城市排水小區(qū)海綿改造效果模擬與評估研究

喻海軍，范玉燕，曹大嶺，陳 偉

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；4.河北省水利科學研究院，河北 石家莊 050051)

隨著中國海綿城市建設(shè)的持續(xù)推進，準確評估海綿城市建設(shè)的效果至關(guān)重要，基于監(jiān)測和模擬來進行評估是2種常用手段[1-3]。在海綿城市建設(shè)方案設(shè)計、后期效果評估和設(shè)施維護管理中，城市雨洪模型將發(fā)揮越來越重要的作用，已成為必不可少的支撐技術(shù)[4-7]。常用的城市雨洪模型或軟件包括SWMM模型、InfoWorks ICM、MIKE Urban和IFMS/Urban等[8]，其中SWMM模型由于其完備的模擬和分析功能以及開源特性，在國內(nèi)外得到了廣泛應用[9-13]。國內(nèi)眾多學者將SWMM模型應用于海綿措施的效果評估和方案優(yōu)化中，取得了很好的效果[14-15]。目前在海綿措施模擬評估中，當前主要以降雨徑流和一維排水模擬為主，但將SWMM模型與地表二維水動力學模型相結(jié)合來進行地表淹沒分析的研究還相對較少。本文以北京市某排水小區(qū)為研究對象，構(gòu)建了研究區(qū)精細化的一二維耦合城市雨洪模型，對海綿城市建設(shè)方案效果進行定量分析和評估，以期為排水小區(qū)數(shù)值模擬及海綿城市建設(shè)與管理提供一定的技術(shù)參考。

1 模型介紹

采用一二維耦合模型對研究區(qū)域海綿方案進行效果評估，即將SWMM模型與二維水動力學模型進行雙向耦合，其中降雨產(chǎn)流、海綿措施和排水管網(wǎng)模擬采用國內(nèi)外廣泛使用的SWMM模型，地表積水和淹沒范圍計算采用二維水動力學模型。

1.1 SWMM模型

SWMM模型是美國環(huán)境保護署資助研發(fā)的城市雨洪管理模型，其地表產(chǎn)匯流以子匯水區(qū)為單位，采用非線性水庫法進行計算，管網(wǎng)匯流基于水動力學方法，采用有限差分法離散求解一維圣維南方程組：

(1)

(2)

式中Q——管段流量，m3/s；A——管段過水面積，m2；t——時間，s；x——距離，m；H——水頭，m；g——重力加速度，取9.8 m/s2；Sf——摩阻項。

1.2 二維水動力學模型

采用Godunov格式的有限體積法離散求解以下改進形式的守恒型二維淺水方程[16]：

(3)

(4)

式中h——水深；u、v——x、y方向流速；b——底高程；Sb——底坡項；Sox、Soy——x、y方向的底坡比降；Sf——摩阻項；Sfx、Sfy——x、y方向的摩阻比降。

2 模型應用

2.1 研究區(qū)模型構(gòu)建

研究區(qū)為北京市某排水小區(qū)，總面積約為5.3萬m2，見圖1，小區(qū)綠化面積較大，不透水率僅為55%。排水模型共考慮管道62條、雨水井(排放口)63個，根據(jù)管道流向、地表建筑物分布和地面坡度等情形，劃分子匯水區(qū)87個，見圖2。模型不透水率、坡度等參數(shù)根據(jù)實際下墊面類型和地形數(shù)據(jù)確定。下滲模型計算采用Horton方法，最大和最小下滲率分別取值為60.0、4.0 mm/h，衰減系數(shù)取值為4 h-1，管道匯流采用動力波進行演算。地表二維模型共劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格19 584個，平均尺寸約為1.5 m，其中建筑物當作不過水區(qū)域，不劃分網(wǎng)格，地表不透水區(qū)和綠地平均糙率分別取值為0.045和0.1，見圖3。

圖1 小區(qū)下墊面及排水管網(wǎng)分布

圖2 管道分布及子匯水區(qū)劃分示意

a)網(wǎng)格全局

b)網(wǎng)格局部放大

2.2 現(xiàn)狀排水能力評估

采用構(gòu)建好的小區(qū)排水管網(wǎng)模型，分別計算小區(qū)在遭遇北京市24 h 3年一遇、5年一遇和10年一遇設(shè)計暴雨時的產(chǎn)匯流情況，具體徑流統(tǒng)計值見表1。圖4—6分別給出了不同重現(xiàn)期小區(qū)出口的流量過程和淹沒水深分布。

根據(jù)模擬結(jié)果，不同重現(xiàn)期暴雨條件下，小區(qū)徑流系數(shù)均在0.70以上，由于匯流路徑比較短，出口洪峰流量比較大，均在1.5 m3/s以上。從地表淹沒角度來看，隨著暴雨重現(xiàn)期的提高，淹沒范圍和淹沒深度呈增大趨勢，在3年一遇時，淹沒區(qū)域相對小，小區(qū)3號樓南側(cè)和小區(qū)西邊廣場區(qū)域淹沒相對較為嚴重，這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致，除幾個低洼處之外，小區(qū)內(nèi)的淹沒深度大部分在0.15 m以下。當遭遇5年一遇和10年一遇時，淹沒面積急劇增大，淹沒較為嚴重。

表1 不同重現(xiàn)期小區(qū)徑流計算結(jié)果

a)流量過程

b)淹沒分布

a)流量過程

b)淹沒分布

a)流量過程

b)淹沒分布

表2給出了不同重現(xiàn)期暴雨下管道排水情況。可以看出，當遭遇3年一遇暴雨時，小區(qū)管道滿載比例已經(jīng)非常高，但此時累積溢流量還相對較少，隨著重現(xiàn)期提高，滿載時間和累積溢流量均進一步增加，結(jié)果表明小區(qū)管道排水能力整體不足3年一遇。結(jié)合現(xiàn)狀模擬結(jié)果，分析得出研究區(qū)主要存在3個方面的問題：設(shè)計重現(xiàn)期不夠，難以應對3年以上重現(xiàn)期降雨；部分管道管徑偏小或坡度太小，實際排水能力不足；研究區(qū)蓄滯設(shè)施不足。

表2 不同重現(xiàn)期暴雨情況下管道排水情況

2.3 改造方案效果評估

為提高研究區(qū)域排水能力和雨水資源利用率，結(jié)合現(xiàn)狀模擬評估結(jié)果和初步分析的問題，擬定了改造方案，方案設(shè)計時遵循以下原則：①盡可能將不透水區(qū)域改建為透水區(qū)域，如將小區(qū)原有的不透水人行道、車行道和停車位改為透水鋪裝或生態(tài)植草磚；②將原有透水區(qū)域改建為下沉式，使其具有一定的蓄滯功能，如滯留池、雨水花園和植草溝，適當兼顧景觀功能；③優(yōu)化和改建排水能力不足的管道。結(jié)合現(xiàn)狀模擬的結(jié)果，方案對23條管道的管徑和坡度進行了調(diào)整，另外為提高雨水資源利用效果和年徑流控制率，在小區(qū)出口處增加1個地下蓄水池，方案中各類海綿措施的具體規(guī)模和布置見表3、圖7。

表3 海綿措施規(guī)模

圖7 海綿措施布置

采用構(gòu)建好的模型，對改造方案的效果進行了模擬和評估。除蓄水池在水力模塊進行模擬外，表3中其他類型海綿措施均在SWMM模型的產(chǎn)流和LID模塊中進行模擬。SWMM模型中模擬海綿或LID設(shè)施主要有3種方式。①概化模擬。通過設(shè)置和調(diào)整子匯水區(qū)的產(chǎn)匯流參數(shù)來間接和概化考慮這些設(shè)施的效果，通常適用于較為粗略的雨洪模擬。②獨立模擬。將每個LID設(shè)施設(shè)置為一個獨立的子匯水區(qū)，即將子匯水區(qū)整個面積上均采用預先定義好的LID設(shè)施類型和參數(shù)，這種方式對小區(qū)域精細化模擬較為適用，可以較為準確地模擬出LID設(shè)施的匯流路徑和產(chǎn)匯流特性。③混合模擬。將預先定義好的LID設(shè)施類型和參數(shù)直接設(shè)置到子匯水區(qū)內(nèi)，同時子匯水區(qū)內(nèi)還存在非LID產(chǎn)流區(qū)域，這種方式較為適合大區(qū)域的LID模擬或一些不必關(guān)心匯流路徑的LID設(shè)施模擬。本文研究區(qū)域較小，結(jié)合海綿措施的特點，結(jié)合采用方式二與方式三，其中透水鋪裝、生態(tài)植草磚等設(shè)施采用方式三，雨水花園和植草溝等設(shè)施采用方式二。

模型計算改造方案實施后徑流量結(jié)果統(tǒng)計見表4。從表中可以看出，由于各類海綿措施的作用，小區(qū)下滲量大大增加，改造后的小區(qū)徑流系數(shù)均低于0.50，遠低于改造前最低徑流系數(shù)0.733(3年一遇)，外排徑流系數(shù)則更小，3年一遇暴雨徑流量控制率約為67.2%，10年一遇也近似達到61.4%。

表4 改造方案實施后徑流量統(tǒng)計

圖8、9分別給出了海綿改造后小區(qū)外排流量過程。從圖中可以看出，由于徑流量的減少和蓄水設(shè)施的作用，小區(qū)外排洪水量都遠小于改造前，相當一部分徑流量進入了蓄水設(shè)施。考慮極端情況，即假定末端蓄水設(shè)施已經(jīng)蓄滿的情況下遭遇3年或者10年一遇設(shè)計暴雨，小區(qū)外排流量峰值也明顯低于改造前，分別降低了35.7%和14.6%。根據(jù)模擬結(jié)果，在遭遇10年一遇設(shè)計暴雨時，小區(qū)未發(fā)生管網(wǎng)溢流和管道滿載情況。

圖8 改造前與改造后小區(qū)出口流量過程線(P=3)

圖9 改造前與改造后小區(qū)出口流量過程線(P=10)

采用模型和研究區(qū)近30年降雨數(shù)據(jù)計算了小區(qū)改造后的年徑流總量控制率。由于蓄水設(shè)施的利用方式對結(jié)果影響較大，分考慮和不考慮蓄水設(shè)施兩種工況分別進行計算，結(jié)果見表5。考慮蓄水設(shè)施的工況中，采用SWMM模型控制模塊、蓄水模塊和泵站模塊來共同模擬蓄水池蓄水和雨水利用過程，并按照雨停后兩日內(nèi)使用完蓄水池水量的速度進行雨水利用。從表5中可以看出，在不考慮蓄水設(shè)施時，年徑流總量控制率為71.8%，考慮蓄水設(shè)施時，蓄水設(shè)施可以控制利用徑流量約100.3 mm，控制率提升至92.1%，表明蓄水設(shè)施可大幅度提升徑流控制率和雨水利用率。

表5 年徑流總量控制率模擬結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用一二維耦合的城市雨洪模型，構(gòu)建了北京某小區(qū)精細化排水模型，在對現(xiàn)狀排水能力評估的基礎(chǔ)上，提出了海綿化改造方案并對方案效果進行了模擬評估，主要結(jié)論如下。

a)海綿化改造能夠顯著減少徑流量和洪峰流量。研究區(qū)按設(shè)計方案進行海綿化改造后，徑流系數(shù)和流量峰值將大幅度下降，在遭遇3年至10年一遇設(shè)計暴雨時，徑流系數(shù)均低于0.5，較現(xiàn)狀降低了42%～44%，外排流量峰值降低14.6%～35.7%。

b)海綿化改造能夠間接提高排水標準，有效減少地表積水現(xiàn)象。海綿化改造后小區(qū)遭遇10年一遇設(shè)計暴雨時，不會發(fā)生管網(wǎng)溢流和管道滿載情況，研究區(qū)排水標準將從現(xiàn)狀不足3年一遇提升至10年一遇。

c)蓄水設(shè)施能夠顯著提升年徑流控制率。考慮蓄水設(shè)施雨水利用時，研究區(qū)年徑流總量控制率較沒有蓄水設(shè)施時的71.8%大幅度提升至92.1%。