不同汛前水位控制方案下平原新城竖向标高研究.docx

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1、不同汛前水位控制方案下平原新城竖向标高研究摘要：为确定平原河网新建城区的地面基准建设标高，以江苏省丹阳市练湖新城汇水区为研究对象，在50a 一遇城市设防标准下，通过MIKE11水动力模型与ArcGIS 土方挖填分析工具，研究高、低两种不同汛前水位控制方案对最高设计水位与场地竖向方案的影响，并从安全保障、土方平衡、挖填面积以及亲水性4个方面对两个方案进行综合比较。研究结果表明：两种方案均能保证排水的安全性，但相较于汛前高水位方案，低水位方案最高水位控制低、峰现时间延长、土方缺口较小、挖填面积较小，更适宜练湖新城的建设。通过城市水系最高水位控制与场地竖向的挖填方耦合分析，为南方平原地区的新城建设竖

2、向基准标高确定提供了参考思路。关键词：城市防洪；平原地区；新城建设；城市竖向标高；汛前水位;MIKElhArcGIS； 土方分析中图法分类号：TU998. 4文献标志码：ADOI： 10.16232/ki.1001-4179.2022. 05. 0050引言近年来，受极端天气影响，城市洪涝灾害频频发生，并伴随一系列社会经济问题，是困扰城市发展的主要灾害因素1。科学合理地确定新城建设的竖向标高，是保障城市防洪排涝水安全、提高城市韧性的重要前提2-3。MIKE11水动力模型是丹麦水与环境研究所(DHI)开发的一维水动力模型4,因其界面友好、功能全面，被广泛用于城市防洪排涝模拟评估中。蒋书伟等5运用

3、MIKE11模型计算了南渡江防洪能力，并预测了防洪水面线；杨洵等6基于MIKE11计算了太子河观一魂河段水面线；崔绍峰等7通过MIKE11模型计算了季节性河流马颊河萃县段的河道水面线。目前已发表的研究主要集中在水利科学领域运用MIKE11、HEC-RAS等水力模型研究河道粗糙系数、河道断面形式以及水工构筑物调度控制条件等因素对水位的影响，计算河道的水面线,提出最高的防洪排涝设计水位与运行的调度方案，但鲜有研究将水利与城市建设关系耦合，系统性地探讨将汛前控制水位、最高控制水位与开发建设的场地竖向标高耦合，寻找安全、经济合理的新城建设标高。本研究以江苏省丹阳市练湖新城汇水区作为研究对象，选取MIK

4、E11一维水动力模型，分别模拟汛前高水位、低水位两种方案在50a一遇排涝标准下的河道水系设计水面线，并确定对应的最高控制水位，作为道路与场地竖向标高的设计依据；进而采用ArcGIS10. 3CutFill模块8,对规划地形与现状地形进行挖填方测算;最后从防洪排涝水安全、土方平衡、挖填面积、亲水性4个角度综合比选出最优竖向标高方案，对于南方平原地区洪涝灾害问题的改善、新城建设竖向标高的规划设计均具有一定的借鉴意义。1研究区概况1. 1研究区现状分析本次研究范围为江苏省丹阳市西北部的练湖新城区域，汇水面积约26. 7km2,属太湖流域湖西片区流域范围；研究区域现状地形高程范围为322m （见图1）

5、,整体地势低平，为典型的南方平原区域。该地区属北亚热带南部季风湿润气候区，年降雨量充沛，多年平均降雨量1086m （19802022年统计），年内降雨分布极不均匀，汛期（69月）平均降雨量670. 2mm,占平均雨量的62. 9%。区域内地下水主要属于松散岩孔隙水类型，但上部含水层较薄，富水性相对较差；区域下部含水层较厚，颗粒粗，富水性较好，开采难度大。研究区域内现状用地主要为练湖鱼塘和农田，区域内现状水系为练湖河、弯河（见图2）o研究范围周边的现状河道众多，包括京杭大运河、新河、幸福河、中心河、五龙河、西门运河。L2研究区规划概况为提高区域的滞洪和调蓄能力，改善区域水系生态环境，规划建设练湖

6、，并与弯河、中心河、京杭大运河、西门运河相联通。规划方案水面面积约2km2,保留现状弯河与练湖河，练湖分为上练湖、下练湖和湖链（见图3）o练湖汇水范围包括弯河以及湖体直接汇水两部分（见图4）,总共约26. 7km2,其中弯河汇水面积15.4k2,练湖湖体直接汇水范围11.3k20汇水范围内规划用地主要以绿地、居住、商棠与研发用地为主。结合规划土地利用图以及地形地势，将练湖进一步划分为39个二级汇水分区。2数据与研究方法2.1数据来源本次研究涉及的数据主要有雨量数据、河道水位数据、河道断面数据、地面高程数据4个部分，其中雨量数据来源于气象部门，河道水位数据来源于水利部门，现状河道断面数据、地面高

7、程数据来源于相关部门的实测资料，规划断面数据结合制定的方案确定。2. 2区域概化MIKE11模块包括河道平面文件（NWK）、河道断面文件（XNS）、边界条件（BND）、降雨径流（RR）以及参数文件（HD） 5个子模块。在河道平面文件中，将研究区域内弯河、上下练湖、练湖河、湖链等水系概化为河段，概化河段总长度31.7km,并在水位控制处设置9个闸门；在XNS文件中对河段对应的128个关键断面进行断面形式与参数输入，在BND文件中对6个入流边界、3个出流边界条件进行输入;在RR文件中对39个汇水分区的地表产汇流参数以及降雨过程进行数据输入;在HD文件中对初始水位以及河道粗糙系数进行数据输入。2.3

8、边界条件2.3. 1降雨边界条件（1）降雨量。根据江苏省丹阳市气象站19802022年实测最大24h降雨量，利用P-III曲线适线分析，得出各频率下的降雨量（见表1）。（2）设计降雨过程线。丹阳市练湖新城的设防标准为50a 一遇，根据江苏省暴雨查算手册对降雨进行时程分配（见图5）,作为MIKE11模型长历时降雨的数据输入。4E3DB378-B6A4-4F9C-BB46-B50B76E7AABD2. 3. 2水位边界京杭大运河是练湖的受纳水体，水位受河道整治、上游水库调度等因素影响，变化较大。本次研究采用年最大值法，根据运河丹阳水位站19612022年每年最高水位监测资料进行排频分析，得出各频率

9、下的设计水位（见表2）。2.3.3遭遇分析本次研究分别从年最大日降雨量与对应水位，以及年最大日水位与对应降雨量两个方面，深入研究降雨量与水位的遭遇关系。分析结果表明：2022年最大日降雨量为290.8n,接近50a 一遇设计降雨，其对应的水位为5. 11m,接近20a一遇水位；1991年的最大日水位为5. 51m,接近50a 一遇设计水位，其对应降雨量为178. 8mm,约在5a 一遇与10a 一遇降雨之间。从30a的逐日降雨量与水位的数据对比分析中可以看出，降雨与受纳水体的水位往往不是同频遭遇，这与刘曾美等9的研究结论一致。后续研究分别在MIKE中对两种遭遇情况进行分析，得到两种情况下的水面

10、线，并取外包线作为水系的设计水面线。2. 4模型参数选择与率定MIKE 11水动力模型需要输入的模型数据主要有两类：一类为基本参数，包括时间设置与模块选择;另一类为物理参数，包括初始水位、粗糙系数、地表产汇流等参数。MIKE11水动力模型主要设置参数如表3所列。其中，子汇水区降雨径流参数采用URBANA模型11,参照MIKE11用户手册中的推荐数值确定地表产汇流参数初始值。使用Nash-Sutcliffe系数评价模拟结果与监测结果的误差，采用R2指标来衡量模拟结果与监测结果间的线性相关程度12。最终确定最大、最小初始损失百分数分别为90%和5%,初始洼蓄量为0.6m,衰减系数为0.9o2. 5

11、模型验证建立现状水系模型，选取练湖河2022年6月27日24h实测降雨-水位结果验证模型的参数（见图6）。结果显示：在相同的降雨条件下，练湖河各断面处最高水位模拟值范围为5.475. 72m,与实际测量值的误差均小于2%,吻合程度高，因此MIKE11模型参数的选取具有较高的可靠性。3结果分析3. 1基于MIKE11模型的控制水位分析汛前水位对河道湖泊的调蓄库容以及最高控制水位有一定的影响。根据现状场地标高的实际情况以及水系景观的亲水性等因素，选取练湖河下游汛前4. 7m低水位方案与汛前5. 5m高水位方案分别进行分析,推求两种情景下设计水面线，进而得到在满足50a 一遇城市排涝标准下河道湖泊的

12、最高控制水位（见表4）。在汛前低水位方案下，弯河50a 一遇最高控制水位为6. 026. 82m,练湖、湖链与练湖河控制水位在573576m；弯河区域汛前高水位方案最高控制水位比低方案约高出0.50.6m；在练湖、练湖河以及湖链区域高出约0. 30. 5m,这表明汛前水位对最高控制水位影响显著。刘志成等13使用MIKE11模拟平原水网感潮区的水系运行情况,研究结果表明，场地建设竖向标高的确定受最高控制水位的影响。本文后续将以最高控制水位作为道路与场地竖向标高的设计依据，进一步讨论高、低水位方案对新城场地竖向标高的影响。3.2基于GIS填挖方方法的场地竖向标高由于弯河汇水范围内有一定比例的现状建

13、设用地，且地势较低，基本以填方为主;而练湖自身的汇水范围是完全新建的新城，待开挖区域较大，存在场地内土方自平衡的可能性，因此本次研究重点分析练湖自身11.3km2的汇水区域场地的竖向标高与土方平衡（见图7）。为进一步探讨最高控制水位对场地竖向标高的影响，分别对高、低水位方案下规划场地内的湖体区域以及场地区域进行土方平衡分析。3. 2.1湖体区域挖填方分析参考太湖流域9个面积大于0. 5km2的湖泊平均水深状况，结果表明：太湖流域湖泊平均水深范围主要分布在L52. 0m之间，为典型的浅水型湖泊14。考虑到较深的水深有利于水质净化15,且产生的挖方量可用于城市建设用地回填，规划汛前低水位运行方案下

14、的水深范围约为04 7m；汛前高水位运行方案水深范围约05. 5mo练湖平均水深取值较太湖流域典型的浅水型湖泊深，低水位控制方案平均水深为2.8m,高水位控制方案为3. 2m。练湖的恢复对区域防洪排涝起到积极作用，而湖体的挖深，决定了湖体的库容大小，同时也是练湖汇水区填土土方的重要来源。结合练湖的功能定位、水质保障、景观设置以及现状京杭大运河、练湖河的底高程，确定恢复的练湖深泓线与现状练湖河、京杭大运河基本一致,并从湖体岸边至深泓线均匀放线，营造深潭浅滩景象。不同汛前控制水位方案下水位控制与场地竖向标高关系如图8所示。绘制两个不同情景下湖体等高线，并输入ArcGIS制作成为10mX10m的DE

15、M（见图9）,根据规划标高与现状场地标高的叠加，确定不同情景下的挖填方量以及可用于其他场地回填的余方量，如表5所列。结果表明：汛前低水位控制方案总库容约606万m3,产生可用于回填的余方量约为736万m3；汛前高水位控制方案总库容约687万m3,产生可用于回填的余方量约为676万m3o两方案湖最深底高程保持一致，高水位控制方案较低水位控制方案的余方量约少60万m3o3. 2. 2陆地区域的挖填方分析练湖周边陆地区域现状基本为鱼塘和农田，标高相对较低，主要集中在4. 09. 0mo本文基于MIKE11水勤力模型确定了区域内各水系最高控制水位;在此基础上考虑一定的安全裕度（超高按0.5m考虑），以此作为最低场地标高；按照城乡建设用地竖向规划规范16的排水要求，以0.3%的坡度递增的方式确定最高点，并与现状周边道路场地进行充分衔接，绘制规划区场地规划等高线。将绘制的等高线输入ArcGI