平原河网地区产汇流机制复杂^[1],水系纵横交错,同时受自然条件和城市建设的影响^[2,3],为调控水系往往人为设置圩堤、泵闸等水工建筑物保障区域防洪除涝安全和提升水动力条件。平原河网受上游来水、过境客水和外江(海)水位等外部因素以及水工建筑物对水系的阻断、调控等内部因素影响。在划分汇水分区时,平原河网地区需考虑的因素较山区更为复杂,山区的汇水分区一般沿着地形图中的分水岭划分,通过流域出口控制断面的流量过程即可校验汇水分区划分的准确性,而平原河网地区河道常分汊或呈网状,又受到人类活动的影响,很难通过断面流量监测划定汇水分区。

受所处流域地貌和水文条件等区域特殊性的影响,平原河网地区汇水分区划分尚未形成普适性的划分方法。目前的做法大致分为两类:一类是单纯地基于数字高程模型(DEM),利用多流向算法、AGREE算法、DRLN算法、或RIDEM模型、SWAT模型以及基于这些算法的各种改进措施^[4,5,6,7],利用地形数据完成对平原河网地区汇水区边界的划分;另一类是系统考虑空间尺度、汇流机制和调控强度等维度,分析水利分片、排水系统分布、行政管理边界、水系分布及市政水利设施等因素对汇水分区的影响,因地制宜地划定不同尺度下的若干级汇水分区,强调针对不同空间尺度制定不同强度的调控措施^[8]。本文在两者研究的基础上,从理论到实际、陆域划分到水域验证的角度出发,运用水动力模型计算方法,以上海市临港主城区为例划分汇水分区,以此作为该区域水系调控、水环境治理和布设监测监控设施的重要依据,为其他平原河网地区的汇水分区划分提供参考。

临港主城区由临港地区管委会负责管理,面积67.76 km²,位于上海市东南角,东濒东海,南临杭州湾,北纬30°53′～31°09′、东经121°53′～121°51′,见图1。全区为滩涂围垦而成,土质为盐碱沙土,区内地面高程呈西高东低之势,中心大片水域为滴水湖,滴水湖以西大部分为已开发区域,整体地势较高,大部分在4.0 m以上(上海吴淞高程系,下同),滴水湖以东及以南现状为自然滩涂湿地,尚未开发,地势低平,基本在3.5 m以下。

临港主城区位于北亚热带,气候温和,常年平均气温15.6 ℃。经统计多年日降雨资料数据(1983～2015年),区内多年平均降雨量1 228.1 mm,降雨年内分配不均,6～8月为汛期,降雨量较多,约占全年的41.9%。

临港主城区以滴水湖为中心,以C1～C4的4条规划环状道路为间隔,由内向外分别是城市生活中心带、城市公园带、居住功能带和居住功能补充带。用地规划布局见图2。

临港主城区位于上海浦东水利大片中,自成圩区,通过涵闸与圩外水系形成可分可合的水系,与浦东大片相连的涵闸除引清调度时需开启以调活水体外,其他时段保持关闭状态,圩内涝水通过区内唯一外排口门赤风港水闸候潮外排出海。区内规划水系格局可概括为“一湖四环七射”,“一湖”指滴水湖,“四环”指沿滴水湖的4条环状河道,由内向外分别为春涟、夏涟、秋涟、冬涟,“七射”分别为贯穿涟河的赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7条线状河道。临港主城区水系规划格局见图3。

区内采用雨污分流排水体制。建成区道路下均已敷设雨水管道,地块和道路的雨水通过雨水管网就近排入区内水系;未开发区域是市政雨水排水设施的空白区,区域雨水通过地面漫流进入河湖水体。

主城区内河网建设尚不完善,建设程度与城市开发建设相匹配,水系西多东少,汇水分区划分需结合建设时序、建设用地布局、排水管网敷设和管理责任主体等因素统筹考虑,且随着人类活动的干扰汇水分区边界具有时变性^[8]8]。临港主城区的建设分阶段划分为规划近期(2020年)和规划远期(2035年),近期的重点建设项目和城市开发程度较远期更为明确和可控,考虑以规划近期(2020年)城市开发建设程度作为汇水分区划分的参考基准年,划定的汇水分区作为近期分区管控的重要依据。规划近期(2020年)河网在DEM基础上概化,布局见图4。

根据多年降雨及洪涝资料,选择片区内实际发生较大降雨、时间较近、降雨情况较为典型、实测资料较完整的作为参证降雨。选定近期较大的2场独立降雨“20120617”和“20131008”降雨进行河网模型的率定,并选用另2场独立降雨“20160915”和“20161022”作为验证,按照水闸管理处提供的出海闸调度记录设置模型出海闸的启闭状态,通过洪水演进计算得到4场独立降雨情况下的模型Nash Sutcliffe效率系数,均在0.6～0.8,满足模型计算的精度要求,说明模型构建及参数取值基本合理,可以运用此模型作为后续研究的基础。

原则上汇水分区划分时应分析不同等级降雨条件下的流场和汇水分区边界上的通量情况,包括小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨等。经过筛选,1996年降雨量和降雨场次接近30年来降雨统计资料的平均水平,因此选定1996年全年降雨数据作为模型分析的降雨条件。经统计,1996年全年降雨量1 183 mm,降雨天数123天,以6 h为时间间隔划分降雨场次,全年降雨次数72场,去除日降雨量小于2 mm的降雨,得到全年有效降雨场次共45场,其中大暴雨2场,暴雨1场,大雨7场,中雨19场,小雨16场。考虑到1996年全年降雨中缺乏特大暴雨场次,补充临港主城区所在浦东片100年一遇24 h面雨量279.1 mm、以治涝设计雨型(2005年8月“麦莎”雨型)分布的设计降雨作为模型分析的特大暴雨工况。

分析模型计算结果,得到1996年全年降雨和100年一遇特大暴雨工况下的水流通量和流场分布特征,见图5和图6,发现部分区域的水流以先入滴水湖再排海为主,而部分区域的水流以通过射河涟河直接排海为主,统计各射河与滴水湖相交断面的入滴水湖总水量/(各射河分流到相连涟河的旁侧水量+入滴水湖水量),得到临港主城区水体流向和入湖比例的分布规律。

多等级降雨条件下的模拟结果显示,入湖水量比例与流场分布规律基本一致,说明各场降雨下的水体流向和各断面水流通量具有明显的规律性,基于此方法划分的汇水分区具有统计意义。

基于水动力模型划分汇水分区的几个基本原则:

(1)确定模型计算结果的合理性,通过定性分析水系流场合理性和定量计算区内水量蓄排平衡得出。

(2)划分的单个汇水分区不宜过大(以10 km²以内为宜),便于后期管控。

(3)汇水分区划分的重要依据为水流以入滴水湖为主或以直接通过射河涟河外排为主,对入滴水湖为主的区域要重点管控以保障滴水湖水质(如图7中4分区、5分区)。

(4)结合规划建设时序及用地类型,区分近期建设用地和远期建设用地(如图7中2分区、3分区)和用地性质(如图7中1分区、2分区)。

(5)对有水工建筑物控制形成相对独立水体,且不同于大片调度方式的区域,单独划定汇水分区(如图7中7分区)。

基于以上原则,将临港主城区划分为8个分区,并结合各区特色制定以保障滴水湖水质为核心的分区管控建设技术指引。

以临港主城区为例,基于水动力模型分析平原河网地区在不同等级降雨条件下的水体流向和断面通量,探索利用水流特性划分平原河网地区汇水分区的方法,为临港地区分区管控和建设指引提供依据,对保障平原河网水质、尤其是城市中心滴水湖水质具有明显的优势。

本次汇水分区划分是在已实施的水利分片(浦东大片)和单一的管理责任主体(临港管委会)基础之上的,并未跨流域和管理体系,基础条件相对简单。临港主城区(独立圩区)作为一级汇水分区,综合用地特性和水流特性划分二级汇水分区,下一步可结合排水系统划分三级汇水分区。此外,其他因素如城市建设不同阶段、城市竖向管控、常规调度方式以外的水系调度等对平原河网地区汇水分区划分的影响,有待进一步研究。