西安市小寨區(qū)域城市雨洪綜合模擬與解析研究

薛樹紅，高徐軍，劉 園，康 抗，吳 巍，翟敏婷

(1.中國電建集團(tuán) 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

近年來,以降水變化為主要特征的氣候變化和下墊面快速城市化影響了水循環(huán)諸要素的時(shí)空分布特征,使得我國城市雨洪災(zāi)害的發(fā)生頻率及強(qiáng)度均呈上升趨勢,空間上亦由沿海向內(nèi)陸城市蔓延［1-4］。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000 年以來每年發(fā)生200 多起不同程度的城市雨洪災(zāi)害,造成了巨大的人民生命財(cái)產(chǎn)損失,成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素之一［5-6］。城市雨洪過程模擬與多維度解析成為城市雨洪研究的熱點(diǎn),諸多學(xué)者融合城市排水防澇和生態(tài)海綿城市理念,借助城市雨洪過程模擬模型做了大量積極的探索［7］。錢真等［8］基于Open MI 異構(gòu)模型集成平臺(tái),動(dòng)態(tài)耦合河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型和城市排水管網(wǎng)水力模型,模擬分析了不同雨潮組合對上海淀北片區(qū)域內(nèi)澇的影響；南京市雨花臺(tái)區(qū)LID 設(shè)施對區(qū)域雨洪控制效果的模擬研究表明,不同設(shè)施組合均有減小徑流量和削減污染物排放量的作用,但隨著降雨重現(xiàn)期的增大,對雨洪控制的效果降低［9］；武漢大學(xué)針對老城區(qū)既建管網(wǎng)系統(tǒng)改造,基于暴雨徑流管理模型(SWMM)和GIS 研發(fā)了城市地下排水管網(wǎng)瓶頸分析與改造評(píng)價(jià)平臺(tái)［10］；中國水利水電科學(xué)研究院基于自主研發(fā)的水文-水力學(xué)耦合模型,實(shí)現(xiàn)了城市防洪防澇工程體系多情景模擬和工程優(yōu)化評(píng)價(jià)［11］；西安理工大學(xué)通過小尺度單項(xiàng)設(shè)施模型,設(shè)計(jì)并模擬了雨水花園在不同層厚和組分填料條件下的徑流污染削減效果,提出了LID 設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方案［12］。

以往研究多是圍繞水安全或水生態(tài)單一建設(shè)目標(biāo),而對協(xié)調(diào)城市防澇和生態(tài)海綿建設(shè)中并存的水文過程管控要求,涵蓋低影響開發(fā)、排水防澇和雨洪調(diào)蓄空間的全過程模擬和評(píng)價(jià)研究相對較少。本研究以西安市小寨區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?根據(jù)該地區(qū)水文、氣象、下墊面條件和排水防澇資料,基于MIKE FLOOD 構(gòu)建耦合管網(wǎng)模型和地表漫流模型的綠-灰-藍(lán)雨洪設(shè)施綜合模擬模型,對徑流控制、管網(wǎng)排水和城市防澇能力進(jìn)行解析,以期為城市排水防澇與生態(tài)海綿協(xié)同建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小寨區(qū)域位于西安市雁塔區(qū),本次研究范圍總面積約為66.87 km2。該區(qū)屬溫暖帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量528～716 mm,年內(nèi)降水多集中于6—9 月,地勢由東南向西北呈階梯下降。緯一街以北片區(qū)雨水經(jīng)南北向干管向北匯入大環(huán)河暗渠,緯一街以南片區(qū)雨水經(jīng)南北向干管向北匯入緯一街主干管,并進(jìn)入皂河。針對小寨雨洪災(zāi)害,西安市融合生態(tài)海綿與排水防澇建設(shè)理念,南起南三環(huán)、北至南二環(huán),東起雁塔路、西至太白南路,提出建設(shè)綜合低影響開發(fā)系統(tǒng)、排水防澇系統(tǒng)和湖庫調(diào)蓄系統(tǒng)的“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)?！熬G”是海綿設(shè)施的運(yùn)用和深化,指在源頭建設(shè)的具有生態(tài)、低碳等特征的低影響開發(fā)設(shè)施；“灰”指市政排水設(shè)施,包括管網(wǎng)、泵站以及蓄水池等；“藍(lán)”指控制湖庫水位、疏導(dǎo)排澇河渠等措施。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況

2 模型與方法

2.1 模型原理

MIKE URBAN 是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的管網(wǎng)模型之一。對于降雨徑流的計(jì)算,模型基于子集水區(qū)降雨扣除初期雨水損失(洼蓄和植物截留)、下滲后產(chǎn)流,通過時(shí)間—面積曲線法、非線性水庫法、單位水文過程線法等匯流計(jì)算模型得到排水管網(wǎng)的入流量［13-14］。常用的管流演算方法有擴(kuò)散波、運(yùn)動(dòng)波、動(dòng)力波等三種。動(dòng)力波演算基于一維自由水面流的完全圣維南方程組,采用六點(diǎn)隱式有限差分法求解,可有效模擬城市“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)的運(yùn)行。MIKE 21 作為平面二維自由表面流模型,通過有限差分法和有限體積法求解二維淺水方程。在高度建成區(qū),該模型基于網(wǎng)格化DEM 能夠很好地再現(xiàn)地表雨洪運(yùn)動(dòng)過程?；贛IKE FLOOD 的管網(wǎng)模型(MIKE URBAN)和地表漫流模型(MIKE 21)的耦合模型,不僅能模擬復(fù)雜的管網(wǎng)、明渠系統(tǒng),還可反映地表積水和管網(wǎng)水流的交互過程,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市暴雨洪澇的動(dòng)態(tài)模擬［15］。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 產(chǎn)匯流概化

在降水形成徑流的過程中,覆被、土壤、水系等統(tǒng)稱下墊面因素,基于原始測繪地形圖,將下墊面劃分為道路、建筑、綠地、水域和其他5 類［見圖2(a)］,各下墊面徑流系數(shù)根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2021)規(guī)定取值,模型中降雨初期損失包括植物截留、洼蓄等,取值0～5 mm。研究區(qū)各類下墊面占比、徑流系數(shù)和初期損失見表1。結(jié)合管網(wǎng)空間分布信息,采用泰森多邊形法剖分流域,得到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的子匯水區(qū)［見圖2(b)］,并通過時(shí)間—面積曲線法計(jì)算子匯水區(qū)匯流過程。

表1 小寨區(qū)域各類下墊面產(chǎn)匯流特征參數(shù)

圖2 研究區(qū)產(chǎn)匯流解析結(jié)果

2.2.2 地表高程概化

DEM 網(wǎng)格化及其修正是地表漫流模型計(jì)算的基礎(chǔ)。考慮到高度建成區(qū)城市地形地貌特征,小寨區(qū)域DEM 網(wǎng)格采用正方形網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為4 m×4 m,DEM 路網(wǎng)像元下凹0.05 m,建筑像元拔高20 m。研究區(qū)高程模型概化見圖3。

圖3 高程模型概化

2.2.3 管網(wǎng)系統(tǒng)概化

小寨區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)概化見圖4。

圖4 管網(wǎng)系統(tǒng)概化

(1)灰色設(shè)施概化。根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)(窨井、雨水箅和出水口)與管線數(shù)據(jù),概化節(jié)點(diǎn)3 214 個(gè),排口15 個(gè),管道3 250 條；模型中泵站資料包括流量及其啟停規(guī)則,南二環(huán)＃1、＃2 泵站用于提排北片區(qū)管網(wǎng)雨洪進(jìn)入大環(huán)河,設(shè)計(jì)流量13.45 m3/s；此外,概化管網(wǎng)蓄水池17 個(gè),總調(diào)蓄容積21.5 萬m3。

(2)綠色設(shè)施概化。小寨區(qū)域綠色低影響開發(fā)系統(tǒng)主要涉及建筑小區(qū)、市政道路與綠地廣場內(nèi)的雨水花園、下沉綠地、植草溝、透水鋪裝。不同低影響開發(fā)措施根據(jù)設(shè)計(jì)有效蓄水深度,通過初期雨水損失法來概化,小寨區(qū)域低影響開發(fā)措施的蓄水特性參數(shù)見表2。

表2 小寨區(qū)域低影響開發(fā)措施蓄水特性參數(shù)

(3)藍(lán)色設(shè)施概化。為減緩大環(huán)河暗河承壓排澇壓力,下游興慶湖利用雨前預(yù)泄庫容,分流大環(huán)河雨洪進(jìn)入興慶湖。模型通過節(jié)點(diǎn)水位—容積關(guān)系曲線來表征興慶湖調(diào)蓄過程,通過MIKE URBAN 實(shí)時(shí)控制模塊(RTC),在大環(huán)河上游＃2 泵站出口處設(shè)置水位傳感器,在大環(huán)河下游興慶湖分洪口設(shè)置閘門啟閉控制器,當(dāng)＃2 泵站入大環(huán)河口出現(xiàn)高水位頂托時(shí),則啟動(dòng)大環(huán)河分洪閘。

2.2.4 耦合與參數(shù)

耦合模型用于描述城市地面水流和管網(wǎng)水流通過節(jié)點(diǎn)時(shí)的水力交互,不同規(guī)格類型和堵塞情況下的過流參數(shù)根據(jù)夏軍強(qiáng)等［16］試驗(yàn)研究成果確定。采用MIKE FLOOD 垂向連接方式,得到耦合管網(wǎng)模型和地表漫流模型的“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型。

根據(jù)2019 年6 月27 日中雨(500 min 降雨量為24.9 mm)大環(huán)河太白南路段斷面現(xiàn)場監(jiān)測分析成果,對耦合模型中的水文衰減因子、管道糙率和節(jié)點(diǎn)最大流量等敏感性參數(shù)進(jìn)行了率定,利用2019 年8 月26日大雨(1 000 min 降雨量達(dá)44.1 mm)西北水電小區(qū)管網(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù),對率定結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,見圖5。對比降雨與流量過程線,流量峰值略滯后于降雨雨峰,這符合城市水文學(xué)基本規(guī)律,并且流量的模擬值與實(shí)測值具有較好的擬合效果,表明概化后的“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型精度可靠。耦合模型水文衰減因子取0.90,管道糙率取0.014,節(jié)點(diǎn)最大流量取0.8 m3/s。

圖5 耦合模型流量率定與驗(yàn)證過程

3 模型應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)降雨

綜合考慮城市年徑流總量控制率、管網(wǎng)排水能力和城市防澇能力解析要求,以短歷時(shí)2 h 降雨模擬解析管網(wǎng)排水能力,以長歷時(shí)24 h 降雨模擬評(píng)價(jià)年徑流總量控制率和城市防澇能力。短歷時(shí)降雨根據(jù)西安市暴雨強(qiáng)度公式,見式(1),采用芝加哥雨型法計(jì)算而得,雨峰系數(shù)取0.35；長歷時(shí)降雨雨型采用西咸新區(qū)統(tǒng)計(jì)雨型,雨峰系數(shù)為0.13。小寨區(qū)域雨洪系統(tǒng)解析設(shè)計(jì)降雨工況見圖6。

圖6 西安市小寨區(qū)域設(shè)計(jì)降雨過程

式中:q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/(hm2·s)；t為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí),min；T為重現(xiàn)期,a。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 徑流控制解析

年徑流總量控制率是指通過自然和人工強(qiáng)化的滲透、集蓄、利用、蒸騰等生態(tài)海綿建設(shè)方式,場地內(nèi)累計(jì)全年得到控制的雨量占全年總降雨量的比例［17］。根據(jù)《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)》,西安市小寨區(qū)域80%年徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)日降雨量為17.2 mm［18］。就海綿城市改造區(qū)緯一街南、北兩個(gè)片區(qū),以設(shè)計(jì)日降雨量為輸入條件,對區(qū)域降雨—滲蓄—外排過程進(jìn)行模擬分析(見表4)。根據(jù)水量平衡原理分析可知,區(qū)域基本可消納17.2 mm 日降雨。

表4 17.2 mm 日降雨條件下小寨區(qū)域降雨—滲蓄—外排雨量

3.2.2 管網(wǎng)排水能力解析

以管道最大充滿度P表征管網(wǎng)排水能力,若管道出現(xiàn)滿管承壓狀態(tài),即P＞1,則為排水瓶頸。2 a 一遇降雨條件下,小寨區(qū)域管道最大充滿度P等級(jí)分布見圖7(a),排水瓶頸管道總長145.02 km,占比54.23%,多分布于南三環(huán)及其以南、雁塔路以西等片區(qū),其原因?yàn)樵搮^(qū)域下墊面不透水率較高,且缺少足夠的雨洪調(diào)蓄空間；隨著降雨重現(xiàn)期增大至3 a,管道最大充滿度等級(jí)分布［見圖7(b)］發(fā)生變化,P≤0.75 的管道長度有所減少,P＞0.75 的管道有所增加,排水瓶頸管道總長181.91 km,占比68.02%。

圖7 不同重現(xiàn)期降雨條件下小寨區(qū)域管網(wǎng)最大充滿度分布

3.2.3 城市防澇能力解析

易澇點(diǎn)是內(nèi)澇積水的敏感點(diǎn),也是城市排水防澇工作的重點(diǎn)研究對象。不同重現(xiàn)期24 h 暴雨條件下,小寨區(qū)域的最大淹沒水深(范圍)見圖8。結(jié)合模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)研,小寨區(qū)域海綿城市改造區(qū)基本無積水現(xiàn)象,其他區(qū)域共有3 處易澇點(diǎn)(水深大于0.15 cm),分別為大環(huán)河北岸(＃1)、南三環(huán)中段(＃2)、延展路(＃3),最大淹沒面積分別為2.02、3.91、1.75 hm2,對比排水管網(wǎng)充滿度分布圖可知,易澇點(diǎn)附近管道均存在滿管承壓現(xiàn)象。

圖8 小寨區(qū)域不同重現(xiàn)期暴雨最大淹沒水深（范圍）

基于二維地表淹沒計(jì)算,選取各易澇路段特征點(diǎn),解析其水深變化過程,如圖9 所示。20 a 一遇暴雨條件下,＃1、＃2 和＃3 易澇點(diǎn)最大淹沒水深分別為0.18、0.22、0.20 m；50 a 一遇暴雨條件下,＃1、＃2 和＃3 易澇點(diǎn)開始積水時(shí)刻分別提前8、3、2 min,最大淹沒水深增幅分別為0.05、0.03、0.02 m,積水淹沒時(shí)間明顯延長,這與積水調(diào)研結(jié)果基本一致；同頻率暴雨條件下,因局部積水原因的差異,易澇點(diǎn)出現(xiàn)積水的先后順序依次為＃3、＃2 和＃1,＃1 易澇點(diǎn)受雨峰后期大環(huán)河高水位頂托導(dǎo)致路面積水,而＃2 和＃3 易澇點(diǎn)是雨峰來臨時(shí)管網(wǎng)過流能力不足導(dǎo)致積水。

圖9 小寨不同重現(xiàn)期暴雨易澇點(diǎn)積水過程

4 結(jié)論與展望

以西安市小寨區(qū)域?yàn)槔?搭建耦合管網(wǎng)模型和地表漫流模型的“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)綜合模擬模型,從徑流控制、管網(wǎng)排水與城市防澇等方面解析城市雨洪管理現(xiàn)狀。通過研究得到以下結(jié)論:

(1)結(jié)合中雨、大雨2 場實(shí)測雨水情資料驗(yàn)證,該模型基本能夠反映小寨區(qū)域雨洪的蓄排過程,計(jì)算所采用的參數(shù)及模擬結(jié)果符合城市水文學(xué)基本規(guī)律,采用MIKE FLOOD 模型綜合模擬城市“綠-灰-藍(lán)”雨洪系統(tǒng)是可行的。

(2)小寨區(qū)域年徑流總量控制率符合海綿城市建設(shè)要求,2 a 一遇和3 a 一遇降雨管網(wǎng)排水瓶頸長度分別為145.02 km 和181.91 km,20 a 一遇和50 a 一遇暴雨易澇點(diǎn)局部積水深大于0.15 m,并且易澇點(diǎn)與管網(wǎng)瓶頸段多分布于海綿城市改造空白區(qū)。

(3)小寨區(qū)域暴雨積水的主要原因:①城市內(nèi)河大環(huán)河暴雨條件下高水位頂托,導(dǎo)致下游入河管段排水不暢；②部分老舊排水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低,難以應(yīng)對大重現(xiàn)期暴雨；③下墊面不透水率高,城市雨洪調(diào)蓄空間有限,尤其是南三環(huán)以南、雁塔路以西片區(qū)。

綠色低影響開發(fā)措施、灰色排水防澇設(shè)施和藍(lán)色雨洪調(diào)蓄空間是實(shí)現(xiàn)城市雨洪源頭—轉(zhuǎn)輸—末端全過程管控的重要手段。城市開發(fā)、改造過程中,一方面應(yīng)合理規(guī)劃留白、留綠,以降低下墊面不透水率；另一方面,應(yīng)充分利用城市內(nèi)湖(庫)調(diào)蓄功能和河—網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)雨洪錯(cuò)峰排放。基于城市雨洪綜合模擬的徑流控制、管網(wǎng)排水和城市防澇多維度解析,進(jìn)行城市雨洪全過程管控研究具有十分重要的意義,可為排水防澇與生態(tài)海綿城市協(xié)同建設(shè)和科學(xué)評(píng)價(jià)提供決策依據(jù)。