基于HY-SWMM的居住小區(qū)暴雨內(nèi)澇模擬及小區(qū)防洪澇研究

李昱澤,王恩東,陳 紅

(1.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 河南 鄭州 450001; 2.紐約州立大學(xué) 紐約州 雪城 13210)

2020年7月河南省鄭州市因受臺(tái)風(fēng)“煙花”“查帕卡”影響,在7月18日至22日遭遇百年一遇的特大暴雨。主城區(qū)20日16至17時(shí)的降雨量高達(dá)201.9 mm[1],城區(qū)內(nèi)積澇水量約3.51×108m3,平均積水深度約0.34 m,大部分城區(qū)道路處于淹沒(méi)狀態(tài),同時(shí)因?yàn)槎虝r(shí)的強(qiáng)降雨順地勢(shì)匯流形成高流速的城市內(nèi)澇洪水災(zāi)害,大范圍的洪水淹沒(méi)使各類(lèi)交通工具通行困難,鄭州市內(nèi)主城區(qū)超過(guò)半數(shù)(2067個(gè))地下空間與公共設(shè)施淹沒(méi)程度嚴(yán)重[2],并造成多數(shù)淹沒(méi)區(qū)域斷水?dāng)嚯姌?shù)木倒塌,城市各方面均受到嚴(yán)重破壞。

7·20特大暴雨的雨量和雨強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了城市承載洪澇災(zāi)害的能力,極端災(zāi)害的頻發(fā)使人們更加意識(shí)到提升城市承載與應(yīng)對(duì)災(zāi)害能力的緊迫,也看到了城市化進(jìn)程中遇到的問(wèn)題。大量學(xué)者通過(guò)分析暴雨的雨型成因、城市水網(wǎng)的承載能力以及城市規(guī)劃方面的問(wèn)題來(lái)研究暴雨洪澇災(zāi)害對(duì)于城市的影響與優(yōu)化策略。作為城市構(gòu)成的基礎(chǔ)單元,居住小區(qū)的防災(zāi)研究對(duì)于城市防災(zāi)能力的提高有著深遠(yuǎn)的意義。本文通過(guò)對(duì)鄭州市盛和苑小區(qū)的暴雨洪澇模擬來(lái)探究如何提升居住小區(qū)防暴雨洪澇能力。

1 HY-SWMM模型建立

鴻業(yè)海綿城市設(shè)計(jì)軟件HY-SWMM(又稱(chēng)鴻業(yè)暴雨排水和低影響開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng))是我國(guó)研發(fā)的有關(guān)暴雨內(nèi)澇模擬的軟件;HY-SWMM是通過(guò)Auto CAD平臺(tái)操作,集設(shè)計(jì)、分析、模擬與一身的水文動(dòng)力學(xué)城市雨洪模型[3],其功能主要包括暴雨模型建立、導(dǎo)入識(shí)別CAD管網(wǎng)、管網(wǎng)的平面豎向設(shè)計(jì)、雨水管網(wǎng)的容積法和模型法計(jì)算、暴雨模擬結(jié)果展示、自動(dòng)繪制相關(guān)數(shù)據(jù)表格等。HY-SWMM模型多應(yīng)用于分析城市排水且可視化效果更佳,本文使用HY-SWMM軟件來(lái)模擬居住小區(qū)在降雨事件下的內(nèi)澇淹沒(méi)過(guò)程,并分析其內(nèi)澇原因。

1.1 研究對(duì)象

研究選取河南省鄭州市盛和苑小區(qū)(見(jiàn)圖1)作為研究對(duì)象,盛和苑是位于鄭州市高新區(qū)翠竹街,小區(qū)現(xiàn)有占地面積約為39.67 hm2,綠地率約為35%,小區(qū)內(nèi)住宅均為小高層,還有少量的多層公共建筑,房屋共計(jì)2470戶(hù),小區(qū)內(nèi)部以地面停車(chē)為主,內(nèi)部空間主要包含集中綠地、景觀水體、硬質(zhì)鋪裝廣場(chǎng)以及道路等。

圖1 盛和苑總平面圖(作者自繪)

鄭州氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,降雨常集中在每年6月至9月,降雨特征明顯且短時(shí)暴雨頻發(fā)。深入了解小區(qū)的洪澇防治策略后,通過(guò)模擬暴雨洪澇災(zāi)害時(shí)盛和苑的內(nèi)澇情況來(lái)研究分析內(nèi)澇形成的原因,對(duì)提高鄭州市防災(zāi)減災(zāi)能力有著重要的意義。

1.2 現(xiàn)狀模型構(gòu)建

為保證模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況,需根據(jù)CAD施工圖紙結(jié)合小區(qū)現(xiàn)狀創(chuàng)建HY-SWMM現(xiàn)狀模型。主要包含3部分:(1)創(chuàng)建小區(qū)現(xiàn)狀地形:利用盛和苑總圖豎向設(shè)計(jì)的高程控制點(diǎn)與插入位置生成現(xiàn)有的高程地形,并且將道路現(xiàn)狀置入高程模型,形成平面高程嵌入路網(wǎng)的“溝壑”狀地形現(xiàn)狀模型。(2)繪制雨水管網(wǎng):通過(guò)盛和苑居住小區(qū)CAD外網(wǎng)圖紙,繪制其現(xiàn)狀管網(wǎng),由于管道的材料、管徑以及敷設(shè)的坡度會(huì)影響雨水排放的效率,需要在繪制后設(shè)置管道首尾端的高程、管徑以及管材信息,并布置相應(yīng)的雨水井及相連接的雨水口。(3)連接參數(shù)塊:通過(guò)不同的用地性質(zhì)來(lái)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)塊,其中盛和苑小區(qū)中下墊面:綠地、建筑屋頂、道路與廣場(chǎng),選取對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)為0.3、0.9、0.9,再按照雨水匯流的實(shí)際情況,將參數(shù)塊(上流)與參數(shù)塊(下游)、參數(shù)塊與雨水節(jié)點(diǎn)相接,進(jìn)而將小區(qū)內(nèi)部劃分為多個(gè)子匯水區(qū),得到符合現(xiàn)狀的HY-SWMM模型[3,4]。

1.3 雨量數(shù)據(jù)的選取

HY-SWMM中需要繪制雨量計(jì)來(lái)模擬降雨事件,通常雨量計(jì)是通過(guò)選取所在地的暴雨強(qiáng)度公式生成短時(shí)的降雨雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算,模型中選取鄭州市的暴雨強(qiáng)度公式生成重現(xiàn)期分別為五年一遇,十年一遇與五十年一遇的3小時(shí)內(nèi)每5 min的短歷時(shí)雨量數(shù)據(jù),模擬選用芝加哥雨型,雨峰系數(shù)為0.4,鄭州市城市暴雨強(qiáng)度公式為

公式中設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度i對(duì)應(yīng)的暴雨強(qiáng)度單位為mm/min;p為重現(xiàn)期,單位為年;t為降雨歷時(shí),單位為min;參數(shù)A、B、C、D分別取18.438、15.1、0.892、0.842;當(dāng)p值選取5、20、50、100時(shí),3 h生成的雨量分別為69.865 mm、92.926 mm、108.252 mm、119.807 mm,對(duì)比“720特大暴雨”的雨量數(shù)據(jù)7月20日僅1 h的雨量高達(dá)201.9 mm,峰值和總量差距過(guò)大,故模擬時(shí)使用5日內(nèi)逐小時(shí)的降雨雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)繪制雨量計(jì),此處輸入鄭州市某氣象站2022年7月18日至7月22日實(shí)測(cè)雨量數(shù)據(jù)作為暴雨洪澇重現(xiàn)期的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,雨量數(shù)據(jù)圖如圖2。

圖2 2021年鄭州7.18—7.22雨量-時(shí)間曲線(xiàn)圖(HY-SWMM軟件生成)

1.4 模擬計(jì)算

HY-SWMM中雨水計(jì)算主要通過(guò)“降雨-徑流”過(guò)程下的3部分組成:(1)初期損失,主要指降雨初期由截流開(kāi)始沒(méi)有參與形成徑流的雨量部分,當(dāng)雨量較小或透水表面比例較高時(shí),初期損失較大,高強(qiáng)度降雨時(shí),初期損失較小。(2)徑流體積模型,是用來(lái)描述當(dāng)降雨量大于初期損失,且雨強(qiáng)大于滲透速率時(shí)地表積水產(chǎn)生徑流的過(guò)程。(3)SWMM模型,定義匯水區(qū)與各類(lèi)地表的粗糙系數(shù),利用非線(xiàn)性水庫(kù)和運(yùn)動(dòng)波方程來(lái)計(jì)算坡面流,對(duì)各個(gè)匯水區(qū)表面進(jìn)行匯流計(jì)算。

進(jìn)行模擬前,需要確定匯水區(qū)滲入模型為Horton模型,設(shè)置其最大入滲率為76.2 mm·h-1,最小滲入率3.81 mm·h-1,透水和不透水地表糙率分別為0.06和0.01,透水與不透水洼蓄量分別為 3.5 mm、1.27 mm,管網(wǎng)產(chǎn)流計(jì)算方式選擇為地表滲透-蓄水折扣法,演算模型形式為動(dòng)態(tài)波,使用阻尼作為慣性處理方式,并定義模擬計(jì)算的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間,先進(jìn)行下墊面的推算,然后選擇模擬重現(xiàn)期的雨量后執(zhí)行模擬,模擬內(nèi)容主要是在降雨徑流下的流量演算;在模擬執(zhí)行后選擇內(nèi)澇模擬,以得到居住小區(qū)在降雨事件下的內(nèi)澇分析。

2 基于HY-SWMM模型的暴雨模擬結(jié)果

2.1 模擬結(jié)果

對(duì)于盛和苑小區(qū)進(jìn)行“7·20雨量”下的暴雨模擬,模擬在經(jīng)歷短時(shí)罕見(jiàn)特大暴雨中居住小區(qū)時(shí)空下的內(nèi)澇情況,在模擬過(guò)程中盛和苑小區(qū)這5天的降雨、下滲、徑流情況,可以得到以下幾種內(nèi)澇分析結(jié)果:(1)區(qū)域的內(nèi)澇模擬,是動(dòng)態(tài)的可視化結(jié)果,可以通過(guò)視頻看到積水區(qū)域淹沒(méi)程度隨時(shí)空的變化。(2)深度分析標(biāo)注,內(nèi)澇分析下可以看到盛和苑小區(qū)內(nèi)部的淹沒(méi)區(qū)域以及深度標(biāo)注。(3)積水點(diǎn)的水深曲線(xiàn)和水量曲線(xiàn),在圖紙上可以看到積水點(diǎn)的標(biāo)注與數(shù)據(jù),對(duì)于內(nèi)部治理有著更直觀的數(shù)據(jù)圖像體現(xiàn)。(4)洪流節(jié)點(diǎn)與管道充滿(mǎn)度標(biāo)注,可以顯示各個(gè)雨水節(jié)點(diǎn)的洪流量,反應(yīng)管段的洪流峰值情況(見(jiàn)圖3)。(5)通過(guò)對(duì)定義建筑進(jìn)行三維查看,可以看到三維空間里的內(nèi)澇過(guò)程變化,可以直觀地多角度展現(xiàn)實(shí)況場(chǎng)景。

圖3 盛和苑小區(qū)洪流節(jié)點(diǎn)標(biāo)注(結(jié)合軟件生成作者自繪)

2.2 暴雨重現(xiàn)下居住小區(qū)內(nèi)澇的時(shí)空變化

通過(guò)居住小區(qū)模型模擬的平面內(nèi)澇結(jié)果變化與軟件三維空間模擬結(jié)合,可以觀察到小區(qū)內(nèi)部的內(nèi)澇時(shí)空變化,從降雨事件發(fā)生開(kāi)始,雨水會(huì)在小區(qū)內(nèi)部先由徑流進(jìn)入雨水管道進(jìn)行排放,無(wú)法徑流的局部區(qū)域與徑流后雨水排出量小于降雨量時(shí)就會(huì)形成積水點(diǎn),隨著時(shí)間推移降雨量增加,在積水點(diǎn)水面會(huì)擴(kuò)散形成積水面積,在短時(shí)的強(qiáng)降雨作用下,地表徑流與雨水管網(wǎng)排水量總和小于降雨量的時(shí)候積水水面會(huì)擴(kuò)大,水量深度會(huì)縱向增加形成深度的內(nèi)澇;在雨量達(dá)到峰值后,積水量繼續(xù)增加直至淹沒(méi)的最大范圍(見(jiàn)圖4),當(dāng)雨量小于排出量時(shí),積水量會(huì)逐漸減少;積水點(diǎn)的深度和水量從開(kāi)始到結(jié)束對(duì)比僅徑流的區(qū)域來(lái)說(shuō)水量較多。局部無(wú)法進(jìn)行徑流與管網(wǎng)排水的區(qū)域在降雨結(jié)束后依舊會(huì)有少量積水,需要依靠蒸發(fā)或人工處理來(lái)去除積水[5]。

圖4 盛和苑小區(qū)淹沒(méi)范圍圖示(根據(jù)模擬結(jié)果作者自繪)

2.3 盛和苑小區(qū)內(nèi)澇模擬情況

降雨事件下模擬得到管道充滿(mǎn)度,在標(biāo)注下盛和苑小區(qū)在“7·20暴雨”中幾乎所有管道充滿(mǎn)度為1,僅圖3的虛線(xiàn)框選管道為0.8～1之間;由積水深度統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表1)來(lái)看0.45%的區(qū)域淹沒(méi)深度超過(guò)了0.2 m,其中有425.91 m2超過(guò)了0.4 m,10.86 m2超過(guò)了0.6 m,這些區(qū)域危險(xiǎn)程度較高;由圖3和表1觀察節(jié)點(diǎn)洪流量標(biāo)注可以得到盛和苑小區(qū)內(nèi)部明園區(qū)域與祥園的12、14號(hào)樓的雨水節(jié)點(diǎn)洪流量較大,且所受洪流量影響的范圍較大,其他僅西一門(mén)道路洪流量較大,可以看出受降雨影響明園全區(qū)域、祥園12、14號(hào)樓和西一門(mén)道路的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較高;以明園中積水點(diǎn)為關(guān)鍵積水標(biāo)注,內(nèi)澇分析其最大積水量142.26 m3,最大積水水深為0.71 m,積水點(diǎn)相鄰的管道管徑不同,通過(guò)分析其管道流量、儲(chǔ)水以及充滿(mǎn)度曲線(xiàn)分析可以看出隨時(shí)間變化,管道內(nèi)部的雨量變化與使用效率。

表1 積水深度統(tǒng)計(jì)表(軟件統(tǒng)計(jì))

3 居住小區(qū)暴雨內(nèi)澇的防治策略

通過(guò)分析與模擬發(fā)現(xiàn),小區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇的主要原因有以下幾種:氣候變化下短時(shí)強(qiáng)降雨事件發(fā)生頻率變高;城市化進(jìn)程中地表硬化,自然地貌的減少造成雨水下滲量減少,城市中建筑組團(tuán)的地勢(shì)更利于積水的產(chǎn)生;管網(wǎng)系統(tǒng)布置不均衡分流不合理,對(duì)于場(chǎng)地來(lái)說(shuō)排放雨水效率不高會(huì)導(dǎo)致雨水積滯;內(nèi)部的高程設(shè)計(jì)使得進(jìn)入城市的雨水徑流排放路徑過(guò)長(zhǎng),局部地勢(shì)較低的部分更易產(chǎn)生內(nèi)澇;傳統(tǒng)下墊面的滲水能力不足[6]。結(jié)合以上城市居住小區(qū)內(nèi)澇成因,提出以下內(nèi)澇防治策略。

3.1 低影響開(kāi)發(fā)策略(LID)

針對(duì)城市化進(jìn)程對(duì)于地表地貌的改變,低影響開(kāi)發(fā)策略是通過(guò)對(duì)雨水徑流的控制來(lái)達(dá)到雨水控制的目的,主要通過(guò)控制源頭、控制傳輸、控制末端這3大類(lèi)來(lái)設(shè)置相關(guān)的低影響開(kāi)發(fā)(LID)設(shè)施。源頭類(lèi)控制主要指的是通過(guò)綠色屋頂、植被緩沖帶等來(lái)削弱峰值流量,使得達(dá)到管網(wǎng)系統(tǒng)的雨量峰值延后,達(dá)到減緩雨峰控制流量的作用;傳輸類(lèi)控制主要指利用透水鋪裝、植草溝與更改其他下墊面滲透率等來(lái)傳輸和增加下滲的雨量;末端控制類(lèi)主要是依靠設(shè)置雨水花園、下沉式綠地、調(diào)節(jié)池等集蓄雨水進(jìn)行再利用緩解進(jìn)入城市雨水管網(wǎng)的雨量壓力。

低影響開(kāi)發(fā)策略將雨量進(jìn)行分散實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流雨量的有效控制,從而削弱雨量峰值和管網(wǎng)壓力。并且在海綿城市視角下,低影響開(kāi)發(fā)策略可以很大程度地降低城市化建設(shè)對(duì)生態(tài)和地貌的影響。同一HY-SWMM模型在同一暴雨重現(xiàn)期下,設(shè)置有低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施后雨水徑流峰值變小,雨水管網(wǎng)內(nèi)峰值變小,外排量減少,對(duì)居住小區(qū)內(nèi)澇有著明顯的調(diào)蓄作用[7]。

根據(jù)城市居住小區(qū)現(xiàn)狀選擇合適的低影響開(kāi)發(fā)策略進(jìn)行雨水設(shè)計(jì)優(yōu)化:盛和苑小區(qū)中心的集中綠地和水體可以考慮作為調(diào)蓄的雨水花園設(shè)置溢流管道進(jìn)行雨水排放設(shè)計(jì);小區(qū)內(nèi)大量的地面停車(chē)場(chǎng)可以設(shè)置為透水鋪裝;道路兩側(cè)綠化帶內(nèi)可設(shè)置植草溝來(lái)減緩雨水的流速;下凹式綠地通過(guò)自身下凹的空間儲(chǔ)蓄和消滲雨水,相比傳統(tǒng)綠地可以承接更多的雨水,同時(shí)溢流口的設(shè)置可以保證在一定雨量強(qiáng)度下的溢流排放;作為上流參數(shù)塊,綠色屋頂?shù)脑O(shè)置使得雨水在徑流屋頂時(shí)可以通過(guò)植被土壤儲(chǔ)蓄作用減少進(jìn)入雨水管和地表的雨量[8]。

3.2 雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

雨水管網(wǎng)系統(tǒng)作為居住小區(qū)主要的排水方式,雨水口布置缺失的位置排水速度明顯較慢且易產(chǎn)生積水,雨水口的數(shù)量、布置方式,排水的管徑、敷設(shè)坡度和排放口決定了雨水管道系統(tǒng)的排放效率?，F(xiàn)有居住小區(qū)環(huán)境中完善管網(wǎng)的布置,增設(shè)雨水口可以加快局部的排放雨水速度。例如,盛和苑小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)主管與次級(jí)管道按管徑大小與雨水檢查井(節(jié)點(diǎn))相連接,節(jié)點(diǎn)333個(gè),有兩個(gè)雨水排放口與城市管網(wǎng)相接;優(yōu)化主管網(wǎng)和次級(jí)管網(wǎng)與雨水檢查井的合理相接,利用管道的高程設(shè)計(jì)減少互擾;分析管道的雨水處理流向,結(jié)合排放口合理分流,提高排放效率,盛和苑小區(qū)雨水管網(wǎng)與城市中兩個(gè)雨水排放口相接,但如圖5所示,排放口1的匯流排放的管道數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于排放口2所接受排放的管網(wǎng)數(shù)量,因此需要優(yōu)化管網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu),將雨水排放的壓力盡量均勻地分散到兩個(gè)排水口,以提高雨水排放的效率和整體承受峰值的能力[9];另外,應(yīng)該補(bǔ)充增設(shè)雨水管網(wǎng)中未有的系統(tǒng),根據(jù)施工圖紙,盛和苑小區(qū)主要靠管道內(nèi)的高差來(lái)排放雨水,應(yīng)增設(shè)相應(yīng)的蓄水池和排水泵等,以增加管網(wǎng)系統(tǒng)所能承受的雨量峰值,提升雨水管網(wǎng)的承災(zāi)能力[10]。

圖5 盛和苑雨水管網(wǎng)分支示意(作者自繪)

3.3 居住小區(qū)的高程設(shè)計(jì)優(yōu)化

居住小區(qū)的高程設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合自然地形與城市大排水系統(tǒng)構(gòu)建行泄通道;建設(shè)居住小區(qū)的地面,除低洼綠地和調(diào)蓄區(qū)外,應(yīng)高于周邊道路低點(diǎn)至少0.2 m[11]。居住小區(qū)的高程設(shè)計(jì)控制了主要的地表徑流方向,作為未進(jìn)入管道系統(tǒng)雨水的主要排放方式,盡快排放進(jìn)入城市雨水系統(tǒng)中可以有效減輕雨水管網(wǎng)的排放壓力。盛和苑小區(qū)的地形較為平整,地勢(shì)高度由南向北逐漸降低,四面接入城市,由暴雨模型模擬來(lái)看,應(yīng)當(dāng)利用高程設(shè)計(jì)優(yōu)化增加排入城市的徑流量,在防止城市雨水灌入的情況下,應(yīng)多利用城市與居住小區(qū)接入的界面,產(chǎn)生更加直接的徑流關(guān)系[12]。相對(duì)于人行道路需要升高以保證避險(xiǎn)線(xiàn)路的安全,集中綠地則可選擇降低部分高程作為引導(dǎo)徑流調(diào)蓄雨水的作用,利用高程設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有小區(qū)的低點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

4 討論與結(jié)語(yǔ)

鄭州市“7·20暴雨”作為突發(fā)罕見(jiàn)的特大暴雨,對(duì)于原有的防洪澇體系是一種提醒,不應(yīng)該因?yàn)闆](méi)有發(fā)生就不去防范,要對(duì)突發(fā)的高強(qiáng)度災(zāi)害做到心中有數(shù)及時(shí)應(yīng)對(duì)。本文通過(guò)HY-SWMM模擬建成的小高層居住小區(qū)在2021年7月20日的暴雨雨量重現(xiàn)下的小區(qū)內(nèi)澇分析,得到了暴雨時(shí)間下的淹沒(méi)區(qū)域演變變化。通過(guò)模擬可觀察到居住小區(qū)的各個(gè)要素與雨量的關(guān)系,從而得到了居住小區(qū)內(nèi)澇防治策略,也提升了城市防災(zāi)的韌性能力。