西安市老城區(qū)海綿改造對雨水徑流削減效益模擬研究

洪 偉， 高徐軍， 杜穎恩， 李 軒， 馬勇勇， 陳至立， 張學弟， 薛樹紅

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院， 陜西 西安 710127； 2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 3.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著我國城市化的迅速發(fā)展，城市的下墊面和氣象條件發(fā)生了顯著變化，致使城市不透水面積占比增加，城市洪澇現(xiàn)象比以往更為頻發(fā)，嚴重影響了社會生產(chǎn)生活的高質(zhì)量發(fā)展。以低影響開發(fā)(low impact development，LID)為核心的海綿城市理念，是現(xiàn)代化城市高質(zhì)量發(fā)展進程中出現(xiàn)的新理念、新方法，為提升雨水資源的利用效率與洪災(zāi)防控提供了新型城市雨水管控思路，經(jīng)過大量的實踐證明，海綿城市對城市內(nèi)澇具有明顯的緩解作用[1-2]。城市中的老舊城區(qū)一般具有建成年代久、規(guī)劃設(shè)計不健全和排水系統(tǒng)設(shè)施不完善的特點，導(dǎo)致其相較于新建城區(qū)更易形成周邊及地塊內(nèi)積水，嚴重影響了城區(qū)人民的生活質(zhì)量[3-4]，因而老舊城區(qū)海綿化改造是海綿城市建設(shè)中的一個重要且緊迫的問題。

為了有效地評估和量化老城區(qū)改造前后的內(nèi)澇削減程度和海綿調(diào)蓄能力，達到研究老城區(qū)海綿改造的綜合調(diào)控容量的需要，模型模擬是最為理想且可靠的方法。在模型模擬海綿建設(shè)效果評估方面，常見的海綿城市評估模型有暴雨洪水管理模型SWMM(storm water management model)[5]、城市綜合流域排水模型InfoWorks ICM[6]、DHI公司的水力模型MIKE URBAN[7]等。國外利用數(shù)值模型對海綿城市進行效果評估的研究較早，已經(jīng)有許多學者通過數(shù)值模型對雨水管理的實施效果、LID模式下水文特征、數(shù)值模型參數(shù)的準確性、LID設(shè)施對污染物輸移的影響及LID設(shè)施的優(yōu)化方法等方面進行了研究，并取得一定的成果[8-11]。國內(nèi)利用數(shù)值模擬評估海綿建設(shè)效果起步較晚，已有學者通過數(shù)值模型對水文水質(zhì)參數(shù)的取值、LID設(shè)施的場次徑流控制率和徑流總量控制率及單體LID設(shè)施的徑流控制率進行了研究[12-15]。然而目前研究主要集中在單體LID設(shè)施及海綿城市新建區(qū)域，對于老舊城區(qū)海綿改造的雨水徑流控制效果及徑流削減效益的研究還有待深入。

本研究以西安市小寨老城區(qū)為研究對象，采用理論分析方法，以城區(qū)內(nèi)不產(chǎn)生內(nèi)澇積水為標準，采用SWMM模型搭建城市內(nèi)澇數(shù)值模型，綜合考慮老城區(qū)本底建筑設(shè)施情況，以及城市地下管網(wǎng)布設(shè)方式，模擬計算不同場次降雨條件下的城市管道外排和節(jié)點溢流情況，分析計算出“滲”“蓄”“排”所對應(yīng)的水量，采用蓄水量、蓄排比等量化指標對老城區(qū)海綿措施綜合調(diào)控容量進行量化評估，從而為后續(xù)海綿措施改造提供數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

西安市地處陜西省中部的關(guān)中盆地，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降雨量為571 mm，降雨主要發(fā)生在7-9月，約占全年降雨量的77%[16-17]。小寨老城區(qū)作為典型老城區(qū)代表，又是西安市的經(jīng)濟核心區(qū)，積澇現(xiàn)象嚴重，在2016年，“7·24”短歷時強降雨對其造成了嚴重的經(jīng)濟損失，其中小寨什字內(nèi)澇積水最為嚴重，主要干道均有不同程度的積水，區(qū)域性內(nèi)澇風險程度較大，且大環(huán)河、皂河等水質(zhì)也有待提高。

區(qū)域管網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)中國電建集團西北勘測設(shè)計研究有限公司提供的小寨老城區(qū)海綿城市改造工程管網(wǎng)數(shù)據(jù)建立。根據(jù)西安市小寨老城區(qū)海綿布設(shè)圖及實地調(diào)研結(jié)果，對老城區(qū)海綿改造的設(shè)施類型、布設(shè)位置、調(diào)蓄容積和設(shè)施規(guī)模等情況進行采集，具體的布設(shè)情況如圖1所示，其中建筑與小區(qū)試點區(qū)域35處，綠地廣場試點區(qū)域12處，調(diào)蓄容積為28.75×104m3，改造建筑面積為187.71×104m2，透水鋪裝面積為10.26×104m2，改造綠地面積為26.40×104m2。

圖1 西安市小寨老城區(qū)海綿改造分布

2.2 模型概化

由于本研究主要涉及地表產(chǎn)匯流、低影響設(shè)施模擬和管網(wǎng)計算，因此，選用操作便捷、模擬效果好、管網(wǎng)計算穩(wěn)定的SWMM模型對研究區(qū)進行概化模擬。SWMM模型是基于水動力學理論開發(fā)的一種模型，能較好地模擬單一或連續(xù)降雨事件下的徑流狀況[18-19]。

SWMM模型中包括有眾多的下滲模型，本研究的模擬對象是城市區(qū)域，下滲過程更貼近Horton下滲，所以選用Horton下滲模型[20]。Horton下滲模型是一個表征入滲介質(zhì)的入滲率隨時間變化的經(jīng)驗公式：

f=(f0-f∞)e-kt+f∞

(1)

式中：f為表征下滲能力的參數(shù)，mm/min；f0為開始下滲時的下滲值，mm/min；f∞為下滲穩(wěn)定時的下滲值，mm/min；k為入滲介質(zhì)的入滲衰減指數(shù)，s-1或h-1，與入滲介質(zhì)的自身屬性有關(guān)。

SWMM的管網(wǎng)匯流模型采用的是求解一維圣維南方程組，以求得管道中的水深和流速等水力參數(shù)，本研究的地表徑流過程中存在非恒定流情況，因此選擇適應(yīng)能力更強的動力波法進行求解計算[21]，以保證計算的精度和穩(wěn)定性。

2.3 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)西安市雁塔區(qū)老城區(qū)地形圖以及老城區(qū)海綿城市詳細規(guī)劃工程建設(shè)圖，構(gòu)建老城區(qū)改造建設(shè)前、后的SWMM模型，分別見圖2、3。模型將建設(shè)前區(qū)域概化為233個子匯水區(qū)域，排水管網(wǎng)管段410段，管網(wǎng)節(jié)點557個，末端排水口3個。建設(shè)后模型將模擬區(qū)域概化為233個子匯水區(qū)域，排水管網(wǎng)管段554段，管網(wǎng)節(jié)點659個，末端排水口3個。共設(shè)置調(diào)節(jié)塘、透水鋪裝、下沉式綠地、蓄水模塊(蓄水池)4種LID改造措施。

圖2 西安市小寨老城區(qū)海綿城市建設(shè)前SWMM模型 圖3 西安市小寨老城區(qū)海綿城市建設(shè)后SWMM模型

本文對西安小寨老城區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)前后各種工況進行降雨徑流模擬，由于該地區(qū)暫無實測資料對模型的基本參數(shù)進行率定，模型參數(shù)的取值主要結(jié)合小寨實際情況并參考距該研究區(qū)域不遠的灃西新城海綿城市SWMM模型參數(shù)及相關(guān)文獻，兩者同處陜西省關(guān)中地區(qū)，無論在氣象方面還是土壤方面等都具有較高的相似性，故本次模擬參考西安灃西新城海綿城市的SWMM模型參數(shù)具有一定的合理性和科學性。

結(jié)合現(xiàn)有的資料和模型原理，將模擬區(qū)域的土地利用類型分為6類：綠地、道路、廣場、停車場、小區(qū)和公共建筑。滲入模型選取Horton模型，根據(jù)相關(guān)文獻和調(diào)研查勘，其中最大入滲速率選取210 mm/h，最小入滲速率選取28 mm/h；管道傳輸演算模型選取動力波模型，建設(shè)前管道統(tǒng)一選取圓管形狀，根據(jù)近期建設(shè)重點分布圖，建設(shè)后管道采用圓管和方管兩種形狀。模型所用具體參數(shù)設(shè)定見表1；根據(jù)相似模擬案例中LID設(shè)施的控水參數(shù)，本研究中具體參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 SWMM模型水文參數(shù)設(shè)定[22-25]

表2 SWMM模型LID設(shè)施模擬參數(shù)表

2.4 設(shè)計降雨

本次對小寨老城區(qū)模擬海綿城市建設(shè)前和建設(shè)后的各個工況進行選取。研究區(qū)域為海綿試點區(qū)域改建區(qū)，參考《海綿城市建設(shè)評價標準》(GB/T 51345—2018)中年徑流總量控制率分布圖，西安地區(qū)屬于Ⅱ區(qū)，年徑流總量控制率可取80%～85%，故小寨地區(qū)海綿城市建設(shè)年徑流總量控制率目標選取80%，根據(jù)西安地區(qū)多年平均降雨量統(tǒng)計結(jié)果，年徑流總量控制率80%對應(yīng)的年降雨量為17.2 mm，結(jié)合已有規(guī)劃和研究，提出對年徑流總量控制率為80%(17.2 mm)的目標。

本次模擬采用設(shè)計降雨量1年一遇、17.2 mm(1.35年)、2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇、100年一遇2 h設(shè)計降雨對研究區(qū)域海綿設(shè)施建設(shè)前及建設(shè)后的徑流控制率進行模擬。由芝加哥雨型法生成相關(guān)重現(xiàn)期降雨過程。芝加哥雨型法是以暴雨強度公式為基礎(chǔ)的設(shè)計典型降雨過程，能反映大多數(shù)降雨的共性，符合短歷時暴雨特征[26]。

西安地區(qū)暴雨強度公式為[27]：

(2)

式中：i為暴雨強度，mm/min；P為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨時長，min。

由西安城區(qū)短歷時降雨雨型分析計算得到綜合雨峰系數(shù)r=0.354 8，雨峰位置較靠前，降雨較集中。結(jié)合雨峰系數(shù)(取值為0.35)，生成各重現(xiàn)期歷時2 h的降雨過程，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)不同重現(xiàn)期歷時2 h降雨過程線

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)海綿措施徑流控制效果模擬結(jié)果

海綿城市建設(shè)區(qū)域需達到《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》規(guī)定的年徑流總量控制要求。對低于雨水設(shè)施設(shè)計降雨量的降雨，雨水設(shè)施不得出現(xiàn)雨水未經(jīng)控制直接外排的現(xiàn)象。特殊情況下(如地下水位高、徑流污染嚴重、土壤滲透性差、地下建筑(構(gòu))物阻擋、地形陡峭等)，徑流雨水難以通過入滲補充地下水、儲存回用等方式減排時，若徑流雨水經(jīng)過合理控制(如土壤滲濾凈化)后排放，仍可視為達到徑流總量控制要求。

采用SWMM模型通過數(shù)值模擬的方法，對研究區(qū)域海綿城市建設(shè)前后在1年一遇、1.35年一遇、2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、30年一遇、50年一遇和100年一遇降雨且歷時2 h的不同重現(xiàn)期徑流控制率進行模擬分析。建設(shè)前后各重現(xiàn)期模擬結(jié)果如表3和圖5所示。

圖5 研究區(qū)海綿城市建設(shè)前后徑流控制率對比

表3 研究區(qū)海綿城市建設(shè)前后全區(qū)徑流控制率模擬結(jié)果

海綿城市建設(shè)前后模擬結(jié)果表明：降雨量為17.2 mm(1.35 a)且降雨歷時2 h的設(shè)計降雨情況下，建設(shè)前全區(qū)徑流控制率達67.10%，不滿足海綿城市建設(shè)的評價標準。海綿設(shè)施改造后建設(shè)后全區(qū)徑流控制率達82.52%，其控制率有了較大提升，同時滿足了海綿城市建設(shè)的評價標準。此外，在1、2、5、10、20、30、50和100 a等8個不同重現(xiàn)期降雨條件下的徑流總量控制率的模擬結(jié)果表明，其建設(shè)前分別為68.65%、62.38%、49.60%、42.16%、36.53%、33.86%、31.06%、27.92%；建設(shè)后分別為83.55%、79.58%、68.22%、65.03%、55.64%、52.58%、49.67%、46.04%。

綜上所述，在小寨老城區(qū)進行海綿城市改造，建設(shè)海綿措施和雨水調(diào)蓄池后，徑流控制率顯著提高，降雨重現(xiàn)期較小時，大部分降水會留在當?shù)兀涤曛噩F(xiàn)期較大時，也能起到很好的徑流削減作用。

3.2 研究區(qū)海綿措施控制徑流過程模擬結(jié)果

城市內(nèi)澇治理中重要的不僅是海綿措施對徑流量的控制效果，研究徑流過程變化也同樣重要。研究區(qū)不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下海綿城市建設(shè)前后3個排水口(33#、34#、35#)流量過程線模擬結(jié)果見圖6。圖6表明，由于增加了蓄水池、透水鋪裝等海綿措施，建設(shè)后排水口流量過程線明顯低于建設(shè)前，說明經(jīng)過海綿改造后，雨水很大程度上被海綿措施儲蓄起來，徑流控制效果顯著改善；對于35#排水口而言，主要排出的是研究區(qū)南部匯入管道的雨水，該分區(qū)在LID和調(diào)蓄池上的改造甚微，主要是進行管網(wǎng)系統(tǒng)的新建或改建，改造后該分區(qū)的管網(wǎng)排水能力得到較大的提升，所以，在較大重現(xiàn)期下(5～100 a)，建設(shè)后由于35#排水口的峰值排水能力有較大提升，能快速將分區(qū)地表徑流排出，但是在小重現(xiàn)期下(1～2 a)，由于較少的LID措施和調(diào)蓄設(shè)施的存在，能消納一部分水量，因此出現(xiàn)了建設(shè)前流量過程線較建設(shè)后外排量高的情況。

圖6 研究區(qū)不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下海綿城市建設(shè)前后排水口流量過程線

3.3 研究區(qū)海綿措施滲蓄排水量平衡分析

通過對海綿措施綜合調(diào)控容量進行評估，可以更加經(jīng)濟、合理地推進海綿城市改造工作，保障海綿措施建設(shè)的科學性和規(guī)模的合理性。本研究以西安市小寨老城區(qū)海綿改造項目區(qū)域為對象，通過理論分析和數(shù)值模擬，綜合考慮該老城區(qū)的本底建筑設(shè)施情況，對改造后的老城區(qū)海綿設(shè)施的綜合調(diào)控容量進行合理評估，并對滲、蓄、排中各水量占比進行定量分析。

模擬計算研究區(qū)域海綿城市建設(shè)前后不同重現(xiàn)期下的總降雨量以及下滲量、外排量和LID蓄水量。其不同重現(xiàn)期下降雨量分配結(jié)果見表4，滲、蓄、排水量占比見圖7。

圖7 研究區(qū)不同降雨重現(xiàn)期下建設(shè)前后滲、蓄、排水量占比

分析表4可得，研究區(qū)域在改造前后，下滲量和蓄水量隨重現(xiàn)期的增大而增大，且下滲量隨著降雨重現(xiàn)期的增大而逐漸趨于飽和，說明僅僅依靠研究區(qū)本底條件，很難應(yīng)對極端暴雨情況；在改造后，“蓄”占比得到明顯提高，“排”占比明顯下降，實現(xiàn)了將水留在當?shù)氐男Ч＞d改造效果得以彰顯；改造后，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，LID蓄水量隨重現(xiàn)期的增大而增大，且逐步趨于飽和，表明LID的調(diào)蓄能力是有一定限度的，該區(qū)域海綿措施綜合蓄水量為35.359×104m3，這就需要通過灰色措施及綠色措施來實現(xiàn)協(xié)同作用，使得內(nèi)澇得到更有效的緩解，同時還可以使用凈化措施充分利用雨水資源，發(fā)揮雨水資源的利用價值。

表4 研究區(qū)不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下的降雨量及滲、蓄、排水量模擬結(jié)果

分析圖7可知，在相同重新期下海綿改造后的外排水量占比較建設(shè)前均明顯減少，減少幅度在14.88%以上，而蓄水量和下滲水量則不同程度地增加，這表明海綿改造設(shè)施對于雨水的滯、蓄作用顯著，增加了雨水蓄留和就地入滲量；不同重現(xiàn)期下海綿改造前后外排量占比變化幅度在重現(xiàn)期為20 a時最大，為19.11%，在重現(xiàn)期為1 a時最小，僅為14.88%；不同重現(xiàn)期下海綿改造前后蓄水量占比變化幅度隨著重現(xiàn)期的增大而增加，當重現(xiàn)期為100 a時，蓄水量占比在海綿改造后增加了13.53%；不同重現(xiàn)期下海綿改造前后下滲量占比變化幅度在重現(xiàn)期為2 a時最大，為8.44%，而隨著重現(xiàn)期的變大下滲量的變幅逐漸減小，當重現(xiàn)期為100 a時，下滲量變幅僅為4.59%，這是因為土壤的下滲能力是有限的，重現(xiàn)期愈大對應(yīng)的降雨強度也愈大，此時雨強大大超過土壤的下滲能力，在一定的時間內(nèi)大部分水量來不及快速下滲，因此重現(xiàn)期較大的下滲量占比變化幅度較小。

4 結(jié) 論

本文以西安市小寨老城區(qū)為例，對老城區(qū)海綿改造雨水徑流削減效益模擬及海綿措施綜合調(diào)控容量評估進行了研究，基于SWMM建立降雨徑流數(shù)值模型，模擬了老城區(qū)在不同重現(xiàn)期下海綿改造前后的徑流控制率以及滲、蓄、排各部分水量占比等關(guān)鍵指標，從而完成了老城區(qū)海綿綜合調(diào)控容量的量化評估，主要結(jié)論有以下幾點：

(1)利用SWMM模型量化分析在不同重現(xiàn)期條件下全區(qū)的徑流總量控制率，海綿城市建設(shè)前后模擬結(jié)果表明：就全區(qū)而言，降雨量為17.2 mm且降雨歷時在2 h的設(shè)計降雨條件下，建設(shè)前全區(qū)的徑流控制率為67.10%，建設(shè)后全區(qū)徑流控制率達82.52%，滿足海綿城市建設(shè)評價標準。此外，在其他設(shè)計重現(xiàn)期的條件下，建設(shè)后相比于建設(shè)前均有明顯的提升。因此，小寨老城區(qū)海綿城市改造在年徑流控制率方面可實現(xiàn)預(yù)期效果。

(2)對海綿城市建設(shè)前后的排水口流量過程線進行模擬表明：由于增加了蓄水池、透水鋪裝等海綿措施，不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下建設(shè)后排水口流量過程線明顯低于建設(shè)前，說明經(jīng)過海綿改造后，雨水很大程度上被海綿設(shè)施儲蓄起來，徑流控制效果顯著改善。

(3)量化分析在不同重現(xiàn)期條件下的老城區(qū)降、蓄、排各部分水量，海綿城市建設(shè)前后模擬結(jié)果表明：建設(shè)后，蓄水量占比較建設(shè)前顯著增大，且隨著重現(xiàn)期的增大，海綿調(diào)蓄措施逐漸趨于飽和，說明了海綿調(diào)蓄能力是有限度的，且當重現(xiàn)期為100 a時，研究區(qū)海綿設(shè)施綜合蓄水量為35.359×104m3。

通過體系構(gòu)建和模型評估，對西安市小寨老城區(qū)海綿城市建設(shè)前后的各項指標進行對比分析，進而對老城區(qū)本底條件和海綿改造效果進行量化評估，結(jié)果表明，海綿城市建設(shè)中海綿設(shè)施源頭減排效果顯著，灰、綠設(shè)施結(jié)合可有效緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害，削減污染，降低城市排水管網(wǎng)壓力，對小寨老城區(qū)進行海綿設(shè)施改造具有非常重要的工程實踐意義。