基于精細化河網水動力模型的長寧區除澇能力評估

高麗莎，高程程，汪 濤

(上海碧波水務設計研發中心，上海 200233)

實現城市管理精細化成為全國大中型城市的一項重要任務。城市防洪除澇精細化管理是城市精細化管理的重要組成部分。加強城市防洪除澇精細化管理，有助于全面提升城市防洪除澇能力，是新時代水務管理的重要內容，更是城市安全之所需。

近年來，大中城市洪澇問題頻發，嚴重影響了城市正常運行和人民生產生活。賈紹鳳[1]指出我國城市雨洪管理近期應以除澇能力達標為重點。除澇能力評估已成為解決城市防洪除澇問題的前提和基礎。近年來，基于水動力模型的方法已成為評估城市防洪除澇能力的常用方法，國內外眾多學者在這方面開展了大量研究[2-9]。

平原河網地區河湖密布，泵閘眾多，且調控復雜，這對數值模擬提出了很高的要求。受模型計算條件和資料完整度的限制，當前對于大型復雜感潮河網水動力的模擬不夠精細化，不能達到城市防洪除澇精細化管理的要求。如，韓超等[10-11]在利用河網模型分析嘉興市洪水風險時，只對圩外骨干河道進行了概化，對圩內河道等規模較小的河道采用虛擬河道的方式進行處理，并不能精細反映整個河網的水流變化規律；楊振榮等[12-13]在利用河網模型分別分析杭嘉湖東部平原和福州市主城區的洪澇問題時，只針對主要河道和其上水工建筑物等進行了概化；朱曉琳等[14-16]用河網模型來研究河網水動力水質變化規律時，僅概化了鎮級及以上河道，模擬結果不夠精細，尤其是對于某些規模較小的河道來說，模擬結果不能反映其水流的變化規律。

本文基于翔實的數據資料，構建了精細化的蘇州河水系水動力模型，用來評估上海長寧區在現狀和規劃條件下的除澇能力，據此為長寧區除澇工作提供建議，為上海防洪除澇精細化管理提供示范。

1 研究區概況

1.1 基本情況

長寧區位于上海中心城區西部，北靠蘇州河，是淀北水利片的一部分，屬于典型的平原感潮河網區，總面積38.30 km2。區域地形總體西高東低，中西部地面高程不低于3.2 m(吳淞高程，下同)，東部最低2.0 m左右，如圖1所示。區域地處亞熱帶季風區北部，溫和濕潤，多年平均降水量1 143.5 mm，汛期(6—9月)降雨較為集中，其中6月多年平均降水量達176.1 mm。

圖1 長寧區地面高程

1.2 除澇系統存在的問題

當前長寧區除澇系統存在的問題主要有：①河道分布不均。區域有大小河汊32條，集中于區域境內西部，并且以東西向居多，南北向僅有新涇港和外環西河，數量偏少。②泵閘工程分布集中。區域32條河道上有17個泵閘，分布集中，河道規模小、瓶頸段制約多，在一定程度上阻礙了水系的暢通性。③河湖水面率低。根據《2018年上海市河道(湖泊)報告》，區域河道總長45.74 km，河網密度 1.19 km/km2，河湖總面積1.10 km2，河湖水面率僅為2.88%，區域可調蓄能力有限。

2 精細化河網水動力模型構建

根據平原感潮河網地區河道密布、受潮汐作用和泵閘調控等影響顯著的特點，上海市水務規劃設計研究院自主研發了數字河網水動力水質模型。經過40多年的不斷改進和完善，該模型能夠真實客觀地反映感潮河網在多因素影響、多動力作用下的水流和水質變化規律，已廣泛應用于上海的防洪排澇[4,17]、水環境綜合整治[18]、水資源利用與保護[19]等方面的課題研究、規劃設計以及調度管理工作中。

2.1 模型原理

降雨徑流模型將下墊面分為水面(包括河道、湖泊等水面)、水田(魚塘)、旱地、綠地和城鎮道路等類型，按照水文學的原理和方法并結合圩區和非圩區的特點，分別計算不同下墊面的產匯流。

水動力模型的基本方程采用圣維南方程組[20](式(1))，數值離散采用成熟的四點線性隱式差分格式，使用矩陣標識法求解河網節點水位方程組。

(1)

式中：t為時間坐標；x、z為空間坐標；Q為流量，m3/s；Z為水位，m；u為斷面平均流速，m/s；n為糙率系數；A為過流斷面面積，m2；B為主流斷面寬度，m；R為水力半徑；q為旁側入流流量，m3/s；BW為水面寬度(包括主流寬度B及起調蓄作用的附加水面寬度),m；g為重力加速度,m/s2。

2.2 模型構建

2.2.1河網概化

歷次蘇州河治理的經驗[21]表明，蘇州河水系具有較強的整體性，因此為準確模擬區域河網的水流運動規律，本文將河網模型的構建范圍擴展到整個蘇州河水系。按照概化河網輸水能力和調蓄能力與實際情況一致的原則，基于高精度河網水系、泵閘分布、河道斷面等數據進行了河網概化，將村級及以上河道均在模型中進行了體現，并根據各水利片的實際水面率對模型進行了校核。

精細化河網模型共包含河道6 875條，水工建筑物(泵、閘、橋、涵等)1 464個，外邊界25個，分別為墅溝閘(外)、吳淞口、馬家宅、嘉善、楓圍、東團、金澤、河祝、淀浦河西閘(外)、趙屯10個實測水(潮)位邊界和15個插值邊界，具體見圖2。

圖2 蘇州河水系河網概化圖

2.2.2模型率定

選用區域內2017年8月18個站點的實測水位(潮位)數據，對模型進行率定。模型中泵閘調度規則按照實際調度規則確定，初始水位設為2.5～2.8 m，計算時間步長為5 min。經過率定，黃浦江及其主要支流糙率系數為0.015～0.035，蘇州河糙率系數為0.025～0.035，其他河道糙率系數為 0.022 5～0.032。部分站點的水位計算值與實測值對比如圖3所示，可以看出，典型斷面水位計算值與實測值吻合較好，平均誤差約為5 cm。

(a) 泖旬

2.2.3 模型驗證

選擇2017年7月實測水位(潮位)數據對模型進行驗證，部分站點的水位計算值與實測值對比如圖4所示。并選用均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)、平均絕對百分比誤差(MAPE)來度量模型的誤差大小，結果見表1。

(a) 吳淞(蘊)

(c) 許漁河外河

表1 模型誤差統計

由圖4和表1可知，模型水位計算值與實測值變化趨勢基本一致，MAE最大值為6.6 cm，MAPE最大值為3.71%。總體來看，模型誤差較小，可用來模擬研究區域的水流規律。

3 長寧區除澇能力評估

3.1 方案設計

為準確評估長寧區除澇能力，分析了現狀和規劃兩種工況。現狀工況即在現狀河道和泵閘規模基礎上，組合5年一遇、10年一遇、20年一遇、30年一遇4種重現期的降雨，共設計4個計算方案；規劃工況是依據中心城區河道藍線編制方案和淀北片除澇規劃方案，在規劃河道和泵閘規模基礎上，組合20年一遇、30年一遇兩種重現期的降雨，共設計2個計算方案。與現狀工況相比，規劃工況打通新漁浦上4個縮窄斷面，同時對河道進行疏浚，并新增南新涇泵閘(流量40 m3/s)、中橫瀝北閘(流量40 m3/s)、西界河泵閘(流量15 m3/s)、擴大龍華港泵閘(流量增至90 m3/s)和張家塘港泵閘(流量增至60 m3/s)。根據DB31/T 1121—2018《治澇標準》，各方案降雨均選取“63·9”雨型最大24 h面暴雨，各方案潮(水)位邊界相同，均選取1963年9月10日8:00～9月15日23:00同步實測潮(水)位過程，預降最低水位均為2.00 m，各方案具體情況見表2。

表2 計算方案

3.2 結果分析

上海各區域的除澇能力主要用除澇面平均最高水位來衡量。根據DB31/T 1121—2018《治澇標準》，長寧區所在淀北水利片除澇標準應達到30年一遇，相應的除澇面平均最高水位控制為3.80 m。圖5為不同方案下長寧區面平均水位變化過程。

(a) 現狀工況

表3為各方案面平均最高水位特征值，表4為各方案主要河道最高水位。

表3 各方案面平均最高水位特征值

表4 各方案主要河道最高水位

通過分析各方案面平均最高水位可知，在現狀工況下，長寧區除澇能力能夠達到10年一遇，不到20年一遇，不滿足DB31/T 1121—2018《治澇標準》30年一遇的要求；在規劃工況下，長寧區除澇能力能夠達到20年一遇，不到30年一遇，仍然不滿足DB31/T 1121—2018《治澇標準》的要求(圖5)。通過對比方案3和5、方案4和6可知，與現狀工況相比，規劃工況下面平均最高水位顯著降低，面平均水位達到3.80 m時間有所推遲，降水峰值與最高水位出現的時間差有所增加，超過3.80 m時長顯著縮短(表3)；主要河道最高水位顯著下降，下降值均在40 cm左右，與面平均最高水位下降幅度基本一致(表4)。由此可見，規劃工況下長寧區的除澇能力有了顯著提高，由不足20年一遇提高到了不足30年一遇，說明打通河道瓶頸段、對河道進行疏浚、新增或擴大泵閘規模，能顯著提高區域的排澇能力。但是在規劃工況下長寧區仍未達到30年一遇的目標，需進一步提高其除澇能力。

考慮到長寧區河湖水面率(2.88%)相對較低，雨洪調蓄能力較差，建議增加臨時滯蓄區來提高區域的除澇能力。從現狀地物構成來看，外環高架路縱穿長寧區西部，其下是面積約0.94 km2的下沉式綠地(地面高程約3.30 m)，且與區域大部分東西向河道均相交，具備作為臨時滯蓄區的基本條件。

在不改變地面高程條件下，當河道水位達 3.30 m時，啟用臨時滯蓄區進行雨洪調蓄。通過分析計算，當臨時滯蓄區面積為0.504 km2時，長寧區面平均水位變化過程如圖6所示，可見長寧區可滿足區域除澇30年一遇的要求。

圖6 臨時滯蓄區面積0.504 km2時長寧區面平均水位變化過程

4 結 語

本文構建了精細化河網水動力模型，實現了對蘇州河水系從市區級到鎮村級河道的精細模擬。該模型能反映蘇州河水系的河網水流規律。長寧區在現狀和規劃工況下均未達到DB31/T 1121—2018《治澇標準》30年一遇的除澇標準,通過進一步增加臨時滯蓄區，提高調蓄能力，可促進長寧區除澇能力達標。在中心城區河道藍線編制方案和淀北片除澇規劃方案的基礎上，建議利用長寧區外環高架路下現有的下沉式綠地，構建0.504 km2的臨時滯蓄區，既可滿足景觀生態需求，同時也可作為應急滯蓄雨水，從而保障長寧區防洪除澇安全。