小寨区域海绵城市数值模拟研究

程 龙,王 盼,詹 存

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 研究背景

1.1 问题提出

近些年，随着极端天气不断出现，短历时、强暴雨出现频次逐渐增多，加之中国各地雨水管渠设计标准普遍较低，导致内涝现象时有发生，并且随着中国城镇化进程的加快，内涝造成的危害已成为影响城市健康发展和社会稳定的突出问题[1]。2007年7月18日，山东济南突降大暴雨，3 h最大降雨量达到180 mm，至少34人丧生，经济损失达12亿元[2]。2008年6月13日，深圳市遭遇百年一遇大暴雨，造成5人死亡，2人失踪，近万家企业被迫临时停业[3]。特别是，2016年7月24日晚，西安城区遭遇极端暴雨，最大1 h降雨量高达66.5 mm，24 h累计暴雨量达123 mm，超过50年一遇。暴雨造成小寨十字及周边多个街区发生严重内涝，地铁2号线雨水倒灌，整个区域交通一度陷入瘫痪，造成了较大的社会影响和经济损失。为了减少内涝灾害发生的频率，确保人民生命财产安全，有必要对内涝产生的根源进行分析研究[4]。

1.2 问题识别

小寨区域近些年随着经济的发展，已经逐渐成为西安发展次中心，经济地位及示范效应日渐突出。但小寨区域东南高、西北低，若遇暴雨，洪水从曲江塬数条沟壑向西北倾泻。基于Arcgis技术及地形资料分析，小寨区域地形与西安地势变化一致，整体坡度较小，高程变化不大，存在部分低洼点。特别是小寨十字，四周高，中间地，成碗底状，形成一片洼地，先天不足，一旦发生暴雨，极易发生内涝灾害，自1950年起，虽也修筑了部分防洪排涝工程，但遭遇较大暴雨时，内涝仍然频发。

小寨区域内涝问题频发主要因区域排水系统的不健全，小寨区域地处皂河排水系统与大环河排水系统。皂河是渭河的一级支流，发源于西安市长安区水寨村，贯穿西安市西南郊文化区和西郊工业区，沿途流经西安市高新技术开发区和六村堡工业区后，在西安市草滩农场汇入渭河，现状主要排放雨水、生活污水及工业废水。西安市城市范围内三桥镇西兰公路桥以上有16条管渠汇入皂河。整治后的皂河排洪标准为设计暴雨重现期3～5 a，设计流量为35～172.4 m3/s。

大环河是1956年修筑的南郊和西郊地域一条主要泄洪渠和防洪渠，为皂河的上游分支，全长14.36 km，位于南二环路绿化带下。1995年南二环沿线大环河改造为暗涵，2003年西二环段改造为暗涵，同时改造了昆明路段大环河。现状大环河太乙路至昆明路段为矩形暗涵，昆明路段为复式断面明渠，最终排入皂河，主要收集南二环以南、纬一街以北、雁翔路以西范围内雨水，设计标准在3～5 a之间。

2016年“7.24”暴雨时，因暴雨超过大环河、皂河的排水能力，又缺乏有效调蓄水池，造成大环河超负荷排洪，“顶托”沿途雨水干管行洪，导致小寨区域严重内涝。但是目前该类分析多停留于定性分析，还未进行过量化研究，解决问题虽有措施方向，但很难得到较为客观、合理的工程措施规模，为此对小寨区域利用数值模拟技术研究显得尤为必要。

在城市排水系统的规划过程中对系统进行详细模拟，可以系统地评估规划方案对城市水环境的影响，从而为规划方案的调整和优化提供理论性的指导，这一实践在国际上已经成为排水系统规划的重要内容[5-9]。本文以小寨区域排水系统规划为例，研究了数值模拟在小寨区域海绵城市数值模拟的应用情况。

2 研究方法

为科学、合理地评价小寨区域现状年径流控制情况、雨水管渠能力及内涝情况，本次采用水力模型进行分析研究，采用SWMM、Mike Urban、Mike21软件进行现状模型搭建，分别分析评价计算现状年径流控制率、雨水管渠能力及内涝点分布情况等。

2.1 降雨分析

设计暴雨雨型是设计暴雨的降雨强度过程。各次降水过程是不同的，设计总雨量确定之后，根据不同的雨型可计算出完全不同的洪峰流量和洪水过程线。

20世纪80年代初期,国外的研究者就已经在城市排水系统方面进行了研究和开发，并出现了大量的统计模型、机理模型及管理和规划模型。Keifer和Chu为了在芝加哥进行雨水管道系统研究，提出了一种合成雨量过程线，他们推荐用与均匀降雨相同平均强度的暴雨生成雨量过程线，并且在所选择的时间内造峰。雨量过程线的形状对任何暴雨历时的降雨均适用，只是平均强度不同，即芝加哥暴雨过程线[10]。岑国平等[11]研究表明，芝加哥雨型对中国城市暴雨特征的模拟效果较好，一般能满足精度要求，且比较容易确定雨强过程，建议采用此雨型作为设计雨型。鉴于此过程线方法国内外应用广泛，有一定的代表性和实际利用价值，此次采用芝加哥暴雨过程线法作为降雨雨型。芝加哥暴雨过程线法具体理论如下：

根据历时与平均暴雨强度的经验关系：

(1)

式中：i为历时td的平均暴雨强度,mm/min；a、b、c为常数。

则t时刻的瞬时降雨强度为：

(2)

如降雨开始后其历时的某一比例r处形成雨峰，当降雨历时为：

t=tb+ta

(3)

式中：t为降雨总历时，min；ta为峰后时间，min；tb为峰前时间，min。

分别得到峰前峰后雨强公式：

峰前：

(4)

峰后：

(5)

式中：a、b为常数；ia为峰后某时刻暴雨强度；ib为峰前某时刻暴雨强度；ta为峰后时间；tb为峰前时间。

(1) 短历时暴雨

针对雨水管渠能力计算，采用短历时暴雨雨型。西安市气象局以最大值法选样，先进行曲线拟合，得到i-t-p三联表，再求解参数，推导公式得到暴雨强度公式和图表(见表1)。

(6)

或

(7)

式中：q为设计暴雨强度,L/(s·hm-2);t为降雨历时,min;P为暴雨重现期,a;A、b、n分别为参数，根据统计方法进行计算确定。

表1 西安暴雨强度分公式参数一览表

(2) 长历时暴雨

对于内涝防治期，出于安全角度考虑，需考虑前期土壤含水量饱和状态，故本次方案雨型采用24 h雨型(长包短)，作为内涝防治重现期暴雨输入条件，见图1。

图1 各频率设计暴雨雨型图

2.2 管流模拟

SWMM模型是美国环境保护署为解决日益严重的城市排水问题所推出的暴雨径流管理模型，此模型可以对城市排水管网系统进行长期或者短期的模拟分析，目前在世界各国被广泛用于城市排水管网系统的模拟分析[12-15]。

SWMM对雨水管道、污水管道、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟，考虑了地面径流、污水入流、排水管网输送、贮水处理等因素的影响，如图2所示。

本次选用DHI(Denish Hydraulic Institute)公司的MIKE系列模型中MIKE URBAN软件[16]，Mike Urban是基于地理信息系统的用于模拟城市给排水管网系统的建模软件，整个排水管网系统的动态模拟能够划分为2个步骤：降雨径流模块和管网水力模块。其中，降雨径流模块的输出结果是后者的上游边界条件。Mike Urban CS是应用隐式有限差分法来求解一维的水流问题。

图2 SWMM模型原理示意图

本次根据小寨区域所在排水分区，考虑地势、集水分区等因素，基于收集的管网、地形资料，对整个研究范围搭建SWMM管网模型及二维地理模型。根据模拟区域重要性，对小寨区域A、B、C、D进行管网搭建，其他区域进行管网概化，共构建163个子流域，152个管道。二维地形模型68.79 km2。

2.3 耦合模拟

内涝风险评估需要对研究区域50年一遇重现期降雨可能造成的积水深度进行分析模拟计算。模型中综合考虑研究区雨水管网、道路、内河水系等多种排水通道，通过一维、二维耦合模拟计算，模拟出暴雨造成的城区内涝淹没情况和管网水系的排水情况。

(1) 模型原理

1) 坡面汇流模型原理

该模块属于平面二维水流模型，适合模拟具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二维非恒定流方程组作为控制方程，包括水流连续性方程、水流沿x方向及y方向的动量方程。

二维非恒定流方程由水流连续方程和动量方程组成，具体形式如下：

(8)

(9)

(10)

2) 一、二维耦合原理

一、二维模型耦合的原理是在两者的连接处补充物理量之间的关系，以此实现两者的耦合，其中管道模型与坡面汇流模型之间的连接条件为：

流量连接条件：

式中：Q管2为管道模型在连接断面上的流量,m3/s；U为汇流模型在连接断面法向流速,m/s；h为汇流模型在连接断面处的水深,m；ξ为管道模型与汇流模型连接断面坐标。

在一二维耦合连接中，管网与二维地面连接，如图3所示。

(2) 模型构建

由于本次研究范围较大，需要较多的网格，而且是在市区内，需要网格比较细致，能较好地反映出城市的道路和建筑外形。本次计算剖分网格选择了四边形网格，共划分网格248 865个，每个网格约为225 m2。

图3 城市管网与二维地面耦合连接示意图

图4 小寨片区雨水干管系统排水能力图

(3) 模型耦合计算

对已构建的坡面汇流模型、管道模型进行耦合，管道与坡面模型均为节点连接。

《双城记》的故事源头可以追溯到多年前侯爵兄弟所犯下的那场罪恶，如果按时间顺序，那可算是故事的第一幕，而德伐日太太就是在第一幕中被时时提及却并未正式出场的小妹妹。因为侯爵兄弟二人的残酷，泰雷兹从小失去了父母，后来嫁给欧内斯特·德伐日，成为了德伐日太太。在第一部第五章《酒店中》，德伐日太太正式出场：

3 研究结果

3.1 现状径流控制率

本次利用平水年(p=50%)日降雨数据评估小寨区域现状年径流控制率，平水年小寨区域产水量1 130万m3，系统外排水量706万m3，计算小寨区域现状年径流控制率较小，约为37.5%(1-706/1 130)，相当于设计降雨量4.5 mm，这与小寨区域经济发展状态及用地开发程度基本吻合，需要改造空间较大。

3.2 管网排水能力分析

本次设计分别对小寨区域现状雨水管道排水能力进行评估，评估成果见图4，以大环河干管系统、纬一街干管系统、丈八东路干管系统为例。

(1) 大环河干管系统

大环河干管系统包括长安路、翠华路、雁塔路、慈恩路、朱雀大街、含光路、永松路、太白路等路段的雨水的排水干管，由南向北接至大环河，现状干管总长度约19.33 km。

在重力流状态下，满足降雨重现期为5≤p的管道约占总长度的6%，满足降雨重现期为3≤p<5的管道约占总长度的15%，满足降雨重现期为1.5≤p<3的管道约占总长度的52%，满足降雨重现期为1≤p<1.5的管道约占总长度的27%。

(2) 纬一街干管系统

纬一街干管系统内干管总长度约17.38 km，在满流状态下，满足降雨重现期为5≤p的管道约占3%，满足降雨重现期为1.5≤p<5的管道约占20%，满足降雨重现期为1≤p<1.5的管道约占87%。

(3) 丈八东路干管系统

丈八东路干管系统雨水通过皂河排水分区的丈八东路主干管系统及南三环辅道干管系统将区域内的雨水排至皂河。其中丈八东路排水系统汇水面积为559.73 hm2，干管总长度为10.2 km。在满流状态下，满足降雨重现期为1≤p<1.5的管道约占75%，满足降雨重现期为1.5≤p<2的管道约占7%，满足降雨重现期为2≤p<3的管道约占7%，满足降雨重现期为3≤p<5的管道约占11%。

3.3 内涝风险分析

基于现状管网及地形，本次模拟了重现期50年一遇设计暴雨，小寨区域内涝积水点较多，小寨十字内涝积水最为严重，永松路、含光路、朱雀大街均有积水，区域性内涝风险较大。

4 结 论

通过本次模拟分析，我们可以看出小寨区域存在以下问题：

(1) 小寨区域由于城市化，高楼林立，居民楼、商业建筑遍布全区。开发密度高，建筑密度大，绿地、公园较少，建筑、路面不透水面积比例大，硬化率高。老旧小区内绿地率低，道路两侧有部分绿化带，但面积较小，人行道一般为不透水铺装。总体来看，小寨区域年径流总量控制率较小，约为38%。

(2) 小寨区域，现状管网排水能力集中在1～2 a，整体标准较低,难以满足水安全需要。

(3) 小寨区域内涝问题在于面对极端暴雨情形下雨水管网系统处理能力有限，而大幅度提升老城区雨水系统设计标准，改造难度大、投入资金高，故解决小寨区域内涝问题，需要改变以往以排为主的观念，统筹考虑综合运用蓄排措施，“排”掉雨水管网标准以内水，“蓄”住超标雨水，以实现区域削峰作用，最大程度降低内涝灾害。

(4) 通过模拟分析，小寨区域在遭遇50年一遇暴雨时，管网排水量有限，需要有效调蓄空间30.7万m3，以满足区域治涝需求,见图5。

图5 小寨区域50年一遇水量平衡图

5 展 望

(1) 小寨区域自身城市化程度较高，地面硬化率高、管网排水标准低，加之近些年极端暴雨天气影响与小寨自身地形先天不足，极易发生内涝。为防治内涝，需要采用海绵城市理念，因地制宜选择“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种措施，增加区域有效调蓄空间，将城市防汛排涝与海绵城市建设深度融合，综合解决小寨内涝风险问题，为打造绿色生态的公共活动空间、小寨区域可持续发展，提供坚实的基础。

(2) 中国北方城市，暴雨突显历时短、强度大特点，若单纯依靠提高雨水管网设计标准解决内涝问题，一方面提升空间有限，另一方面往往改造成本巨大。为此，需要综合考虑蓄排措施，蓄排结合，提升区域蓄滞能力，“排”掉标准以内雨水，“蓄”住超标雨水，以实现区域削峰作用，综合发力，全面解决。