城市社会水循环排水系统模拟与调控

邓胜平

成都市市政工程设计研究院有限公司 四川 成都 610023

1 城市社会水循环排水系统

随着城镇化进程的不断推进，土地开发强度不断加大，势必会造成城镇不透水下垫面比例的增加，降雨后城镇地面径流量增大，引起强烈城市水文效应，导致一系列城市水资源、水生态环境以及城市自然水循环问题。一些国家和地区通过低影响开发LID（low impact development）的理念控制区域不透水性面积的比例来缓解这些问题。低影响开发强调城市开发应减少对开发区域环境的影响，其核心理念包括源头控制和延缓冲击负荷。低影响开发是以开发前后区域内水文特征保持天然状态为目标，通过一系列分布又整体成系统的措施达到与自然状态下功能相当的水文特征和生态景观，而对开发区内水生态环境产生最小负面影响的开发策略。低影响措施可以整合城市基础设施，改善城市水系统循环路径，改善传统仅强调“排”的单一策略，同时具有更好的生态、景观效应。

2 城市社会水循环排水系统模拟模型

在我国较为常用的城市水力计算方法包括推理公式法、等流时线法、单位线法等。以上几种计算方法基本属于集总型，一般仅适用于边界条件较为明确简单、水文基础资料较为完整全面、雨水汇流面积不大的区域，超范围应用传统雨水流量计算方法将导致排水管网建设标准与排放需求不匹配[1]，且难以计算出流量过程。

在《城市排水工程规划规范》（GB50318）以及《室外排水设计标准》（GB50014）所使用的推理公式，采用经验法确定坡面汇流时间，采用水力学的恒定均匀流推理公式计算管网汇流。恒定均匀流推理公式使用的前提包含了以下三个假设：1）在计算雨量的径流系数是常数；2）计算过程中汇流面积不变；3）在计算汇水时间内的降雨强度保持不变。而实际上这三者都是动态变化的。当流域特性比较复杂，研究区域范围较大，人工调控干预比较显著时，这类方法难以描述城市复杂水文过程。

XPSWMM集成水文学和水动力学模拟于一体，通过动力波方法对圣﹒维南方程组的完整求解，得到排水管网汇流过程的动态非恒定流模拟；对管网汇流与地表积水的流量交换和相互影响分析可无缝集成一维、二维模拟，用于管网系统排水能力分析，排水系统的局限性诊断，洪涝风险评估，在国内外得到广泛应用。

2.1 水文条件

选择2011年7月3日暴雨（后简称“7·3暴雨”）作为模型检验的降雨事件。

衣冠庙和新光路片区附近有武侯区政府雨量站，7·3暴雨的降雨量为196.0 mm，本次模型采用该雨量站7·3暴雨的小时降雨量雨型过程线与不同频率6小时设计降雨量的乘积，分解为不同频率6小时降雨过程，各时段雨量如表1所示。

表1 不同频率6小时设计降雨量7·3暴雨雨型的时段分配雨量

2.2 产汇流方法

降雨产流过程的扣损采用Horton扣损法，降雨径流采用SWMM Runoff非线型水库法，根据雨水汇流区域的下垫面特征，如硬质路面、河湖水系、绿地、房屋建筑等，具有各自的透水强弱特性，逐时模拟生成降雨过程中的产汇流结果。

2.3 水动力方法

地面雨水径流进入雨水管道后，在管道中流动的水力特征较为复杂。水力模拟通过求解水力方程组——圣﹒维南方程组，来动态模拟水流在管网中的水力状态。

圣﹒维南方程组包含两类方程——连续性方程和能量方程。方程组的未知参数包括水流过流横断面的平均流速v=v(x，t)以及管底到自由水面的深度h=h(x，t)。

排水管网中的水流一般可视为不可压缩的液体，即水流密度不变，根据质量守恒定律，在dt时段内，从上游断面流入和从下游断面流出的水量差等于两断面间水体体积的增减量，据此有连续性方程：

上下游断面间的能量差转化为两部分，一部分为摩擦阻力做功，另一部分为位置势能转换动能；据此则有能量方程：

联立以上连续性方程和能量方程即为圣﹒维南方程组。式中：

A — 过水断面的面积(m2)；

Q — 水体流量(m3/s)；

t — 时间(s)；

x — 管道的长度(m)；

q — 旁侧入流量；

g — 重力加速度(m/s2)；

h — 水深(m)；

S0— 管道坡降；

Sf— 阻力坡降。

采用动力波法求解圣﹒维南方程组，包括了影响非恒定明渠流的所有项，考虑了上下游两个断面条件的水力状态。用该法进行水力动态模拟，能够模拟管道中的逆向流、压力流、侧流渗入渗出损失以及洪峰在管道中的传播与衰减，回水对上游水流的影响，适用的情形广泛，综合的边界条件全面，结果与实际情形更接近。

2.4 一维二维耦合模拟

一维水力学模型主要用于模拟管道中的水流运动。当水量过大，管道发生溢流或地面发生积水时，管道与地面发生水量交互流动时，一维模型则不能根据具体地形和下垫面特征模拟溢流或地面水流的动态演进过程，无法动态模拟内涝的积水深度、积水范围及整体的退水路径等内容。

城市地表漫流可视为具有自由表面的浅水体在重力作用下的流动，可忽略水流沿垂直z方向的速度和加速度，可用二维浅水动力学进行研究，也就是通常所说的二维模拟。描述浅水动力学的二维非恒定流方程组，共包括三个方程：水流连续性方程、水流沿水平x方向动量方程、及水流沿水平y方向的动量方程，形式如下：

式中：

t— 时间(s)；

n— 曼宁糙率系数；

x, y— 直角坐标的横坐标和纵坐标（m）；

u, v—x, y方向的流速分量（m/s）；

z, h—x, y处的水位和水深（m）；

g — 重力加速度(SI 制)。

对城市内涝分析研究采用一维、二维耦合模拟，将管网一维模型与地面漫流二维进行耦合分析，将模型网络节点的检查井顶部与地表二维网格连接，模拟管渠中的有压流和地表自由表面流之间的物质与能量交互，以及内涝洪水在地表二维空间内的运动过程，从而动态演绎洪涝的变化过程。

2.5 其他影响因素

排水系统出口出流状态会受到受纳水体水位的影响，影响的具体情形有以下两种：

1. 流域性降雨引起的河湖受纳水体水位上涨滞后于本地集中降雨，认为本地集中暴雨时，排水系统不受河道水位影响。

2. 流域性洪水引起的河湖受纳水体水位上涨与本地集中降雨影响重叠时，二者将共同影响排水系统，将进行受纳水体水位对排水系统的敏感性分析[2-3]。

3 城市社会水循环排水系统模拟与调控实例

以人民公园和羊市街片区为例，该片区东侧至东城根街、文翁路附近，南侧至南河附近，北侧至府河附近，西侧至饮马河、西郊河附近。片区内城市开发强度较高，区域内的人民公园是有较大面积绿地空间。

3.1 模型概化

将衣冠庙和新光路片区的雨水管网中进行模拟分析，模型网络概化见1图，包括2361个节点和2380个连接。片区内二环路从西往东的雨水管网汇流了区域大半的雨水，是主要的雨水通道，排往府河；创业路从北往南雨水管道是另一条主要排放管道，排往火烧堰。

图1 地面高程背景下的管网概化图

3.2 模型检验

衣冠庙和新光路片区雨水排水系统在7·3暴雨条件下的内涝范围及积水水深如图2所示。模型模拟内涝情况与片区实际调查的8个积水区域基本吻合，积水深度也较为接近。

图2 片区现状20年一遇6小时设计暴雨下积水风险图

3.3 内涝原因诊断

⑴ 紫荆北路道路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街段的管径为DN600，紫竹北街到紫荆巷段为DN700，而该段管道的上游和下游均为DN800，暴雨期排水不畅。

⑵ 桐梓林北路雨水管网自西向东穿过高攀河时管径由DN1000减小为DN600，然后继续向东以DN800的管径从人民南路向北接入二环路。该区域的排水受限于DN600的瓶颈段。

⑶ 人民南路过二环路存在地势低洼，由于7·3暴雨二环路骨干管网超负荷运行，导致与二环路主干管网连接的雨水管道无法及时排走雨水，产生地面积水，汇入立交区域洼地。

⑷ 武侯祠大街南侧，洗面街、高升桥东路的集水区内的雨水汇往洗面街和高新大道的骨干雨水管网后排往火烧堰。洗面桥街道过一环路到高新大道区域中位于一环路附近的地势处于凹型的锅底状，7·3暴雨管网来不及排水造成凹形锅底区域积水，影响交通。

3.4 排涝能力提升方案

衣冠庙和新光路片区排涝能力提升工程措施包括：

⑴ 紫荆北路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街管径扩大为DN800，消除该段的局部阻水段，提高排水能力。

⑵ 新光路雨水管网自二环路往桐梓林北路排水，再沿着桐梓林北路往东排水，在高攀河设置下河口。

⑶ 二环路路南的桐梓林东路雨水管网反向改造，管径为DN1400，自二环路往桐梓林北路排水，并在高攀河设置下河口，并将桐梓林东路东侧的桐梓林北路上的雨水管道与此反向改造的雨水管网断开连接。

⑷ 创业路永丰立交下穿通道下设置雨水强排自动泵站，规模1.0m3/s，通过DN1000雨水强排入肖家河。

⑸ 高升桥东路雨水管道反向改造，排往肖家河。

⑹ 衣冠庙、一环路、高新大道立交设置雨水强排自动泵站，规模1.3m3/s，沿高新大道敷设一条DN1100压力管排入肖家河。

3.5 工程措施效果评估

衣冠庙和新光路片区雨水系统实施相关工程措施后，将原本重现期5年一遇降雨情形下发生溢流风险的区域，提高到了重现期10年一遇6小时降雨情形下才出现溢流。重现期20年一遇降雨时，一环路高新大道附近地势低洼区域，出现的积水深度多数在25mm以下，对交通影响较小，调控取得良好效果。

4 结论

⑴ 城市社会水循环排水系统包括城市排水管网、河道、闸、坝、泵站等系统。在高度城市化发展的今天，由于这些系统调控不当将导致城市发生内涝，威胁城市安全运行。为加强对城市社会水循环排水系统的调控，采用低影响开发（LID）技术和引入水力模型对城市排水系统进行模拟是两个有效的方法。

⑵ 传统的推理公式对流域特性比较复杂，人类影响活动比较强烈，以及人工调控干预比较显著的情况难以描述城市复杂水文过程，必须借助水力模型模拟。

⑶ 目前国内外著名城市水文模型有SWMM、STORM、MOUSE、HYDROSIN、Wallingford、XPSWMM等。其中XPSWMM集成水文学和水动力学模拟于一体，采用动力波方法求解圣﹒维南方程组，进行排水管网汇流的动态非恒定流模拟；对管网汇流与地表积水的流量交换和相互影响分析可集成一维、二维模拟，用于管网系统排水能力分析，排水系统的局限性诊断，洪涝风险评估，在国内外得到广泛应用。

⑷ 结合衣冠庙和新光路易涝片区，建立区域水力模型、经模型概化、模型检验，分析出了区域产生内涝的原因，并有针对性地提出了若干工程解决方案。

⑸ 采用相关工程措施施后，经模拟结果，片区雨水排水系统排涝能力提升至重现期10年一遇6小时设计降雨不溢流，重现期20年一遇6小时设计降雨有少量积水，但对交通影响较小和城市整体安全，调控取得良好效果。