基于水文水动力模型的海绵城市建设效果评价技术研究

王洁瑜，杨党锋，刘晓东，侯精明

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065；2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048）

0 引言

海绵城市建设是促进生态文明发展的重要举措,是改善城市水环境,提高城市水安全、修复城市生态等目标的重要手段,而由于缺乏考核制度和考核监督压力,严重阻碍海绵城市建设工作的推进[1]。截至目前,部分试点地区通过贯彻落实国家各部委制定的绩效考核政策,制定绩效考核机制,而为了更好地智慧化评价与考核海绵城市建设的成效,本文依托西安小寨海绵城市智慧管控系统项目建设的实际情况与地域特征,以信息技术为手段、以智慧管控平台为基础、城市监测数据为核心、考核指标为目标,信息化配套基础设施设备为依托,海绵工程规划设计为保障,开展基于水文水动力模型的海绵城市建设效果评价技术研究,主要涉及水文水动力模型研究、考核指标体系、城市内涝可视化模拟研究及考核引擎研究等内容。

1 海绵城市建设效果评价关键技术研究

1.1 海绵城市内涝灾害数值模拟可视化关键技术研究

（1）海绵城市内涝灾害数值模拟

基于水文水动力学模型,将工程项目汇水区划分成若干个子区域,然后根据各子区域的特点分别计算径流过程,最后通过流量演算方法将各子区域的出流进行叠加,如图1 所示利用MIKE FLOOD动态耦合模型将一维模型MIKE URBAN或MIKE 11 和二维模型MIKE 21 进行整合,同时结合SWMM的LID措施模型,实现二维可视化海绵城市建设前后地表漫流数值模拟[2-3]。

图1 海绵城市内涝灾害数值模拟

分别设计暴雨重现期为5 年、10 年、20 年、50 年的短历时降雨工况,雨型为芝加哥雨型,雨峰系数采用0.3。

式中：q为设计暴雨强度,L/（s·hm2）；t为降雨历时,min；P为设计重现期,年。

（2）城市内涝可视化模拟

目前我国将水环境数学模型与3 DGIS平台相结合的技术还很少,相关的规范性应用方案也没有,本应用集成平台研究在资源整合的基础上研究智能模型用于决策,其中决策模拟由积水深度模拟、检查井冒水模拟及管网+内涝模拟三个模块构成,分别根据不同重现期进行模拟,同时结合GIS地图可直观查看城市内涝情况,见图2。

图2 城市内涝可视化模拟

1.2 考核指标研究

海绵城市考核指标研究具体以住建部《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》为指导依据,围绕水安全评估、水环境评估、水生态评估及水生态评估四个方面开展相关研究,见表1[3]。

表1 小寨区域海绵城市建设前径流控制率模拟结果

2 海绵城市考核引擎关键技术研究

结合考核指标体系构建海绵城市考核信息化引擎,根据不同的考核指标进行相关内容计算过程及模拟表达研究[4-6]。

（1）年径流总量控制率指标及考核引擎

1）指标计算

年降雨径流控制率可通过统计、计算获取,满足考核要求需RAV大于85%,其见式（2）：

式中：RAV为地块项目/区域的年径流总量控制率；Vi为监测范围内年降雨总量,L；V0为地块监测范围降雨的总外排量,L。每场降雨外排径流量可由地块的外排井内流量计计量。

2）考核引擎

年径流总量控制率考核引擎分别根据试点区域、排水分区、项目地块及规划地块进行径流控制计算模拟,同时联动雨量站在线监测设施设备实时计算模拟全年降雨量,见图3。

图3 年径流总量控制率计算考核引擎

3）模拟结果

系统基于径流控制率计算机理,联动接入数值模拟计算来进行效果评估判定。主要模拟研究区域全区在5 年、10 年、20 年、50 年一遇的设计降雨重现期条件下,降雨历时2 小时情况下建设前与建设后各汇水分区及全区的径流总量控制率。模拟结果表明：在17.2 mm2 h设计降雨情况下,建设前整体试点区径流控制率为70.59%,建设后整体试点区径流控制率为91.28%。建设前各重现期径流控制率分别为66.60%、64.56%、62.42%、59.62%。

考核引擎计算结果表明建设区域进行海绵设施改造后,设计降雨17.2 mm的径流控制率可达91.28%,满足80%的考核要求。17.2 mm、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇2 h设计降雨条件下研究区域径流控制率分别为91.28%、86.28%、82.90%、79.53%、75.27%。综上所述,建设LID措施和雨水调蓄池后,径流控制率显著提高,设计降雨重现期较小时,大部分降雨水量会留在当地,可满足径流总量控制率的要求。

（2）城市面源污染控制率考核引擎

1）指标计算

①单项设施

对于单项设施,日降雨径流中各污染物负荷削减率由入流及外排径流污染物平均浓度按式（3）计算出：

式中：Ri为第i日降雨中SS污染物负荷削减率；C入、C出分别为第i日降雨中SS的入流平均浓度和外排平均浓度,mg/L；V入、V出分别为第i日降雨入流径流及外排径流体积,L。

②排水分区及地块

对于排水分区和地块类项目由于难以获得径流源头水质,需实测屋顶、道路、绿地等类型的径流水质,计算不同下垫面污染物输出系数,同时借助GIS等软件提取不同下垫面面积,地块或排水分区上的污染负荷；地块或排水分区的外排污染负荷可按外排口的实测水质和流量计算获得,再按式（4）、式（5）计算日降雨径流污染物负荷削减率和年降雨径流污染物负荷削减率：

2）考核引擎

城市面源污染控制率考核引擎分别根据试点区域、排水分区、项目地块及规划地块进行面源污染计算模拟,见图4。

图4 冻融循环过程中的介电常数

图4 冻融循环过程中的介电常数

3）模拟结果

系统基于城市面源污染计算机理,联动接入数值模拟计算来进行效果评估判定。主要模拟了重现期为5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇设计暴雨,降雨历时2 h等不同情况下建设前及建设后整体区域的面源污染控制率。不同降雨条件下建设前后整体区域模拟结果分别见表4~表5。

表4 小寨区域海绵城市建设前面源污染模拟结果

表5 小寨区域海绵城市建设后面源污染模拟结果

综上所述,海绵建设前后城市面源污染明显削减,可根据考核结果直接得到预期效果。

（3）热岛效应考核引擎

1）指标计算

取海绵城市建设前区域内夏季（按6月~9月）日平均气温与周边区（郊区和乡村）日平均气温的差值T1；

取海绵城市建设前区域评价年的前一年夏季（按6月~9月）日平均气温与周边区（郊区和乡村）日平均气温的差值T2；

比较T1和T2的差值△T,比较△T的值是否有下降趋势。

2）考核引擎

热岛效应考核引擎分别根据城郊区域、试点区进行监测考核,联动温度站在线监测设施设备对比分析区域内外温度变化趋势,见图5。

图5 热岛效应考核引擎

（4）城市排水及内涝点防治考核引擎

1）指标计算

雨水资源利用率通过以下公式计算：

式中：Rw为雨水资源利用率,%；∑v为各雨水收集设施雨水利用量,m3；V为年均降水总量或市政杂用水总量,m3。

雨水资源利用率监测与评估工作以雨水利用量监测为主,分别从社区地块、排水分区和试点区域三个尺度进行雨水回用量监测与统计,结合年降水量或市政杂用水量进行计算。

2）考核引擎

城市排水考核依据城市排水5 年一遇工程前后内涝点个数变化进行考核分析。内涝点防治依据城市排水5年一遇、10 年一遇及50 年一遇工程前后内涝点个数变化进行考核分析,见图6。

图6 城市排水及内涝点防治考核引擎

在城市排水标准分析中,分别计算在不同设计管网排水标准情况下的城市内涝情况,以所监测的三处内涝点的积水情况作为评判标准,以评估海绵建设区域5 年一遇城市排水标准的合理性。同时采用数值模型模拟计算了在5 年一遇、10 年一遇及50 年一遇的降雨条件下的城市内涝结果。

以海绵改造前后5 年一遇降雨重现期下全区域及三个监测点位积水点分布情况为例,见图7（图中椭圆区域分别为三个监测点位积水情况）。

图7 5年一遇降雨下海绵建设前后研究区内涝模拟情况

由海绵设施建设前后内涝模拟情况可知,设计降雨为5 年一遇时,海绵建设前,研究区域积水情况明显,积水点位较多,监测点位JS3 积水较多,JS2、JS1 开始出现积水情况；海绵建设后,研究区域无明显积水,积水情况得到明显改善,监测点位无明显积水情况,部分点位出现积水可能与地形因素有关,考虑到输入地形资料的地形精度误差较大,因此地形上的数字凹陷可能导致模拟结果中部分点位出现较深积水。

（5）雨水资源收集利用率考核引擎

城市雨水收集资源利用率考核分别从地块、排水分析及试点区域三个尺度进行雨水回收用量与统计,结合年降雨量进行计算,同时展示调蓄池水位-库容曲线,见图8。

图8 雨水收集资源利用率考核引擎

3 结论

考核评估是海绵城市建设工作的重要环节,为了科学、全面、智慧化评价海绵城市建设成效,开展基于水文水动力模型的海绵城市建设效果评价技术研究工作,以住建部《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》为指导,围绕“水生态、水环境、水资源、水安全”建设理念遴选7项涉水考核指标,同时借助数字化、信息化技术构建海绵城市考核引擎,一方面能够为海绵城市建设提供智慧化效果评价手段,一方面为海绵措施工程提供建设依据。