水工程調(diào)度與低影響開發(fā)協(xié)同作用下典型城市片區(qū)洪澇過程模擬
——以福州市為例

葉陳雷，徐宗學(xué)

(1.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875)

1 研究背景

我國地處歐亞大陸東南部，位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)氣候影響，我國城市面臨嚴(yán)峻的暴雨洪澇問題，其近年來愈發(fā)呈現(xiàn)廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢。隨著地表溫度上升，陸地區(qū)域極端降水強(qiáng)度更大、頻率更高[1]。每逢汛期，我國“城市看?！爆F(xiàn)象層出不窮，近年來甚至已成為城市的一種常態(tài)[2]，典型的暴雨洪澇事件如北京“2012.7.21”、武漢“2016.7.6”、長沙“2017.6.22”、廣州“2020.5.22”。2021年鄭州“7·20”特大暴雨和北京“8·16”強(qiáng)降雨事件再次引起民眾對于城市暴雨內(nèi)澇的思考[3-4]。據(jù)預(yù)測，到21世紀(jì)中葉，我國人口城鎮(zhèn)化率預(yù)計(jì)達(dá)到80%，保障城市水安全，特別是防洪安全將是我國各級政府面臨的重大挑戰(zhàn)[5]?？焖俪鞘谢尘跋?，城市熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)、高層建筑障礙效應(yīng)等增強(qiáng)，下墊面熱量及風(fēng)動力條件發(fā)生改變，不透水面積增加，截留過程、下滲過程、填洼過程、蒸散發(fā)過程等均有不同程度變化[6-7]。城市下墊面不斷硬化，原有的水體調(diào)蓄功能受到削弱，河湖水系連通也遭受一定程度的破壞[8]。水利渠道工程的建設(shè)改變了原先自然狀態(tài)下的水系特征[9]，城市排水管網(wǎng)的老化或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上存在缺陷，這些均直接或間接導(dǎo)致城市內(nèi)澇的出現(xiàn)。

城市水工程調(diào)度與低影響開發(fā)措施在應(yīng)對城市暴雨洪澇時發(fā)揮著重要作用。由水庫、湖泊、人工渠、閘門、排澇泵站等重要基礎(chǔ)設(shè)施組成水工程群，在雨前預(yù)先降低調(diào)蓄設(shè)施水位，騰空庫容，雨中存水調(diào)蓄，雨后維持城市水生態(tài)，改善城市水系水動力條件，全方位保障城市水安全[10]。北京2016年7月20日暴雨洪水時，相關(guān)部門采用“西蓄、東排、南北分洪”的調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)了防汛排澇安全[11]。此外，我國提出“海綿城市”建設(shè)理念成為各界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[12]?！昂＞d城市”是指城市能夠像海綿一樣，在應(yīng)對變化環(huán)境與自然災(zāi)害時具有良好的彈性與韌性，不僅增加城市的抗風(fēng)險性，也增加城市的恢復(fù)力，旨在解決城市內(nèi)澇、水環(huán)境、缺水等問題，其內(nèi)涵包括水量上削峰、水質(zhì)上減污、雨水資源合理化利用[13]。隨著海綿城市建設(shè)實(shí)踐不斷進(jìn)行，人們對海綿城市的理解也更為深刻。相關(guān)研究指出，海綿城市是對城市水系統(tǒng)的綜合管理，不僅要實(shí)現(xiàn)雨洪資源綜合管理利用，還要統(tǒng)籌市政、生態(tài)、景觀、交通等多種功能[12]。2021年4月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見》，提出因地制宜形成“源頭減排、管網(wǎng)排放、蓄排并舉、超標(biāo)應(yīng)急”的城市排水防澇工程體系。

本文以福州市江北晉安河片區(qū)為研究區(qū)，研究水工程聯(lián)合調(diào)度與低影響開發(fā)措施對于城市內(nèi)澇的協(xié)同作用。構(gòu)建水文水動力模型，結(jié)合城市上游湖庫聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，預(yù)設(shè)組合的降雨情景與調(diào)度工況，分析河道水位與內(nèi)澇淹沒對聯(lián)合調(diào)度的響應(yīng)。同時，選擇典型社區(qū)進(jìn)行海綿城市改造，分析在聯(lián)合調(diào)度規(guī)則影響下，低影響開發(fā)措施與水工程聯(lián)合調(diào)度的協(xié)同影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況福州市屬于亞熱帶海洋性氣候，年平均降水量為900～2100 mm，主要集中在5—9月，強(qiáng)降水頻繁發(fā)生，占全年降水量的80%以上。福州市江北城區(qū)東西北三面環(huán)山，主城區(qū)外圍山形陡峭，水系上游山洪頻發(fā)；中間城區(qū)城市化進(jìn)程較快，蓄滯空間較小，雨水調(diào)蓄及排水能力不足；江北城區(qū)南臨閩江，閩江下游又屬感潮河段，受一日兩潮的海水頂托，遇外江水位較高時，閘排條件受限，防洪排澇壓力大。2005年，“龍王”強(qiáng)臺風(fēng)襲擊福州，五四路、五一路、華林路等重要街道被淹，淹沒深度達(dá)0.5～1 m[14]。2015年的“蘇迪羅”臺風(fēng)，2016年的“鯰魚”“莫蘭蒂”臺風(fēng)使福州正常的生產(chǎn)生活遭受極大影響[15]。2021年8月，“盧碧”臺風(fēng)再次造成福州嚴(yán)重內(nèi)澇。位于主城區(qū)的晉安河是福州城區(qū)重要的排水渠道，承擔(dān)防洪排澇的任務(wù)。福州市城區(qū)河道近年來不斷進(jìn)行河道整治以及“引水沖污”等工程建設(shè)，并擴(kuò)建庫湖、新建排澇閘站，城區(qū)水系調(diào)蓄洪水能力、河道行洪能力等均有所改變。本文選擇福州江北晉安河片區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)總面積約為54.01 km2，研究區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，有多處歷史記錄易澇點(diǎn)，河網(wǎng)密布，圖1為研究區(qū)概況圖。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 建模數(shù)據(jù)

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 本文所用數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)基礎(chǔ)水文、地形、管網(wǎng)、河道數(shù)據(jù)，并采用聯(lián)合調(diào)度方式調(diào)節(jié)內(nèi)河水位，涉及多個調(diào)度工程，包括位于研究區(qū)上游的八一水庫、井店湖，作為水系樞紐的琴亭湖，以及沿江的多個閘門和泵站。這些水工建筑及調(diào)度工況數(shù)據(jù)主要來自于福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心，以及前期的實(shí)地調(diào)研工作。圖2為前期工作中收集的研究區(qū)基礎(chǔ)建模所需要的管網(wǎng)、DEM(2 m分辨率)、建筑物分布。在具體建模過程中，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的簡化。

圖2 基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)

2.2.2 水工程數(shù)據(jù) 晉安河片區(qū)上游有八一水庫、井店湖兩個主要水庫，八一水庫下泄流量沿新店溪而下匯入琴亭湖，新店溪河長約2.5 km，河寬約10～25 m。井店湖順解放溪而下匯入琴亭湖，解放溪河長約3.4 km，河寬約9～16 m。琴亭湖上承上游入流、下接中心城區(qū)排水主渠道，起到重要的樞紐作用。

八一水庫是福州市重要的小(一)型水庫，位于新店鎮(zhèn)赤橋村，是一座以防洪為主，結(jié)合城市旅游、景觀、供水的綜合利用水庫。八一水庫按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，防洪庫容為111萬m3，正常水位為48.2 m，汛限水位為46.0 m。在防洪排澇調(diào)度中，水庫蓄滯洪水的作用明顯，可以緩解下游城區(qū)發(fā)生內(nèi)澇的壓力。1996年改造后的溢洪道采用開敞式的寬頂堰式，堰頂高程43.90 m，最大過水深5.60 m，最大泄流能力549.14 m3/s。堰上設(shè)閘門，閘門孔數(shù)為4孔，每孔凈寬6.5 m，閘門平面尺寸6.5 m×4.8 m(寬×高)，為平面定輪鋼閘門。

井店湖位于福州晉安區(qū)新店鎮(zhèn)井店村，北起山北路，南臨解放溪。井店湖位于東北側(cè)山區(qū)和城區(qū)的連接地帶，井店湖可有效起到分洪排澇的作用。湖體面積約5.89 hm2，總庫容29.1萬m3，最大可調(diào)節(jié)庫容為18.4萬m3。常水位為12.5 m。暴雨時河道水位迅速上漲時，井店湖通過分流解放溪洪水，減小匯入琴亭湖水量，緩解區(qū)域排澇壓力。

琴亭湖位于江北城區(qū)北部，匯水面積達(dá)43.0 km2，擴(kuò)湖后湖底高程為-0.5～-0.75 m，水位7.80 m時庫容達(dá)到111萬m3。琴亭湖最大可調(diào)節(jié)庫容105萬m3，常水位5.0 m。琴亭湖以上集水面積大，承接上游五四片區(qū)山地洪水，下連江北城區(qū)主要排澇通道晉安河，琴亭湖在整個江北城區(qū)排澇體系中作用至關(guān)重要。

2.2.3 設(shè)計(jì)暴雨 為減緩城市受洪澇的影響，采用河湖庫聯(lián)合調(diào)度模式，分別控制對應(yīng)上游流域產(chǎn)匯流以及不同河段洪水的傳播。降雨是導(dǎo)致城市洪澇問題的關(guān)鍵，且城市小氣候更易促發(fā)短歷時強(qiáng)降水事件給城市防洪排澇帶來極大壓力[16]。降雨系列的選樣是設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的基礎(chǔ)和前提，樣本情況決定了設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算的代表性及可靠性[17]。本研究采用芝加哥雨型，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式來自福建省《城市及部分縣城暴雨強(qiáng)度公式》(DB J13-52—2003)[18]，見下式：

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，mm/min；T為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

2.3 研究方法城市平原河網(wǎng)水系、地下管網(wǎng)系統(tǒng)、街道與人工湖等共同組成了城市排水體系。以福州市主城區(qū)晉安河片區(qū)為例，基于Info Works ICM(下文簡稱ICM)平臺，構(gòu)建水文水動力耦合模型，實(shí)現(xiàn)對山區(qū)匯流-平原河網(wǎng)-城市內(nèi)澇-低影響開發(fā)-水工程聯(lián)合調(diào)度的一體化模擬。根據(jù)水工建筑布局現(xiàn)狀以及研究區(qū)的地形特征，充分考慮上游水庫與人工湖調(diào)度工況，設(shè)置實(shí)時控制規(guī)則。在實(shí)際防汛排澇中，城市內(nèi)澇淹水、管網(wǎng)排水能力、河道水位等均是需要關(guān)注的要素。由于調(diào)度更直接地影響河道水位的調(diào)控，同時本文在全域上構(gòu)建的模型并未考慮河道漫溢過程中的一二維耦合，因此在全域尺度模型中重點(diǎn)對河道水位進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建典型社區(qū)尺度模型，考慮河道漫溢過程，進(jìn)一步分析海綿改造及其與水工程聯(lián)合調(diào)度措施下的洪澇響應(yīng)過程。本文主要技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線圖

2.3.1 水文水動力模型 本文借助ICM平臺完成城市暴雨內(nèi)澇水文水動力全過程模擬。采用ICM內(nèi)嵌的PDM(Probability Distributed Model)水文模型計(jì)算山區(qū)產(chǎn)匯流。PDM模型是英國CEH Wallingford水利研究所在1990年代研發(fā)的集總式水文模型，模型輸入數(shù)據(jù)為地形、降雨、蒸發(fā)等，模擬得到集水區(qū)出口斷面流量過程[19-20]。通過蓄滿產(chǎn)流計(jì)算地表徑流與地下水，進(jìn)而得到流域出口流量過程，地表徑流通過線性水庫串聯(lián)求解[21]。其中，PDM模型利用概率密度函數(shù)描述流域各點(diǎn)土壤蓄水能力。流域各點(diǎn)蓄水能力分布函數(shù)F(c)與概率密度函數(shù)f(c)如下所示：

(2)

(3)

式中：c為流域任意點(diǎn)蓄水能力，mm；cmax為流域任意點(diǎn)土壤最大蓄水量，mm；b為能夠反映流域土壤蓄水量在空間上差異的參數(shù)。

山區(qū)產(chǎn)匯流模型為平原城區(qū)模型提供了入流邊界。ICM提供了一系列方法模擬城市產(chǎn)匯流。基于泰森多邊形劃分子匯水單元，并依據(jù)研究區(qū)遙感影像，按照河道、街道、建筑等空間分布對子匯水單元進(jìn)行修正，并將其作為城市產(chǎn)匯流計(jì)算基本單元。產(chǎn)流過程采用固定徑流系數(shù)法及霍頓下滲公式計(jì)算，匯流過程采用基于非線性水庫的SWMM(Storm Water Management Model)匯流模型。ICM采用一、二維水動力模型模擬平原復(fù)雜河網(wǎng)以及地表內(nèi)澇過程，具體原理的介紹已在相關(guān)文獻(xiàn)中闡述[22-24]。

2.3.2 實(shí)時調(diào)度控制 模型中的水工程調(diào)度通過可控的工程調(diào)度規(guī)則來實(shí)現(xiàn)，本文采用ICM模型的實(shí)時控制功能(Real Time Control，RTC)，通過感應(yīng)具有水力聯(lián)系的參考節(jié)點(diǎn)水位或入流信息，來動態(tài)調(diào)節(jié)調(diào)度點(diǎn)位的控制規(guī)則。本文采用的調(diào)度規(guī)則參考福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心提供的現(xiàn)行調(diào)度方案。調(diào)度過程需要計(jì)算堰和閘門的過流量，ICM模型中的堰用于溢流建筑物和貯水池的出口，堰對兩個流動方向具有相同性質(zhì)。對于閘門，模型基于上游水深與開口高度的大小確定了兩種不同的狀態(tài)，當(dāng)上游水深低于開口高度時，采用薄板矩形堰模型計(jì)算過流量；當(dāng)上游水深高于開口高度時，取堰流公式和孔流公式計(jì)算的較小值。在對堰的調(diào)控中，通過對堰頂高程的改變實(shí)現(xiàn)對堰的實(shí)時控制。當(dāng)上游水深小于開口高度時，堰流自由出流采用式(4)計(jì)算，淹沒出流采用式(5)計(jì)算，具體表達(dá)式分別為：

(4)

(5)

式中：Q為出流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；B為堰寬，m；Du為上游水面相對堰頂?shù)母叨?，m；Dd為下游水面相對堰頂?shù)母叨?，m。

2.3.3 低影響開發(fā)設(shè)施 傳統(tǒng)城市開發(fā)模式往往伴隨著城市內(nèi)澇、黑臭水體、城市熱島等問題，影響城市可持續(xù)發(fā)展和功能提升[25]。而“海綿城市”建設(shè)理念以低影響開發(fā)為核心建設(shè)理念，以“滲、滯、蓄、凈、用、排”為主要方針，采用透水性能更好的材料代替原硬化路面，從源頭減少污染雨水排放至河湖水系，統(tǒng)籌考慮城市內(nèi)澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態(tài)修復(fù)等多個目標(biāo)，同時對水從“量”和“質(zhì)”上進(jìn)行管理[26]。通過合理的海綿設(shè)施方案組合，在一定程度上有效緩解馬路行洪風(fēng)險與內(nèi)澇風(fēng)險[27]。本文在對全域調(diào)度研究的基礎(chǔ)上，在社區(qū)尺度上進(jìn)行低影響開發(fā)布設(shè)，與SWMM的低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)模塊類似，本文使用的ICM平臺提供的SUDS(Sustainable Urban Drainage System)模塊用于模擬低影響開發(fā)設(shè)施功能，通過對下墊面特征的合理改造，增加下墊面的下滲量，從而減小管網(wǎng)系統(tǒng)的徑流量，限制新開發(fā)設(shè)施對下游現(xiàn)狀管網(wǎng)輸水的影響。ICM提供的SUDS元素包括側(cè)向流管道、可滲透連接、池塘節(jié)點(diǎn)以及子集水區(qū)SUDS控制，匯水區(qū)SUDS措施包括生物滯留池、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、植草溝等設(shè)施。本文在社區(qū)尺度上，根據(jù)社區(qū)的影像圖顯示的景觀布局，并參考相關(guān)文獻(xiàn)中的海綿改造方案[27]，分別設(shè)置綠色屋頂、透水鋪裝及生物滯留池等SUDS措施。

3 結(jié)果分析

3.1 模型參數(shù)及合理性分析依據(jù)福州現(xiàn)有資料對模型參數(shù)進(jìn)行率定和調(diào)整，表1是山丘區(qū)PDM模型參數(shù)取值，表2是平原城區(qū)產(chǎn)匯流參數(shù)取值。在研究城市洪澇問題時，缺乏充分的觀測數(shù)據(jù)是模擬中一個廣泛存在的問題[28]，該問題在本研究中也同樣存在。在前期研究中已對參數(shù)進(jìn)行了率定[22-24]，這里通過采集更多場次的實(shí)測數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵參數(shù)作進(jìn)一步微調(diào)，結(jié)果見表1，并對不同水位站6個場次的實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以及對實(shí)測內(nèi)澇點(diǎn)的空間位置與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，來驗(yàn)證本文所構(gòu)建模型的合理性。

表1 ICM模型主要參數(shù)

6個場次的實(shí)測數(shù)據(jù)分別為：(1)鳳坂-晉安水位站20210629場次；(2)五四-晉安水位站20210805場次；(3)琴亭-晉安水位站20210629場次；(4)東郊-晉安水位站20210801場次；(5)晉安-光明水位站20210801場次；(6)琴亭-晉安水位站20210805場次。各站點(diǎn)的位置分布已在圖1作標(biāo)注。由圖4可以看到，盡管傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)有一定的波動，但模擬得到的水位與監(jiān)測水位仍較為接近，表明模型具有較好的模擬效果。根據(jù)福州市聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心提供的歷史臺風(fēng)暴雨監(jiān)測的福州城區(qū)重點(diǎn)易澇位置，利用ArcGIS進(jìn)行提取，得到研究區(qū)歷史內(nèi)澇事件記錄的典型易澇點(diǎn)分布。這些易澇點(diǎn)是在“鲇魚”“蘇迪羅”等臺風(fēng)暴雨時記錄，這里采用重現(xiàn)期為50 a的設(shè)計(jì)暴雨驅(qū)動ICM模型，得到模擬的淹沒范圍，并與實(shí)測易澇點(diǎn)位置進(jìn)行對比，如圖5所示?？梢钥吹剑谘芯繀^(qū)內(nèi)的積水位置與易澇點(diǎn)吻合度較高。同時，模擬得到的淹沒區(qū)比實(shí)測積水點(diǎn)范圍更大，考慮到模型計(jì)算以及山前區(qū)域未被監(jiān)測等原因，可以認(rèn)為模型的模擬效果比較好。

圖4 水位模擬值與實(shí)測值對比

圖5 模擬得到淹沒分布與歷史記錄易澇點(diǎn)位置對比

3.2 實(shí)時調(diào)度分析采用ICM模型提供的RTC實(shí)時控制模塊，對閘、泵站、堰、孔口等水工程進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合對研究區(qū)水工程調(diào)研情況，考慮上游來水、下游排放和相應(yīng)湖庫水位，擬定湖庫聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，見表2。八一水庫上游山區(qū)的來水通過八一水庫4個閘門進(jìn)行控制，在遭遇突降暴雨前，開啟兩中孔閘門各0.3 m進(jìn)行預(yù)泄，提前將閘門水位降低，設(shè)置模型從44.0 m開始計(jì)算。對于井店湖，首先將湖水位降至10.6 m，當(dāng)琴亭湖水位超過7.8 m時，開啟閘#1與閘#2，引水進(jìn)入井店湖，直至井店湖達(dá)到最大調(diào)蓄庫容。當(dāng)晉安河得貴路及琴亭湖水位開始下降，解放溪水位回落時，適當(dāng)開啟井店湖泄水閘#3，控制最高下泄流量在20 m3/s，逐漸降低水位。琴亭湖連接上游水庫與晉安河干流，統(tǒng)一設(shè)置5個堰的過堰流量。

3.2.1 河段水位響應(yīng)分析 研究區(qū)在“蘇迪羅”臺風(fēng)期間內(nèi)澇極為嚴(yán)重，這里采用“蘇迪羅”臺風(fēng)實(shí)測降雨數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。2015年8月8日0∶00到8月9日0∶00期間“蘇迪羅”臺風(fēng)降雨數(shù)據(jù)，總降雨量357.8 mm，峰值雨強(qiáng)70.8 mm/h，最大時段降雨量集中在14∶00至20∶00，降雨過程如圖6所示。分別計(jì)算河道水位與過流量對不同調(diào)度工況的響應(yīng)。三種工況分別設(shè)置為：兩湖一庫(琴亭湖、井店湖、八一水庫)聯(lián)合調(diào)度方案、八一水庫單點(diǎn)調(diào)度方案以及無調(diào)度方案。

表2 水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)則

圖6 蘇迪羅臺風(fēng)降雨過程

圖7為3種調(diào)度方式下河段水位的模擬結(jié)果，在晉安河上游和中游兩處選取橫斷面。在兩湖一庫聯(lián)合調(diào)度、八一水庫單點(diǎn)調(diào)度以及無調(diào)度3種情況下，上游斷面水位分別達(dá)到7.760、8.018、8.393 m，聯(lián)合調(diào)度與無調(diào)度時的水位峰值相差0.633 m。中游斷面水位在3種調(diào)度情景下分別達(dá)到5.993、6.007、6.223 m，聯(lián)合調(diào)度與無調(diào)度時的水位峰值相差0.23 m。圖8分別為3種調(diào)度方式下的河段流量的模擬結(jié)果，在晉安河上游和中游兩處選取橫斷面。在兩湖一庫聯(lián)合調(diào)度、八一水庫單點(diǎn)調(diào)度以及無調(diào)度3種情況下，上游斷面流量分別達(dá)到210.339、239.551、274.014 m3/s。中游斷面流量在3種調(diào)度情景下分別為291.836、303.661、353.861 m3/s。比較不同情景的模擬結(jié)果，上游河道對聯(lián)合調(diào)度的響應(yīng)更為明顯，由于上游山區(qū)匯水面積較大，不同位置水庫或人工湖通過其調(diào)蓄作用，充分發(fā)揮在雨前騰空庫容，在雨中分流上游來水，減輕排水中樞琴亭湖的排澇壓力，在雨后逐步泄水，達(dá)到錯峰調(diào)度的效果。

3.2.2 內(nèi)澇淹沒響應(yīng)分析 本節(jié)采用模型在處理洪澇多過程耦合方式時，僅考慮管網(wǎng)與二維地表，以及管網(wǎng)與一維河道的耦合，而未考慮二維地表與一維河道的耦合。這主要是考慮到以下原因：(1)研究區(qū)內(nèi)有多個調(diào)度工程，根據(jù)預(yù)警信息調(diào)節(jié)閘泵運(yùn)行方案，可有效控制內(nèi)河水位，一般情形下直接溢流較少；(2)全域二維地表與一維河道耦合的計(jì)算量較大，后續(xù)分析中在街區(qū)尺度上對河道漫溢進(jìn)行模擬。這里為進(jìn)一步量化實(shí)時調(diào)度下內(nèi)澇淹沒的響應(yīng)，采用10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇4種降雨情景驅(qū)動模型，設(shè)置模擬時長為3 h，步長為10 s，對溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)與淹沒面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。可以看到，加入調(diào)度方案前后，無論是溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)還是淹沒面積均變化不明顯。這主要是由于全域模型中未考慮河道漫溢過程，使內(nèi)澇淹沒面積僅來自于溢流節(jié)點(diǎn)。這也反映出在實(shí)際中通過合理的調(diào)度方案調(diào)節(jié)河道水位，對于控制淹沒面積具有重要作用。

圖7 3種調(diào)度方式下河道水位過程線

圖8 3種調(diào)度方式下河道流量過程線

表3 設(shè)計(jì)暴雨下內(nèi)澇淹沒特征統(tǒng)計(jì)

3.3 典型社區(qū)協(xié)同治理分析在研究區(qū)內(nèi)選擇琴亭湖下游附近某典型排水片區(qū)為例，在社區(qū)尺度上進(jìn)行SUDS措施對內(nèi)澇的影響分析。該社區(qū)位于研究區(qū)的西北部，距離琴亭湖出口較近，總面積約117.52 hm2。社區(qū)主要由居民區(qū)、街道、草地、廣場等組成。社區(qū)占地面積較小，相應(yīng)地，原模型中的下墊面被概化為透水面積和不透水面積兩類，而在設(shè)置SUDS措施時，結(jié)合遙感影像顯示的街景情況，在街道覆蓋的子匯水區(qū)添加透水鋪裝設(shè)施，在屋頂圖層對應(yīng)的子匯水區(qū)添加綠色屋頂設(shè)施，在廣場等不透水面增加生物滯留池。而在原本為綠地鋪裝的區(qū)域，由于其本身已具有較強(qiáng)的海綿功能，因此不再添加另外的SUDS措施。SUDS在模型中的空間布設(shè)情況見圖9，SUDS各垂向?qū)拥膮?shù)設(shè)置參考ICM手冊以及文獻(xiàn)[20]，如表4所示。

表4 社區(qū)SUDS措施主要參數(shù)

圖9 社區(qū)影像及模型SUDS設(shè)施概化圖

該排水片區(qū)接收的雨水經(jīng)管道系統(tǒng)排至?xí)x安河，與其它片區(qū)無明顯的水量交換。在模型中對一維河道與二維地表進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)對河道漫溢過程的模擬。特別是河段水位超過河岸線時，通過河岸漫溢的水量甚至是內(nèi)澇積水的主要來源。采用重現(xiàn)期為100 a，降雨歷時為2 h的降雨驅(qū)動模型，在各減災(zāi)措施作用下統(tǒng)計(jì)其內(nèi)澇特征，見表5。結(jié)果顯示，協(xié)同治理模式的效果最好，除了超載管網(wǎng)變化不明顯外，溢流節(jié)點(diǎn)個數(shù)和淹沒面積都有明顯減小。相比于原始模式，低影響開發(fā)模式下受淹面積減小29.06%，而聯(lián)合調(diào)度模式僅使受淹面積減小0.79%。通過兩者結(jié)合的協(xié)同治理模式，受淹面積減小35.93%。可以看到，在社區(qū)尺度上，在設(shè)置較精細(xì)的低影響開發(fā)措施后，通過改善硬化路面的產(chǎn)匯流性能，能夠有效地緩解預(yù)設(shè)降雨情景下的內(nèi)澇狀態(tài)。

聯(lián)合調(diào)度可充分利用降雨及潮位等關(guān)鍵致澇因子的預(yù)報預(yù)警信息，做好預(yù)案模擬，通過雨前泄水、雨中錯峰、雨后逐步排水等方式，降低關(guān)鍵河段洪峰水位，避免洪澇事件進(jìn)一步升級。為充分說明聯(lián)合調(diào)度的作用，采用2015年8月8日“蘇迪羅”臺風(fēng)福州站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，模擬時長設(shè)置為24 h，模擬結(jié)果顯示(表6)，在蘇迪羅臺風(fēng)降雨驅(qū)動下，協(xié)同治理模式效果與表5的模擬結(jié)果不同，此時聯(lián)合調(diào)度的作用比低影響開發(fā)模式要更為顯著。通過低影響開發(fā)模式，受淹面積僅減小1.71%，而通過聯(lián)合調(diào)度模式，受淹面積減小37.78%。通過兩者結(jié)合的協(xié)同治理模式，受淹面積減小57.02%，減災(zāi)效果明顯。

表5 洪澇特征統(tǒng)計(jì)

表6 蘇迪羅臺風(fēng)洪澇特征統(tǒng)計(jì)

水深和流速是常用的表征洪澇致災(zāi)特征的物理量。不僅較大水深會造成嚴(yán)重?fù)p失，較高流速時的街道洪水?dāng)y帶著動量和動能，對街道上的行人和車輛造成極大威脅。為分析表7中聯(lián)合調(diào)度作用更大工況時的淹沒空間分布特征，提取蘇迪羅臺風(fēng)降雨驅(qū)動下的模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在協(xié)同治理前后該社區(qū)淹沒特征，見表7。圖10給出了原始模式與協(xié)同治理模式的淹沒空間分布。

表7 協(xié)同治理前后排水片區(qū)淹沒特征 (單位：hm2)

圖10 社區(qū)尺度淹沒圖

圖10表明，該社區(qū)大水深與高流速區(qū)域在空間上具有較高的重合度。在原始模式轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同治理模式后，總淹沒面積由22.87 hm2減少至9.83 hm2，不同取值區(qū)間的水深與流速均有較大程度減小。對于最大淹沒水深，在協(xié)同治理前后，(0，0.2)、[0.2，0.6)、[0.6，∞)三個水深區(qū)間對應(yīng)面積分別減少45.44%、67.56%、66.03%。五四路西側(cè)、思兒亭路中段、五四路、魁爐頭巷等水深較大處治理后淹沒狀態(tài)明顯改善。對于最大流速，在協(xié)同治理前后，(0，0.5)、[0.5，1)、[1，∞)三個流速區(qū)間對應(yīng)面積分別減少52.21%、89.25%、70.27%。流速大于1 m/s的高流速區(qū)面積在治理后僅剩0.11 hm2。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)針對水工程聯(lián)合調(diào)度以及低影響開發(fā)作用下的洪澇過程響應(yīng)進(jìn)行了量化分析，以福州晉安河片區(qū)為研究區(qū)，分別在全域尺度和社區(qū)尺度上進(jìn)行模擬，主要結(jié)論如下：(1)全域尺度下的模擬結(jié)果顯示，在實(shí)時調(diào)度方案下，通過上游水工程聯(lián)合調(diào)度可以有效控制下游內(nèi)河水位，更靠近琴亭湖的晉安河主河道上游斷面相比于下游斷面，其對調(diào)度方案的響應(yīng)更為明顯。上游斷面流量在聯(lián)合調(diào)度前后，斷面流量由274.014 m3/s下降為210.339 m3/s，斷面水位由8.393 m下降為7.760 m。(2)社區(qū)尺度下的模擬結(jié)果顯示，在考慮河道漫溢的條件下，低影響開發(fā)措施與水工程調(diào)度對于內(nèi)澇淹沒的影響效果明顯。重現(xiàn)期為100 a，歷時2 h降雨驅(qū)動下，協(xié)同治理前后，典型社區(qū)總淹沒面積由7.57 hm2減少至4.85 hm2。而采用歷時24 h的蘇迪羅臺風(fēng)降雨數(shù)據(jù)驅(qū)動下，總淹沒面積由22.87 hm2減少至9.83 hm2。

低影響開發(fā)措施與水工程調(diào)度對改善城市洪澇情勢具有積極作用，隨著城市防洪工程調(diào)度能力的逐步提高，應(yīng)對暴雨洪澇災(zāi)害的能力進(jìn)一步提升，城市抗災(zāi)韌性逐步增強(qiáng)。通過水工程聯(lián)合調(diào)度打通城市水系間的連接，改善城市水動力條件，這也屬于城市大海綿系統(tǒng)的一部分。本文案例中，通過聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)對河道水位的調(diào)節(jié)，可以避免發(fā)生河道的漫溢。相關(guān)研究表明，低影響開發(fā)措施難以應(yīng)對極端強(qiáng)降雨事件[27，29]，而本文社區(qū)尺度下的模擬結(jié)果與其相符。后續(xù)工作中，可以結(jié)合聯(lián)合調(diào)度工況與具體的海綿布局，動態(tài)評估調(diào)度與海綿措施的影響，深入研究兩者協(xié)同治理下的洪澇響應(yīng)機(jī)制。