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摘 要：
关键词：
雄安新区;城市水系;水系结构;SWMM模型;溢流风险;
王英(1982—)，女，博士，主要从事生态水文等方面研究。
*龚家国(1977—)，男，正高级工程师，博士，主要从事生态水文方面研究。
基金：
拆。雄安新区八于乡李庄污水改造，还是需要拆的，只不过雄安目前还在建设过程中，有很多地方还没有来得及拆迁改造。如果污水影响到了正常的生活，可以向当地的街道办进行询问，看什么时候进行具体的拆迁，近日，雄安官方发布了。
国家重点基础研究发展计划(2018YFC0506904);
引用：
据介绍，主要工程内容是在河道末端设置闸坝控制，将入淀河水导入湿地系统，扩大水流面积，降低水位，通过生态湿地的净化作用使水质改善，有效削减COD、氮、磷污染物。据生态环境局有关负责人介绍，预计藻苲淀湿地规模达到
王英，王浩，龚家国，等． 雄安新区城市水系结构规划分析［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 7) : 199-208.
WANG Ying，WANG Hao，GONG Jiaguo，et al． Analysis of urban river system structure planning in Xiongan New Area［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 7) : 199-208.
0 引 言
城市水系是指与城市发展有关的水域空间的总称，是城市形态的重要组成部分，主要由水库、河流、湖泊等组成，在城市发展建设中发挥着防洪排涝、供水、航运、水产养殖、水质净化、旅游景观等综合性功能。水系是城市的血脉，是一个城市的灵魂，然而由于人类活动的长期影响，尤以城市化和工业化的影响最为显著，目前我国大部分城市水系的原始自然形态已受到干扰乃至破坏，加上认识和管理等方面的不足，城市水系结构偏离了其自然发展演化规律，是城市或区域水旱灾害加剧和水环境恶化的原因之一。城市建设的快速发展通常会带来地表不透水面的增加，城市暴雨洪涝灾害已经成为中国自然灾害损失最为严重的部分，严重威胁城镇居民财产及人身安全，城市水系规划建设必须将水安全放在首位。城市暴雨洪水模拟是进行城市防洪安全检验的关键技术手段，暴雨洪水管理模型(SWMM)是由美国环境总署研发的模型，主要用于城市排水、防涝工程的规划、设计、管理等，已经在许多国家和地区进行广泛应用。
有关水系结构的理论研究，影响最大的是美国的Horton河流定律，揭示了流域水网结构普遍存在的经验型数量关系，在此基础上，各国学者开展了诸多研究，一般选取长度、面积、水面率、河网密度等指标值对水系结构特征和规划合理性进行分析研究。徐慧等运用景观生态学的分析方法，将河流与水系看作水景观元素中的廊道和网络，通过计算和比较水系规划前后河流廊道和水系网络的度量指标变化，主要分析水系网络的连通性来评价水系规划的科学性和合理性。杨凯从土地利用、景观、形态、结构、功能等方面，研究平原河网地区高密度水系结构特征及其相关的调蓄效应，发现水面率具有表征城市化对水系结构影响的重要意义。邵玉龙等运用图论和GIS的方法研究苏州市水系结构与河流连通变化，选取河流长度、面积、河网密度、水面率等指标分析水系结构整体性变化。黄奕龙等选取水系长度、密度、分枝比、水面率等指标研究深圳城市化过程中的水系结构变化，发现河流水系结构的退化减小河流的水面率，一定程度影响了深圳市的生态环境质量。陈云霞等以河网密度、河网水面率、平均长度比和河网复杂度表征水系结构参数，采用河网水系分级量算统计和图形叠加对比等方法，分析河网结构变化，发现河网密度与河网水面率的减少，削弱了河网天然的蓄水排涝功能。因此，良好的水系结构不仅保证城市的水安全，还能维持生态平衡，提高城市环境质量和品位。
河北雄安新区在建精品工程、样板工程、安全工程、廉洁工程。按照统筹规划、分步实施的原则，系统推进地下高铁、地铁、综合管廊和水系、路网、绿谷及沿线建筑和商业设施的规划建设。高质量推进防洪堤建设，抓紧疏浚清理河道，确保新。
1 研究区概况
雄安新区起步区(以下简称起步区)位于115°46′E—116°2′E，38°56′N—39°2′N，是雄安新区的主城区，三面临水，西依萍河、北靠荣乌高速、东接白沟引河、南临白洋淀，具体位置如图1所示。起步区规划面积约198 km2，其中城市建设用地约100 km2。该区域属暖温带季风型大陆性气候，四季分明，年均气温11.7 ℃，最高月(7月)平均气温26 ℃，最低月(1月)平均气温-4.9 ℃;年日照2 685 h，年平均降雨量551.5 mm，6—9月降雨占总降雨量的80%。区域内没有天然河流，主要的水域类型为沟渠和零散分布的坑塘。全境西北高，东南低，海拔标高4～21 m，自然纵坡1/1 000左右，为缓倾平原。
工程堤防迎水，采用生态植被网垫进行坡面防护并覆土植草；堤防背水侧采用种植灌草等植物防护堤坡。堤脚采用格宾石笼及混凝土脚槽防护，混凝土脚槽规格为0.8x0.8m，堤脚防护前加3m长、0.5m厚石笼防护，顶部覆土植草。
图1 起步区高程和区位示意
从北京西站坐城际列车，50分钟可到雄安站。南方的人们沿京广线到河北保定后，再沿津保线乘15分钟高铁就到了新区另外一座车站白洋淀。京雄高速、荣乌高速新线等新建成的公路，把雄安新区紧紧嵌入纵横交错的公路网，可让天南。
2 水系平面结构分析
研究表明影响城市水系结构的因素主要包括地形、降雨、城市规模等，受地形影响最为显著，考虑这些因素，以东营市东城区(以下简称东城区)、苏州市姑苏区(以下简称姑苏区)作为参照，从地形地貌、水动力条件、降雨径流、城市定位等方面，对新型现代化城市水系结构做相似性分析。
姑苏区和东城区的基本概况如下：
(1)姑苏区位于长江三角洲，太湖流域地带，119°55′E—121°20′E、30°47′N—32°2′N;地处山水名城苏州市中心，总面积83.4 km2。属于北亚热带南缘湿润季风气候区，温暖潮湿多雨，四季分明，年平均气温15.7 ℃;年降水量约1 086 mm，主要集中在4—9月。姑苏区以平缓平原为主，地势低平，自西向东缓慢倾斜，平原的海拔高度3～4 m; 区内河网密布，河道纵横，水系呈网格状分布。
(2)东城区位于黄河三角洲地区，118°35′42″E—118°59′52″E，37°14′13″N—37°31′57″N，总面积267.3 km2。地势西高东低，比降为1/10 000;地面平均高度6～8 m。多年平均降水量为556.10 mm; 沿海气温以1月最低，平均1～4 ℃，7—8月气温最高，平均24～26.3 ℃。河流水面大，河底比降小，河北雄安新区河道改造，除换水期外，河道内的水体基本不流动。
2.2 水系结构分析方法
2.2.1 数据来源
水文基础数据来源于水文年鉴、水资源公报及国家科学气象数据中心。应用遥感影像数据，结合已知的城市结构水系图，对姑苏区和东城区的水系结构进行提取和计算。
2.2.2 水系结构参数选取
根据宽度对河流进行等级划分：一级河流，河宽大于40 m; 二级河流，河宽大于20 m; 三级河流，河宽为0～20 m。选取河网密度、水面率、河网发育系数和面积长度参数来规划水系平面结构，4个参数的内涵和计算公式如表1所列。
2.2.3 水文情景相似性分析方法
选取起步区、姑苏区和东城区附近的气象站点1960年1月—2019年7月的日降雨数据，采用泰森多边形法赋予流域各个站点不同的权重系数，分别计算各区5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇及100 a一遇的降雨量，并在研究区内随机选取一块样地，计算各城区的径流系数，做水文相似性分析。
2.3 水系平面结构结果分析
2.3.1 城市水系相似性分析
降雨是城市水系结构重要的影响因素之一，降雨径流是城市洪水的主要来源，城市水系是防洪泄洪的主要途径。利用近60 a的日降雨数据对比分析起步区、姑苏区和东城区的降雨、产汇流特性。三个区域集中降雨时期相近，起步区和东城区多年平均降雨量相同，各重现期的累积降雨量相近(见表2)。
姑苏区的河流多为天然河流，河网形成长期受自然因素的影响，后期人工建设也主要集中在对河道的加宽清淤及河岸的治理；东城区的水系主要是靠后期人工修建，河道线路单一，多为直道，因此水系结构相对姑苏区的更为简单。利用提取的姑苏区和东城区水系结构(见图2)计算其水系结构参数。
三级河道主要功能是快速汇集地表水并向下游导水。姑苏区和东城区三级河道的单位河网面积分别为0.013 9、0.003 3，占比较小；三级河道水系密度分别为0.889、0.186，在分布上较为分散，起到了集水汇水作用。一级河道占比较高，存在较为明显的主干化趋势。姑苏区降雨量较东城区多，一、二级河道的河流宽度较东城区的小，为达到疏排水效果，使雨水就近入河，及时排出，三级河道分布更密。由于三级河道的分布受研究区降雨的影响，降雨越大，所需三级河流的密度就越高。因此起步区规划城市三级河道时，应考虑降雨量对起步区的影响。
2.3.3 起步区水系平面分析
三级河流的单位面积要有一定密度，才能收集地表径流进入河道，三级河道内的洪水要想快速排走，就需要二级河道占有相当的比例。根据姑苏区和东城区三级河流的分布情况，对起步区三级河流的长度和面积进行估计取值。起步区的三级河流的水系密度取值为0.5，规划长度大约为99 km，单位河网面积为0.005，规划一、二、三级河流的宽度均值分别控制在60 m、20～30 m和5～20 m，起步区各级河道详细规划数值如表4所列。
河网发育系数表示河流对径流的调节作用。根据现有规划和资料，计算起步区河网的结构系数。起步区二、三级河流的河网发育系数分别为1.003和0.872，表明各级河流发育相对平均，都趋近于1，防止了河网主干化，对径流的调节作用有利。河网密度为1.66，在东城区0.95和姑苏区2.09之间，属于合理范围。为保证起步区的水系结构安排合理，查阅《城市水系规划规范》(GB 50513—2009)，雄安新区的适宜水面积率应在3%～8%之间，本次规划的水面积率为4.9%～6.2%，属于合理范围。
规划纲要中对三级河流的规划要求为：紧邻城市建设用地或城市道路，水面宽度控制在10～20 m之间。考虑到研究区北部主要为建设用地，地面透水性较低，遇到短时强降雨时，可能存在无法将雨水及时排走的情况。因此三级河流主要分布在起步区北部，根据起步区骨干道路规划图，对三级河流进行规划，初步规划后的水系平面如图3所示。
图3 起步区初步规划水系平面示意
3 水系结构溢流风险模拟
在初步确定起步区水系平面结构的基础上，运用SWMM(Storm Water Management Model)模型进行不同降雨情景下的水系溢流风险模拟，进而调整确立合理的城市水系结构。
3.1 SWMM雨洪模型构建
3.1.1 流域下垫面概化
首先，根据新区规划的土地利用类型，将研究区划分为637个汇水区。利用SWMM模型软件计算各子汇水区面积。然后在SWMM模拟地表汇流过程中，子流域概化为透水区域和不透水区域两部分，以反映不同的地表特征，子流域出流量为两部分产流之和。结合起步区规划对下垫面进行概化处理，起步区主要分为城市建筑区和城市绿地区，城镇用地的不透水率取值为75%，城市绿地的不透水率取值20%。无洼蓄不透水面积比率采用SWMM模型手册推荐取值25%。采用30 m×30 m的DEM数据，通过ArcGIS软件进行分区统计汇水区坡度，汇水区平均坡度范围为0.23%～1.34%。
为更好地模拟出河流的蜿蜒性，在河流弯曲处设置节点加以连接，进而将整个研究区的水系规划为一个由“节点”与“管段”组成的网络系统。对概化后的水系网络采用平均坡度、统一糙率与断面的形式开始模拟，共有9个排放口，616个节点，741条管段。
3.1.2 模拟情景设定
选取芝加哥雨型合成设计暴雨。我国常用的设计暴雨强度公式如下
式中，q为平均暴雨强度[L/(s·hm2)];P为设计降雨重现期(a);T为降雨历时(min);i为降雨强度(mm/min);A，C，b，n均为常数。
基于保定市暴雨强度公式，采用芝加哥雨型模拟重现期分别为1、2、5、10、20、50、100 a的降雨情景，雨峰系数r=0.4，时间步长为1 min。对于芝加哥过程线模型，重现期P决定着每场降雨雨强的最大值，雨峰系数r决定着雨强最大值出现的时间。不同情景下的降雨统计情况如表5所列。
3.1.3 模型参数率定
由于受到各种条件的限制，SWMM模型中部分参数不能得到其准确数值及初始值，常用经验或者参数优化方法确定。综合径流系数是基于径流系数的城市降雨径流模型参数率定方法，此方法常用于缺少实测数据的区域，并在许多学者的研究试验中取得了良好的验证效果。通过对比城市雨水管网设计中采用的综合径流系数和SWMM模拟的径流系数，对模型的主要参数进行率定。起步区的整体水系尚处于建设之中，没有降雨径流的实测数据，因此以城市的径流系数作为验证指标，采用综合径流系数法对模型进行验证。研究区的综合径流系数采用《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)取值，然后与模型模拟的径流系数对比，进而对模型参数率定和验证。
以重现期P=2 a的降雨为例，对起步区的径流系数进行率定，采用重现期为1 a、5 a、10 a、20 a的降雨对模型进行验证。起步区大致分为两部分：建筑区和绿地区，建筑区的模拟径流系数均处于0.6～0.8之间，绿地区的模拟径流系数处于0.15～0.45之间，符合规划规范及要求，模型满足研究分析需求。
3.2 水系溢流风险模拟结果与分析
3.2.1 不同降雨情景模拟分析
起步区水系在日常降雨情景下，可以起到较好的防洪排涝作用。重点分析50 a一遇降雨和100 a一遇降雨的极端条件下起步区水系的防洪排涝能力。在重现期P=50 a的降雨事件下，有14个溢流节点，其中节点375溢流超过50 min，4个节点溢流超过0.5 h。
在重现期P=100 a的降雨事件下，有15个溢流节点，其中节点375溢流时长从P=50 a的50 min增加到1 h，基本持续到降雨事件结束。7个节点溢流超过0.5 h，对比P=50 a的降雨事件，溢流超过0.5 h的节点增加了近1倍，且节点溢流的总积水量为11.32万m3，比P=50 a时增长了53.6%。
不同降雨情景下水系溢流风险节点位置如图4所示。在图4中红色的圆点表示溢流风险节点，两种降雨情景下，南部都有3处区域有红色节点，起步区南部是溢流高风险区。相比P=50 a降雨，P=100 a降雨时的溢流风险区增加了1处，新增加的溢流节点出现在图4(b)的右上角红色节点处，此节点在起步区初步水系规划的三级河流上，位于起步区东北部，建筑集中区和城市湿地区的交界位置。新增溢流风险节点位于起步区整体水系的上游，其上游的节点及节点来水量相对简单，此节点所积攒的雨水可以较快排走。
图4 不同降雨情景下水系溢流风险节点位置示意
北京到雄安新区好像不用修运河，因为现在就有河相同。子牙河还是大清河。目前正在清理河道整修中。
由于极端降雨事件下，节点总溢流量相对较大，可能会对起步区造成洪涝影响，尤其是南部的零散建筑集中区。为达到起步区防洪排涝标准，在极端降雨来临之前可通过起步区上游的进水口和下游的排水口对起步区水系的水量进行调控，以此来防止极端降雨下节点的溢流。
3.2.2 研究区水系调整分析
3.2.2.1 调蓄分析
选取起步区1989—2019年30 a间的日降雨对起步区的年径流控制率进行计算。当年径流控制率为95%时，对应的特定日降雨量为45.52 mm。利用P-III曲线，对这30 a的日降雨进行降雨频率分析，对应50 a一遇的日降雨量为56.96 mm。
为保证起步区水系在50 a一遇的日降雨情境下仍保持无内涝，需要规划规模适中的湖泊对多余的降雨量和相应的河道溢流水量进行收集。湖泊的蓄存变容积计算公式为：湖泊蓄存变化水量=需存储雨量×起步区面积+溢流水量。其中，溢流水量为11.32万m3，起步区面积193.27 km2，需要存储的水量为11.44 mm，起步区的湖泊蓄存变化容积为232.12万m3。考虑到城市湖泊的水位要维持相对稳定，起步区湖泊的允许变化水深为1 m，那么湖泊的蓄存变化面积为2.32 km2。
根据起步区30 m×30 m的DEM数据，利用淹没分析方法，识别出起步区内的低洼处，按集中连片，结合水系上下游关系和起步区的河段溢流情况，对调蓄和湖泊的位置进行确定。最终将起步区的调蓄湖泊设置在起步区的南部低洼处，该区域地势低洼，位于城市水系的下游，方便储水，且靠近溢流风险区，便于收集溢流水量，降低溢流风险，提高城区防洪安全，调整后的规划水系湖泊分布如图5所示。
图5 起步区水系湖泊分布示意
3.2.2.2 水系结构分析
4 结果与讨论
(1)起步区的水系为树杈型，二、三级河流的河网发育系数均接近于1，各级相差不大，水系结构稳定，有利于径流调节。城市三级河道的分布受研究区降雨的影响较大，降雨量越大，所需三级河流的密度就越高。三级河流的水系密度取值0.5，规划长度约为99 km，单位河网面积为0.005。
(2)用不同重现期的降雨对SWMM模型进行率定和验证，该模型能满足起步区的水动力模拟应用。SWMM模型对50 a和100 a一遇降雨的模拟结果显示，起步区南部是溢流高风险区，50 a和100 a一遇降雨时溢流的总积水量分别为7.37万m3和11.32万m3。
(3)起步区的调蓄湖泊设置在城区的南部低洼处，位于城市水系的下游，方便收集蓄存雨水。湖泊的允许变化水深为1 m，蓄存变化面积为2.32 km2。一、二级河流断面选为复式断面，上部为梯形浅滩，下部为矩形深槽；三级河流为矩形断面。规划后的水系水面积率为7.28%，保证了城市发展适宜水面积率的要求。
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