平原新區(qū)雨洪模型的研究及其在國土空間規(guī)劃中的應(yīng)用

于星濤

（1.濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250101；2.同濟(jì)大學(xué)道路交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 200092）

0 引 言

氣候變化帶來的洪澇災(zāi)害已成為當(dāng)前國內(nèi)外城市普遍需要系統(tǒng)解決的的安全隱患[1]。黃河下游段泥沙淤積，成為“地上懸河”[2]；兩岸沖積平原的地勢十分平緩，存在歷史洪澇災(zāi)害多、承載能力弱等問題[3]。為此，《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出：沿黃城市群規(guī)劃、建設(shè)、管理中要貫穿全生命周期管理理念，加強(qiáng)防洪減災(zāi)、排水防澇等公共設(shè)施建設(shè)，增強(qiáng)大中城市抵御災(zāi)害能力[4]。

黃河下游平原新區(qū)的國土空間規(guī)劃應(yīng)積極借鑒人與自然和諧共處的綠色發(fā)展理念，科學(xué)統(tǒng)籌城市三維空間發(fā)展和防洪排澇安全兩大任務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者利用洪澇模型對城市防洪排澇規(guī)劃開展了大量研究[5]，并在水文水動(dòng)力模型耦合應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展[6]。但在平原新區(qū)國土空間規(guī)劃的水模型應(yīng)用方面存在諸多問題，如：與空間規(guī)劃和豎向規(guī)劃銜接不足，模型精度難以滿足多尺度空間下的規(guī)劃要求等。本文結(jié)合濟(jì)南起步區(qū)實(shí)例，探討綜合運(yùn)用DHI MIKE專業(yè)軟件，構(gòu)建精細(xì)化的一二維耦合的水系統(tǒng)模型，統(tǒng)籌優(yōu)化平原新區(qū)的雨洪安全格局，通過全過程介入為國土空間規(guī)劃提供專業(yè)性強(qiáng)，兼具系統(tǒng)性和實(shí)施性的豎向規(guī)劃和防洪排列一體化解決方案。

1 研究范圍及目標(biāo)

1.1 地形地貌特征。

研究區(qū)是當(dāng)前正在建設(shè)的濟(jì)南新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換起步區(qū)，位于濟(jì)南市北部的黃河沖洪積平原上，其地貌形態(tài)受黃河影響較大[7]。由于黃河多次變遷沖刷淤積，區(qū)內(nèi)地貌平緩低洼，現(xiàn)狀地面高程多在18～28 m之間，制高點(diǎn)鵲山海拔約110 m。整體地勢南高北低，坡降約萬分之二，屬于平坦易澇地區(qū)。

1.2 雨洪特征分析

研究區(qū)的河道洪水主要由當(dāng)?shù)氐募斜┯晷纬?，河道連續(xù)最大4 個(gè)月天然徑流量占全年徑流量85%～90%。由于流域現(xiàn)狀坡降小，地表匯流速度慢，排水時(shí)間長，夏季集中降雨易形成復(fù)式洪峰或連續(xù)洪峰。黃河大壩堤頂和堤外高差在10 m 以上，區(qū)內(nèi)澇水無法直接排入黃河。徒駭河作為主要排水出路，距離建設(shè)區(qū)較遠(yuǎn)（約30 km），其上游有外洪匯入，下游平緩、排水不暢，易形成頂托并引發(fā)洪澇災(zāi)害。

1.3 水力模型構(gòu)建的必要性及應(yīng)用目標(biāo)

研究區(qū)現(xiàn)狀建設(shè)用地比例低，地表透水率較好，地下水位較淺，新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)將帶來硬化面積增加。如何堅(jiān)持城鄉(xiāng)統(tǒng)籌，降低開發(fā)影響，確保用地防洪排水安全，是新區(qū)規(guī)劃建設(shè)之初就應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)協(xié)調(diào)解決的難點(diǎn)問題。在國土空間規(guī)劃的初始階段就引入水力模型，對用地空間布局、豎向規(guī)劃、防洪排澇規(guī)劃等領(lǐng)域的現(xiàn)狀評估和劃具編制有支撐作用。通過規(guī)劃模型推演和校核，有助于建立和優(yōu)化新區(qū)的防洪排澇體系，對科學(xué)規(guī)劃雨洪蓄滯和利用空間，增強(qiáng)城市藍(lán)綠空間的韌性具有積極作用[8]。

2 模型原理及構(gòu)建

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

濟(jì)南市年平均降水量671.1 mm，存在降水時(shí)間和空間分布不均的現(xiàn)象。降水集中在汛期（419～568 mm），并由東南山區(qū)往西北平原逐漸減少。

徒駭河干流段無水文站，鄰近水文站有宮家閘、堡集閘水文站，研究區(qū)內(nèi)及鄰近有垛石、劉家莊、吳家鋪、黃臺(tái)橋、孫耿、大陳家莊、夏口、雀許閘等雨量站。對宮家閘水文站（1970—2012 年）實(shí)測最大洪峰流量和孫耿站（1965—2016 年）實(shí)測短歷時(shí)暴雨進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率分析，對宮家閘實(shí)測洪水和孫耿實(shí)測暴雨進(jìn)行遭遇分析，選定50 a 一遇平原澇水遭遇徒駭河干流20 a 一遇洪水作為水文邊界。

徒駭河的設(shè)計(jì)洪水過程計(jì)算采用瞬時(shí)單位線參數(shù)公式M1=1.34F0.463。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，借鑒《中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》和《山東省水文圖集》推算起步區(qū)設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)，計(jì)算各個(gè)頻率的年最大24 h 降雨量見表1。

降雨過程選取“魯北及小清河流域”設(shè)計(jì)雨型，確定起步區(qū)的20 a 一遇和50 a 一遇降雨過程。

2.2 河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 控制方程

利用DHI MIKE 11 對研究區(qū)相關(guān)河網(wǎng)水流進(jìn)行一維的長時(shí)間序列的模擬計(jì)算，采用圣維南方程組：

式中：x、t 分別為計(jì)算點(diǎn)距離和時(shí)間；Q 為流量；h 為水位；q 為側(cè)向入流流量；R 為水力半徑；α 為動(dòng)量校正系數(shù)；g 為重力加速度；A 為過水?dāng)嗝婷娣e；C 為謝才系數(shù)[9]。

2.2.2 定解條件

初始條件設(shè)置為斷面測量時(shí)的水位，流量設(shè)置為零。根據(jù)《海河流域綜合規(guī)劃》，確定徒駭河上游邊界控制點(diǎn)為老趙牛河入河口，下游邊界控制點(diǎn)為李美生上入河口。上游邊界條件結(jié)合徒駭河流量設(shè)置，下游邊界條件由設(shè)計(jì)水位進(jìn)行控制。

模型入流邊界，現(xiàn)狀工況采用研究區(qū)50 a 一遇和20 a 一遇120 h 的平原澇水過程；規(guī)劃工況采用考慮建設(shè)區(qū)下墊面變化后研究區(qū)50 a 一遇和20 a一遇120 h 的平原澇水過程。

模型下游水位邊界，現(xiàn)狀工況及規(guī)劃工況均采用徒駭河20 a 一遇和10 a 一遇120 h 設(shè)計(jì)洪水位過程。

現(xiàn)狀工況平原河網(wǎng)綜合糙率采用0.03，規(guī)劃工況的平原河網(wǎng)綜合糙率采用0.028，基本符合沖積平原地區(qū)河道糙率系數(shù)取值規(guī)律。

2.2.3 水系概化

模型概化骨干河道見圖1，包括：六六河、齊濟(jì)河、牧馬河、垛石河、大寺河、青寧河、大王廟干渠、牧鵲河及徒駭河等重要河道。模型中的河道實(shí)測斷面間隔為500 m。概化重要水閘包括：六六河閘、齊濟(jì)河閘、牧馬河閘、垛石河閘及大寺河閘等。

圖1 研究區(qū)河網(wǎng)模型概化圖

2.3 一、二維耦合水動(dòng)力模型

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

在二維潮流數(shù)值模擬中，將研究區(qū)的空間細(xì)分為四邊形小單元，在保證計(jì)算精度的情況下，模擬研究區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水洪泛情況，結(jié)合研究區(qū)范圍內(nèi)各類空間的多樣化組合選取合適的糙率，設(shè)定糙率考慮略高于一維河道糙率。

2.3.2 精細(xì)化地表模型構(gòu)建

研究區(qū)屬于平原河網(wǎng)區(qū)，河道匯流出口不清晰，地形DEM 需要精細(xì)化建模。根據(jù)高精度地形資料，建立研究區(qū)域二維地形文件，網(wǎng)格精度為20 m×20 m，真實(shí)體現(xiàn)復(fù)雜地形特征及水流邊界。同時(shí)，將建筑物、水系、坑塘和排水溝刻畫到DEM 中，例如賦予房屋建筑一定實(shí)體高度，實(shí)現(xiàn)屋面雨水下排和建筑、道路等實(shí)體阻水效果。

2.3.3 一、二維耦合水動(dòng)力模型

本文河道采用一維模型（MIKE11），平原洪泛區(qū)采用二維模（MIKE21），并利用MIKE Flood 將二者動(dòng)態(tài)耦合。一維模型可實(shí)現(xiàn)對各水閘進(jìn)行靈活控制，并對河道水位及流量進(jìn)行計(jì)算；利用二維模型模擬洪水漫堤后在寬淺平原洪泛區(qū)的演進(jìn)。

3 雨洪模擬及應(yīng)用

3.1 國土空間規(guī)劃中的雨洪模型應(yīng)用重點(diǎn)

平原新區(qū)國土空間規(guī)劃應(yīng)堅(jiān)持“形與流”的有機(jī)一、相互協(xié)調(diào)和互為反饋。“形”是國土空間規(guī)劃城鄉(xiāng)三維空間形態(tài)，“流”包括水流、氣流和生物流等要素[11]，本文主要是指河流。所謂“形流合一”，就是以高精度數(shù)字地形模型[12]和水文水動(dòng)力模型為支撐[13]，合理選擇和利用地形條件，有序構(gòu)筑開放式大排水體系[14]；通過分區(qū)排水、分類施策、分級管控，建立和傳導(dǎo)“生態(tài)、安全、經(jīng)濟(jì)、多元”的城市雨洪安全格局和管控傳導(dǎo)機(jī)制，從而有序推動(dòng)空間形態(tài)優(yōu)化，切實(shí)增強(qiáng)洪澇安全和城市韌性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)特色保護(hù)和城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)[15]。

3.2 現(xiàn)狀洪澇模擬及應(yīng)用

（1）現(xiàn)狀河道排水能力及淹沒分析

目前，研究區(qū)段的黃河大堤防洪標(biāo)準(zhǔn)可滿足11 000 m3/s 流量，徒駭河起步區(qū)段可滿足50 a 一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)研究區(qū)遭遇50 a 一遇暴雨時(shí)，易淹河段主要為：大寺河中下游、齊濟(jì)河全段、牧馬河中游、垛石河全段、青寧河全段及六六河全段。

通過耦合研究區(qū)的一維水動(dòng)力學(xué)模型及二維地形模型，分析得出現(xiàn)狀二維易淹沒范圍見圖2，淹沒區(qū)域主要在齊濟(jì)河、牧馬河及大寺河中、下游，建設(shè)區(qū)用地布局應(yīng)盡量避開這些易淹沒區(qū)域。50 a 一遇工況下，當(dāng)內(nèi)河水系遭遇徒駭河高水位，排澇不暢時(shí)，內(nèi)澇范圍主要分布在太平、孫耿、崔寨、濟(jì)陽和桑梓店等行政區(qū)域。其中，太平片區(qū)和濟(jì)陽片區(qū)受淹范圍最廣，淹沒水深約1～3 m；其余行政區(qū)受淹水深約0.5～1 m。

圖2 遭遇徒駭河高水位情況下50 a 一遇暴雨現(xiàn)狀易澇區(qū)分析

（2）以內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估為基礎(chǔ)優(yōu)化建設(shè)用地選擇

綜合運(yùn)用GIS 和傾斜攝影等技術(shù)支撐，建立高精度數(shù)字地形模型進(jìn)行綜合評估。結(jié)合農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城鎮(zhèn)空間的多樣化組合類型特征[16]，通過內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)綜合分析，順應(yīng)南高北低的平原地形，合理布局“南城、北田、中蓄”的城鄉(xiāng)三維布局形態(tài)。維護(hù)北部自然地形和田園風(fēng)貌，強(qiáng)調(diào)“山水林田城鄉(xiāng)”等要素的三維空間融合。按照“建高地、蓄洼地”的原則，優(yōu)先利用南部地勢較高（高于21.2 m）、洪澇災(zāi)害輕的場地進(jìn)行集中建設(shè)，沿黃河兩岸形成帶狀組團(tuán)式布局。結(jié)合黃河下游平原溝渠水網(wǎng)特色，形成疏密有度、藍(lán)綠圍合的“島嶼式”豎向組團(tuán)發(fā)展模式，應(yīng)對歷史澇災(zāi)頻繁的難題。

3.3 規(guī)劃洪澇模擬及應(yīng)用

3.3.1 模型應(yīng)用思路

在起步區(qū)現(xiàn)狀河道模型基礎(chǔ)上，疊加規(guī)劃用地條件，分析城市化后大面積建設(shè)用地實(shí)施對地區(qū)排澇形勢影響，找準(zhǔn)現(xiàn)狀河道淹沒較重的薄弱環(huán)節(jié)。在起步區(qū)規(guī)劃用地條件基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)狀河網(wǎng)評估結(jié)論，對部分河段進(jìn)行斷面拓寬或底泥清淤，增加必要的規(guī)劃河道，形成規(guī)劃河網(wǎng)，按照50 a 一遇的城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，初步添加調(diào)蓄體和閘門等調(diào)蓄節(jié)制設(shè)施，模擬50 a 一遇降雨強(qiáng)度。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化河道斷面、調(diào)蓄體布局、閘門布局等方案，確定防洪排澇工程的最終合理布局。

3.3.2 規(guī)劃排澇整治方案評價(jià)

起步區(qū)規(guī)劃排澇整治方案主要包括主干河道清淤、疏浚及拓寬整治、增設(shè)調(diào)蓄體和拓寬內(nèi)河水系排澇口門規(guī)模等方面。結(jié)合現(xiàn)狀排澇問題和水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果，利用藍(lán)綠空間用地增設(shè)6 個(gè)調(diào)蓄空間，總蓄滯容積為2 207 萬m3；同時(shí)，增設(shè)大寺河與牧馬河交匯處排澇控制閘等閘門工程方案。根據(jù)模擬結(jié)果反復(fù)調(diào)整河道斷面、河道縱坡、蓄滯體和閘門的空間布局、規(guī)模等參數(shù)，同時(shí)兼顧橋梁凈空要求、規(guī)劃用地限制及河道性質(zhì)改變等多方面因素，使得起步區(qū)城建區(qū)滿足50 a 一遇排澇要求，非城建區(qū)滿足20 a一遇排澇要求。

3.3.3 開放式排水體系構(gòu)建

疏通大寺河、垛石河、牧馬河、牧鵲河、齊濟(jì)河、六六河等排澇河道，維護(hù)河道生態(tài)岸線，利用現(xiàn)有溝渠水系，構(gòu)筑間距合理（1～1.5 km）、相互連通的平原水網(wǎng)。降低沿線綠化及生態(tài)用地高程，構(gòu)筑開放式城鄉(xiāng)排水系統(tǒng)。結(jié)合地表徑流和匯水分區(qū)，以藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)圍合成匯水單元。結(jié)合上下游邊界條件和匯水分區(qū)[17]，以水文、水動(dòng)力模型為支撐進(jìn)行洪澇分析[18]，確定防洪河道、排澇河道、行泄通道等藍(lán)綠廊道的規(guī)劃功能、水位和斷面。藍(lán)綠廊道網(wǎng)絡(luò)的間距一般在1～2 km，雨季作為蓄滯空間和排水通道，提高內(nèi)澇防治能力，旱季為綠化等生態(tài)、游憩用地。同時(shí)可以協(xié)調(diào)土地利用布局，分區(qū)實(shí)現(xiàn)雨水就近排放，在保障城市雨洪安全的前提下，有效降低填挖工程造價(jià)。

3.3.4 河道規(guī)劃水位控制

規(guī)劃在內(nèi)部河道銜接徒駭河、小清河防洪水位基礎(chǔ)上，采用水力坡度推算、水力模型校驗(yàn)、豎向高程校核等方法，綜合確定內(nèi)部排澇河道主要節(jié)點(diǎn)的排澇水位，作為后續(xù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的水位管控依據(jù)，并提取設(shè)計(jì)除澇水位，繪制主干排澇河道規(guī)劃河道水面線（見圖3）。

圖3 大寺河水面線

在豎向規(guī)劃高程設(shè)計(jì)中，豎向排水方向應(yīng)結(jié)合水模型規(guī)劃匯水分區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩者相互銜接和協(xié)調(diào)統(tǒng)一，最大程度上保證區(qū)域填挖的經(jīng)濟(jì)性。道路最低標(biāo)高應(yīng)不小于相鄰河道控制點(diǎn)20 a 一遇水位加1.5 m，且不小于50 a 一遇水位，重要節(jié)點(diǎn)最低標(biāo)高不小于50 a 一遇水位加0.5 m，保證沿河路不對地表徑流形成阻隔。

4 結(jié) 語

國土空間規(guī)劃中的水模型構(gòu)建和應(yīng)用需要遵循生態(tài)安全、洪澇安全與城市建設(shè)共同迭代進(jìn)步的思路，緊密結(jié)合現(xiàn)狀薄弱點(diǎn)和不斷變化的發(fā)展需求，將城市防洪排澇及豎向系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、一體化建設(shè)，加強(qiáng)河道系統(tǒng)的優(yōu)先建設(shè)，形成防御外洪與治理內(nèi)澇并重的防災(zāi)系統(tǒng)。后續(xù)可依托水動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建防洪排澇調(diào)度決策管理系統(tǒng)。