū)域排水安全造成的不利影響。

3.3.2排水河道方案優(yōu)化

研究區(qū)兩條骨干排水河道上游穿越建設區(qū)，下游臨近村莊，其周邊用較為緊張，其合適的規(guī)劃平面定線位置對集約河道藍線用地尤為重要。優(yōu)化方案中河道平面位置重點考慮遵循在保障排水防澇安全基礎上，充分利用現(xiàn)狀河道用地空間，盡量減小拆遷，避讓村莊、建筑物、樹木及基本農田。通過方案優(yōu)化，西和路溝位于建設區(qū)內段，規(guī)劃將河道布置在市政道路一側，規(guī)劃河道左岸上口線距離道路紅線5m以上。其中局部位于村莊段河道，河道右岸有大片村莊民建及永久基本農田，為避免大量拆遷及占壓永久基本農田，規(guī)劃以現(xiàn)狀河道右岸上口線為基準向左岸拓寬。望金溝位于建設區(qū)內，規(guī)劃將河道布置在市政道路一側，規(guī)劃河道右岸上口線距離道路紅線5m以上。位于非建設區(qū)段，現(xiàn)狀河道左岸為市政道路，右岸為農田綠地，規(guī)劃基本以現(xiàn)狀河道左岸上口線為基準向右岸拓寬。通過方案優(yōu)化，規(guī)劃西和路溝和望金溝可在協(xié)調周邊用地、保障行洪能力基礎上，有效節(jié)約了河道藍線用以空間，促進了區(qū)域國土空間用地集約化利用。

3.3.3蓄澇區(qū)方案優(yōu)化

基于的Mike Flood及Mike Urban耦合模型，通過劃分研究區(qū)流域劃分居住、商業(yè)、工業(yè)、交通、綠地等不同下墊面，推求片區(qū)干流西和路溝流域蓄滯的澇水量約為115萬m3。規(guī)劃保留西和路溝及支溝附近洼地，考慮在汛期調蓄區(qū)域雨水，總面積約為40hm2。為保證河道流域內建設區(qū)排澇安全，建設區(qū)按地面高程以下0.5m控制最高蓄澇水位。優(yōu)化方案中，在保證村莊不被淹沒的情況下，河道內雨洪可向農田區(qū)適當漫溢，農田區(qū)按最低處地面高程控制河道最高蓄澇水位。根據(jù)地形地貌、水系系統(tǒng)、區(qū)域洼地情況基于耦合模型模擬計算可知，額外調蓄澇水量約為45萬m3，優(yōu)化方案通過在西和路溝河口及望金溝農田區(qū)域段選擇適宜用地范圍漫溢，從而優(yōu)化初步方案中淹沒區(qū)碎片化的不利因素，優(yōu)化方案淹沒范圍約100hm2。規(guī)劃蓄澇漫溢區(qū)優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 規(guī)劃蓄澇漫溢區(qū)優(yōu)化方案

3.3.4泵站方案優(yōu)化

現(xiàn)狀西和路溝入北運河處呂灣排澇泵站，泵站排澇能力為2.5m3/s。根據(jù)區(qū)域排澇標準，該地區(qū)排澇標準為20年一遇，農田區(qū)20年一遇24h降雨產生的洪量1.5d排除。經模型計算，初步方案泵站排澇能力為5m3/s，泵站能力設置偏大，工程改造投資較大。因此，優(yōu)化方案中規(guī)劃改建現(xiàn)狀呂灣排澇泵站，泵站規(guī)劃能力為3.5m3/s，位于西和路溝入北運河左堤前東側，對應北運河20一遇洪峰流量約為60m3/s，從而在實現(xiàn)區(qū)域排澇安全基礎上，有效降低了工程改造費用。呂灣排澇泵站調蓄優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 呂灣排澇泵站調蓄方案優(yōu)化

3.3.5排水防澇方案優(yōu)化評估

經過方案迭代優(yōu)化后方案模擬結果顯示，通過適當調整優(yōu)化排水河道平面藍線范圍，優(yōu)化排澇泵站規(guī)模以及劃定適宜的蓄澇漫溢區(qū)，可以在保障區(qū)域排澇安全的同時，利用農田用地作為臨時漫溢蓄滯洪區(qū)，從而有效集約了城市用地空間并節(jié)省了工程投資。同時，方案優(yōu)化后研究區(qū)內澇淹沒區(qū)碎片化率顯著降低，有利于區(qū)域國土空間用地整合利用與交通道路布局安全，模擬方案可為區(qū)域國土空間格局及地面豎向優(yōu)化調整提供有益支撐。

4 結語

北京城市副中心部分近域村鎮(zhèn)地勢低洼，通過對低洼區(qū)的河道進行治理及適當安排排澇工程，可有效解決低洼區(qū)的排水防澇問題。構建基于Mike Flood及Mike Urban的耦合模型適用于城市近域低洼區(qū)排水模擬及內澇風險評估，針對城市近域地區(qū)河道周邊用地緊張的問題，河道平面位置及斷面形式時應與周邊充分結合，劃定集約經濟的河道藍線用地空間。同時，建設區(qū)排澇要兼顧雨水排除系統(tǒng)安排豎向高程，對于近域村莊區(qū)域要保證實現(xiàn)內澇不淹沒，而農田綠地區(qū)域則可以適當臨時漫溢淹沒，從而可在保障區(qū)域排澇安全基礎上，有效集約城市用地空間并節(jié)約工程改造投資。