西安老城區(qū)海綿改造內(nèi)澇削減效果數(shù)值模擬研究

周思敏， 侯精明， 高徐軍， 呂 鵬， 李東來， 龔佳輝， 楊少雄， 呂紅亮， 樊 超

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048； 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065； 3.中國城市規(guī)劃設計研究院， 北京 100044)

1 研究背景

近年來海綿城市被廣泛推廣[1-4]，由于海綿城市建設周期長、投資大，故常以數(shù)值模擬的方法對建設效果進行預測評估。

海綿城市數(shù)值模擬的方式有多種，一種是以單項措施為對象進行模擬，評估該措施的改造效果。例如陳秋伶等[5]對調(diào)蓄池的效果進行了模擬研究；朱浩然等[6]對不同組合的透水鋪裝進行了模擬；張超等[7]對下凹綠地的徑流削減效果進行了模擬。此類研究成果注重單項措施的改造效果，對單項措施的效果進行了較為細致的評價，是海綿城市研究中不可缺少的一部分。但是要想直觀地檢驗海綿城市的改造效果還是主要依據(jù)對海綿措施的組合進行模擬，即以片區(qū)為研究對象評估整體改造效果。例如王麗晶等[8]采用InfoWorks[9]以北京東城區(qū)為研究區(qū)域模擬海綿改造后的情景，制定了管網(wǎng)排水能力提升優(yōu)化方案；盧亞靜等[10]對北京市平谷區(qū)選用SWMM(storm water management model)軟件模擬該區(qū)域的年徑流總量控制率，提出了研究區(qū)域海綿城市功能區(qū)劃方案。但以上研究僅針對新建城區(qū)，對于老城區(qū)海綿城市建設的評估并未涉及。城市老區(qū)不同于新城區(qū)，存在城市化程度高[11]，管網(wǎng)排水標準低、不透水區(qū)域面積大、地面改造實施空間有限、綠地率相對較少等一系列問題[12]，不能簡單采取一般布設方案，需要以問題為導向[13]，因地制宜靈活規(guī)劃。目前老舊城區(qū)更新改造成為當前城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要議題[14]，因此針對老城區(qū)開展研究十分重要。安延濤等[15]以沈陽老城區(qū)某小區(qū)為例利用SWMM分析了不同LID(low impact development)布設前后小區(qū)的徑流量，得到了最優(yōu)的布設方案；李霞等[16]提出了基于SWMM模擬優(yōu)化天津市薊縣老城區(qū)LID的改造方案，體現(xiàn)出研究老城區(qū)LID措施對內(nèi)澇消減的顯著效果；陳逸等[17]以玉溪老城區(qū)為例通過Mike[18]水動力模型對海綿城市改造前后的工況進行了效果分析。以上相關研究展示了采用數(shù)值模擬方法對于老城區(qū)的研究。

目前對于老城區(qū)的海綿城市模擬研究形式多種多樣，但最為基本的仍是對建設前后的積水效果進行模擬[19]，評估建設方案對于當?shù)氐倪m用性，并在此基礎上分析模擬結果，提出優(yōu)化方案。本文以西安小寨老城區(qū)為例，依據(jù)其地形數(shù)據(jù)及管網(wǎng)建設數(shù)據(jù)，基于二維水文水動力[20]耦合管網(wǎng)的城市雨洪數(shù)值模型對研究區(qū)域改造前后2、5、20 a重現(xiàn)期下的積水情況進行量化模擬，并分析模擬結果，針對部分區(qū)域提出改進參考方案。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域小寨老城區(qū)位于西安市內(nèi)[21]。該老城區(qū)道路方正，區(qū)域開發(fā)程度高。小寨區(qū)域設計兩個排水分區(qū)，以電子二路為界，電子二路以北至南二環(huán)為大環(huán)河排水分區(qū)；以南屬于皂河排水分區(qū)。大環(huán)河部分為矩形暗渠，部分復式斷面明渠，最終排入皂河。皂河系統(tǒng)原有的觀音廟、桃園湖等蓄洪地被占用，當遭遇超過3 a設計暴雨重現(xiàn)期的降雨時，會造成大環(huán)河超負荷排洪，從而導致內(nèi)澇頻發(fā)。

為了有效緩解小寨區(qū)域面臨的城市內(nèi)澇困境，當?shù)卣谠摰剡M行海綿城市建設。對建筑小區(qū)增加綠化改造面積、增添透水鋪裝和修建調(diào)蓄池；對綠地廣場增加下沉綠地、蓄水模塊和雨水花園；對市政道路進行透水鋪裝改造、綠化改造；對雨水管網(wǎng)工程設施進行改造；增加調(diào)蓄池和排澇泵站[22]。具體海綿措施規(guī)劃如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域海綿措施規(guī)劃圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 降雨數(shù)據(jù) 降雨數(shù)據(jù)采用西安暴雨強度公式生成。模擬不同重現(xiàn)期下2 h典型降雨。暴雨強度公式如下：

(1)

式中：i為降雨強度，mm/min；p為重現(xiàn)期，a。

以西安城區(qū)短歷時降雨雨型分析計算西安市暴雨特征[23]，雨峰位置較為靠前，降雨較為集中。結合公式(1)，計算得到各重現(xiàn)期的降雨雨型，結果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)不同重現(xiàn)期短歷時雨型模擬結果

2.2.2 地形數(shù)據(jù) 研究區(qū)域整體呈西北高東南低的趨勢，應用ArcMap將研究區(qū)域分為道路、建筑屋頂、綠地、不透水區(qū)域4類土地利用類型。

2.2.3 下墊面數(shù)據(jù) 全區(qū)域道路占比9%；建筑屋頂占比24%；綠地占比33%；不透水區(qū)域占比34%。建設后根據(jù)布設圖將海綿措施加入模型中，利用新建LID改造措施的土地類型設置對應的下滲數(shù)據(jù)，模擬修建LID措施對于該區(qū)域的作用。各土地利用類型下墊面曼寧值如表1所示。

表1 研究區(qū)下墊面曼寧值

2.2.4 管網(wǎng)數(shù)據(jù) 研究區(qū)改造后管網(wǎng)布設如圖3所示。海綿改造將管網(wǎng)對區(qū)域的排水效果考慮在內(nèi)，將小寨管網(wǎng)海綿城市改造前2年一遇的排水標準提升到小寨老城區(qū)改造后5年一遇的排水標準。建設后對區(qū)域中的斷管進行續(xù)接，擴大部分管徑，并且添加調(diào)蓄池，提升管網(wǎng)的排水能力[24]。

圖3 研究區(qū)改造后管網(wǎng)布設圖

2.3 研究方法

本文采用一套耦合SWMM的二維地表水動力模型，地表水動力計算采用GPU并行加速計算技術，可以有效地進行大尺度的模擬計算。并且通過在雨水節(jié)點處的水量交換實現(xiàn)地表二維水動力模型與SWMM管網(wǎng)模塊的耦合，首先采用循環(huán)內(nèi)賦值的方法獲取管網(wǎng)雨水節(jié)點信息，再通過循環(huán)使雨水節(jié)點與地表二維網(wǎng)格之間形成一一對應關系，管網(wǎng)計算的時間步長將地表二維水動力模型的計算時間步長在每一步計算中傳遞至管網(wǎng)計算模塊，以保證兩者時間推進的同步性。

2.3.1 控制方程 地表產(chǎn)匯流的控制方程為平面二維淺水方程(簡稱shallow water equations, SWEs)，具體表達形式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

管道連續(xù)方程和動量方程如下：

(7)

(8)

式中：Q為瞬時流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；H為靜壓水頭，m；v為斷面平均流速，m/s；t為時間，s；g為重力加速度，m/s2；Sf為因摩擦損失引起的能量坡降。

由曼寧公式計算能量坡降：

(9)

K=g·n2

(10)

式中：R為水力半徑，m；斷面平均流速v以絕對值形式表示，使摩擦力的方向與水流方向相反。

2.3.2 數(shù)值方法 本模型的地表水動力部分采用Godunov格式的有限體積法對SWEs方程進行數(shù)值求解[25-29]。管網(wǎng)匯流模塊采用Link-Node的方式求解圣維南方程以得到管道中的流速和水深，求解的簡化方法主要采用動力波法。

3 結果與分析

3.1 海綿改造前后積水量和積水面積對比

總模擬時長為4 h，其中降雨時長為2 h。研究區(qū)海綿改造前后不同降雨重現(xiàn)期下積水量和積水面積對比分別見表2和3。

表2 研究區(qū)海綿改造前后不同降雨重現(xiàn)期下積水量對比

由表2可知，研究區(qū)海綿改造后，2 a重現(xiàn)期下積水量峰值削減率為68%；5 a重現(xiàn)期下積水量峰值削減率為64%；20 a重現(xiàn)期下積水量峰值削減率為28%。在海綿城市建設后各個重現(xiàn)期下地表積水量峰值均有所下降，說明海綿改造能夠緩解該區(qū)域的地表積水問題。但是隨著降雨重現(xiàn)期的增大，積水量峰值的削減幅度隨之下降。分析原因有兩方面：一是由于地表改造主要是通過添加綠色措施增大地表下滲以及增大徑流阻力，延緩匯入管道的徑流峰值，但是由于綠色措施的面積占全局比例較小以及可容納的雨水有限，導致綠色措施無法應對較大的雨量；二是由于改造管網(wǎng)承載力只是將重現(xiàn)期增大至5年一遇，無法應對較大重現(xiàn)期的降雨。

由表3可知，2 a重現(xiàn)期下積水面積峰值削減率為62%；5 a重現(xiàn)期下積水面積峰值削減率為34%；20 a重現(xiàn)期下積水面積峰值削減率為18%?？梢娫诓煌噩F(xiàn)期下積水面積在改造后也有所削減，海綿改造能夠通過海綿措施增大地表下滲以及增大管道承載力，從而消納積水。但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，積水面積削減幅度減小，再次反映出小重現(xiàn)期下海綿措施的功能發(fā)揮較大，但是應對較大重現(xiàn)期的降雨仍存在一定的制約。

表3 研究區(qū)海綿改造前后不同降雨重現(xiàn)期下積水面積對比

3.2 海綿改造前后積水水深對比

西安地區(qū)要求徑流控制率達到80%，其對應的設計降雨重現(xiàn)期約為1.35 a，故分析2年一遇降雨重現(xiàn)期下部分區(qū)域地表積水削減效果，結果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)海綿改造前后2 a降雨重現(xiàn)期下部分區(qū)域地表積水削減效果對比

分析圖4可知，太白南路上的管道為緯一街干管，原排水能力為1.5年一遇，管網(wǎng)改造時通過在其支管處增設調(diào)蓄池，削減管道排水峰值，增大管道排水能力，使地表積水能順暢排走；長安南路通過修建透水鋪裝，使落到該區(qū)域的雨水快速下滲，削減道路積水；烈士陵園結合已有綠地修建下沉綠地，貯存雨水，減少雨水外排。將采取單項措施的區(qū)域分別提取出來研究，可見各措施在2 a重現(xiàn)期的雨強下均能發(fā)揮其功能，減少地表積水的產(chǎn)生。在略大于設計降雨的條件下，各單項措施布設區(qū)域周圍的積水基本消除，表明對于西安市80%的降雨徑流都能得到有效控制。

對比研究區(qū)海綿改造前后20 a降雨重現(xiàn)期下t=3 600 s時的積水水深分布情況，如圖5所示。

由圖5可直觀看出，20 a降雨重現(xiàn)期下，海綿改造后區(qū)域積水范圍和深度較改造前緩解效果較為明顯，超過0.3 m的積水點大部分消除，展示了該區(qū)域地表海綿改造與管網(wǎng)改造相結合以及“滲”“滯”“蓄”“凈”“用”“排”的聯(lián)合作用應對降雨內(nèi)澇的效果顯著。

圖5 研究區(qū)海綿改造前后20 a降雨重現(xiàn)期下

由圖5中積水水深模擬結果還可看出，改造后地表區(qū)域仍有積水點，可在位置因素和重要性的評估下，結合主體建筑物進行綠色海綿措施規(guī)劃，如添加綠色花園、修建下沉式綠地等，減少地表雨水匯集以及收集屋頂上的雨水。對于道路上的積水點考慮到管網(wǎng)管徑改造的復雜性，以添加調(diào)蓄池為主要的改造方式，可充分利用池塘、湖泊的蓄水容積，增強管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力。

4 討 論

本文對西安市小寨老城區(qū)海綿城市改造前后降雨積水削減效果進行模擬，分析部分和整體區(qū)域在不同降雨重現(xiàn)期下的積水量及積水面積的峰值削減效果，結果表明，在較小降雨重現(xiàn)期下海綿城市緩解積水內(nèi)澇的效果顯著，但是較大降雨重現(xiàn)期對積水的削減能力有所制約。常曉棟等[19]在對北京清河流域的雨洪模擬中同樣得出了此類結論，出現(xiàn)這類現(xiàn)象的原因主要是海綿措施的容納能力有限，難以控制所有的降雨積水。海綿城市改造針對中小重現(xiàn)期的降雨有較好的緩解效果，但是面對極端暴雨時的積澇緩解能力有限，不可過分依賴于海綿建設去解決所有降雨積澇問題。

研究發(fā)現(xiàn)海綿城市建設對于老城區(qū)的內(nèi)澇削減具有重要意義，其主要以“綠色”和“灰色”相結合的方式進行改造，通過某些海綿措施，增加部分區(qū)域下滲，延后雨水徑流匯集時間，盡可能使區(qū)域下墊面恢復到自然狀態(tài)。但是由于老城區(qū)一般開發(fā)強度大、土地利用率高，目前綠色措施主要依賴于小區(qū)綠化區(qū)域、道路綠色隔離帶布設等，對小區(qū)源頭、道路匯集過程進行控制的效果有限。王婷等[30]研究發(fā)現(xiàn)，不同重現(xiàn)期下增加綠色措施的優(yōu)化組合對積水點的影響不大。從根本上解決老城區(qū)積澇的問題還要以“灰色”改造管網(wǎng)、增加調(diào)蓄池的方式為重點，陳秋伶等[5]對于調(diào)蓄池的模擬也證明調(diào)蓄池的積水峰值削減效果顯著。對于改造區(qū)域可針對降雨分布頻率，研究地表積水分布，模擬管道排水過程，合理添加調(diào)蓄池以增大管道排水能力，減少區(qū)域內(nèi)澇。在改造過程中也可考慮合理利用公園湖泊、池塘等天然調(diào)蓄池，在減少資金投入的同時提升管道排水能力。

5 結 論

以西安市小寨老城區(qū)為研究對象，基于二維地表耦合一維管網(wǎng)模型，分析在不同降雨重現(xiàn)期下海綿改造前后的積水水深、積水量、積水面積等情況，得出以下主要結論：

(1)本文所采用的耦合管網(wǎng)二維城市雨洪模型適用于海綿城市建設效果評估。

(2)海綿改造在中小降雨重現(xiàn)期條件下對于城市積水內(nèi)澇的緩解效果明顯，但是對于較大降雨重現(xiàn)期，海綿改造效果有限。

(3)老城區(qū)海綿改造是緩解城市內(nèi)澇的重要措施，要因地制宜靈活建設，把握整體與部分協(xié)調(diào)，建立“灰綠”協(xié)同控制，并合理利用調(diào)蓄池彌補老城區(qū)綠地稀少、地表徑流控制不足的問題。通過對西安市小寨老城區(qū)海綿改造的模擬結果分析表明，小寨老城區(qū)的內(nèi)澇問題在海綿改造后大為緩解。