海綿城市理念下的雨水系統改造策略研究

【摘" " 要】：為驗證海綿城市設施建設對提高現狀雨水系統應對不同重現期降雨能力的作用，在不提高現狀雨水系統設計規模的前提下，引入海綿城市設施，利用SWMM模型模擬已建成的設計重現期1 a的現狀雨水系統增加海綿城市設施前后 1、3、5 a設計重現期條件下雨水系統徑流。結果表明，增加海綿設施后，系統滿足3 a設計重現期條件下雨水排放的要求，對設計重現期為5 a的降雨也有較好地排放能力。

【關鍵詞】：海綿城市；雨水系統；設計重現期

Research on Rainwater System Reconstruction Strategies under the Sponge

City Concept

REN Yanqin1，WANG Shaohua2

（1 .Tianjin City Planning and Design Research Institute，Tianjin 300191，China；2.Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research

Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392，China）

【Abstract】：In order to verify the ability of sponge city facilities to improve the ability of the current rainwater system to cope with rainfall in different return periods， introducting of sponge city facilities without increasing the design scale of the current rainwater systerm， this paper uses the SWMM model to simulate the runoff of the rainwater system under the conditions of 1 year， 3 year and 5 year design return periods after the completion of the current rainwater system with a design return period of 1 year and the addition of sponge city facilities. The results show that after adding sponge facilities， the system meets the needs of rainwater discharge under the condition of 3 year design return period， and has better discharge capacity for rainfall with a design return period of 5 years.

【Key words】：sponge city；rainwater system；design return period

隨著城市化進程加快，城市下墊面不斷硬化，加之近些年極端暴雨天氣頻發，導致雨水徑流量增大。我國大部分雨水管網系統的設計重現期為1 a甚至低于1 a。以天津市為例，根據相關資料統計，截至2015年，中心城區設計重現期1 a及以下標準雨水管道占比達73.5%。海綿城市提倡在地塊設置低影響開發（LID）調蓄設置，實行源頭減排策略，削減地塊外排雨水量，利用海綿城市建設理念，對雨水系統已經建成的區域進行改造，對地塊雨水進行調蓄，可以減輕雨水系統運行壓力。國內較為成功的案例有北京奧林匹克公園、上海世博園和深圳光明新區示范項目等[1]。

本文以某雨水系統為例，研究地塊增設海綿城市設施，對現狀雨水系統運行狀態的影響，為現狀雨水系統改造提供一種可行的解決方案。

1 工程概況

某雨水系統服務范圍236.37 hm2，設計重現期為1 a，市政雨水管道及雨水泵站均已建成，系統內地塊尚未開發。雨水管道總長度7.62 km，管徑DN600 mm及3 000 mm（寬）×2 480 mm（高）；雨水泵站設計規模18.0 m3/s，共設置6臺水泵，單泵流量3 m3/s。見圖1。

2 現狀雨水系統能力評估

本文采用SWMM模型對雨水系統進行模擬研究。SWMM暴雨管理模型由產流模型、匯流模型和管網水動力模型組成，動態模擬降水-徑流過程，主要用于城市排水、防澇工程的規劃、設計、管理等，已經在許多國家和地區進行廣泛應用[2]。

2.1 參數設定

2.1.1 降雨數據

根據項目所在區域的暴雨強度公式，分別生成1、3 a重現期120 min的設計降雨量，再根據設計暴雨雨型分配表生成對應的降雨序列。見圖2。

2.1.2 雨水系統

由于受各種條件限制，SWMM模型中部分參數不能得到準確數值及初始值，常用經驗或者參數優化方法確定[3]。

由于雨水系統匯流范圍內的地塊尚未開發，根據規劃地塊性質及國內類似項目經驗，確定雨水系統徑流系數為0.6、匯水區不透水區曼寧系數為0.012、透水區曼寧系數為0.20、不透水區洼蓄量2.1 mm、透水區洼蓄量7.2 mm、最大入滲率75.2 mm/h、最小入滲率3.8 mm/h、無洼蓄比例25%。雨水下滲采用霍頓下滲模型，雨水系統匯流采用動態波進行模擬。

2.2 雨水泵站

開泵按照雨水泵站設計最低水位、最高水位及水泵臺數進行控制。見表1。

1）1 a一遇降雨條件下雨水系統能力。所有雨水節點均未冒溢；所有雨水管道均未超載，29.22%的雨水管道長度充滿度＜50%，90.26%的雨水管道充滿度＜80%，說明現狀雨水管道系統可以滿足1 a一遇的降雨的排水要求。見圖3。

泵站排水流量呈先增大后減小的趨勢；最高流量出現在降雨開始1 h，比降雨出現峰值時間滯后30 min，最大排水流量15.83 m3/s，未達到泵站設計規模。說明現狀雨水泵站可以滿足1 a一遇的降雨的排水需求。見圖4。

2）3 a一遇降雨條件下雨水系統能力。所有雨水管道均超載，超載時長0.46～1.56 h；其中，40.2%雨水管道超載時長超過1 h，超載問題較為嚴重。見表2。

全部38個雨水節點中，23個節點冒溢，占比60.5%，主要分布于雨水系統起點管段，由于上述管段管徑偏小，過水能力不足，在高重現降雨條件下，無法及時排除地塊積水，導致管道冒溢。見圖5。

泵站最高流量出現在降雨開始后45 min，比降雨出現峰值時間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規模。見圖6。

現狀雨水管道系統已無法滿足3 a一遇降雨的排水需求。

3 雨水系統改造方案

鑒于雨水管道及雨水泵站均已修建完成，按照3 a一遇重現期對管道進行改造難度很大；因此，結合海綿城市建設理念，對尚未建設的地塊，進行海綿城市年徑流總量控制指標分解，以期達到控制地塊雨水徑流、緩解雨水系統壓力的目的。

3.1 海綿城市方案

相關研究表明，不同LID設施對區域雨洪削減和滯留效果不同，從徑流量來看，下凹式綠地發揮的作用優于其他LID設施[4]。鑒于下凹式綠地占地面積很小、綠化效果好，修建在不透水面積率大的城區，對地面徑流有很好的消減作用[5]等特點，故在研究區域內設置下凹式綠地。

根據地塊的規劃屬性，考慮結合地塊綠化部分設置下凹式綠地，對雨水進行源頭調蓄。按照地塊30%綠化率，40%綠化面積可用于設置下凹式綠地，下凹式綠地有效深度定為150 mm，可滿足設計降雨量30.2 mm條件下，地塊雨水不外排，對應年徑流總量控制率＞80%。見表3。

3.2 改造后雨水系統能力

1）3 a一遇降雨條件下雨水系統能力。3 a一遇降雨條件下，雨水節點未冒溢；雨水系統下游部分管道超載，管長占比21.9%；超載時長0.01～0.35 h。

泵站最高流量出現在降雨開始后50 min，比降雨出現峰值時間滯后20 min，泵站最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規模。見圖7。

可以看出，由于海綿設施的設置，雨水系統流量峰值一定程度上滯后出現。

越靠近雨水泵站，管道超載深度越大，說明由于雨水泵站的能力不足，系統末端排水不暢，導致管道超載。管道最大水深出現的時間節點與泵站最大流量出現的時間節點相比，滯后約10 min，也證明了管道超載是由于受到了泵站設計能力的制約。見圖8。

選取一段起點雨水管道，對比增加海綿設施前后的瞬時流量。增加了海綿設施后，雨水管道最高瞬時流量由0.91 m3/s下降到0.82 m3/s，證明海綿設施對降低管道峰值流量起到了一定的作用。見圖9。

總體來看，增加了海綿設施后，現狀雨水管道系統可以滿足3 a一遇降雨條件下的排水要求，證明基于海綿理念的雨水系統改造策略是可行的。

2）5 a一遇降雨條件下雨水系統能力。為驗證地塊增加海綿城市設施后，雨水管道系統的承載能力，采用5 a一遇的降雨數據對雨水系統進行模擬分析。見圖10。

超載主要發生在下游主干管道，管長占比66.0%；超載時長0.01～0.78 h，54.0%雨水管道超載時長不超過0.5 h，雨水系統處于較為安全的狀態。見圖11和表4。

全部38個雨水節點中，只有系統起點2個雨水節點出現節點冒溢問題，冒溢時間＜10 min。

泵站最高流量出現在降雨開始后45 min，比降雨出現峰值時間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規模，最大流量時長約1.833 3 h。可見，由于降雨強度的增加，需要排除的雨水量增大，現狀雨水泵站需要開啟更長的時間。見圖12。

總體來看，現狀雨水管道系統雖然大部分處于超載狀態且局部節點冒溢，但冒溢時間較短，整個雨水系統處于較為安全的狀態。改造后的雨水系統基本可以滿足5 a一遇降雨的排水要求。

4 結論

1）現狀1 a一遇的雨水系統，在3 a一遇的降雨條件下，雨水系統排水能力嚴重不足，無法及時排除地塊積水，導致管道大面積冒溢。

2）增設海綿城市設施后，在不改變現狀雨水管網管徑及雨水泵站設計規模的情況下，雨水系統可以有效應對3 a一遇的降雨，除個別管道有短時間超載外，其余管道均運行正常，無節點冒溢問題。

3）增設海綿城市設施后，對5 a一遇的降雨也有較好的應對能力；雖有個別節點冒溢，但時間較短，證明海綿城市設施改造雨水系統應對較高設計重現期降雨的策略是可行的。

參考文獻：

[1]唐清華，何沛英，朱志華，等.已建城市排水管網的排澇能力評估方法[J].熱帶地理，2016，36（4）：626-632.

[2]鄭志宏，段曉涵，趙" " 飛．基于暴雨洪水管理模型的低影響開發設施應用研究[J]．水利水電技術，2018，49（9）：32-40．

[3]常曉棟，徐宗學，趙" " 剛，等．山前平原型城市雨洪模擬與應用——以濟南市為例[J]．水力發電學報，2018，37（5）：107-116．

[4]朱" " 梅，何君濤，黎江少，等. 基于 SWMM 模型的不同LID設施對雨洪控制效果模擬分析[J]. 水力發電，2020，46（3）：24-27+79．

[5]符博淵. 基于 SWMM 的西安市北片區城市雨洪模型應用研究[D].西安：西安理工大學，2016.

收稿日期：2023-04-04

作者簡介：任艷琴（1981 - ）， 女， 天津市人， 碩士， 高級工程師，從事給排水、海綿城市設計工作。