城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)模擬與調(diào)控

鄧勝平

成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610023

1 城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不斷加大，勢(shì)必會(huì)造成城鎮(zhèn)不透水下墊面比例的增加，降雨后城鎮(zhèn)地面徑流量增大，引起強(qiáng)烈城市水文效應(yīng)，導(dǎo)致一系列城市水資源、水生態(tài)環(huán)境以及城市自然水循環(huán)問(wèn)題。一些國(guó)家和地區(qū)通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)LID（low impact development）的理念控制區(qū)域不透水性面積的比例來(lái)緩解這些問(wèn)題。低影響開(kāi)發(fā)強(qiáng)調(diào)城市開(kāi)發(fā)應(yīng)減少對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)域環(huán)境的影響，其核心理念包括源頭控制和延緩沖擊負(fù)荷。低影響開(kāi)發(fā)是以開(kāi)發(fā)前后區(qū)域內(nèi)水文特征保持天然狀態(tài)為目標(biāo)，通過(guò)一系列分布又整體成系統(tǒng)的措施達(dá)到與自然狀態(tài)下功能相當(dāng)?shù)乃奶卣骱蜕鷳B(tài)景觀，而對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最小負(fù)面影響的開(kāi)發(fā)策略。低影響措施可以整合城市基礎(chǔ)設(shè)施，改善城市水系統(tǒng)循環(huán)路徑，改善傳統(tǒng)僅強(qiáng)調(diào)“排”的單一策略，同時(shí)具有更好的生態(tài)、景觀效應(yīng)。

2 城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)模擬模型

在我國(guó)較為常用的城市水力計(jì)算方法包括推理公式法、等流時(shí)線法、單位線法等。以上幾種計(jì)算方法基本屬于集總型，一般僅適用于邊界條件較為明確簡(jiǎn)單、水文基礎(chǔ)資料較為完整全面、雨水匯流面積不大的區(qū)域，超范圍應(yīng)用傳統(tǒng)雨水流量計(jì)算方法將導(dǎo)致排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與排放需求不匹配[1]，且難以計(jì)算出流量過(guò)程。

在《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB50318）以及《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014）所使用的推理公式，采用經(jīng)驗(yàn)法確定坡面匯流時(shí)間，采用水力學(xué)的恒定均勻流推理公式計(jì)算管網(wǎng)匯流。恒定均勻流推理公式使用的前提包含了以下三個(gè)假設(shè)：1）在計(jì)算雨量的徑流系數(shù)是常數(shù)；2）計(jì)算過(guò)程中匯流面積不變；3）在計(jì)算匯水時(shí)間內(nèi)的降雨強(qiáng)度保持不變。而實(shí)際上這三者都是動(dòng)態(tài)變化的。當(dāng)流域特性比較復(fù)雜，研究區(qū)域范圍較大，人工調(diào)控干預(yù)比較顯著時(shí)，這類方法難以描述城市復(fù)雜水文過(guò)程。

XPSWMM集成水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模擬于一體，通過(guò)動(dòng)力波方法對(duì)圣﹒維南方程組的完整求解，得到排水管網(wǎng)匯流過(guò)程的動(dòng)態(tài)非恒定流模擬；對(duì)管網(wǎng)匯流與地表積水的流量交換和相互影響分析可無(wú)縫集成一維、二維模擬，用于管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力分析，排水系統(tǒng)的局限性診斷，洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

2.1 水文條件

選擇2011年7月3日暴雨（后簡(jiǎn)稱“7·3暴雨”）作為模型檢驗(yàn)的降雨事件。

衣冠廟和新光路片區(qū)附近有武侯區(qū)政府雨量站，7·3暴雨的降雨量為196.0 mm，本次模型采用該雨量站7·3暴雨的小時(shí)降雨量雨型過(guò)程線與不同頻率6小時(shí)設(shè)計(jì)降雨量的乘積，分解為不同頻率6小時(shí)降雨過(guò)程，各時(shí)段雨量如表1所示。

表1 不同頻率6小時(shí)設(shè)計(jì)降雨量7·3暴雨雨型的時(shí)段分配雨量

2.2 產(chǎn)匯流方法

降雨產(chǎn)流過(guò)程的扣損采用Horton扣損法，降雨徑流采用SWMM Runoff非線型水庫(kù)法，根據(jù)雨水匯流區(qū)域的下墊面特征，如硬質(zhì)路面、河湖水系、綠地、房屋建筑等，具有各自的透水強(qiáng)弱特性，逐時(shí)模擬生成降雨過(guò)程中的產(chǎn)匯流結(jié)果。

2.3 水動(dòng)力方法

地面雨水徑流進(jìn)入雨水管道后，在管道中流動(dòng)的水力特征較為復(fù)雜。水力模擬通過(guò)求解水力方程組——圣﹒維南方程組，來(lái)動(dòng)態(tài)模擬水流在管網(wǎng)中的水力狀態(tài)。

圣﹒維南方程組包含兩類方程——連續(xù)性方程和能量方程。方程組的未知參數(shù)包括水流過(guò)流橫斷面的平均流速v=v(x，t)以及管底到自由水面的深度h=h(x，t)。

排水管網(wǎng)中的水流一般可視為不可壓縮的液體，即水流密度不變，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在dt時(shí)段內(nèi)，從上游斷面流入和從下游斷面流出的水量差等于兩斷面間水體體積的增減量，據(jù)此有連續(xù)性方程：

上下游斷面間的能量差轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分為摩擦阻力做功，另一部分為位置勢(shì)能轉(zhuǎn)換動(dòng)能；據(jù)此則有能量方程：

聯(lián)立以上連續(xù)性方程和能量方程即為圣﹒維南方程組。式中：

A — 過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e(m2)；

Q — 水體流量(m3/s)；

t — 時(shí)間(s)；

x — 管道的長(zhǎng)度(m)；

q — 旁側(cè)入流量；

g — 重力加速度(m/s2)；

h — 水深(m)；

S0— 管道坡降；

Sf— 阻力坡降。

采用動(dòng)力波法求解圣﹒維南方程組，包括了影響非恒定明渠流的所有項(xiàng)，考慮了上下游兩個(gè)斷面條件的水力狀態(tài)。用該法進(jìn)行水力動(dòng)態(tài)模擬，能夠模擬管道中的逆向流、壓力流、側(cè)流滲入滲出損失以及洪峰在管道中的傳播與衰減，回水對(duì)上游水流的影響，適用的情形廣泛，綜合的邊界條件全面，結(jié)果與實(shí)際情形更接近。

2.4 一維二維耦合模擬

一維水力學(xué)模型主要用于模擬管道中的水流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水量過(guò)大，管道發(fā)生溢流或地面發(fā)生積水時(shí)，管道與地面發(fā)生水量交互流動(dòng)時(shí)，一維模型則不能根據(jù)具體地形和下墊面特征模擬溢流或地面水流的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程，無(wú)法動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)澇的積水深度、積水范圍及整體的退水路徑等內(nèi)容。

城市地表漫流可視為具有自由表面的淺水體在重力作用下的流動(dòng)，可忽略水流沿垂直z方向的速度和加速度，可用二維淺水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，也就是通常所說(shuō)的二維模擬。描述淺水動(dòng)力學(xué)的二維非恒定流方程組，共包括三個(gè)方程：水流連續(xù)性方程、水流沿水平x方向動(dòng)量方程、及水流沿水平y(tǒng)方向的動(dòng)量方程，形式如下：

式中：

t— 時(shí)間(s)；

n— 曼寧糙率系數(shù)；

x, y— 直角坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)（m）；

u, v—x, y方向的流速分量（m/s）；

z, h—x, y處的水位和水深（m）；

g — 重力加速度(SI 制)。

對(duì)城市內(nèi)澇分析研究采用一維、二維耦合模擬，將管網(wǎng)一維模型與地面漫流二維進(jìn)行耦合分析，將模型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的檢查井頂部與地表二維網(wǎng)格連接，模擬管渠中的有壓流和地表自由表面流之間的物質(zhì)與能量交互，以及內(nèi)澇洪水在地表二維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而動(dòng)態(tài)演繹洪澇的變化過(guò)程。

2.5 其他影響因素

排水系統(tǒng)出口出流狀態(tài)會(huì)受到受納水體水位的影響，影響的具體情形有以下兩種：

1. 流域性降雨引起的河湖受納水體水位上漲滯后于本地集中降雨，認(rèn)為本地集中暴雨時(shí)，排水系統(tǒng)不受河道水位影響。

2. 流域性洪水引起的河湖受納水體水位上漲與本地集中降雨影響重疊時(shí)，二者將共同影響排水系統(tǒng)，將進(jìn)行受納水體水位對(duì)排水系統(tǒng)的敏感性分析[2-3]。

3 城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)模擬與調(diào)控實(shí)例

以人民公園和羊市街片區(qū)為例，該片區(qū)東側(cè)至東城根街、文翁路附近，南側(cè)至南河附近，北側(cè)至府河附近，西側(cè)至飲馬河、西郊河附近。片區(qū)內(nèi)城市開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高，區(qū)域內(nèi)的人民公園是有較大面積綠地空間。

3.1 模型概化

將衣冠廟和新光路片區(qū)的雨水管網(wǎng)中進(jìn)行模擬分析，模型網(wǎng)絡(luò)概化見(jiàn)1圖，包括2361個(gè)節(jié)點(diǎn)和2380個(gè)連接。片區(qū)內(nèi)二環(huán)路從西往東的雨水管網(wǎng)匯流了區(qū)域大半的雨水，是主要的雨水通道，排往府河；創(chuàng)業(yè)路從北往南雨水管道是另一條主要排放管道，排往火燒堰。

圖1 地面高程背景下的管網(wǎng)概化圖

3.2 模型檢驗(yàn)

衣冠廟和新光路片區(qū)雨水排水系統(tǒng)在7·3暴雨條件下的內(nèi)澇范圍及積水水深如圖2所示。模型模擬內(nèi)澇情況與片區(qū)實(shí)際調(diào)查的8個(gè)積水區(qū)域基本吻合，積水深度也較為接近。

圖2 片區(qū)現(xiàn)狀20年一遇6小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨下積水風(fēng)險(xiǎn)圖

3.3 內(nèi)澇原因診斷

⑴ 紫荊北路道路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街段的管徑為DN600，紫竹北街到紫荊巷段為DN700，而該段管道的上游和下游均為DN800，暴雨期排水不暢。

⑵ 桐梓林北路雨水管網(wǎng)自西向東穿過(guò)高攀河時(shí)管徑由DN1000減小為DN600，然后繼續(xù)向東以DN800的管徑從人民南路向北接入二環(huán)路。該區(qū)域的排水受限于DN600的瓶頸段。

⑶ 人民南路過(guò)二環(huán)路存在地勢(shì)低洼，由于7·3暴雨二環(huán)路骨干管網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致與二環(huán)路主干管網(wǎng)連接的雨水管道無(wú)法及時(shí)排走雨水，產(chǎn)生地面積水，匯入立交區(qū)域洼地。

⑷ 武侯祠大街南側(cè)，洗面街、高升橋東路的集水區(qū)內(nèi)的雨水匯往洗面街和高新大道的骨干雨水管網(wǎng)后排往火燒堰。洗面橋街道過(guò)一環(huán)路到高新大道區(qū)域中位于一環(huán)路附近的地勢(shì)處于凹型的鍋底狀，7·3暴雨管網(wǎng)來(lái)不及排水造成凹形鍋底區(qū)域積水，影響交通。

3.4 排澇能力提升方案

衣冠廟和新光路片區(qū)排澇能力提升工程措施包括：

⑴ 紫荊北路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街管徑擴(kuò)大為DN800，消除該段的局部阻水段，提高排水能力。

⑵ 新光路雨水管網(wǎng)自二環(huán)路往桐梓林北路排水，再沿著桐梓林北路往東排水，在高攀河設(shè)置下河口。

⑶ 二環(huán)路路南的桐梓林東路雨水管網(wǎng)反向改造，管徑為DN1400，自二環(huán)路往桐梓林北路排水，并在高攀河設(shè)置下河口，并將桐梓林東路東側(cè)的桐梓林北路上的雨水管道與此反向改造的雨水管網(wǎng)斷開(kāi)連接。

⑷ 創(chuàng)業(yè)路永豐立交下穿通道下設(shè)置雨水強(qiáng)排自動(dòng)泵站，規(guī)模1.0m3/s，通過(guò)DN1000雨水強(qiáng)排入肖家河。

⑸ 高升橋東路雨水管道反向改造，排往肖家河。

⑹ 衣冠廟、一環(huán)路、高新大道立交設(shè)置雨水強(qiáng)排自動(dòng)泵站，規(guī)模1.3m3/s，沿高新大道敷設(shè)一條DN1100壓力管排入肖家河。

3.5 工程措施效果評(píng)估

衣冠廟和新光路片區(qū)雨水系統(tǒng)實(shí)施相關(guān)工程措施后，將原本重現(xiàn)期5年一遇降雨情形下發(fā)生溢流風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，提高到了重現(xiàn)期10年一遇6小時(shí)降雨情形下才出現(xiàn)溢流。重現(xiàn)期20年一遇降雨時(shí)，一環(huán)路高新大道附近地勢(shì)低洼區(qū)域，出現(xiàn)的積水深度多數(shù)在25mm以下，對(duì)交通影響較小，調(diào)控取得良好效果。

4 結(jié)論

⑴ 城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)包括城市排水管網(wǎng)、河道、閘、壩、泵站等系統(tǒng)。在高度城市化發(fā)展的今天，由于這些系統(tǒng)調(diào)控不當(dāng)將導(dǎo)致城市發(fā)生內(nèi)澇，威脅城市安全運(yùn)行。為加強(qiáng)對(duì)城市社會(huì)水循環(huán)排水系統(tǒng)的調(diào)控，采用低影響開(kāi)發(fā)（LID）技術(shù)和引入水力模型對(duì)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬是兩個(gè)有效的方法。

⑵ 傳統(tǒng)的推理公式對(duì)流域特性比較復(fù)雜，人類影響活動(dòng)比較強(qiáng)烈，以及人工調(diào)控干預(yù)比較顯著的情況難以描述城市復(fù)雜水文過(guò)程，必須借助水力模型模擬。

⑶ 目前國(guó)內(nèi)外著名城市水文模型有SWMM、STORM、MOUSE、HYDROSIN、Wallingford、XPSWMM等。其中XPSWMM集成水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模擬于一體，采用動(dòng)力波方法求解圣﹒維南方程組，進(jìn)行排水管網(wǎng)匯流的動(dòng)態(tài)非恒定流模擬；對(duì)管網(wǎng)匯流與地表積水的流量交換和相互影響分析可集成一維、二維模擬，用于管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力分析，排水系統(tǒng)的局限性診斷，洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

⑷ 結(jié)合衣冠廟和新光路易澇片區(qū)，建立區(qū)域水力模型、經(jīng)模型概化、模型檢驗(yàn)，分析出了區(qū)域產(chǎn)生內(nèi)澇的原因，并有針對(duì)性地提出了若干工程解決方案。

⑸ 采用相關(guān)工程措施施后，經(jīng)模擬結(jié)果，片區(qū)雨水排水系統(tǒng)排澇能力提升至重現(xiàn)期10年一遇6小時(shí)設(shè)計(jì)降雨不溢流，重現(xiàn)期20年一遇6小時(shí)設(shè)計(jì)降雨有少量積水，但對(duì)交通影響較小和城市整體安全，調(diào)控取得良好效果。