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城市水系规划设计的仿真模拟研究初探周杨军，赵祥摘要：采用MIKEFlood集成耦合数学模型[1]，以上饶市解放河为例，针对现状暗河工况情景，对20年一遇暴雨重现期下的淹没特性进行了河道、雨水管网和地面漫流的一、二维集成仿真模拟。在模拟结果的基础上，结合经济、社会等其他信息进行淹没危害损失评估。仿真模拟结果显示，解放河仅能维持正常排水2个小时，后续阶段造成城市内涝，积水深度最高可达0.9-1.1米，造成损失经济价值共约1.1亿元。在此基础上，提出了恢复明河、老城更新、截污纳管、生态蓄水等一系列工程策略，以提升解放河的排水能力与生态景观价值，为城市水系规划设计的定量化研究提供了技术依据。关键词：耦合数学模型仿真模拟定量化研究1引言过去的几十年，我国城市建设速度迅猛，盲目无序的城市扩张使得水系生态系统遭到了前所未有的破坏，对水系截弯取直、填埋或变明河为暗河，这些错误的建设性破坏行为使得城市水系面目全非，进而导致城市水环境恶化、洪涝灾害频发等一系列水安全问题层出不穷[2]，这些都已经严重影响城市居民的正常生活，甚至威胁着城市的安全，尤其是在很多城市的老城地区，这些问题与矛盾体现得尤为突出。而且经济社会发展到今日，城市发展已从量的扩张向内涵提高过渡，城市居民对更高生活质量的追求，使得城市水系的现状与需求之间的矛盾日益尖锐。对于上述问题，理论界已经有一定的认识和探讨，但多数情况下是注重于解决大江大河的滨水空间质量、景观质量、环境质量等方面问题，研究的图1解放河示意图侧重点多在于既有明河水系的生态景观体系的塑造与改善。但很多城市由于历史原因，还存有不少地下的中小河流，它们多数在人口密集的老城区，大量的民间建筑侵占在地下暗河的上方，大量的生活污水与生活垃圾直接倾入河流，给城市安全带来了诸多的隐患，如洪涝不畅、水质恶化、沼气爆炸等。现有的研究由于缺乏定量研究的支撑，对地下暗河排水能力不足而造成的危害性的认识缺少重视，这对于老城空间的优化十分不利，未来城市的空间会出现更为复杂的问题。本文以上饶市老城区解放河为例，通过运用丹麦DHIMike①系列模型[3-4]对解放河进行排水能力的定量仿真模拟，以判断地下暗河在极端工况下产生的洪涝灾害分布情况，为这类地区的城市水系修复策略提供数据支撑。解放河属于上饶市信江北岸的一条支流，全长4.1公里，起于黄沙塘水库，至信州区法院旁接入信江河截污管道。解放河大部分为暗河，裸露河床共有5段，长近1公里，其他地段均被建筑物覆盖，水系与城市空间矛盾十分突出。据介绍，由于历史原因，解放河上大部分居民楼没有排污管道和化粪池，生活污水和垃圾直接排入河中，暴露河段常年散发出恶臭，市民反应强烈；更令人忧心的是，暗河常年积攒沼气，一旦浓度过高，易燃易爆，且因暗河垃圾成堆，影响河道排水形成内涝，城市安全面临多重风险。2模型边界条件与数据整理本次根据实际规划工作的需要，为保证水系规划设计的安全可靠性，需要选取对研究区造成不利影响的工况条件，因此本研究选取1998年洪水期暴雨资料（达到20年一遇标准）作为模型边界条件的计算依据。2.1边界条件采用多点入流法计算得到解放河各段的流量过程．多点入流汇流法③是以等流时线法为基础的一种多维线性定常汇流系统，它考虑了净雨空间分布的不均匀性，运用河槽汇流曲线[6]进行以等流时块为单元区的流域汇流计算，也可进行区间支流的河道演算，能够相对准确地计算城市河道的洪水流量．经相关水文资料查询与计算，解放河上游20年一遇来水流量为36立方米/秒，解放河入信江河口处水位取69.21米。2.2地形数据整理城市地形数据根据上饶市规划局提供的1比500地形图，运用ARCGIS工具计算分析得到5X5米精度的高程分布图，同时将城市现状建筑与道路统一概化进入模型数据库。2.3净雨雨型设计雨型是降雨强度在时间尺度上的分配过程，是描述降雨过程的概念，对小流域的洪峰流量和流量过程有很大影响。为了能够更贴合实际情况，本文采用了上饶市1998年6月21日的典型洪水期雨量资料进行净雨量的设计②，典型过程为20年一遇标准。2.4水系与管网数据整理根据水利局提供的解放河资料，遵循河网的概化原则对解放河进行了概化[5]，概化内容包括：河道长度：总长度4.1公里，其中明渠1公里，暗渠3.1公里图3解放河地区20年一遇设计净雨过程图图2解放河地区地形高程、道路、建筑概化图断面面积：根据已有资料获得，一般概化为复合梯形断面。根据实际调研情况，在模型概化中考虑了现状河流中的生活垃圾淤积量。陆域宽度：根据相关资料，量算得单位长度的平均汇流面积作为陆域宽度。糙率：河道糙率一般取值为0.025～0.035之间。管网：管段、横截面形状，包括标准形状和非标准形状；检查井；水流调节构件；检查井以及集水区的各种水头损失。3水文数学模型构建与耦合3.11维河道与管道数学模型采用Mike11与mikeUrban水动力模块模拟渠系管网一维非恒定流，输入信息包括河道数据、河道断面数据、边界条件、水动力学参数、模拟时间以及输出数据类型。其中河道数据、河道断面数据均采用水利局提供资料；边界条件④采用水文局提供的20年一遇（1998年典型年）水位、流量数据；水动力参数设置根据实际情况将初始水深设为0.1ｍ、曼宁系数设置为0.035；模拟时间与典型年洪水期净雨设计过程一致，模拟时间步长2秒、时间步数43200。根据该区域的排水管网现状CAD图，提取研究区域的雨水管网数据信息，包括检查井和管道的空间位置，检查井的井底标高，管道的长度、形状、管径、糙率等。研究区域可概化为36段管道Conduit(C1~C18)，48个节点Junction(J1~J8)和1个出水口Outfall(Out1)下垫面提取：根据研究区域现状用地布局情景将下垫面划分为普通屋顶、广场、沥青道路和绿地，同时根据地形标高划分汇水面积，并提取汇水面积的大小、宽度、平均坡度、不透水面面积比例、不透水面中无洼蓄量面积的比例，再将每一块汇水面积产生的流量流入最近的检查井。可将研究区域概化为44块汇水面积Subcatchment(S1~S11)。3.22维城市地面漫流模型Mike21水动力模块所需输入数据包括地形数据的建立、模型参数设置、初始条件、源汇项设置、边界条件等等。其中最重要的步骤是地形数据的构建，本研究因为要解放河遭遇极端工况下河道溢流、管网溢流后的淹没情况，因此需要在一般地形的基础上体现房屋的结构，在数据处理时给房屋所在的区域指定一个较大的高程值，之后在GIS中进行地形差值时利用屏蔽区域的方法使这些区域差值为统一的数值。图4解放河河道概化（左）与管网概化（右）示意图表1解放河地区2维城市地面漫流模型参数一览表参数参数意义参数取值依据Module模块类型水动力模块——Bathymetry地形栅格数据5X5米栅格地形1比500地形图TimeStep模拟时间步长2s与mike11设定一致No.ofTimeStep模拟时间步数43200与mike11设定一致FloodandDry干湿水深干枯水深0.002米，淹没水深0.003米为避免浅水效应，对过浅水域进行忽略处理InitialSurfaceLevel初始水深设置0.1米根据解放河实际情况设定Boundary边界条件20年一遇来水流量与下游水位根据提供水文气象资料得到EddyViscosity涡粘系数1采用Smagorinsky公式得到Resistance糙率0.035根据《室外排水设计规范》取值3.31维与2维模型耦合采用MikeFlood将Mike11、MikeUrban和Mike21的模拟结果进行集成耦合，耦合方式采用侧向连接，将Mike11的各个河段两侧、MikeUrban的各个管段分别与Mike21的一系列网格单元相连。图5解放河地区Flood模块构建示意图4水系排水过程的仿真模拟模型结果显示，在遭遇20年一遇最大24小时强降雨的情况下，解放河周边地区出现了大片的内涝积水区，暗河的工况在暴雨期间由于垃圾淤积断面不足无法及时排除雨水，随着时间的推移，河道接近并达到蓄满状态，使得解放河暗河段变成了一个大型的满流有压管道，对周边地块的雨水管形成了强烈的顶托，导致解放河周边大部分地区内涝，且整体平均积水深度达0.9-1.1米。从研究区的水系排水过程来看，具体可分为4个阶段：4.1第一阶段：暴雨期的前1小时开始阶段，因降雨量与降雨强度在河道与管网设计重现期范围内，整体排水较为顺畅，极少部分地区有积水，积水深度较浅，基本不足0.05米。4.2第二阶段：暴雨期的第2到第6小时结束随后4小时的强降雨导致解放河河道内水深逐渐增加，并同时影响到周边雨水管网，河道逐渐抬升的高水位对周边的管网形成了强有力的顶托作用，导致河内、管内雨水漫溢至周边城市道路与场地内，产生内涝，内涝主要分布在解放路、宝泽楼北巷、人民公园，平均积水深度为0.15-0.3米4.3第三阶段：暴雨期的第7到第20小时结束由于暴雨的持续下降与暴雨量的增大，除因为上游来水流量加大导致河道水深增加之外，研究区坡面汇流汇入河道的雨水量也同时在加大，导致在解放河下游暗河河段排水能力饱和，致使水流向上游回流，河道内的最大水深进一步增加，整个河道均呈现明显的雍水现象，进一步加深了解放河沿线地区的内涝灾害程度，内涝积水区范围扩大，主要集中在人民公园、胜利路、解放路、带湖路以及解放河南段周边地区。内涝持续约13个小时，积水深度最高达0.9-1.1米。4.4第四阶段：暴雨期第21小时以后暴雨开始衰减，但暴雨仍在进行，内涝积水范围开始缩小，积水深度开始衰退，平均积水深度达0.6-0.8米，仍处于受涝灾害阶段。4.5洪涝风险经济损失估算基于解放河洪涝灾害分布模拟结果，评估淹没区经济损失，参考《沿海山地丘陵型城市洪灾风险评估与区划研究》中的部分指标，对淹没区内居民用地、商业用地、市政设施等主要淹没资产进行了估算。模拟结果显示，解放河地区在20年一遇暴雨工况下遭受洪涝灾害时间约为22小时，淹没深度平均值为0.8-1.0m，淹没道路面积约31.6公顷，淹没用地面积约43.5公顷，受淹资产主要为市政道路设施、家庭住宅与商业用地，损失经济价值总共约为10848.2万元。表2解放河地区洪涝灾害经济损失估算表用地面积（ha）单位成本价值（万元/ha）平均淹没深度（m）成本损失率（%）损失价值（万元）市政设施31.61501.00.452133家庭住宅26.33001.10.503945商业用地17.24001.00.553784其他————986.2小计75.1—1.010848.2注：其他资产损失按照前三者和值的10%计算图6解放河地区洪涝灾害模拟3维演示图第1阶段第2阶段第3阶段第4阶段5规划策略通过上述的水系仿真模拟可以看出，地下河的存在易导致城市洪涝灾害发生，需对解放河进行河道修复，强化排涝能力，提升滨水景观质量，改善城市品质。5.1策略1：恢复明河，老城更新洪涝灾害模拟结果显示，大部分淹没区位于解放河南段片区，且现状暗河河段也基本分布于解放河南部，且通过实地调研与踏勘，也发现南段的河上建筑基本为老旧建筑，质量较差，民意调查也显示该片区想搬迁的意愿较为强烈，且该地区靠近市中心，土地收益又较好，因此确定了暗河改造的区域主要在南部地区。图7解放河地区洪涝淹没范围示意图5.2策略2：截污纳管，清水入河结合南部地区老城更新，完成解放河沿线截污工程，收集老城区污水，送入下游城市污水处理厂，实现清水入河；结合老城更新，规划更新建设透水地面铺装，提升雨水的下渗率，降低城市雨水径流系数，削减雨涝洪峰，提升城市蓄水、滞水能力。5.3策略3：筑坝拦水，重塑生态为缓解高落差，高比降河流难以蓄水的弱点，通过在解放河沿线布置生态跌水坝，跌水坝的设计可以与桥梁相结合，在满足防洪安全的前提下，将景观效果融入其中．形成景观性桥梁，既有水利防洪保水功能，也有良好的景观效果。水流从高处向低处流动时，利用水头高差产生各种形式的跌水和瀑布，达到利用水头形成丰富的水的运动、节奏、速率，创造多种水景景观。利用景观拦水坝，可为解放河存蓄水量约为16700立方米，可确保解放