北京城市副中心近域低洼區排水防澇規劃研究

霍毅鵬，聶俊坤，李婷婷，杜 飛，王一凡，吳 健，樸希桐，張思瑤

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

城市河道排水系統作為防災減災體系的重要組成部分，合理地規劃城市排水河道系統已經成為保障我國城市健康發展的必要舉措。城市近域地區作為核心城市建設地區的周邊配套服務區域以及排水尾閭，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劃河道排水系統，已經成為防控城市內澇風險的有效途徑。針對易發生內澇風險的城市中心城區近域區域，采用傳統的經驗公式法通常難以綜合呈現區域排水河道、地面徑流以及排水管網之間的聯動關系，也無法高效評估規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近域低洼地區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排水防澇模型仍需深入。北京城市副中心近域地區作為統籌副中心與近域村莊城鎮的聯合發展的承載空間，該類區域地勢通常低洼且排水防澇壓力較大。因此，綜合考慮近域地區水系布局、產匯流特征及雨水管網系統等要素，辨識該類低洼地區內澇風險，科學合理制定并優化低洼近域排水防澇規劃方案，是處理好北京城市副中心與通州區國土空間關系，完善區域排水防澇體系，保障北京城市副中心及通州區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為例，構建排水防澇耦合模型模擬分析并辨識區域內澇特征，并優區域水系排水防澇方案，以期為同類型區域排澇規劃方案優化設計提供決策依據。

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，通過納入研究區下墊面特征，模擬水流在河道、排水管網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的耦合模型，模擬辨識城市近域低洼地區內澇風險，并優化區域排水防澇規劃方案[6- 7]。基于耦合模型參數需求，對研究區多類型數據綜合梳理、校核并錄入，通過網格化對研究區進行空間離散以及豎向概化，構建涵蓋該區域不同匯水分區、排水河道、排水管網、雨水泵站以及蓄滯洪區的耦合模型。

1.2 參數率定

1.2.1水動力參數

構建的Mike Flood及Mike Urban耦合模型主要涉及水動力參數包括：管網曼寧系數、水頭損失、時間步長、干濕水深、黏滯系數和河道糙率等參數。其中，曼寧系數依據管網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

針對研究區豎向地形高層疏密特征，對地形高程數據以5m×5m的精度進行數據插值，通過校核雨水管網雨水井與規劃道路標高，對異常豎向高程實施匹配修整，從而構建低洼區二維地面漫流模型。

1.2.3產匯流參數

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

1.3 邊界條件

設定區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的邊界[8- 10]。

1.3.1降雨條件

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

1.3.2水位條件

研究區地處北京城市副中心東南部，位于潮白河與北運河環抱的沖積平原，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排水造成頂托，不利于區域雨水有效排除。

2 區域概況及內澇風險辨識

2.1 研究區概況

選取具備城市近域典型低洼特征區域A片區作為研究區，A片區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。研究區北部規劃建設區平均地面高程約為15.5m，南部村莊及農田區平均地面平均高程約為14m，下游北運河規10年一遇洪水位與南部農田區地面高程相近，20年一遇洪水位高于研究區流域平均地面高程，存在內澇風險。研究區作為北京城市副中心近域城市功能的重點承載開發區域，主要包括西和路溝及望金溝兩條排水河道，區域排水流域范圍內空間用地類型多樣。片區兩條河道上游穿過規劃建設區，下游大部分流域為村莊及農田。現狀西和路溝入北運河處有一座呂灣排澇泵站，現狀泵站排澇能力不滿足規劃需求。

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，對研究區城市管網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域內澇特征。結合研究區地市低洼、下游水位頂托以及徑流演進特征，以模擬時長內研究區淹沒水深(h)以及淹沒歷時(t)作為評估區域內澇風險因素，參照城市內澇風險劃分標準對研究區內澇實施評級[11]，并評估不同降雨特征下研究區內澇風險，見表1。

表1 研究區內澇風險等別評估表

依據內澇風險評估等級劃分標準，在設計河道及管網設計標準下，研究區較低、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。綜合分析研究區內澇產生原因，主要包括：①隨著近年來區域城市化快速發展，區域內不透水面積增加，造成河道洪峰流量增大，而大部分現狀河道及排水管網洪能力不足；②研究區現狀橋梁、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，當北運河發生超標洪水時，流域內的澇水無法自流排除，加重區域內澇問題。

2.3 近域低洼區域排水防澇規劃方案優化路徑

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

圖1 規劃設計方案優化路徑圖

通過對排水防澇初步規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規劃目標，則應對排水河道、管網、泵站以及蓄滯洪區的設定進行綜合調整優化，直至模擬結果滿足區域內澇防控以及排水安全需求。

3 排水防澇規劃方案優化

3.1 規劃標準

根據河道所處區位及河道特性來考慮，西和路溝及望金溝規劃治理標準為20年一遇排澇設計，建設區段河道20年一遇規劃洪水位一般不淹沒主要新建規劃雨水管道出口內頂，非建設區段按照20年一遇排澇控制河道規劃上口線。規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劃河道行洪斷面，一般橋梁梁底高程應高于50年一遇規劃洪水位0.5m以上，規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。研究區規劃流域范圍如圖2所示。

圖2 研究區規劃流域范圍圖

3.2 區域內澇辨識與影響因素分析

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

圖3 研究區初步方案模擬結果

規劃針對研究區低洼區產生雨水，經過雨水管網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內澇特征，主要對區域骨干河道方案以及合理的蓄滯洪區劃定進行方案調整優化，結合區域國土空間用地特征以及排澇要求，重點解決區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模較大。淹沒區呈現碎片化特征，不利于區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，優化方案可重點考察充分利用區域用地空間地形特征，選取合理用地空間作為蓄澇漫溢區，從而在保障區域排水防澇安全基礎上，有效實現河道藍線用地集約利用與泵站工程改造的經濟性。

3.3 排水防澇方案優化

3.3.1排水防澇規劃思路

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，當北運河發生10年一遇以上洪水時，區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，規劃關閉西和路溝出口閘門，規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耦合模型辨識區域內澇風險以及影響因素，重點通過調整排水系統以及選定合理的蓄澇漫溢區，從而優化排水防澇規劃方案，最大限度降低內澇對區域排水安全造成的不利影響。

3.3.2排水河道方案優化

研究區兩條骨干排水河道上游穿越建設區，下游臨近村莊，其周邊用較為緊張，其合適的規劃平面定線位置對集約河道藍線用地尤為重要。優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。通過方案優化，西和路溝位于建設區內段，規劃將河道布置在市政道路一側，規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，規劃以現狀河道右岸上口線為基準向左岸拓寬。望金溝位于建設區內，規劃將河道布置在市政道路一側，規劃河道右岸上口線距離道路紅線5m以上。位于非建設區段，現狀河道左岸為市政道路，右岸為農田綠地，規劃基本以現狀河道左岸上口線為基準向右岸拓寬。通過方案優化，規劃西和路溝和望金溝可在協調周邊用地、保障行洪能力基礎上，有效節約了河道藍線用以空間，促進了區域國土空間用地集約化利用。

3.3.3蓄澇區方案優化

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

圖4 規劃蓄澇漫溢區優化方案

3.3.4泵站方案優化

現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。根據區域排澇標準，該地區排澇標準為20年一遇，農田區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，優化方案中規劃改建現狀呂灣排澇泵站，泵站規劃能力為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，從而在實現區域排澇安全基礎上，有效降低了工程改造費用。呂灣排澇泵站調蓄優化方案如圖5所示。

圖5 呂灣排澇泵站調蓄方案優化

3.3.5排水防澇方案優化評估

經過方案迭代優化后方案模擬結果顯示，通過適當調整優化排水河道平面藍線范圍，優化排澇泵站規模以及劃定適宜的蓄澇漫溢區，可以在保障區域排澇安全的同時，利用農田用地作為臨時漫溢蓄滯洪區，從而有效集約了城市用地空間并節省了工程投資。同時，方案優化后研究區內澇淹沒區碎片化率顯著降低，有利于區域國土空間用地整合利用與交通道路布局安全，模擬方案可為區域國土空間格局及地面豎向優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地勢低洼，通過對低洼區的河道進行治理及適當安排排澇工程，可有效解決低洼區的排水防澇問題。構建基于Mike Flood及Mike Urban的耦合模型適用于城市近域低洼區排水模擬及內澇風險評估，針對城市近域地區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，建設區排澇要兼顧雨水排除系統安排豎向高程，對于近域村莊區域要保證實現內澇不淹沒，而農田綠地區域則可以適當臨時漫溢淹沒，從而可在保障區域排澇安全基礎上，有效集約城市用地空間并節約工程改造投資。