基于雨水模型模拟的海绵城市建设效果分析

□文/李 鹏

自2015年国家公布首批16个海绵城市试点以来，国内多个城市广泛开展了海绵城市建设，探索适宜的建设模式和方法，取得了较多经验。随着各地海绵城市建设的推进，实施效果被更多地关注；科学合理地根据海绵城市建设方案模拟分析实施效果是一个重要环节。传统的计算分析手段难以满足大面积系统分析的需求，雨水模型模拟分析被广泛应用于海绵城市的规划设计和建设实施当中。本文以我国西南地区某市主城区为例，介绍了雨水模型建立的过程和分析方法并进行了海绵城市建成前后的效果对比。

1 区域模型参数

1.1 模型与模拟原理

采用InfoWorks ICM（城市综合流域排水模型）建模，包含排水管网系统水力模型、河道系统水力模型和二维城市/流域洪涝淹没模型；可完整地模拟城市雨水循环过程，实现城市排水管网系统模型与河道模型的整合，真实模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。主要模块包括：排水管网水力模型（水文模块、管道水力模块、污水量计算模块）、河道水力模型、二维城市/流域洪涝淹没模型、实时控制模块、水质模块和可持续构筑物（SUDS）模块。本次模拟运用的主要计算模块：降雨-径流模块、管流模块、二维洪涝淹没模块。

1.2 区域模型

对某市主城区进行了雨水管网系统水力模型建立，主城区面积128.6 km2。对不同设计降雨重现期的雨水管网情况进行模拟，根据规划雨水管网的CAD模型进行了建模，鉴于主城区模拟区域较大，考虑到工作量及精度要求，管网模型采用雨水管网主干管及干管，对于部分支管未进行建模，可以满足雨水管网模拟及海绵城市实施效果模拟的目的。见图1。

图1 雨水管网模型及区域径流系数分布

模型的管径、坡度及埋深根据主城区排水专项规划的设计参数进行了设定，设计降雨重现期为3 a 一遇；径流系数分布通过地面用地性质计算确定；地形地貌采用规划路网进行导入分析。

1.3 径流总量控制率

我国大陆地区大致分为五个区，各区年径流总量控制率α；I区（85%≤α≤90%）、II区（80%≤α≤85%）、III区（75%≤α≤85%）、IV 区（70%≤α≤85%）、V 区（60%≤α≤85%）[1]。该市属于Ⅴ区，综合考虑自然环境和城市定位、规划理念、经济发展等多方面条件及年径流总量控制率现状和综合径流系数现状与目标可达性，取年径流总量控制率为70%，根据当地降雨情况统计计算得出对应设计降雨量为37 mm。

2 过载管道和溢流节点模拟

首先模拟在不同设计降雨重现期下主城区雨水管网的过载管道和溢流节点情况，同时对海绵城市建成后的主城区雨水管网的过载管道和溢流节点情况进行对比。

在降雨重现期为2 a和3 a情况下管网均未出现溢流，运行状态良好；自5 a重现期开始，管网节点与管道开始出现溢流和超负荷状态。

当降雨重现期为10 a 时，管网中溢流节点增多且最大溢流量显著增大。发生溢流的节点数量为10个，其中节点最大溢流量超过1 000 m3；随着降雨时间的增加，过载管道数量增多，最多时达到36根，超负荷管道达到了3.7%。模拟海绵城市实施效果，10 a 降雨重现期时，只有1个节点发生了溢流，溢流量为236.4 m3，过载管道由原来的36根缩减为8根，超负荷管道只占0.8%。见图2。

图2 10 a重现期降雨下管网节点溢流与超负荷管段分布对比

降雨重现期为20 a时，溢流节点相较10 a重现期继续增加且最大溢流量达到8 000 m3以上。发生溢流的节点为65个，溢流量超过1 000 m3的节点有14个；过载管道数量为181根，超负荷管道达到了18.5%。模拟海绵城市实施效果，20 a降雨重现期下，溢流节点由原来的65个减少至15个且节点中最大溢流量由8 246.5 m3变为1 976.5 m3，改善效果明显；过载管道由原来的181根减少到了52根，超负荷管道只占5.3%，见图3。

图3 20 a重现期降雨下管网节点溢流与超负荷管段分布对比

当降雨重现期为30 a 时，降雨量继续增大。发生溢流的节点数量达到了71 个，其中最大溢流量超过1 000 m3的节点数量为17 个；管道过载数量为208 根，管道超负荷达到了21.2%。模拟海绵城市实施效果，30 a降雨重现期下，管网中溢流节点由71个减少为17个且节点中最大溢流量为2 349.2 m3，是原来节点中最大溢流量的1/5 左右，改善情况显著；过载管道由原来的208 根减少为69 根，超负荷管道只占7.0%，见图4。

图4 30 a重现期降雨下管网节点溢流与超负荷管段分布对比

以上结果说明，随着降雨重现期增加，也就是降雨量增大，管网节点的溢流量和溢流管道数量明显增大，管道超负荷情况变得越来越严重。但实施海绵城市建设后，节点溢流与管段超负荷情况改善显著。在管网一维评估的基础上，有必要进行对管网做空间二维模拟，以求能更真实地反映实际情况和雨水在地表漫流影响范围。

3 积水点模拟

模型中，深度超过0.15 m 形成积水点，见图5-图7。

图5 10 a降雨重现期下地面积水点分布对比

图6 20 a降雨重现期下地面积水点分布对比

图7 30 a降雨重现期下地面积水点分布对比

图5-图7 中，蓝色区域代表地表在模拟时长内出现了积水，结合模拟区域的地形可以看出，随着降雨重现期的增大，地表积水面积及积水深度呈显著增加的趋势。5 a降雨重现期时，最大地面积水为8 504.9 m2；10 a 降雨重现期时，最大地面积水为65 466.8 m2；20 a年降雨重现期，最大地面积水为722 700 m2；30 a 降雨重现期，最大积水面积为882 290 m2。地面积水都集中出现在地面标高为4～12 m的地势低洼处。

开展海绵城市建设后，各降雨重现期下的地面积水情况无论从积水面积还是积水深度均得到了明显改善。其中，5 a 降雨重现期下基本未积水；10 a 降雨重现期时，最大积水面积为13 125.1 m2，相比未采取措施前减少积水面积52 341.7 m2；20 a降雨重现期时，最大积水面积为238 463.8 m2，相比未采取措施前减少积水面积484 236.2 m；30 a降雨重现期时，最大积水面积为323 120 m2，相比未采取措施前减少积水面积559 170 m2。

4 结语

本次模拟研究区域在不同降雨重现期下管网的溢流情况及地面积水情况，在设计降雨重现期（3 a）时，管网没有节点溢流出现，未形成积水点。随着降雨强度的增加，节点溢流量和过载管道数量均不同程度增加。针对地面积水情况，建议采取海绵城市措施，降低城市下垫面的产流量，达到年径流总量控制率的要求，有效解决内涝积水问题。