基于雨水模型模擬的海綿城市建設(shè)效果分析

□文/李 鵬

自2015年國(guó)家公布首批16個(gè)海綿城市試點(diǎn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市廣泛開展了海綿城市建設(shè)，探索適宜的建設(shè)模式和方法，取得了較多經(jīng)驗(yàn)。隨著各地海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，實(shí)施效果被更多地關(guān)注；科學(xué)合理地根據(jù)海綿城市建設(shè)方案模擬分析實(shí)施效果是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的計(jì)算分析手段難以滿足大面積系統(tǒng)分析的需求，雨水模型模擬分析被廣泛應(yīng)用于海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)施當(dāng)中。本文以我國(guó)西南地區(qū)某市主城區(qū)為例，介紹了雨水模型建立的過程和分析方法并進(jìn)行了海綿城市建成前后的效果對(duì)比。

1 區(qū)域模型參數(shù)

1.1 模型與模擬原理

采用InfoWorks ICM（城市綜合流域排水模型）建模，包含排水管網(wǎng)系統(tǒng)水力模型、河道系統(tǒng)水力模型和二維城市/流域洪澇淹沒模型；可完整地模擬城市雨水循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，真實(shí)模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用。主要模塊包括：排水管網(wǎng)水力模型（水文模塊、管道水力模塊、污水量計(jì)算模塊）、河道水力模型、二維城市/流域洪澇淹沒模型、實(shí)時(shí)控制模塊、水質(zhì)模塊和可持續(xù)構(gòu)筑物（SUDS）模塊。本次模擬運(yùn)用的主要計(jì)算模塊：降雨-徑流模塊、管流模塊、二維洪澇淹沒模塊。

1.2 區(qū)域模型

對(duì)某市主城區(qū)進(jìn)行了雨水管網(wǎng)系統(tǒng)水力模型建立，主城區(qū)面積128.6 km2。對(duì)不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期的雨水管網(wǎng)情況進(jìn)行模擬，根據(jù)規(guī)劃雨水管網(wǎng)的CAD模型進(jìn)行了建模，鑒于主城區(qū)模擬區(qū)域較大，考慮到工作量及精度要求，管網(wǎng)模型采用雨水管網(wǎng)主干管及干管，對(duì)于部分支管未進(jìn)行建模，可以滿足雨水管網(wǎng)模擬及海綿城市實(shí)施效果模擬的目的。見圖1。

圖1 雨水管網(wǎng)模型及區(qū)域徑流系數(shù)分布

模型的管徑、坡度及埋深根據(jù)主城區(qū)排水專項(xiàng)規(guī)劃的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為3 a 一遇；徑流系數(shù)分布通過地面用地性質(zhì)計(jì)算確定；地形地貌采用規(guī)劃路網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)入分析。

1.3 徑流總量控制率

我國(guó)大陸地區(qū)大致分為五個(gè)區(qū)，各區(qū)年徑流總量控制率α；I區(qū)（85%≤α≤90%）、II區(qū)（80%≤α≤85%）、III區(qū)（75%≤α≤85%）、IV 區(qū)（70%≤α≤85%）、V 區(qū)（60%≤α≤85%）[1]。該市屬于Ⅴ區(qū)，綜合考慮自然環(huán)境和城市定位、規(guī)劃理念、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面條件及年徑流總量控制率現(xiàn)狀和綜合徑流系數(shù)現(xiàn)狀與目標(biāo)可達(dá)性，取年徑流總量控制率為70%，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量為37 mm。

2 過載管道和溢流節(jié)點(diǎn)模擬

首先模擬在不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期下主城區(qū)雨水管網(wǎng)的過載管道和溢流節(jié)點(diǎn)情況，同時(shí)對(duì)海綿城市建成后的主城區(qū)雨水管網(wǎng)的過載管道和溢流節(jié)點(diǎn)情況進(jìn)行對(duì)比。

在降雨重現(xiàn)期為2 a和3 a情況下管網(wǎng)均未出現(xiàn)溢流，運(yùn)行狀態(tài)良好；自5 a重現(xiàn)期開始，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與管道開始出現(xiàn)溢流和超負(fù)荷狀態(tài)。

當(dāng)降雨重現(xiàn)期為10 a 時(shí)，管網(wǎng)中溢流節(jié)點(diǎn)增多且最大溢流量顯著增大。發(fā)生溢流的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)，其中節(jié)點(diǎn)最大溢流量超過1 000 m3；隨著降雨時(shí)間的增加，過載管道數(shù)量增多，最多時(shí)達(dá)到36根，超負(fù)荷管道達(dá)到了3.7%。模擬海綿城市實(shí)施效果，10 a 降雨重現(xiàn)期時(shí)，只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了溢流，溢流量為236.4 m3，過載管道由原來(lái)的36根縮減為8根，超負(fù)荷管道只占0.8%。見圖2。

圖2 10 a重現(xiàn)期降雨下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流與超負(fù)荷管段分布對(duì)比

降雨重現(xiàn)期為20 a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)相較10 a重現(xiàn)期繼續(xù)增加且最大溢流量達(dá)到8 000 m3以上。發(fā)生溢流的節(jié)點(diǎn)為65個(gè)，溢流量超過1 000 m3的節(jié)點(diǎn)有14個(gè)；過載管道數(shù)量為181根，超負(fù)荷管道達(dá)到了18.5%。模擬海綿城市實(shí)施效果，20 a降雨重現(xiàn)期下，溢流節(jié)點(diǎn)由原來(lái)的65個(gè)減少至15個(gè)且節(jié)點(diǎn)中最大溢流量由8 246.5 m3變?yōu)? 976.5 m3，改善效果明顯；過載管道由原來(lái)的181根減少到了52根，超負(fù)荷管道只占5.3%，見圖3。

圖3 20 a重現(xiàn)期降雨下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流與超負(fù)荷管段分布對(duì)比

當(dāng)降雨重現(xiàn)期為30 a 時(shí)，降雨量繼續(xù)增大。發(fā)生溢流的節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到了71 個(gè)，其中最大溢流量超過1 000 m3的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為17 個(gè)；管道過載數(shù)量為208 根，管道超負(fù)荷達(dá)到了21.2%。模擬海綿城市實(shí)施效果，30 a降雨重現(xiàn)期下，管網(wǎng)中溢流節(jié)點(diǎn)由71個(gè)減少為17個(gè)且節(jié)點(diǎn)中最大溢流量為2 349.2 m3，是原來(lái)節(jié)點(diǎn)中最大溢流量的1/5 左右，改善情況顯著；過載管道由原來(lái)的208 根減少為69 根，超負(fù)荷管道只占7.0%，見圖4。

圖4 30 a重現(xiàn)期降雨下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溢流與超負(fù)荷管段分布對(duì)比

以上結(jié)果說(shuō)明，隨著降雨重現(xiàn)期增加，也就是降雨量增大，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的溢流量和溢流管道數(shù)量明顯增大，管道超負(fù)荷情況變得越來(lái)越嚴(yán)重。但實(shí)施海綿城市建設(shè)后，節(jié)點(diǎn)溢流與管段超負(fù)荷情況改善顯著。在管網(wǎng)一維評(píng)估的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)行對(duì)管網(wǎng)做空間二維模擬，以求能更真實(shí)地反映實(shí)際情況和雨水在地表漫流影響范圍。

3 積水點(diǎn)模擬

模型中，深度超過0.15 m 形成積水點(diǎn)，見圖5-圖7。

圖5 10 a降雨重現(xiàn)期下地面積水點(diǎn)分布對(duì)比

圖6 20 a降雨重現(xiàn)期下地面積水點(diǎn)分布對(duì)比

圖7 30 a降雨重現(xiàn)期下地面積水點(diǎn)分布對(duì)比

圖5-圖7 中，藍(lán)色區(qū)域代表地表在模擬時(shí)長(zhǎng)內(nèi)出現(xiàn)了積水，結(jié)合模擬區(qū)域的地形可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，地表積水面積及積水深度呈顯著增加的趨勢(shì)。5 a降雨重現(xiàn)期時(shí)，最大地面積水為8 504.9 m2；10 a 降雨重現(xiàn)期時(shí)，最大地面積水為65 466.8 m2；20 a年降雨重現(xiàn)期，最大地面積水為722 700 m2；30 a 降雨重現(xiàn)期，最大積水面積為882 290 m2。地面積水都集中出現(xiàn)在地面標(biāo)高為4～12 m的地勢(shì)低洼處。

開展海綿城市建設(shè)后，各降雨重現(xiàn)期下的地面積水情況無(wú)論從積水面積還是積水深度均得到了明顯改善。其中，5 a 降雨重現(xiàn)期下基本未積水；10 a 降雨重現(xiàn)期時(shí)，最大積水面積為13 125.1 m2，相比未采取措施前減少積水面積52 341.7 m2；20 a降雨重現(xiàn)期時(shí)，最大積水面積為238 463.8 m2，相比未采取措施前減少積水面積484 236.2 m；30 a降雨重現(xiàn)期時(shí)，最大積水面積為323 120 m2，相比未采取措施前減少積水面積559 170 m2。

4 結(jié)語(yǔ)

本次模擬研究區(qū)域在不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)的溢流情況及地面積水情況，在設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期（3 a）時(shí)，管網(wǎng)沒有節(jié)點(diǎn)溢流出現(xiàn)，未形成積水點(diǎn)。隨著降雨強(qiáng)度的增加，節(jié)點(diǎn)溢流量和過載管道數(shù)量均不同程度增加。針對(duì)地面積水情況，建議采取海綿城市措施，降低城市下墊面的產(chǎn)流量，達(dá)到年徑流總量控制率的要求，有效解決內(nèi)澇積水問題。