海綿城市與模型應(yīng)用

楊周

摘要：城市內(nèi)澇已成為城市的通病，為解決城市內(nèi)澇與城市水資源短缺之間的矛盾，提出海綿城市的概念。目前國(guó)內(nèi)海綿城市建設(shè)缺乏可借鑒的資料，利用軟件模擬可以控制建設(shè)目標(biāo)的完成情況。本文介紹了三種常用的模型軟件。

關(guān)鍵詞：城市內(nèi)澇；海綿城市；模型應(yīng)用；

引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇已成為城市的通病。造成城市內(nèi)澇的主要原因就是城市排水能力和暴雨強(qiáng)度不匹配。目前我國(guó)大部分城市排水主要采用地面排水與管道排水相結(jié)合的方式，地面多為不透水的硬質(zhì)地面，城市下墊面不滲透率高，導(dǎo)致城市地表徑流量增加，容易造成城市內(nèi)澇。同時(shí)，我國(guó)許多的城市居民用水短缺。為解決城市降雨與城市水資源短缺之間的矛盾，我國(guó)提出建設(shè)海綿城市。

1 什么是海綿城市？

所謂海綿城市，是指城市能像一塊海綿一樣吸水雨水，并將雨水蓄積、下滲到土壤層下補(bǔ)充地下水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用，通過(guò)滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，從而使雨水進(jìn)行循環(huán)利用，保證了水生態(tài)安全。海綿城市在減少洪澇災(zāi)害的同時(shí)改善現(xiàn)有水資源環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明城市建設(shè)。

上世紀(jì)90年代美國(guó)馬里蘭州的一個(gè)居住區(qū)內(nèi)建設(shè)的雨水花園成為海綿城市最初的雛形為。該雨水花園的目的就是希望用一個(gè)生態(tài)滯留和吸收雨水的場(chǎng)地來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨水管理系統(tǒng)，這與現(xiàn)在海綿城市建設(shè)理念基本一致。后來(lái)德國(guó)以“高效集水，平衡生態(tài)”為原則，鼓勵(lì)將雨水進(jìn)行綜合利用。屋面雨水簡(jiǎn)單處理后可以用于家庭企業(yè)等非飲用水，道路雨水進(jìn)行截污后下滲補(bǔ)充地下水，生態(tài)小區(qū)雨水收集起來(lái)用于景觀水景和補(bǔ)充地下水。美國(guó)提出了城市雨水資源管理和雨水徑流污染控制的“最佳管理方案”，西北部建有著名的波特蘭雨水花園，運(yùn)用現(xiàn)代低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)，不僅成功的解決了雨水排放和初步凈化處理問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了景觀的美化。日本是一個(gè)淡水資源短缺的海島國(guó)家，因此極為重視對(duì)雨水的收集與利用。早在1980年就開(kāi)始推行雨水貯留滲透計(jì)劃，注重雨水調(diào)蓄設(shè)施的多功能應(yīng)用。瑞士、加拿大、新西蘭、澳大利亞、韓國(guó)、新加坡等國(guó)外城市都有不同形式的雨水管理方案。

2海綿城市的建設(shè)

海綿城市的建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，海綿城市建設(shè)包括水系、濕地公園、道路、居民小區(qū)等城市各個(gè)部分的建設(shè)。建設(shè)海綿城市要求在有效地緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負(fù)荷的同時(shí)，使開(kāi)發(fā)建設(shè)后的水文特征與開(kāi)發(fā)前的保持一致，保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)低影響開(kāi)發(fā)理念應(yīng)運(yùn)而生。低影響開(kāi)發(fā)是通過(guò)分散的、小規(guī)模的源頭控制機(jī)制和設(shè)計(jì)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)暴雨產(chǎn)生的徑流和污染的控制。低影響開(kāi)發(fā)強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)建設(shè)應(yīng)減小對(duì)環(huán)境的影響，將自然途徑與人工措施相結(jié)合，將城市景觀設(shè)計(jì)與“雨洪控制”相結(jié)合，構(gòu)建與自然相適應(yīng)的城市排水系統(tǒng)。海綿城市在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的滯蓄、滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

3海綿城市的模型應(yīng)用

2015年海綿城市建設(shè)的16個(gè)試點(diǎn)城市中已經(jīng)有10個(gè)出現(xiàn)了城市內(nèi)澇，2016年建設(shè)的14個(gè)試點(diǎn)城市中有9個(gè)出現(xiàn)了內(nèi)澇。海綿城市建設(shè)導(dǎo)則中明確規(guī)定其徑流削減目標(biāo)為解決80%～85%的降雨量，在面對(duì)目標(biāo)以外的較大重現(xiàn)期降雨事件時(shí)，僅靠低影響措施是沒(méi)有能力處理降雨產(chǎn)生的所有地表徑流，所以還需要建設(shè)灰色設(shè)施共同排洪。只有兩種措施配合使用才能有效解決城市的內(nèi)澇問(wèn)題。地上的低影響措施和地下的灰色排洪措施如何搭配，成為海綿城市建設(shè)需要考慮的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)海綿城市建設(shè)缺乏有效的可借鑒的資料，盲目建設(shè)必然將付出代價(jià)，利用計(jì)算機(jī)模型模擬不僅可以控制建設(shè)目標(biāo)的完成情況，還能在工程經(jīng)濟(jì)方面設(shè)計(jì)出最優(yōu)配置。計(jì)算機(jī)模型的應(yīng)用在海綿城市建設(shè)中具有不可替代的作用。下面介紹幾種常用模型。

4SWMM模型

SWMM模型是美國(guó)環(huán)保署為設(shè)計(jì)和管理城市雨水而研制的一個(gè)水文模型。目前是世界上最主要的模擬軟件，廣泛應(yīng)用于城市非點(diǎn)源污染、城市雨洪的模擬計(jì)算。SWMM是動(dòng)態(tài)的降雨徑流模擬模型 ，它可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括城市降雨徑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程和 BOD、COD、總磷、總氮等8種污染物的遷移擴(kuò)散過(guò)等功能。SWMM 強(qiáng)大的排水系統(tǒng)模擬功能可以應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)規(guī)劃方案的改進(jìn)和評(píng)估，還可用于海綿城市的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。SWMM 5.0版本之后增加了LID模塊，可模擬五種常見(jiàn)的低影響開(kāi)發(fā)措施。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了許多利用 SWMM 模擬低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的研究，先對(duì)研究的區(qū)域構(gòu)建SWMM模型，通過(guò)對(duì)LID措施的不同空間布置和組合方式的模擬，評(píng)估其的雨洪控制效果，在考慮其經(jīng)濟(jì)性后，最后獲得最優(yōu)化的配置結(jié)果。

5MIKEURBAN模型

MIKE URBAN是丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的雨水系統(tǒng)模擬軟件包，MIKE URBAN將ESRI的ArcGIS、排水管網(wǎng)系統(tǒng)CS和給水管網(wǎng)WD整合在一起，形成了一套城市管網(wǎng)模型?？捎脕?lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算雨水徑流、實(shí)時(shí)監(jiān)控和SCADA系統(tǒng)的在線分析。MIKE URBAN模型的工程文件采取Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)格式，MIKE URBAN與GIS具有天然的聯(lián)系可以為其提供強(qiáng)大的GIS功能。與其他模型相比，MIKE URBAN 具有較高的技術(shù)集成度，廣泛的數(shù)據(jù)接口，建模與運(yùn)行簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把該模型應(yīng)用于城市排水管網(wǎng)的模擬評(píng)估。

6InfoworksICM模型

InfoworksICM模型（城市綜合流域排水模型）是由Wallingford軟件公司開(kāi)發(fā)的，世界上第一款城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型。InfoworksICM模型以自行開(kāi)發(fā)的水文模型為核心，可以完整模擬城市雨水循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的耦合，可以模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間相互作用的情況。通過(guò)對(duì)排水系統(tǒng)中檢查井、管道、泵站以及其他排水構(gòu)筑物的流量、水位、流速、充滿度以及泵的啟閉等時(shí)間序列進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果可以顯示當(dāng)前排水管網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，分析排水管網(wǎng)是否出現(xiàn)溢流的情況，為排水系統(tǒng)的擴(kuò)建和海綿城市的建設(shè)提供了可靠的依據(jù)。

7結(jié)語(yǔ)

城市傳統(tǒng)方式的排水方式已經(jīng)與現(xiàn)在的降雨強(qiáng)度不匹配了，為了解決城市的內(nèi)澇問(wèn)題建設(shè)海綿城市勢(shì)在必行。目前我國(guó)缺乏海綿建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和資料，盲目的建設(shè)必然會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，計(jì)算機(jī)模型模擬成為了海綿城市建設(shè)必不可少的工具。模型模擬不僅能夠重現(xiàn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)在運(yùn)行狀況，找到城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的“瓶頸”所在，還可以模擬出海綿城市改造后的運(yùn)行情況。能夠模擬不同下墊面條件下的產(chǎn)匯流計(jì)算，模擬匯水區(qū)域調(diào)蓄、滲水、凈水、排水過(guò)程，保障海綿城市的實(shí)施效果。為城區(qū)洪澇預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考，進(jìn)而為城市的雨水管理優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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