基于Mike Flood模型的老舊小區(qū)海綿化改造研究

孫 楠 范肖予 郭夢京

（1.山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002；2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室 陜西西安710054）

0 引言

城市化是推動區(qū)域迅速發(fā)展的有效途徑，是維持經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的有力支撐，但隨著城市化進程的不斷推進，傳統(tǒng)的土地開發(fā)模式帶來大面積不透水鋪裝，導(dǎo)致城市下墊面的透水及滯水性能明顯降低，減弱了下墊面的雨水調(diào)蓄能力，從而引發(fā)了水資源緊缺、城市水生態(tài)惡化、城市內(nèi)澇等一系列城市水問題。

2012年4月，“海綿城市”在《2012 低碳地市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中被首次提出；2014年10月，《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》正式發(fā)布；2016年4月，山西省人民政府印發(fā)了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)管理的實施意見》，意見要求舊城區(qū)結(jié)合城市道路改造、老舊小區(qū)更新、棚戶區(qū)改造同步實施海綿城市建設(shè)，到2020年城市建成區(qū)海綿城市建設(shè)達標(biāo)面積需大于20%；2019年4月，國家發(fā)改委、水利部聯(lián)合印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》中提及結(jié)合海綿城市建設(shè)來提高雨水資源利用水平。

本文以山西太原某老舊小區(qū)為例，探討Mike Flood 模型在老舊小區(qū)海綿化改造設(shè)計中的應(yīng)用，并通過研究小區(qū)海綿措施削峰減洪效果，提出適宜老舊小區(qū)的海綿化改造措施，為涵養(yǎng)局部水資源、增強小區(qū)防澇能力提供思路，為舊城海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐[1-2]。

1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中部，是山西的省會城市。2016年《太原市海綿城市專項規(guī)劃》（2016年-2020年）的公布，標(biāo)志著太原市海綿城市建設(shè)的開始。隨后，太原市相繼出臺海綿城市建設(shè)的實施意見、管理暫行辦法等，逐步推動太原市海綿城市建設(shè)；2019年11月，《太原市海綿城市建設(shè)管理條例》出臺，以地方法規(guī)的形式將海綿城市建設(shè)的各項工作予以規(guī)范，給太原市海綿城市建設(shè)提供了法律保障。

太原市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷漫長，夏季濕熱多雨。多年平均降水量為388～485 mm，降水主要集中于夏、秋兩季；多年平均水面蒸發(fā)量925～1 247 mm；平均相對濕度53%～58%；最大凍土層厚度0.77～1.10 m。

研究小區(qū)位于太原市北部，建于上世紀(jì)90年代，總面積3.14 萬m2，總地勢東北高、西南低，小區(qū)有一個雨水出口位于小區(qū)南端，雨水通過雨水管網(wǎng)經(jīng)雨水出口排入小區(qū)外道路管網(wǎng)系統(tǒng)。

2 模型與數(shù)據(jù)

2.1 模型建立

本次模擬采用的二維耦合模型（MIKE FLOOD）是丹麥DHI 公司開發(fā)的MIKE 系列軟件之一，是由一維雨水管網(wǎng)模型（即：MIKE URBAN）與二維地表漫流模型（即：MIKE 21）耦合而成。一維管網(wǎng)模型用于模擬研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力以及提供溢流節(jié)點位置及溢流水量，模擬主要分為徑流模擬和管網(wǎng)模擬兩個階段。徑流模擬中產(chǎn)流采用徑流系數(shù)法，匯流采用時間-面積曲線法；管網(wǎng)模擬采用水動力模塊計算，其控制方程為一維圣維南方程組；二維地表漫流模型用于模擬研究區(qū)地面洪水的流速、流向及深度[3]。二維地表漫流采用水動力學(xué)模塊計算，其控制方程為二維圣維南方程組。

1）管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

該小區(qū)排水體制是分流制。本次工作收集到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括：管網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括管道位置、管道連接關(guān)系、流向、管道斷面形式、管徑、管道長度、上下游管底高程、管材等；檢查井?dāng)?shù)據(jù)，包括檢查井坐標(biāo)、井底部高程、檢查井井深、地面高程等；排放口數(shù)據(jù)，包括排放口頂部高程、底部高程等。研究區(qū)包含集水井37個，排放口1 個，管段36 個，均為圓管，共劃分子匯水區(qū)37 個。研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2 小區(qū)土地利用圖

2）下墊面概化

本研究結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行不透水率設(shè)置。研究區(qū)用地類型主要分為建筑、道路、綠地、其它四大類，土地利用圖如圖2所示。在雨洪模型中，徑流系數(shù)通常采用經(jīng)驗數(shù)值，本研究采用《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006）中給出的不同地類徑流系數(shù)值。不同下墊面參數(shù)見表1。

表1 不同下墊面參數(shù)表

3）地形數(shù)據(jù)

本研究根據(jù)研究區(qū)1∶1000 CAD 數(shù)據(jù)圖形，利用ArcGis 提取高程點和高程線，并進行插值處理得到研究區(qū)DEM 圖。

4）參數(shù)設(shè)置

根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)資料設(shè)置曼寧糙率系數(shù)等模型參數(shù)及初始條件和邊界條件等，其中干水深為0.002 mm、濕水深為0.003 mm，模擬時間步長為1 s，主要參數(shù)初始值見表2。

表2 模型主要參數(shù)取值表

2.2 模型驗證

本文采用太原市“2016.7.19”暴雨為典型暴雨事件進行模型率定及驗證。計算區(qū)域內(nèi)最大淹沒水深計算結(jié)果參見圖3，可以看出，最大水深發(fā)生時刻為10:00 左右，1 號位置淹沒水深為0.45～0.5 m，2 號位置淹沒水深為0.3～0.4 m，與實際調(diào)查情況基本一致。各參數(shù)率定值見表2。

3 方案設(shè)置及計算結(jié)果分析

3.1 方案設(shè)置

圖3 “7.19”暴雨最大淹沒水深模擬結(jié)果

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中提出的諸如透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、雨水桶、植草溝、植被緩沖帶、人工土壤滲濾等具有滲透、儲存、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)輸、截污凈化等作用的海綿措施。本次小區(qū)海綿化改造主要考慮投資少、后期運營維護方便、適用于北方的海綿措施[4]。結(jié)合小區(qū)實際情況，本次選擇適合研究區(qū)的海綿措施為在溢流點附近設(shè)置雨水桶，同時設(shè)置下凹綠地及透水鋪裝。其中雨水桶是指與單體建筑屋頂排水管網(wǎng)直接連接的，設(shè)置于地表或地下用塑料或金屬等材料制成的簡易雨水集蓄利用設(shè)施。下凹綠地是指根據(jù)土壤滲透性及植物耐淹性確定下凹深度的綠地，一般由蓄水層、種植層和溢流口組成，由于綠地標(biāo)高小于四周不透水地表，雨水將被導(dǎo)流至綠地。透水鋪裝是指鋪設(shè)透水磚、草坪磚、碎石卵石鋪面等可透水下墊面。與硬化地面相比，透水鋪裝增加了雨水的下滲，在一定程度上減少了地面積水。本次措施布設(shè)模擬圖見圖4所示，各海綿措施尺寸表見表3。

圖4 海綿措施布設(shè)模擬圖

表3 各海綿措施尺寸表

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 排口處流量變化情況

一維雨水管網(wǎng)1、3、5年一遇降雨在海綿措施添加前后，由排口處流量變化情況可以看出，海綿措施添加前不同設(shè)計暴雨排口處流量峰值分別為0.144 m3/s，0.157 m3/s，0.164 m3/s；添加后不同設(shè)計暴雨排口處流量峰值分別減小至0.125 m3/s，0.143 m3/s，0.151 m3/s，排口處流量峰值削減率分別為13.2%、8.9%、7.9%，海綿措施對排口處流量峰值削減效果明顯。

3.2.2 暴雨節(jié)點溢流結(jié)果分析

運用已建模型模擬1年、3年和5年一遇設(shè)計暴雨2 h 降雨過程，研究區(qū)共設(shè)置節(jié)點數(shù)38 個，當(dāng)降雨時間到33 min 時，溢流節(jié)點數(shù)達到最大。由計算結(jié)果可知，海綿措施的添加在各重現(xiàn)期降雨情境下對溢流節(jié)點均有明顯的削減效果，消減率分別為100%、91.2%和79.9%，消減率隨降雨重現(xiàn)期的增大而減小，這是由于海綿措施的調(diào)蓄能力有限，隨著降雨強度的增加，除了雨水桶等可直接消減水量的措施不受影響，其它措施的調(diào)蓄能力都會產(chǎn)生不同程度的下降。

3.2.3 地表漫流淹沒結(jié)果分析

運用已建模型模擬1年、3年和5年一遇設(shè)計暴雨2 h 降雨過程，現(xiàn)狀研究區(qū)設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖見圖5、圖6、圖7，海綿措施添加后研究區(qū)設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖見圖8、圖9、圖10。由計算結(jié)果可知，海綿措施添加前，1年、3年和5年一遇降雨條件下，大于0.2 m 淹沒水深的淹沒面積分別為230.25 m2、869.8 m2和1 184.75m2。海綿措施添加后，大于0.2 m淹沒水深的總面積分別減小到5 m2、50.5 m2和85.5 m2，大于0.2 m 淹沒水深的淹沒面積削減率分別為97.8%、94.2%、92.8%，削減作用明顯。結(jié)果表明，采用合理的海綿措施能有效地降低研究區(qū)洪峰流量和徑流總量，有效地改善小區(qū)局部積水問題。

圖5 現(xiàn)狀研究區(qū)1年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

圖6 現(xiàn)狀研究區(qū)3年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

圖7 現(xiàn)狀研究區(qū)5年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

圖8 海綿改造后研究區(qū)1年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

4 結(jié)論

本文以山西太原某老舊小區(qū)為例，分析了海綿措施的添加對小區(qū)徑流總量和峰值的削減情況，主要結(jié)論如下：

圖9 海綿改造后研究區(qū)3年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

圖10 海綿改造后研究區(qū)5年一遇設(shè)計暴雨淹沒水深分布圖

1）添加海綿措施后，雨水管網(wǎng)溢流點的個數(shù)、淹沒面積、排口處流量峰值在不同降雨重現(xiàn)期下均明顯減小，海綿措施的削峰減洪作用明顯，可有效地改善小區(qū)局部積水問題。

2）本次添加的海綿措施有下凹綠地、滲透鋪裝及雨水桶，均屬于低影響開發(fā)措施，措施施工方便，后期運營成本較低，對北方老舊小區(qū)較為適用。

3）本研究中設(shè)置的綜合海綿措施效果良好，但仍有進一步優(yōu)化空間，在實際運用過程中可通過調(diào)整措施設(shè)置位置、措施設(shè)置面積及措施組合，以達到最佳效果。