西安市小寨區(qū)域城市雨洪綜合模擬與解析研究

薛樹紅，高徐軍，劉 園，康 抗，吳 巍，翟敏婷

(1.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048）

近年來,以降水變化為主要特征的氣候變化和下墊面快速城市化影響了水循環(huán)諸要素的時空分布特征,使得我國城市雨洪災害的發(fā)生頻率及強度均呈上升趨勢,空間上亦由沿海向內陸城市蔓延［1-4］。據統(tǒng)計,2000 年以來每年發(fā)生200 多起不同程度的城市雨洪災害,造成了巨大的人民生命財產損失,成為制約社會經濟高質量發(fā)展的重要因素之一［5-6］。城市雨洪過程模擬與多維度解析成為城市雨洪研究的熱點,諸多學者融合城市排水防澇和生態(tài)海綿城市理念,借助城市雨洪過程模擬模型做了大量積極的探索［7］。錢真等［8］基于Open MI 異構模型集成平臺,動態(tài)耦合河網水文水動力模型和城市排水管網水力模型,模擬分析了不同雨潮組合對上海淀北片區(qū)域內澇的影響；南京市雨花臺區(qū)LID 設施對區(qū)域雨洪控制效果的模擬研究表明,不同設施組合均有減小徑流量和削減污染物排放量的作用,但隨著降雨重現期的增大,對雨洪控制的效果降低［9］；武漢大學針對老城區(qū)既建管網系統(tǒng)改造,基于暴雨徑流管理模型(SWMM)和GIS 研發(fā)了城市地下排水管網瓶頸分析與改造評價平臺［10］；中國水利水電科學研究院基于自主研發(fā)的水文-水力學耦合模型,實現了城市防洪防澇工程體系多情景模擬和工程優(yōu)化評價［11］；西安理工大學通過小尺度單項設施模型,設計并模擬了雨水花園在不同層厚和組分填料條件下的徑流污染削減效果,提出了LID 設施設計參數優(yōu)化方案［12］。

以往研究多是圍繞水安全或水生態(tài)單一建設目標,而對協(xié)調城市防澇和生態(tài)海綿建設中并存的水文過程管控要求,涵蓋低影響開發(fā)、排水防澇和雨洪調蓄空間的全過程模擬和評價研究相對較少。本研究以西安市小寨區(qū)域為研究對象,根據該地區(qū)水文、氣象、下墊面條件和排水防澇資料,基于MIKE FLOOD 構建耦合管網模型和地表漫流模型的綠-灰-藍雨洪設施綜合模擬模型,對徑流控制、管網排水和城市防澇能力進行解析,以期為城市排水防澇與生態(tài)海綿協(xié)同建設提供決策依據。

1 研究區(qū)概況

小寨區(qū)域位于西安市雁塔區(qū),本次研究范圍總面積約為66.87 km2。該區(qū)屬溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū),年平均降水量528～716 mm,年內降水多集中于6—9 月,地勢由東南向西北呈階梯下降。緯一街以北片區(qū)雨水經南北向干管向北匯入大環(huán)河暗渠,緯一街以南片區(qū)雨水經南北向干管向北匯入緯一街主干管,并進入皂河。針對小寨雨洪災害,西安市融合生態(tài)海綿與排水防澇建設理念,南起南三環(huán)、北至南二環(huán),東起雁塔路、西至太白南路,提出建設綜合低影響開發(fā)系統(tǒng)、排水防澇系統(tǒng)和湖庫調蓄系統(tǒng)的“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)。“綠”是海綿設施的運用和深化,指在源頭建設的具有生態(tài)、低碳等特征的低影響開發(fā)設施；“灰”指市政排水設施,包括管網、泵站以及蓄水池等；“藍”指控制湖庫水位、疏導排澇河渠等措施。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況

2 模型與方法

2.1 模型原理

MIKE URBAN 是當前應用最廣泛的管網模型之一。對于降雨徑流的計算,模型基于子集水區(qū)降雨扣除初期雨水損失(洼蓄和植物截留)、下滲后產流,通過時間—面積曲線法、非線性水庫法、單位水文過程線法等匯流計算模型得到排水管網的入流量［13-14］。常用的管流演算方法有擴散波、運動波、動力波等三種。動力波演算基于一維自由水面流的完全圣維南方程組,采用六點隱式有限差分法求解,可有效模擬城市“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)的運行。MIKE 21 作為平面二維自由表面流模型,通過有限差分法和有限體積法求解二維淺水方程。在高度建成區(qū),該模型基于網格化DEM 能夠很好地再現地表雨洪運動過程。基于MIKE FLOOD 的管網模型(MIKE URBAN)和地表漫流模型(MIKE 21)的耦合模型,不僅能模擬復雜的管網、明渠系統(tǒng),還可反映地表積水和管網水流的交互過程,進而實現城市暴雨洪澇的動態(tài)模擬［15］。

2.2 模型構建

2.2.1 產匯流概化

在降水形成徑流的過程中,覆被、土壤、水系等統(tǒng)稱下墊面因素,基于原始測繪地形圖,將下墊面劃分為道路、建筑、綠地、水域和其他5 類［見圖2(a)］,各下墊面徑流系數根據《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014—2021)規(guī)定取值,模型中降雨初期損失包括植物截留、洼蓄等,取值0～5 mm。研究區(qū)各類下墊面占比、徑流系數和初期損失見表1。結合管網空間分布信息,采用泰森多邊形法剖分流域,得到對應節(jié)點的子匯水區(qū)［見圖2(b)］,并通過時間—面積曲線法計算子匯水區(qū)匯流過程。

表1 小寨區(qū)域各類下墊面產匯流特征參數

圖2 研究區(qū)產匯流解析結果

2.2.2 地表高程概化

DEM 網格化及其修正是地表漫流模型計算的基礎。考慮到高度建成區(qū)城市地形地貌特征,小寨區(qū)域DEM 網格采用正方形網格,網格尺寸為4 m×4 m,DEM 路網像元下凹0.05 m,建筑像元拔高20 m。研究區(qū)高程模型概化見圖3。

圖3 高程模型概化

2.2.3 管網系統(tǒng)概化

小寨區(qū)域管網系統(tǒng)概化見圖4。

圖4 管網系統(tǒng)概化

(1)灰色設施概化。根據管網拓撲結構、節(jié)點(窨井、雨水箅和出水口)與管線數據,概化節(jié)點3 214 個,排口15 個,管道3 250 條；模型中泵站資料包括流量及其啟停規(guī)則,南二環(huán)＃1、＃2 泵站用于提排北片區(qū)管網雨洪進入大環(huán)河,設計流量13.45 m3/s；此外,概化管網蓄水池17 個,總調蓄容積21.5 萬m3。

(2)綠色設施概化。小寨區(qū)域綠色低影響開發(fā)系統(tǒng)主要涉及建筑小區(qū)、市政道路與綠地廣場內的雨水花園、下沉綠地、植草溝、透水鋪裝。不同低影響開發(fā)措施根據設計有效蓄水深度,通過初期雨水損失法來概化,小寨區(qū)域低影響開發(fā)措施的蓄水特性參數見表2。

表2 小寨區(qū)域低影響開發(fā)措施蓄水特性參數

(3)藍色設施概化。為減緩大環(huán)河暗河承壓排澇壓力,下游興慶湖利用雨前預泄庫容,分流大環(huán)河雨洪進入興慶湖。模型通過節(jié)點水位—容積關系曲線來表征興慶湖調蓄過程,通過MIKE URBAN 實時控制模塊(RTC),在大環(huán)河上游＃2 泵站出口處設置水位傳感器,在大環(huán)河下游興慶湖分洪口設置閘門啟閉控制器,當＃2 泵站入大環(huán)河口出現高水位頂托時,則啟動大環(huán)河分洪閘。

2.2.4 耦合與參數

耦合模型用于描述城市地面水流和管網水流通過節(jié)點時的水力交互,不同規(guī)格類型和堵塞情況下的過流參數根據夏軍強等［16］試驗研究成果確定。采用MIKE FLOOD 垂向連接方式,得到耦合管網模型和地表漫流模型的“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型。

根據2019 年6 月27 日中雨(500 min 降雨量為24.9 mm)大環(huán)河太白南路段斷面現場監(jiān)測分析成果,對耦合模型中的水文衰減因子、管道糙率和節(jié)點最大流量等敏感性參數進行了率定,利用2019 年8 月26日大雨(1 000 min 降雨量達44.1 mm)西北水電小區(qū)管網在線監(jiān)測數據,對率定結果進行了驗證,見圖5。對比降雨與流量過程線,流量峰值略滯后于降雨雨峰,這符合城市水文學基本規(guī)律,并且流量的模擬值與實測值具有較好的擬合效果,表明概化后的“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型精度可靠。耦合模型水文衰減因子取0.90,管道糙率取0.014,節(jié)點最大流量取0.8 m3/s。

圖5 耦合模型流量率定與驗證過程

3 模型應用

3.1 設計降雨

綜合考慮城市年徑流總量控制率、管網排水能力和城市防澇能力解析要求,以短歷時2 h 降雨模擬解析管網排水能力,以長歷時24 h 降雨模擬評價年徑流總量控制率和城市防澇能力。短歷時降雨根據西安市暴雨強度公式,見式(1),采用芝加哥雨型法計算而得,雨峰系數取0.35；長歷時降雨雨型采用西咸新區(qū)統(tǒng)計雨型,雨峰系數為0.13。小寨區(qū)域雨洪系統(tǒng)解析設計降雨工況見圖6。

圖6 西安市小寨區(qū)域設計降雨過程

式中:q為設計暴雨強度,L/(hm2·s)；t為設計降雨歷時,min；T為重現期,a。

3.2 結果分析

3.2.1 徑流控制解析

年徑流總量控制率是指通過自然和人工強化的滲透、集蓄、利用、蒸騰等生態(tài)海綿建設方式,場地內累計全年得到控制的雨量占全年總降雨量的比例［17］。根據《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》,西安市小寨區(qū)域80%年徑流總量控制率對應的設計日降雨量為17.2 mm［18］。就海綿城市改造區(qū)緯一街南、北兩個片區(qū),以設計日降雨量為輸入條件,對區(qū)域降雨—滲蓄—外排過程進行模擬分析(見表4)。根據水量平衡原理分析可知,區(qū)域基本可消納17.2 mm 日降雨。

表4 17.2 mm 日降雨條件下小寨區(qū)域降雨—滲蓄—外排雨量

3.2.2 管網排水能力解析

以管道最大充滿度P表征管網排水能力,若管道出現滿管承壓狀態(tài),即P＞1,則為排水瓶頸。2 a 一遇降雨條件下,小寨區(qū)域管道最大充滿度P等級分布見圖7(a),排水瓶頸管道總長145.02 km,占比54.23%,多分布于南三環(huán)及其以南、雁塔路以西等片區(qū),其原因為該區(qū)域下墊面不透水率較高,且缺少足夠的雨洪調蓄空間；隨著降雨重現期增大至3 a,管道最大充滿度等級分布［見圖7(b)］發(fā)生變化,P≤0.75 的管道長度有所減少,P＞0.75 的管道有所增加,排水瓶頸管道總長181.91 km,占比68.02%。

圖7 不同重現期降雨條件下小寨區(qū)域管網最大充滿度分布

3.2.3 城市防澇能力解析

易澇點是內澇積水的敏感點,也是城市排水防澇工作的重點研究對象。不同重現期24 h 暴雨條件下,小寨區(qū)域的最大淹沒水深(范圍)見圖8。結合模擬結果和現場調研,小寨區(qū)域海綿城市改造區(qū)基本無積水現象,其他區(qū)域共有3 處易澇點(水深大于0.15 cm),分別為大環(huán)河北岸(＃1)、南三環(huán)中段(＃2)、延展路(＃3),最大淹沒面積分別為2.02、3.91、1.75 hm2,對比排水管網充滿度分布圖可知,易澇點附近管道均存在滿管承壓現象。

圖8 小寨區(qū)域不同重現期暴雨最大淹沒水深（范圍）

基于二維地表淹沒計算,選取各易澇路段特征點,解析其水深變化過程,如圖9 所示。20 a 一遇暴雨條件下,＃1、＃2 和＃3 易澇點最大淹沒水深分別為0.18、0.22、0.20 m；50 a 一遇暴雨條件下,＃1、＃2 和＃3 易澇點開始積水時刻分別提前8、3、2 min,最大淹沒水深增幅分別為0.05、0.03、0.02 m,積水淹沒時間明顯延長,這與積水調研結果基本一致；同頻率暴雨條件下,因局部積水原因的差異,易澇點出現積水的先后順序依次為＃3、＃2 和＃1,＃1 易澇點受雨峰后期大環(huán)河高水位頂托導致路面積水,而＃2 和＃3 易澇點是雨峰來臨時管網過流能力不足導致積水。

圖9 小寨不同重現期暴雨易澇點積水過程

4 結論與展望

以西安市小寨區(qū)域為例,搭建耦合管網模型和地表漫流模型的“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型,從徑流控制、管網排水與城市防澇等方面解析城市雨洪管理現狀。通過研究得到以下結論:

(1)結合中雨、大雨2 場實測雨水情資料驗證,該模型基本能夠反映小寨區(qū)域雨洪的蓄排過程,計算所采用的參數及模擬結果符合城市水文學基本規(guī)律,采用MIKE FLOOD 模型綜合模擬城市“綠-灰-藍”雨洪系統(tǒng)是可行的。

(2)小寨區(qū)域年徑流總量控制率符合海綿城市建設要求,2 a 一遇和3 a 一遇降雨管網排水瓶頸長度分別為145.02 km 和181.91 km,20 a 一遇和50 a 一遇暴雨易澇點局部積水深大于0.15 m,并且易澇點與管網瓶頸段多分布于海綿城市改造空白區(qū)。

(3)小寨區(qū)域暴雨積水的主要原因:①城市內河大環(huán)河暴雨條件下高水位頂托,導致下游入河管段排水不暢；②部分老舊排水管道設計標準較低,難以應對大重現期暴雨；③下墊面不透水率高,城市雨洪調蓄空間有限,尤其是南三環(huán)以南、雁塔路以西片區(qū)。

綠色低影響開發(fā)措施、灰色排水防澇設施和藍色雨洪調蓄空間是實現城市雨洪源頭—轉輸—末端全過程管控的重要手段。城市開發(fā)、改造過程中,一方面應合理規(guī)劃留白、留綠,以降低下墊面不透水率；另一方面,應充分利用城市內湖(庫)調蓄功能和河—網聯合調度實現雨洪錯峰排放。基于城市雨洪綜合模擬的徑流控制、管網排水和城市防澇多維度解析,進行城市雨洪全過程管控研究具有十分重要的意義,可為排水防澇與生態(tài)海綿城市協(xié)同建設和科學評價提供決策依據。