摘要： 为应对城市洪水与内涝问题，本文收集并梳理涉及项目范围的相关上位规划、基础资料，利用GIS进行信息集成，并构建项目范围汇水范围的河网模型，分析不同频率暴雨、潮位组合下的河网水动力特征以及在水闸不同调度方式下的河网水动力特征，以对河网和水闸设计方案进行防洪排涝评估并确定最终的优化方案。

关键词：防洪排涝；海绵城市建设；水系优化

随着气候变化的加剧、人口的增加、城市化进程的快速发展，城市内涝问题日趋严重。这主要是由于城镇化与工业化进程的加快，导致城镇土地利用结构改变，自然水系遭到破坏，难以排泄高风险洪水。为解决水环境、水安全等方面存在的挑战与问题，国家开展了海绵城市建设试点工作，大力提倡海绵城市建设。一个设计优良的水系是海绵城市建设中的重要环节，是城市行洪、排涝的主要通道，是保护城市安全的重要载体。
本文通过构建汇水范围内的动态水力模型，全面评估各种水文条件组合下的项目范围内河网水力特征，以优化河道布局、断面形式、桥涵和水闸规模，为河道及景观设计、防洪排涝、风暴潮应对和河网综合调度提供决策支持。

1 项目概况

本项目位于北海某滨海开发内，规划面积约4.44km2，规划人口4.7万人，规划防潮标准100年一遇，规划排涝标准30年一遇。
开发区受上游来水、中间城区排水以及下游潮位的共同影响，防洪排涝、风暴潮、水环境等一些相互关联问题的有效处理，需要从流域整体分析入手，通过模型科学评估，在设计中进行优化。为此，以上位相关规划为基础，就河网设计衔接和细节，利用流域水文与河道水力学模型，详细分析评估并优化多种工况和方案，支撑项目范围内的河道、桥涵、水闸设计和调度管理。 

2 流域洪涝特征

2.1 流域边界确定
整个汇水面积约12.12 km2，其中开发区上游汇水范围面积约8.76 km2，开发区内汇水范围面积约3.36 km2，开发区其它1.08 km2范围通过规划管线排海。

2.2 水系排水特征
项目范围内规划有三条河道，承担着流域防洪排涝、水资源和景观等多种功能，河道入流有通过规划管网排口入流，也有沿程入流。开发区承接上游8.76 km2来水、城区排水和排海潮位共同影响。

2.3 洪潮特征分析
项目区沿海属不正规全日潮，潮汐特点为每月大潮过后约有2～6天时间一日两次高低潮，一年当中，一日一次高低潮的天数约占 60～70%。根据50年观测资料统计，本海区历史最高潮位3.75m，最低潮位2.35m，平均潮位0.37m，平均高潮位 1.66m，平均低潮位0.89m。最大潮差 5.87m，平均潮差2.36m。潮历时是冬夏两季长，且有涨潮历时长，落潮历时短。
经历年洪灾分析洪水主要是由暴雨造成，洪水期与暴雨期相对应，暴雨洪水主要集中在每年的5～9月份，其中7、8月份最多，7～9月份的暴雨主要受台风的影响形成。且暴雨往往发生在涨潮期，雨峰位置与潮峰位置相近。在模型分析中，将结合上述潮洪特征，采用分析设计降雨与设计潮位置的峰对峰组合，分析风暴潮碰头的情形。

2.4 水文资料
（1） 设计暴雨
模型采用的各频率设计暴雨数据如下：

表 1 项目区设计暴雨成果表

时段	均值(mm)	CV	CS/ CV	各频率雨量(mm)
				1%	2%	3.33%	5%	10%	20%
1h	65	0.35	3.5	137	125	116	109	95.5	81.6
6h	131.3	0.5	3.5	359	317	286	261	218	174
24h	214.8	0.54	3.5	626	549	491	445	367	288

（2）设计雨型

24小时设计雨型分配图（时段为1小时），如下：

图1  24小时设计雨型分配图

（3） 设计潮位及潮型
项目区域内无潮位站，其设计潮位采用附近2个潮位站潮位数据进行线性内插。设计潮位见表2。
表 2 设计年最高高潮位表

地点	各频率年最高高潮位Hp（m.黄海高程）
	均值	1%	2%	3.33%	5%	10%
中信国安北海第一城	3.2	4.02	3.88	3.79	3.68	3.55

项目所在区未获取到相关设计潮位资料，采用1971由台风引起的该市造成较大破坏的风暴潮期间的潮位过程作为基础，其他设计频率潮位在该潮位过程的基础上进行修正。

3 水系布局
3.1 水系布局 
从开发区的防洪排涝、水资源和景观需求等角度，主要规划有三条河道。
各河道功能如下：

1、A河，东北至西南走向，起到区域防洪排涝、城市景观、淡水资源供给功能。
2、B河，沟通A河，具有防洪排涝、淡水资源供给功能。
3、在A河B河前规划分流渠C河，起着防洪排涝，分担A河防洪排涝压力功能。

3.2 水闸布局

项目范围内的水闸包括A河东闸、A河西闸、B河泄水闸和C闸。
1、A河上游两端、C河均与外海相通，设置钢筋混凝土平板闸门控制内水和外海的开合，即保证内水与外界水体的连通，同时可挡拦外海暴潮倒灌。A河上设置东闸、C河上设置分流闸，起到排洪涝挡潮的作用。A河上设置西闸起到排洪涝挡潮、引换水、往红树林补水功能。
2、B河入A河前段设置格栅渠道，洪水期可往A河泄流，保证洪涝安全，小雨或上游补水期控制悬浮物及保护水质作用。
4 洪潮组合模拟分析
4.1 模型构建
模型采用非恒定流基本方程进行数值模拟计算，采用动力波方法离散差分求解圣·维南方程组，动态模拟感潮河网的复杂水动力运动。考虑开发区建设后的城市用地条件，流域水文采用小流域产汇流计算，根据各子流域的下垫面特征、坡度和汇流长度模拟计算。

断面概化
根据水系布局，在模型中创建断面对象，利用河道各断面设计信息，构建河网模型的各断面，包括X,Y、高程、曼宁数等关键信息，按照河流上游到下游依次连接完成河道断面概化。

图 2  断面概化图1

2、水闸概化
研究区域内包括A河东闸、A河西闸、C闸和B河泄水闸。根据水闸设计类型选择合适的控制构筑物类型，其中A河东闸和C闸采用立式水闸，A河西闸和B闸采用翻版闸。各闸门构筑物按照设计信息输入尺寸信息，多孔闸门采用闸门并联。模型将自动根据水闸上下游水位自动选择自由出流、淹没出流状态下的堰流公式或孔流公式。
3、边界条件
河网模型所有开边界（如河流的上下游）都需要有边界控制条件。本文中，上游边界清晰无入流，C闸、A河东闸与A河西闸均采用闸下潮位控制。
4、划分集水区
根据规划管网及地形高程将项目范围划分17个集水区，总面积为12.12 km2。
集水区以降雨为输入边界，通过降雨径流模型计算产流量，并以旁侧流的形式汇入边界的河流中。集水区汇流采用不同的方式，无管网区域采用河道沿程汇流，有规划管网集中入流的区域，根据管网排水口设置汇流点。
完成上述断面、水闸、集水区、边界条件概化后，河网模型概化完毕，见图4和5。

图4  河网模型概化图

4.2 方案组成与分析
考虑水系布局、闸宽、设计暴雨和潮位边界组合，以及水闸多种调度方式，利用模型模拟了面向设计目标的多方案组合，用于分析东闸和C闸评估、B闸宽评估、西闸在应对100年一遇（100Y）超标准洪水时效果、西闸在30年一遇（30Y）、50年一遇（50Y）暴雨和10年一遇（10Y）潮位组合下效果，以及调度优化模拟（考虑六种调度情形）评估复核东闸、C闸和西闸的功效。

4.2.1 闸组合方案
1、东闸与C闸评估
（1）考虑东闸或C闸开，西闸关闭且无B闸情形下，模拟30年一遇30Y、50Y、100Y设计降雨下与10Y潮位峰对峰组合下的6种方案。
（2）东闸及C闸双开，西闸关闭且无B闸情形下，模拟30Y、50Y、100Y设计降雨下，与10Y潮位峰对峰组合下的3种方案。
2、B闸宽评估
（1）C闸、西闸关闭，B闸选取12m和20m全开时，30Y、50Y、100Y设计降雨与10Y潮位峰对峰组合下的6种设计方案。
（2）西闸关，C闸及东闸双开，B闸12m和20m全开下共6种模型方案。
3、西闸评估
（1）C闸、东闸开，B闸宽20m，西闸开和关, 在应对100Y超标准洪水时的2种方案。
（2）C闸、东闸开，B闸宽20m，西闸开和关，模拟30Y、50Y设计降雨与10Y潮位峰对峰组合下的4种方案。
4.2.2 洪潮组合下闸的调度优化
为了确保项目区感潮河网的防洪排涝、挡潮安全，需要进行水闸的优化调度方案研究。为此，分析不同的调度方案下，多种频率降雨与潮位组合后河网水动力特征，为方案设计、调度管理提供依据。模型分析了6种调度模式，见表3.
表3调度优化模拟（考虑六种调度情形）评估复核东闸、C闸、西闸

1、暴雨占主导因素时水力特征分析

逻辑控制-L1

逻辑控制-L2

逻辑控制-L3

逻辑控制-L4

逻辑控制-L5

逻辑控制-L6

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

B闸

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

闸前水位>2.8m

闸前水位<=2.8m

C闸

B闸前水位>2.18m,且闸前水位>潮位

不满足开条件

B闸前水位>2.18m,且闸前水位>潮位

不满足开条件

B闸前水位>2.18m,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

B闸前水位>2.18m,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

处于落潮期，B闸前水位>2.18m,且闸前水位>潮位

不满足开条件

处于落潮期，B闸前水位>2.18m,且闸前水位>潮位

不满足开条件

东闸

闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

闸前水位>2.0,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

闸前水位>2.0,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

处于落潮期，且闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

处于落潮期，且闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

西闸

闸前水位>3.8,且闸前水位>潮位

不满足开条件

闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

闸前水位>2.0,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

闸前水位>3.8,且闸前水位>（潮位+0.5）

不满足开条件

处于落潮期，且闸前水位>3.8,且闸前水位>潮位

不满足开条件

处于落潮期，且闸前水位>2.0,且闸前水位>潮位

不满足开条件

---

①模型模拟30Y、50Y、100Y一遇设计降雨，与10Y潮位、平均高潮、平均高高潮峰对峰组合下，L1和L2逻辑控制下共16种方案。
②利用模型模拟30Y降雨与10Y潮位峰对峰组合下，L3和L4逻辑控制下共3种方案。
2、潮位占主导因素时水力特征分析
①10Y降雨下与30Y、50Y、100Y潮位峰对峰组合下，L1和L2逻辑控制下共4种方案。
②利用模型模拟10Y降雨下与30Y、50Y、100Y潮位峰对峰组合下，L3逻辑控制下共5种方案。
3、历史风暴潮评估（1971、1974）水力特征分析
①利用模型模拟1974年、1971年特大暴雨与相应同步实测潮位时，L1逻辑控制下的2种方案。
②利用模型模拟1974年、1971年特大暴雨与相应同步实测潮位时，L3逻辑控制下的2种方案。
4、涨潮不开闸（L5、L6调度模式）水力特征分析
模拟10Y、30Y降雨与10Y、30Y、50Y、100Y、平均高高潮、平均高潮潮位峰对峰组合下，L5和L6逻辑控制下共14种方案。
5、中小强度降雨事件下的水力特征分析
利用模型模拟1年一遇、2年一遇、5年一遇降雨与平均高潮潮位峰对峰组合下，L6逻辑控制下共7种方案。
4.3 模拟结果
项目以上位相关规划为基础，考虑水系布局、闸宽、设计暴雨和潮位边界组合，以及闸门6种调度方式，利用流域水文与河道水力学模型进行了面向设计目标的多组方案的模拟计算。通过多方案的分析比较，进行东闸和C闸评估、B闸宽评估、西闸评估；利用调度优化方案评估设计河道规模与东闸、C闸、B闸和西闸规模组合运行后的复杂水动力特征；最终推荐满足设计标准的方案。
经过综合分析比较，推荐方案如下。
（1） 河道规模设计参数
A河、B河和C河关键设计参数见表4。

注：断面均为符合断面。

（2） 水闸规模设计参数

各水闸关键设计参数如下。
①A河西闸总净宽度12m，单闸净宽度12m，底板顶高程1.7m。
②A河东闸总净宽度20m，分5孔，单孔净宽4m，底板顶高程0.5m。
③C闸总净宽度12m，分3孔，单孔净宽4m，底板顶高程0.5m。
④B闸总净宽度20m，单闸净宽度20m，底板顶高程0.5m
（3） 景观设计水文要素
河道两岸采用生态护坡，考虑河道的2年、10、30和50年一遇各河段设计流速变化；亲水二级平台的设计标高采用5年一遇各河段设计水位超过0.5m。

5 结语
现代城市扩张导致城市内涝及城市近郊的河湖水系发生了巨大的变化，一些河道和池塘被填埋。人们逐渐认识到要解决城市内涝问题，不能仅靠容积有限的管道进行排水，应将源头控制作为底面，灰色设施作为立面，骨干滞蓄行洪作为顶面，在良好的管理与维护中实现顶层设计。
海绵城市建设不是片面的雨水源头控制（LID），或水景观工程，它是城市水安全和生态系统的保护和再造，涉及相互关联的水资源管理、洪涝防治、雨水源头调控与城市生态修复等等，以及这些要素与城市建设的融合，需要多专业的集成和跨部门的合作。而水系优化是城市防洪排涝的前提，因此海绵城市建设需要从城市水系整治入手，统筹城市水体循环，梳理城市河道。本文利用仿真模拟技术， 模拟了面向设计目标的多种方案，分析评估不同频率暴雨、潮位组合下的河网水动力特征以及在不同水闸调度方式下的河网水动力特征，为河网和水闸及景观设计、防洪排涝、风暴潮应对和调度管理提供决策支持。
模拟，水质预测预警，城市防洪排涝等工作和应用研究。