水文水力模型导向下的城市水系形态与排水防涝能力相关性研究

水文水力模型导向下的城市水系形态与排水防涝能力相关性研究

周杨军

——以福建石狮市环湾片区为例

周杨军

中国城市规划设计研究院上海分院上海长宁200335

摘要：随着近年城市排涝现象频发，对于城市水系形态与城市排水防涝能力的关系研究开始兴起。笔者试图借助于MIKE水文水力模型，通过率定合理的水文水力参数，来有效模拟验证不同水系水网结构的水动力差异，并通过二维图示加以清晰表述。本文主要以福建石狮市环湾片区[1]为例，通过对该片区不同城市水系形态与排涝能力相互关系的研究，来确定水系的设计形态并引导城市用地与设施的空间布局。

关键词：MIKE模型；排水防涝；水动力；水网结构

1序言

一直以来城市规划设计与规划中对水系形态的排涝能力研究较为缺乏，主要以水景观形态研究为主，忽略了对于城市水系功能的认识，往往会造成水系排涝能力与水系形态的脱节，笔者尝试运用MIKE21水动力模型对前期不同水系方案进行比对研究，以期确定最优水系形态。

石狮市位于福建省东南沿海，是三面临海的半岛。环湾片区位于城市东南临海处，地势低洼，区内主要河道有雪上沟、梧垵溪、塘头沟、塘园溪、龟湖溪、莲塘溪、院上沟、后安沟、山雅沟等一些中小河道，其中雪上沟为石狮市主要行洪排涝河道，现状水系条件相对凌乱，整体排水防涝能力较弱，为石狮的易涝区域，内部存在较大面积蓄滞洪区。纳入城市建设用地后，为保障区域的防洪排涝安全，需对该片区内部现状水系进行梳理，并结合景观形态设计，提升土地空间价值。

2城市排涝系统研究

2.1中心城区水系现状

石狮市境内没有较大的河流，有雪上沟、塘头沟、梧垵溪、厝上溪、塘园溪、龟湖溪、下宅溪、大厦溪、洋厝溪、莲塘溪、西岑溪、莲坑坂溪、院上沟、后安沟、山雅沟等多条溪河，流域面积达119km2。其中流经石狮市城区的水系有雪上沟、梧垵溪、塘头沟、塘园溪、龟湖溪、莲塘溪、院上沟、后安沟和山雅沟等。各小溪河均为间歇性溪流，溪小流短，蒸发渗透量大，径流量少。洪水（涝水）出流不畅，极易形成洪涝灾害；特别是近年来人类活动的影响，河道束窄、河床淤积，造成河道行洪能力下降，也是洪涝灾害频繁发生且日益加重的重要原因。

图1水系现状

2.2中心城区防洪排涝标准与防洪排涝格局规划

由于石狮中心城区环山面水，现状中心城区的排洪排涝标准大多在2～10年一遇之间，局部尚不足1年一遇，从近几年发生的洪涝灾害频繁发生，造成严重损失。根据《石狮市城市总体规划》，2020年石狮市区中心区人口规模达35～40万人。按《城市防洪工程设计规范》（CJJ50-92）规定，其防洪标准（石狮城区主要是防御山洪）重现期为20年，根据闽水电（1997）水926号《福建省城市排水排涝设计暂行规定》等有关规程规范，石狮市城区排涝标准提高至20年一遇。雨水重现期选取为1-3年一遇水平。

3构建MIKE21水动力模型

3.1模型简介

MIKE21模型是丹麦DHIWater&Environment机构开发的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。它为涉水工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。高级图形用户界面与高效的计算引擎的结合使得Mike21在世界范围内成为了水流模拟专业技术人员不可缺少的工具。目前该模型已经在丹麦、埃及、澳洲、泰国、等国家地区得到成功应用，在平面2维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。此外，该模型在国内的应用也十分普遍，并在一些重大的工程中广泛应用，如长江口综合治理工程[2]、杭州湾数值模拟[3]与南水北调工程[4]等。本次水文水力计算主要运用Mike21[5]模型的二维浅水方程，本数值计算方法采用ADI法。

3.2石狮环湾片区Mike21流场模型构建

3.2.1水文气象边界条件整理与录入

根据《石狮市城区防洪排涝规划报告》[7]与《福建省暴雨等值线图集》等资料，石狮暴雨级数以50.0～99.9mm出现的频率最高，约占80％，100mm以上的暴雨日频率较低，仅约20％。梳理城区范围的水文气象资料，对片区内各雨量站50年一遇最大1h、6h、24h雨量进行分析，并做适线（按P-Ⅲ型）分析，得出50年一遇最大1h、6h、24h雨量均值、变差系数Cv等暴雨参数成果，作为模型的降雨输入依据。根据Chow[6]，对洪水位不同水面宽度的天然河流，确定粗糙系数n值的取值范围。

3.2.2水系工况条件

规划结合地形与城市设计意向，初步提出了两种水系方案。方案1主要利用雪上沟和塘头沟进行区域排水防涝，并通过对现状地形的改变，实现多点多线的网状排水。方案2主要以雪上沟为排洪主体，强化对现状蓄滞洪区的扩容，形成单线大点的水系方案。两种水系方案基本常水深在2-2.5m，两种方案的水系工况一并等水文气象工况条件（河底地形、主要河道规模等基本一致）录入模型中，完成对水系方案模型的初步搭建，并利用已有的水文气象资料进行模型的参数率定与验证。

4不同水系形态下水网排涝功能的对比

4.1水系方案1的排涝能力分析结论

50年一遇洪水期内方案1的水系洪水演进的过程中各区域水深的涨幅步调一致。上游来水能够快速的排除，河网各区域的滞洪滞涝能力差距不明显。1天后上游略有雍水，但整体排水已趋于稳定，呈现出区域水网联通整体排水的格局，满足了城市排水防涝标准的要求。从区域主要排水通道雪上沟的特征断面（汇水面积为46.2km2）的流量模拟过程来看，通过西区水系的分洪分涝，中心城区雪上沟特征断面的洪峰流量为488m3/s。

图2方案1水系洪水期排水能力模拟

4.2水系方案2的排涝能力分析结论

50年一遇洪水期内方案2水系上游水位普遍雍高，水网中上游水深持续增高，排涝排洪不畅。洪水1天后中上游水深雍高势头减缓，但水网整体的排水压力尚未减缓。呈现出“水网分隔排水”的格局，东西两片水系均不能有效发挥分洪分涝的作用，都面临着较为严重的防洪排涝压力。从区域主要排水通道雪上沟的特征断面的流量模拟过程来看，由于无法有效发挥西区水系的分洪分涝的作用，中心城区雪上沟特征断面的洪峰流量为559m3/s，水系方案2相比方案1洪峰流量高出了71m3/s。

图3方案2水系洪水期排水能力模拟

4.3对比与小结

从2个水系方案的整体的排洪排涝的过程来看，方案1水系整体的排洪排涝能力优于方案2的水系，方案1的排洪排涝过程更为顺畅与安全，而方案2具有潜在的安全隐患。从关键特征断面的洪水演进过程与洪峰流量对比来看，方案1的洪水过程与洪峰流量相对方案2更为安全。因此出于对城市在洪水期间的排水安全方面考虑，笔者认为方案1更适合。

5关键节点的水动力对比研究

笔者选取了三个相似位置的节点进行水动力的强化模拟，从两种水系方案的三个节点来看，可以模拟出方案1中的水系节点普遍动力较强，具备较好的排水能力，湖泊的形态与位置也相对合理。而方案2中的水系节点动力则相对较弱，可能具备一定的潜在风险。因此出于形态景观与城市排水防涝安全的双向考虑，笔者认为方案1更适合与石狮的现实情况。

图4方案1水系重要节点动力分析

图5方案2水系重要节点动力分析

6结论

通过上述相关研究表明，在合理确定水文相关参数的前提下，引入MIKE21模型对不同水系形态的水动力条件进行综合比较，可以有效的确定水系形态与排涝功能的相关性，并通过二维可视的方法加以直观表达。极大缩短了水系设计意向与最终实施方案中的差距，并弥补了两者之间的理论联系。在目前城市排涝问题日益频发的条件下，上述研究方法的引入有利于城市排涝问题的解决。

参考文献：

[1]中国城市规划设计研究院上海分院.石狮环湾桥头片区、城北片区、北环片区控制性详细规划[R].2014

[2]宋泽坤，程和琴等.长江口北支围垦对其水动力影响的数值模拟分析[J].人民长江.2012（15）.

[3]谢亚力，黄世昌等.钱塘江河口围涂对杭州湾风暴潮影响数值模拟[J].海洋工程.2007（03）.

[4]于磊，顾华等.基于MIKE21FM的北京市南水北调配套工程大宁水库突发性水污染事故模拟[J].南水北调与水利科技.2013（04）.

[5]MIKE21CUserGuide[M].DHIWATER&ENVIRONMENT，Denmark.2005.

[6]ChowVT.Openchannelhydraulics[M].NewYork：McGraw-Hill，1973.

[7]福建省水利水电勘测设计研究院.福建省石狮市中心城区防洪排涝规划报告[R].2007