小寨區(qū)域海綿城市數(shù)值模擬研究

程 龍,王 盼,詹 存

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 研究背景

1.1 問題提出

近些年，隨著極端天氣不斷出現(xiàn)，短歷時、強暴雨出現(xiàn)頻次逐漸增多，加之中國各地雨水管渠設計標準普遍較低，導致內澇現(xiàn)象時有發(fā)生，并且隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，內澇造成的危害已成為影響城市健康發(fā)展和社會穩(wěn)定的突出問題[1]。2007年7月18日，山東濟南突降大暴雨，3 h最大降雨量達到180 mm，至少34人喪生，經濟損失達12億元[2]。2008年6月13日，深圳市遭遇百年一遇大暴雨，造成5人死亡，2人失蹤，近萬家企業(yè)被迫臨時停業(yè)[3]。特別是，2016年7月24日晚，西安城區(qū)遭遇極端暴雨，最大1 h降雨量高達66.5 mm，24 h累計暴雨量達123 mm，超過50年一遇。暴雨造成小寨十字及周邊多個街區(qū)發(fā)生嚴重內澇，地鐵2號線雨水倒灌，整個區(qū)域交通一度陷入癱瘓，造成了較大的社會影響和經濟損失。為了減少內澇災害發(fā)生的頻率，確保人民生命財產安全，有必要對內澇產生的根源進行分析研究[4]。

1.2 問題識別

小寨區(qū)域近些年隨著經濟的發(fā)展，已經逐漸成為西安發(fā)展次中心，經濟地位及示范效應日漸突出。但小寨區(qū)域東南高、西北低，若遇暴雨，洪水從曲江塬數(shù)條溝壑向西北傾瀉?；贏rcgis技術及地形資料分析，小寨區(qū)域地形與西安地勢變化一致，整體坡度較小，高程變化不大，存在部分低洼點。特別是小寨十字，四周高，中間地，成碗底狀，形成一片洼地，先天不足，一旦發(fā)生暴雨，極易發(fā)生內澇災害，自1950年起，雖也修筑了部分防洪排澇工程，但遭遇較大暴雨時，內澇仍然頻發(fā)。

小寨區(qū)域內澇問題頻發(fā)主要因區(qū)域排水系統(tǒng)的不健全，小寨區(qū)域地處皂河排水系統(tǒng)與大環(huán)河排水系統(tǒng)。皂河是渭河的一級支流，發(fā)源于西安市長安區(qū)水寨村，貫穿西安市西南郊文化區(qū)和西郊工業(yè)區(qū)，沿途流經西安市高新技術開發(fā)區(qū)和六村堡工業(yè)區(qū)后，在西安市草灘農場匯入渭河，現(xiàn)狀主要排放雨水、生活污水及工業(yè)廢水。西安市城市范圍內三橋鎮(zhèn)西蘭公路橋以上有16條管渠匯入皂河。整治后的皂河排洪標準為設計暴雨重現(xiàn)期3～5 a，設計流量為35～172.4 m3/s。

大環(huán)河是1956年修筑的南郊和西郊地域一條主要泄洪渠和防洪渠，為皂河的上游分支，全長14.36 km，位于南二環(huán)路綠化帶下。1995年南二環(huán)沿線大環(huán)河改造為暗涵，2003年西二環(huán)段改造為暗涵，同時改造了昆明路段大環(huán)河?，F(xiàn)狀大環(huán)河太乙路至昆明路段為矩形暗涵，昆明路段為復式斷面明渠，最終排入皂河，主要收集南二環(huán)以南、緯一街以北、雁翔路以西范圍內雨水，設計標準在3～5 a之間。

2016年“7.24”暴雨時，因暴雨超過大環(huán)河、皂河的排水能力，又缺乏有效調蓄水池，造成大環(huán)河超負荷排洪，“頂托”沿途雨水干管行洪，導致小寨區(qū)域嚴重內澇。但是目前該類分析多停留于定性分析，還未進行過量化研究，解決問題雖有措施方向，但很難得到較為客觀、合理的工程措施規(guī)模，為此對小寨區(qū)域利用數(shù)值模擬技術研究顯得尤為必要。

在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃過程中對系統(tǒng)進行詳細模擬，可以系統(tǒng)地評估規(guī)劃方案對城市水環(huán)境的影響，從而為規(guī)劃方案的調整和優(yōu)化提供理論性的指導，這一實踐在國際上已經成為排水系統(tǒng)規(guī)劃的重要內容[5-9]。本文以小寨區(qū)域排水系統(tǒng)規(guī)劃為例，研究了數(shù)值模擬在小寨區(qū)域海綿城市數(shù)值模擬的應用情況。

2 研究方法

為科學、合理地評價小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制情況、雨水管渠能力及內澇情況，本次采用水力模型進行分析研究，采用SWMM、Mike Urban、Mike21軟件進行現(xiàn)狀模型搭建，分別分析評價計算現(xiàn)狀年徑流控制率、雨水管渠能力及內澇點分布情況等。

2.1 降雨分析

設計暴雨雨型是設計暴雨的降雨強度過程。各次降水過程是不同的，設計總雨量確定之后，根據(jù)不同的雨型可計算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線。

20世紀80年代初期,國外的研究者就已經在城市排水系統(tǒng)方面進行了研究和開發(fā)，并出現(xiàn)了大量的統(tǒng)計模型、機理模型及管理和規(guī)劃模型。Keifer和Chu為了在芝加哥進行雨水管道系統(tǒng)研究，提出了一種合成雨量過程線，他們推薦用與均勻降雨相同平均強度的暴雨生成雨量過程線，并且在所選擇的時間內造峰。雨量過程線的形狀對任何暴雨歷時的降雨均適用，只是平均強度不同，即芝加哥暴雨過程線[10]。岑國平等[11]研究表明，芝加哥雨型對中國城市暴雨特征的模擬效果較好，一般能滿足精度要求，且比較容易確定雨強過程，建議采用此雨型作為設計雨型。鑒于此過程線方法國內外應用廣泛，有一定的代表性和實際利用價值，此次采用芝加哥暴雨過程線法作為降雨雨型。芝加哥暴雨過程線法具體理論如下：

根據(jù)歷時與平均暴雨強度的經驗關系：

(1)

式中：i為歷時td的平均暴雨強度,mm/min；a、b、c為常數(shù)。

則t時刻的瞬時降雨強度為：

(2)

如降雨開始后其歷時的某一比例r處形成雨峰，當降雨歷時為：

t=tb+ta

(3)

式中：t為降雨總歷時，min；ta為峰后時間，min；tb為峰前時間，min。

分別得到峰前峰后雨強公式：

峰前：

(4)

峰后：

(5)

式中：a、b為常數(shù)；ia為峰后某時刻暴雨強度；ib為峰前某時刻暴雨強度；ta為峰后時間；tb為峰前時間。

(1) 短歷時暴雨

針對雨水管渠能力計算，采用短歷時暴雨雨型。西安市氣象局以最大值法選樣，先進行曲線擬合，得到i-t-p三聯(lián)表，再求解參數(shù)，推導公式得到暴雨強度公式和圖表(見表1)。

(6)

或

(7)

式中：q為設計暴雨強度,L/(s·hm-2);t為降雨歷時,min;P為暴雨重現(xiàn)期,a;A、b、n分別為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定。

表1 西安暴雨強度分公式參數(shù)一覽表

(2) 長歷時暴雨

對于內澇防治期，出于安全角度考慮，需考慮前期土壤含水量飽和狀態(tài)，故本次方案雨型采用24 h雨型(長包短)，作為內澇防治重現(xiàn)期暴雨輸入條件，見圖1。

圖1 各頻率設計暴雨雨型圖

2.2 管流模擬

SWMM模型是美國環(huán)境保護署為解決日益嚴重的城市排水問題所推出的暴雨徑流管理模型，此模型可以對城市排水管網系統(tǒng)進行長期或者短期的模擬分析，目前在世界各國被廣泛用于城市排水管網系統(tǒng)的模擬分析[12-15]。

SWMM對雨水管道、污水管道、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進行水量水質的模擬，考慮了地面徑流、污水入流、排水管網輸送、貯水處理等因素的影響，如圖2所示。

本次選用DHI(Denish Hydraulic Institute)公司的MIKE系列模型中MIKE URBAN軟件[16]，Mike Urban是基于地理信息系統(tǒng)的用于模擬城市給排水管網系統(tǒng)的建模軟件，整個排水管網系統(tǒng)的動態(tài)模擬能夠劃分為2個步驟：降雨徑流模塊和管網水力模塊。其中，降雨徑流模塊的輸出結果是后者的上游邊界條件。Mike Urban CS是應用隱式有限差分法來求解一維的水流問題。

圖2 SWMM模型原理示意圖

本次根據(jù)小寨區(qū)域所在排水分區(qū)，考慮地勢、集水分區(qū)等因素，基于收集的管網、地形資料，對整個研究范圍搭建SWMM管網模型及二維地理模型。根據(jù)模擬區(qū)域重要性，對小寨區(qū)域A、B、C、D進行管網搭建，其他區(qū)域進行管網概化，共構建163個子流域，152個管道。二維地形模型68.79 km2。

2.3 耦合模擬

內澇風險評估需要對研究區(qū)域50年一遇重現(xiàn)期降雨可能造成的積水深度進行分析模擬計算。模型中綜合考慮研究區(qū)雨水管網、道路、內河水系等多種排水通道，通過一維、二維耦合模擬計算，模擬出暴雨造成的城區(qū)內澇淹沒情況和管網水系的排水情況。

(1) 模型原理

1) 坡面匯流模型原理

該模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二維非恒定流方程組作為控制方程，包括水流連續(xù)性方程、水流沿x方向及y方向的動量方程。

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動量方程組成，具體形式如下：

(8)

(9)

(10)

2) 一、二維耦合原理

一、二維模型耦合的原理是在兩者的連接處補充物理量之間的關系，以此實現(xiàn)兩者的耦合，其中管道模型與坡面匯流模型之間的連接條件為：

流量連接條件：

式中：Q管2為管道模型在連接斷面上的流量,m3/s；U為匯流模型在連接斷面法向流速,m/s；h為匯流模型在連接斷面處的水深,m；ξ為管道模型與匯流模型連接斷面坐標。

在一二維耦合連接中，管網與二維地面連接，如圖3所示。

(2) 模型構建

由于本次研究范圍較大，需要較多的網格，而且是在市區(qū)內，需要網格比較細致，能較好地反映出城市的道路和建筑外形。本次計算剖分網格選擇了四邊形網格，共劃分網格248 865個，每個網格約為225 m2。

圖3 城市管網與二維地面耦合連接示意圖

圖4 小寨片區(qū)雨水干管系統(tǒng)排水能力圖

(3) 模型耦合計算

對已構建的坡面匯流模型、管道模型進行耦合，管道與坡面模型均為節(jié)點連接。

《雙城記》的故事源頭可以追溯到多年前侯爵兄弟所犯下的那場罪惡，如果按時間順序，那可算是故事的第一幕，而德伐日太太就是在第一幕中被時時提及卻并未正式出場的小妹妹。因為侯爵兄弟二人的殘酷，泰雷茲從小失去了父母，后來嫁給歐內斯特·德伐日，成為了德伐日太太。在第一部第五章《酒店中》，德伐日太太正式出場：

3 研究結果

3.1 現(xiàn)狀徑流控制率

本次利用平水年(p=50%)日降雨數(shù)據(jù)評估小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制率，平水年小寨區(qū)域產水量1 130萬m3，系統(tǒng)外排水量706萬m3，計算小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制率較小，約為37.5%(1-706/1 130)，相當于設計降雨量4.5 mm，這與小寨區(qū)域經濟發(fā)展狀態(tài)及用地開發(fā)程度基本吻合，需要改造空間較大。

3.2 管網排水能力分析

本次設計分別對小寨區(qū)域現(xiàn)狀雨水管道排水能力進行評估，評估成果見圖4，以大環(huán)河干管系統(tǒng)、緯一街干管系統(tǒng)、丈八東路干管系統(tǒng)為例。

(1) 大環(huán)河干管系統(tǒng)

大環(huán)河干管系統(tǒng)包括長安路、翠華路、雁塔路、慈恩路、朱雀大街、含光路、永松路、太白路等路段的雨水的排水干管，由南向北接至大環(huán)河，現(xiàn)狀干管總長度約19.33 km。

在重力流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為5≤p的管道約占總長度的6%，滿足降雨重現(xiàn)期為3≤p<5的管道約占總長度的15%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<3的管道約占總長度的52%，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占總長度的27%。

(2) 緯一街干管系統(tǒng)

緯一街干管系統(tǒng)內干管總長度約17.38 km，在滿流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為5≤p的管道約占3%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<5的管道約占20%，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占87%。

(3) 丈八東路干管系統(tǒng)

丈八東路干管系統(tǒng)雨水通過皂河排水分區(qū)的丈八東路主干管系統(tǒng)及南三環(huán)輔道干管系統(tǒng)將區(qū)域內的雨水排至皂河。其中丈八東路排水系統(tǒng)匯水面積為559.73 hm2，干管總長度為10.2 km。在滿流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占75%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<2的管道約占7%，滿足降雨重現(xiàn)期為2≤p<3的管道約占7%，滿足降雨重現(xiàn)期為3≤p<5的管道約占11%。

3.3 內澇風險分析

基于現(xiàn)狀管網及地形，本次模擬了重現(xiàn)期50年一遇設計暴雨，小寨區(qū)域內澇積水點較多，小寨十字內澇積水最為嚴重，永松路、含光路、朱雀大街均有積水，區(qū)域性內澇風險較大。

4 結 論

通過本次模擬分析，我們可以看出小寨區(qū)域存在以下問題：

(1) 小寨區(qū)域由于城市化，高樓林立，居民樓、商業(yè)建筑遍布全區(qū)。開發(fā)密度高，建筑密度大，綠地、公園較少，建筑、路面不透水面積比例大，硬化率高。老舊小區(qū)內綠地率低，道路兩側有部分綠化帶，但面積較小，人行道一般為不透水鋪裝?？傮w來看，小寨區(qū)域年徑流總量控制率較小，約為38%。

(2) 小寨區(qū)域，現(xiàn)狀管網排水能力集中在1～2 a，整體標準較低,難以滿足水安全需要。

(3) 小寨區(qū)域內澇問題在于面對極端暴雨情形下雨水管網系統(tǒng)處理能力有限，而大幅度提升老城區(qū)雨水系統(tǒng)設計標準，改造難度大、投入資金高，故解決小寨區(qū)域內澇問題，需要改變以往以排為主的觀念，統(tǒng)籌考慮綜合運用蓄排措施，“排”掉雨水管網標準以內水，“蓄”住超標雨水，以實現(xiàn)區(qū)域削峰作用，最大程度降低內澇災害。

(4) 通過模擬分析，小寨區(qū)域在遭遇50年一遇暴雨時，管網排水量有限，需要有效調蓄空間30.7萬m3，以滿足區(qū)域治澇需求,見圖5。

圖5 小寨區(qū)域50年一遇水量平衡圖

5 展 望

(1) 小寨區(qū)域自身城市化程度較高，地面硬化率高、管網排水標準低，加之近些年極端暴雨天氣影響與小寨自身地形先天不足，極易發(fā)生內澇。為防治內澇，需要采用海綿城市理念，因地制宜選擇“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種措施，增加區(qū)域有效調蓄空間，將城市防汛排澇與海綿城市建設深度融合，綜合解決小寨內澇風險問題，為打造綠色生態(tài)的公共活動空間、小寨區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，提供堅實的基礎。

(2) 中國北方城市，暴雨突顯歷時短、強度大特點，若單純依靠提高雨水管網設計標準解決內澇問題，一方面提升空間有限，另一方面往往改造成本巨大。為此，需要綜合考慮蓄排措施，蓄排結合，提升區(qū)域蓄滯能力，“排”掉標準以內雨水，“蓄”住超標雨水，以實現(xiàn)區(qū)域削峰作用，綜合發(fā)力，全面解決。