基于SWMM耦合HEC-RAS 的人工建設(shè)水網(wǎng)防洪排澇模擬研究

摘要：對(duì)新建城區(qū)的水文、水動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬分析是人工水網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)及新建城區(qū)內(nèi)澇防治的關(guān)鍵。應(yīng)用 SWMM 分布式水文模型耦合 HEC-RAS 二維水動(dòng)力 SWE-ELW模型，對(duì)安徽省阜陽(yáng)市城南水網(wǎng)進(jìn)行模型模擬及防洪排澇分析。結(jié)果表明，SWMM模型中計(jì)算參數(shù)更多，排澇模數(shù)隨匯水分區(qū)面積增大而減小，且與規(guī)劃泵站排澇模數(shù)接近，計(jì)算結(jié)果更為合理。城南水網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)30年一遇工況下，城南水網(wǎng)水系汛期最高水位為27.89 m，滿足排澇方案要求；各閘門(mén)過(guò)流流量與其河道底寬成正比，各閘門(mén)各過(guò)程線波動(dòng)程度與其河道底寬成反比；水網(wǎng)先蓄后排削峰57.21 m3/s，錯(cuò)峰2.83 h，調(diào)蓄洪量169萬(wàn) m3，削峰率42.45%，防洪排澇效益顯著。該方法具備一定的模擬效果及精度，可為相關(guān)人工建設(shè)水網(wǎng)的防洪排澇研究提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水網(wǎng)；防洪排澇；閘門(mén)；SWMM；HEC-RAS；二維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.9；TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）06-0030-09

Research on Flood Control and Drainage Simulation of Artificial Water Networks Based on SWMM Coupled with HEC-RAS

XIA Minghui1， YIN Shiyang2

（1. Beijing Youxinhui Engineering Consulting Corporation， Beijing 100026， China;2. College of Water Resources and HydropowerEngineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： Accurate simulation and analysis of hydrology and hydraulic processes in newly constructed urban areas are crucial for the planning and construction of artificial water networks and the prevention of flooding in newly constructed urban areas. A distributed hydrological model of SWMM was coupled with a two-dimensional hydrodynamic model （SWE-ELW） of HEC-RAS to simulate and analyze flood control and drainage in the southern water network of Fuyang City in Anhui Province. The results show that the number of calculation parameters in the SWMM model is more， and the drainage modulus decreases with increasing catchment area， which is close to the drainage modulus in planned pump stations， making the calculation results more reasonable. Under the condition of a 30- year return period of the southern water network drainage standard， the highest water level in the southern water network reaches 27.89 m during flood season， meeting the requirements of the drainage scheme. The flow through each gate is proportional to the river channel′s bottom width， and the fluctuation degree of each process line of each gate is inversely proportional to the river channel′s bottom width. The network first stores water before discharging it， reducing peak flow by 57.21 m3/s， delaying peak flow by 2.83 hours， storing flood by 1.69 million m3， and reaching a peak flow reduction rate of 42.45%， resulting in significant flood control and drainage benefits. This method has certain simulation effects and accuracy， which can provide reference and guidance for relatedstudies on flood control and drainage in artificial water network construction.

Keywords： water network; flood control and drainage; gate; SWMM; HEC-RAS; two-dimensional model

近期，中共中央、國(guó)務(wù)院提出加快構(gòu)建國(guó)家水網(wǎng)、建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，印發(fā)《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》，對(duì)水系連通、綜合治理及引調(diào)排水等工程建設(shè)提出了新的戰(zhàn)略部署和要求。防洪排澇是水網(wǎng)承擔(dān)的重要功能，如何量化評(píng)估水網(wǎng)防洪排澇效益，對(duì)水網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)至關(guān)重要。數(shù)值模型能模擬反映水網(wǎng)水系復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及水力特性，為研究防洪排澇問(wèn)題的主要技術(shù)方法。

部分學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模型于天然水網(wǎng)的防洪排澇研究，取得了較好的研究成果。徐馳等［1-2］應(yīng)用MIKE FLOOD模型分析南京市高淳區(qū)河湖水網(wǎng)，利用 ArcGIS、MIKE、MATLAB 等工具建立一維二維耦合水網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)防洪、供水、水環(huán)境治理的統(tǒng)一模擬，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)南京市高淳區(qū)生態(tài)水網(wǎng)進(jìn)行定量與定性分析。范立柱等［3］應(yīng)用MIKE11一維模型對(duì)九江鎮(zhèn)水系優(yōu)化排澇方案進(jìn)行可行性驗(yàn)算。閆偉偉等［4］構(gòu)建河網(wǎng)規(guī)劃概化圖，建立湖泊調(diào)蓄演算模型來(lái)擬定武漢市新洲區(qū)漲渡湖流域防洪排澇規(guī)劃方案。袁玉等［5］應(yīng)用 HEC-HMS 水文模型對(duì)秦淮河流域降雨徑流模擬，定量計(jì)算圩垸式防洪削減單次洪水洪峰值及洪量。蔣建靈［6］建立杭州市運(yùn)西片河網(wǎng)一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型，選用2013年10月的“菲特”臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)深隧排洪方案及排澇效果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

一些城市在城市建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)水系連通及綜合治理將原本獨(dú)立的河流連通形成水網(wǎng)，同時(shí)以水定城，依水建城。新建城區(qū)的防洪排澇不僅需要考慮開(kāi)發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的下墊面變化，而且也要兼顧人工河網(wǎng)、用地變化及市政雨水管網(wǎng)的復(fù)雜水力關(guān)系。

對(duì)新建城區(qū)的水文、水動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬分析是人工水網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)及新建城區(qū)內(nèi)澇防治的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中于 SWMM［7-8］、MIKE 和 Info Works ICM 等模型。符銳［9］通過(guò) SWMM 模型研究石南省昭通市現(xiàn)狀水系及規(guī)劃河道排水防澇規(guī)劃方案。吳沛霖等［10］構(gòu)建張家港城市排水防澇 SWMM模型，運(yùn)用指標(biāo)體系法定義排水防澇風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，繪制不同重現(xiàn)期內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖。劉瑤［11］應(yīng)用 MIKE FLOOD 模型評(píng)估深圳市福田河流域排水管網(wǎng)系排水能力及城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。李尤等［12］利用 Info Works ICM 構(gòu)建北京市清河內(nèi)典型流域老龍口溝精細(xì)化綜合洪澇耦合模型，分析顯示該流域內(nèi)澇積水問(wèn)題由不透水下墊面比例高、管網(wǎng)排水能力弱、局部地形低洼、局地強(qiáng)降雨易發(fā)等多因素綜合造成。許婷婷等［13］采用 Info Works ICM模型軟件構(gòu)建雄安新區(qū)起步區(qū)洪澇模型進(jìn)行分析，結(jié)果顯示對(duì)河道水位充分預(yù)降可最大化利用規(guī)劃泵站的排水能力。葉陳雷等［14］基于 Info Works ICM 構(gòu)建福州主城區(qū)晉安河片區(qū)水文水動(dòng)力耦合模型，對(duì)水工程聯(lián)合調(diào)度以及低影響開(kāi)發(fā)作用下的洪澇過(guò)程進(jìn)行了量化分析，結(jié)果顯示通過(guò)聯(lián)合調(diào)度對(duì)河道水位調(diào)節(jié)可以避免河道漫溢。

目前人工建設(shè)河網(wǎng)及新建城區(qū)內(nèi)澇防治研究主要集中于 SWMM、MIKE 和 Info Works ICM 等模型，HEC-RAS 模型相關(guān)應(yīng)用及研究甚少。 HEC- RAS模型為美國(guó)工程兵團(tuán)開(kāi)發(fā)的水動(dòng)力模型，廣泛應(yīng)用于洪水模擬相關(guān)研究［15-18］。該模型在一維二維水動(dòng)力計(jì)算及水工建筑物調(diào)度模擬上性能較為優(yōu)越。

本文應(yīng)用 SWMM 分布式水文模型耦合 HEC- RAS 二維水動(dòng)力 SWE-ELW 模型，對(duì)安徽省阜陽(yáng)市城南水網(wǎng)進(jìn)行模型模擬及防洪排澇分析，可為相關(guān)人工建設(shè)水網(wǎng)的防洪排澇研究提供借鑒和指導(dǎo)。

1方法原理

1.1排澇模數(shù)法

本文研究區(qū)域各河流無(wú)實(shí)測(cè)流量資料，采用《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計(jì)算辦法》排澇模數(shù)法［19］計(jì)算各區(qū)域流量。城南新區(qū)各流域分區(qū)面積都在50 km2以下，采用流域面積在50 km2以下的排澇模數(shù)公式，24 h凈雨24 h排出計(jì)算，見(jiàn)式（1）：

M =（1）

考慮周邊地區(qū)按規(guī)劃建設(shè)后，用地類(lèi)型改變對(duì)地表徑流的影響，結(jié)合城市防洪排澇特性，城南水網(wǎng)按24 h凈雨10 h排出計(jì)算，見(jiàn)式（2）：

M =（2）

式中：α為權(quán)重值，其值為0.84；R 為降雨量，mm；M為所求排澇模數(shù)，m3/（s·km2）。

排澇模數(shù)乘以區(qū)域面積，得到區(qū)域排澇流量：

Q = FM（3）

式中：F 為區(qū)域面積，km2；M 為排澇模數(shù)，m3/（s· km2）；Q 為所求排澇流量，m3/s。

1.2 SWMM

本文采用 SWMM模型［20］計(jì)算排澇流量，該模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)降水徑流模擬模型，選用 GREEN-AMPT入滲模型計(jì)算降雨入滲，見(jiàn)式（4）：

fp = Ks [ ]（4）

式中：Ks 為飽和導(dǎo)水率，mm/h；ψs 為潤(rùn)濕前沿處的毛細(xì)作用力，mm；d 為表面沉積水深，mm；Ls 為飽和層深度，mm。

其非線性水庫(kù)求解方程見(jiàn)式（5）、（6）：

dt = S dt = Si - Q（5）

Q = L （h - hp ）5/3S0（1）/2（6）

式中：V=Sh為地表集水量，m3；h 為水深，m；t 為時(shí)間，s；S 為地表面積，m2；i為凈雨強(qiáng)度，mm/s；Q 為出流量，m3/s；L 為子流域?qū)挾?，m；n 為曼寧糙率系數(shù)；hp 為地面蓄水深，mm；S0為子流域坡度。

1.3 HEC-RAS二維模型

采用 HEC-RAS 二維水動(dòng)力 SWE-ELW 模型［21］，其質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式（7）—（9）：

式中：x、y 分別為笛卡爾直角坐標(biāo)系距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；h 為水深，m；g 為重力加速度，9.8 m/ s2；zs 為水面高程，m；R 為水力半徑，m；fc 為科里奧利參數(shù)，1/s；pa 為大氣壓強(qiáng)，Pa；q 分別為源匯向量，m3/ s；u、v 分別為 x、y 方向的流速，m/s；vt，xx、vt，yy分別為 x、 y 方向的水平渦黏性系數(shù)，m2/s；τb，x、τb，y 分別為 x、y 方向的底部剪應(yīng)力，N/m2；τs，x、τs，y 分別為 x、y 方向的表面風(fēng)應(yīng)力，N/m2。

SWE-ELW 模型數(shù)值解算采用歐拉-拉格朗日法，見(jiàn)式（10）—（13）：

式中：Ak 為網(wǎng)格垂直面積，m2；AL 為左網(wǎng)格水平面積， m2；AR 為右網(wǎng)格水平面積；Vj為網(wǎng)格平均水流速度矢量，m/s；vt，k 為面渦黏性系數(shù)，m2/s；nk為面法向單位向量；nij為網(wǎng)格質(zhì)心i和j 與相鄰網(wǎng)格 k 方向的單元向量，m；?xi，j 為網(wǎng)格質(zhì)心i和j 與相鄰網(wǎng)格 k 方向的距離，m。

2城南水網(wǎng)

2.1水系分布

安徽省阜陽(yáng)市屬淮河流域，地處中國(guó)南方雨量豐沛和北方干旱少雨的過(guò)渡地帶，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。春末及夏季，西太平洋副熱帶高壓移近本流域，且比較穩(wěn)定，來(lái)自西南印度洋孟加拉灣和西太平洋的水汽，隨西南和東南季風(fēng)輸入本區(qū)域。阜陽(yáng)市河流均屬淮河水系，水系有外河和內(nèi)河之分，外河主要為潁河、泉河、茨河等6條大河，內(nèi)河為中清河、東清河、華橋溝等64條主干河道。

城南新區(qū)位于阜陽(yáng)市潁西區(qū)，為阜陽(yáng)的金融商務(wù)中心、行政辦公中心、旅游會(huì)展中心、文化體育中心、研發(fā)創(chuàng)意中心和商業(yè)居住中心。城南新區(qū)地面高程為28.5～31.5 m，地形高差較小，整體較平坦。區(qū)域總體地勢(shì)自西北向東南傾斜，北高南低、西高東低，地面平均坡降1/5000～1/10000，為典型平原地貌。根據(jù)《阜陽(yáng)市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃（2013—2030）》（阜陽(yáng)市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2014年4月），阜陽(yáng)市規(guī)劃區(qū)被劃分為19個(gè)雨水分區(qū)。

其中，城南新區(qū)大部分屬于華橋溝分區(qū)，極少部分屬于七漁河分區(qū)，區(qū)域流域面積18.53 km2。城南新區(qū)澇水經(jīng)城南水網(wǎng)調(diào)蓄后，通過(guò)中清河、東清河外排澇水至下游華僑溝，由華橋溝泵站抽排入潁河，見(jiàn)圖1。

城南水網(wǎng)為阜陽(yáng)市內(nèi)河水系，位于阜陽(yáng)市潁西區(qū)城南新區(qū)內(nèi)，水系面積2.32 km2，占區(qū)域流域面積的12.67%。城南水網(wǎng)是城南新區(qū)重要基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)保障區(qū)域排水、水生態(tài)和水環(huán)境。城南水網(wǎng)總布局為8河1灣，東西走向?yàn)榱锖?、五道河和保豐河3條河道，南北走向?yàn)槔衔髑搴?、南北河、西清河、中清河及東清河5條河道，水系中心為雙清灣湖。其中8條河道總長(zhǎng)度25.27 km，雙清灣面積26.10 hm2，見(jiàn)圖2。

城南水網(wǎng)主要承接城南新區(qū)市政雨水管網(wǎng)排水，周邊用地規(guī)劃見(jiàn)圖3，市政雨水管網(wǎng)分布見(jiàn)圖4。城南水網(wǎng)各河流端口處均設(shè)置有節(jié)制閘，發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，按照調(diào)度安排關(guān)閉水系端口處全部節(jié)制閘，水網(wǎng)形成獨(dú)立調(diào)蓄水庫(kù)，先蓄后排。水網(wǎng)排澇時(shí)，老西清河為南向北流；南北河、西清河及中清河為北向南流；五道河及保豐河為西向東流；六里河在中清河以西為西向東流，在涵洞前為東向西流，在涵洞后為西向東流；東清河在五道河以北為南向北流，在五道河以南為北向南流。城南水網(wǎng)河流流向整體趨勢(shì)為北向南流，西向東流。

2.2城南水網(wǎng)排澇方案

根據(jù)歷史洪水資料，城南新區(qū)區(qū)域澇水與大河洪水幾乎同頻發(fā)生，故當(dāng)發(fā)生排澇標(biāo)準(zhǔn)澇水時(shí)，外接大河水位均較高，無(wú)法自排入河，需要通過(guò)泵站進(jìn)行強(qiáng)排。

根據(jù)《阜陽(yáng)市城市水系規(guī)劃（2013—2030）》（阜陽(yáng)市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2013年10月），城南水網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，排澇方案采用先蓄后排；汛前水位為26.50 m，發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)關(guān)閉水系內(nèi)所有水工建筑物，充分發(fā)揮河道、湖泊調(diào)蓄功能，將前期澇水蓄存在水系內(nèi)；當(dāng)水位到達(dá)27.50 m（華橋溝泵站啟動(dòng)水位）時(shí)，打開(kāi)中清河南閘、東清河南閘及東清河北閘，外排澇水至下游華僑溝，由華橋溝泵站抽排入潁河；水系汛期最高水位不高于28.30 m。

3排澇流量

阜陽(yáng)市年最大24 h暴雨均值為101.4 mm，CV 為0.472，CS/CV 為2，計(jì)算得到阜陽(yáng)市30年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨雨量為205 mm，按“安徽省84洪水計(jì)算辦法”中24 h 降雨時(shí)程分配成果進(jìn)行分配得到設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線，見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖4排水分區(qū)與管網(wǎng)圖劃分 SWMM匯水分區(qū)并量取面積，匯水分區(qū)面積為0.07～0.75 km2，見(jiàn)圖6；通過(guò)圖3量算加權(quán)得到各匯水分區(qū)綜合不透水面積比；SWMM模型選用 GREEN-AMPT入滲模型，項(xiàng)目區(qū)土壤為黏質(zhì)壤土，模型設(shè)置吸入水頭為210 mm，飽和導(dǎo)水率為1.16 mm/h，初始虧損百分比為0.15；硬化地表糙率采用0.015；非硬化地表采用0.15。

SWMM 輸入暴雨過(guò)程與模型參數(shù)計(jì)算得到各匯入點(diǎn)排澇流量過(guò)程，見(jiàn)圖7。排澇模數(shù)法公式代入各匯水分區(qū)面積及30年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨雨量205 mm，計(jì)算得到各匯入點(diǎn)排澇流量。

圖8a所示，各匯入點(diǎn) SWMM模型計(jì)算結(jié)果大于排澇模數(shù)法結(jié)果，流量差值為0.15～1.15 m3/s。

根據(jù)《阜陽(yáng)市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃（2013—2030）》，與項(xiàng)目區(qū)匯水分區(qū)面積接近的排水泵站有儲(chǔ)臺(tái)泵站和河濱路泵站，儲(chǔ)臺(tái)泵站分區(qū)面積為0.43 km2，20年一遇規(guī)劃流量為2.00 m3/s，河濱路泵站分區(qū)面積為0.74 km2，20年一遇規(guī)劃流量為9.00 m3/s。將 SWMM模型計(jì)算結(jié)果、排澇模數(shù)法計(jì)算結(jié)果、儲(chǔ)臺(tái)泵站和河濱路泵站規(guī)劃成果換算為排澇模數(shù)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖8b。排澇模數(shù)法排澇模數(shù)均為5.30 m3/（s·km2），接近儲(chǔ)臺(tái)泵站排澇模數(shù)，與河濱路泵站排澇模數(shù)數(shù)值相差較大。SWMM 模型計(jì)算結(jié)果排澇模數(shù)介于儲(chǔ)臺(tái)泵站與河濱路泵站排澇模數(shù)之間，且排澇模數(shù)隨分區(qū)面積增大而減小。

排澇模數(shù)法一般用于農(nóng)田等排澇計(jì)算，公式僅涉及到面積與排水時(shí)間；SWMM模型通過(guò)暴雨過(guò)程線，不透水面積比、糙率等參數(shù)體現(xiàn)開(kāi)發(fā)建設(shè)程度、表面糙率、透水面積等條件的影響，排澇模數(shù)與規(guī)劃泵站排澇模數(shù)接近，計(jì)算結(jié)果更為合理。本次各匯入點(diǎn)30年一遇設(shè)計(jì)排澇流量采用 SWMM計(jì)算成果。

4二維模型

4.1二維模型設(shè)置

本文模型算例模擬范圍為城南水網(wǎng)內(nèi)六里河、五道河、保豐河、老西清河、南北河、西清河、中清河、東清河及雙清灣湖?？紤]到水網(wǎng)水系縱橫交錯(cuò)，采用 HEC-RAS SWE-ELW二維模型模擬。

采用2016年《阜陽(yáng)市城南新區(qū)水系綜合治理》設(shè)計(jì)方案用于模型建模，生成1 m×1 m 的模型 DEM， DEM 完全體現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)河流景觀斷面、河流交匯處平滑順接及雙清灣湖泊島嶼，實(shí)現(xiàn)全部地形細(xì)節(jié)保證 DEM 的高精度，見(jiàn)圖9。

城南水網(wǎng)內(nèi)計(jì)算河段長(zhǎng)25.27 km，計(jì)算面積為11.44 km2。河流間地塊區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置為200 m×200 m，河流及湖泊區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置為10 m×10 m，共計(jì)35504個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，見(jiàn)圖10a。

模型上邊界為各匯水分區(qū)匯入點(diǎn)，輸入圖7各匯入點(diǎn)排澇流量過(guò)程；根據(jù)排澇方案，排澇過(guò)程中，僅中清河南閘、東清河南閘及東清河北閘會(huì)開(kāi)啟排水，模型內(nèi)邊界只設(shè)置中清河南閘、東清河南閘及東清河北閘。其中，中清河南閘為2扇4 m×5 m 閘門(mén)，閘底高程22.85 m，東清河南閘為2扇4 m×4 m 閘門(mén)，閘底高程24.20 m，東清河北閘1扇4 m×4 m 閘門(mén)，閘底高程24.20 m；模型下邊界為中清河南邊界、東清河南邊界及東清河北邊界，考慮最不利工況，均設(shè)置水位高程27.50 m，見(jiàn)圖10b。

HEC-RAS 二維模型的糙率采用分區(qū)方式對(duì)不同區(qū)域賦值，河岸為0.08，河底為0.03，湖泊為0.04，綠島為0.10，綠地為0.04，建筑區(qū)為0.10，廣場(chǎng)1區(qū)為0.03，廣場(chǎng)2區(qū)為0.03，涵洞為0.015，河坡為0.05，景觀島嶼為0.10，見(jiàn)圖11。

模型內(nèi)初始水位為26.50 m；模型內(nèi)邊界各閘門(mén)調(diào)度方案為閘前水位高于27.52 m 開(kāi)啟閘門(mén)，閘前水位低于27.51 m關(guān)閉閘門(mén)，閘門(mén)初始開(kāi)度為0，閘門(mén)啟閉速度為0.5 m/min，；計(jì)算時(shí)間為48 h，計(jì)算步長(zhǎng)為5 s，存儲(chǔ)步長(zhǎng)為5 min。

4.2結(jié)果與分析

圖12所示，城南水系最高水位為27.50～27.89 m；東清河北閘上游水位最高，水位高程為27.89 m；中清河南閘下游、東清河南閘下游及東清河北閘下游水位最低，水位高程為27.50 m；城南水網(wǎng)最高水位分布整體趨勢(shì)為北高南低，西高東低；離閘門(mén)越近水位越低。

圖13所示，城南水系最大流速為0～1.96 m/s；東清河北閘流速最大，流速為1.96 m/s；老西清河南端、五道河西端、保豐河西端、南北河北端、南北河南端、西清河北端、西清河南端及中清河北端游流速最小，流速為0 m/s；城南水網(wǎng)最大流速分布整體趨勢(shì)為東大西小，；離閘門(mén)越近流速越大。

圖14所示，城南水網(wǎng)排澇時(shí)，老西清河為南向北流；南北河、西清河及中清河為北向南流；五道河及保豐河為西向東流；六里河在中清河以西為西向東流，在涵洞前為東向西流，在涵洞后為西向東流；東清河在五道河以北為南向北流，在五道河以南為北向南流。城南水網(wǎng)河流流向整體趨勢(shì)為北向南流，西向東流。

圖15所示，城南水網(wǎng)排澇時(shí)，各閘門(mén)閘前水位，閘后水位、啟動(dòng)時(shí)間及閘門(mén)開(kāi)度基本一致；中清河南閘最大過(guò)流流量最大，最大流量為35.82 m3/s，東清河北閘最大過(guò)流流量最下，最大流量為25.99 m3/ s；各閘門(mén)閘前水位、閘后水位、閘門(mén)開(kāi)度及閘門(mén)過(guò)流過(guò)程線存在一定的波動(dòng)，東清河南閘波動(dòng)最大，中清河南閘波動(dòng)最小。

對(duì)比圖12、13及圖15可知，各閘門(mén)過(guò)流流量與其河道底寬成正比，各閘門(mén)各過(guò)程線波動(dòng)程度與其河道底寬成反比。

圖7各匯入點(diǎn)流量過(guò)程線相加得到城南水網(wǎng)入流曲線，圖15d各閘門(mén)過(guò)流過(guò)程線相加得到出流曲線。圖16所示，對(duì)比入流曲線與出流曲線的洪峰、洪量及峰值時(shí)間，城南水網(wǎng)削峰57.21 m3/s，錯(cuò)峰2.83 h，調(diào)蓄洪量169萬(wàn) m3，削峰率42.45%。

5結(jié)論

a）城南新區(qū)為無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的新建城區(qū)，本文采用排澇模數(shù)法及 SWMM 模型計(jì)算排澇流量。結(jié)果顯示，SWMM 模型中計(jì)算參數(shù)更多，排澇模數(shù)隨匯水分區(qū)面積增大而減小，且與規(guī)劃泵站排澇模數(shù)接近，計(jì)算結(jié)果更為合理。

b）本文耦合 SWMM 分布式水文模型與 HEC- RAS 二維水動(dòng)力模型，同時(shí)發(fā)揮了水文、水動(dòng)力模型各自的優(yōu)勢(shì)，能有效模擬閘門(mén)控制下城南水網(wǎng)排澇情景，可為相關(guān)城區(qū)規(guī)劃建設(shè)及水系閘門(mén)調(diào)度提供借鑒和參考。

c）模擬結(jié)果顯示，城南水網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)30年一遇工況下，城南水網(wǎng)水系汛期最高水位為27.89 m，小于28.30 m，滿足排澇方案要求；各閘門(mén)過(guò)流流量與其河道底寬成正比，各閘門(mén)各過(guò)程線波動(dòng)程度與其河道底寬成反比；城南水網(wǎng)排澇方案下，水系先蓄后排削峰57.21 m3/s，錯(cuò)峰2.83 h，調(diào)蓄洪量169萬(wàn) m3，削峰率42.45%，防洪排澇效益顯著。

d）本文采用模擬方法具備一定的模擬效果及精度，可為相關(guān)人工建設(shè)水網(wǎng)的防洪排澇研究提供借鑒和指導(dǎo)。

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（責(zé)任編輯：程茜）