城市排水小区海绵改造效果模拟与评估研究

2021-12-30喻海军范玉燕曹大岭

人民珠江 2021年12期

喻海军，范玉燕，曹大岭，陈伟

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；4.河北省水利科学研究院，河北石家庄 050051)

随着中国海绵城市建设的持续推进，准确评估海绵城市建设的效果至关重要，基于监测和模拟来进行评估是2种常用手段[1-3]。在海绵城市建设方案设计、后期效果评估和设施维护管理中，城市雨洪模型将发挥越来越重要的作用，已成为必不可少的支撑技术[4-7]。常用的城市雨洪模型或软件包括SWMM模型、InfoWorks ICM、MIKE Urban和IFMS/Urban等[8]，其中SWMM模型由于其完备的模拟和分析功能以及开源特性，在国内外得到了广泛应用[9-13]。国内众多学者将SWMM模型应用于海绵措施的效果评估和方案优化中，取得了很好的效果[14-15]。目前在海绵措施模拟评估中，当前主要以降雨径流和一维排水模拟为主，但将SWMM模型与地表二维水动力学模型相结合来进行地表淹没分析的研究还相对较少。本文以北京市某排水小区为研究对象，构建了研究区精细化的一二维耦合城市雨洪模型，对海绵城市建设方案效果进行定量分析和评估，以期为排水小区数值模拟及海绵城市建设与管理提供一定的技术参考。

1 模型介绍

采用一二维耦合模型对研究区域海绵方案进行效果评估，即将SWMM模型与二维水动力学模型进行双向耦合，其中降雨产流、海绵措施和排水管网模拟采用国内外广泛使用的SWMM模型，地表积水和淹没范围计算采用二维水动力学模型。

1.1 SWMM模型

SWMM模型是美国环境保护署资助研发的城市雨洪管理模型，其地表产汇流以子汇水区为单位，采用非线性水库法进行计算，管网汇流基于水动力学方法，采用有限差分法离散求解一维圣维南方程组：

(1)

(2)

式中Q——管段流量，m3/s；A——管段过水面积，m2；t——时间，s；x——距离，m；H——水头，m；g——重力加速度，取9.8 m/s2；Sf——摩阻项。

1.2 二维水动力学模型

采用Godunov格式的有限体积法离散求解以下改进形式的守恒型二维浅水方程[16]：

(3)

(4)

式中h——水深；u、v——x、y方向流速；b——底高程；Sb——底坡项；Sox、Soy——x、y方向的底坡比降；Sf——摩阻项；Sfx、Sfy——x、y方向的摩阻比降。

2 模型应用

2.1 研究区模型构建

研究区为北京市某排水小区，总面积约为5.3万m2，见图1，小区绿化面积较大，不透水率仅为55%。排水模型共考虑管道62条、雨水井(排放口)63个，根据管道流向、地表建筑物分布和地面坡度等情形，划分子汇水区87个，见图2。模型不透水率、坡度等参数根据实际下垫面类型和地形数据确定。下渗模型计算采用Horton方法，最大和最小下渗率分别取值为60.0、4.0 mm/h，衰减系数取值为4 h-1，管道汇流采用动力波进行演算。地表二维模型共划分非结构网格19 584个，平均尺寸约为1.5 m，其中建筑物当作不过水区域，不划分网格，地表不透水区和绿地平均糙率分别取值为0.045和0.1，见图3。

图1 小区下垫面及排水管网分布

图2 管道分布及子汇水区划分示意

a)网格全局

b)网格局部放大

2.2 现状排水能力评估

采用构建好的小区排水管网模型，分别计算小区在遭遇北京市24 h 3年一遇、5年一遇和10年一遇设计暴雨时的产汇流情况，具体径流统计值见表1。图4—6分别给出了不同重现期小区出口的流量过程和淹没水深分布。

根据模拟结果，不同重现期暴雨条件下，小区径流系数均在0.70以上，由于汇流路径比较短，出口洪峰流量比较大，均在1.5 m3/s以上。从地表淹没角度来看，随着暴雨重现期的提高，淹没范围和淹没深度呈增大趋势，在3年一遇时，淹没区域相对小，小区3号楼南侧和小区西边广场区域淹没相对较为严重，这与现场调查结果基本一致，除几个低洼处之外，小区内的淹没深度大部分在0.15 m以下。当遭遇5年一遇和10年一遇时，淹没面积急剧增大，淹没较为严重。

表1 不同重现期小区径流计算结果

a)流量过程

b)淹没分布

a)流量过程

b)淹没分布

a)流量过程

b)淹没分布

表2给出了不同重现期暴雨下管道排水情况。可以看出，当遭遇3年一遇暴雨时，小区管道满载比例已经非常高，但此时累积溢流量还相对较少，随着重现期提高，满载时间和累积溢流量均进一步增加，结果表明小区管道排水能力整体不足3年一遇。结合现状模拟结果，分析得出研究区主要存在3个方面的问题：设计重现期不够，难以应对3年以上重现期降雨；部分管道管径偏小或坡度太小，实际排水能力不足；研究区蓄滞设施不足。

表2 不同重现期暴雨情况下管道排水情况

2.3 改造方案效果评估

为提高研究区域排水能力和雨水资源利用率，结合现状模拟评估结果和初步分析的问题，拟定了改造方案，方案设计时遵循以下原则：①尽可能将不透水区域改建为透水区域，如将小区原有的不透水人行道、车行道和停车位改为透水铺装或生态植草砖；②将原有透水区域改建为下沉式，使其具有一定的蓄滞功能，如滞留池、雨水花园和植草沟，适当兼顾景观功能；③优化和改建排水能力不足的管道。结合现状模拟的结果，方案对23条管道的管径和坡度进行了调整，另外为提高雨水资源利用效果和年径流控制率，在小区出口处增加1个地下蓄水池，方案中各类海绵措施的具体规模和布置见表3、图7。

表3 海绵措施规模

图7 海绵措施布置

采用构建好的模型，对改造方案的效果进行了模拟和评估。除蓄水池在水力模块进行模拟外，表3中其他类型海绵措施均在SWMM模型的产流和LID模块中进行模拟。SWMM模型中模拟海绵或LID设施主要有3种方式。①概化模拟。通过设置和调整子汇水区的产汇流参数来间接和概化考虑这些设施的效果，通常适用于较为粗略的雨洪模拟。②独立模拟。将每个LID设施设置为一个独立的子汇水区，即将子汇水区整个面积上均采用预先定义好的LID设施类型和参数，这种方式对小区域精细化模拟较为适用，可以较为准确地模拟出LID设施的汇流路径和产汇流特性。③混合模拟。将预先定义好的LID设施类型和参数直接设置到子汇水区内，同时子汇水区内还存在非LID产流区域，这种方式较为适合大区域的LID模拟或一些不必关心汇流路径的LID设施模拟。本文研究区域较小，结合海绵措施的特点，结合采用方式二与方式三，其中透水铺装、生态植草砖等设施采用方式三，雨水花园和植草沟等设施采用方式二。

模型计算改造方案实施后径流量结果统计见表4。从表中可以看出，由于各类海绵措施的作用，小区下渗量大大增加，改造后的小区径流系数均低于0.50，远低于改造前最低径流系数0.733(3年一遇)，外排径流系数则更小，3年一遇暴雨径流量控制率约为67.2%，10年一遇也近似达到61.4%。

表4 改造方案实施后径流量统计

图8、9分别给出了海绵改造后小区外排流量过程。从图中可以看出，由于径流量的减少和蓄水设施的作用，小区外排洪水量都远小于改造前，相当一部分径流量进入了蓄水设施。考虑极端情况，即假定末端蓄水设施已经蓄满的情况下遭遇3年或者10年一遇设计暴雨，小区外排流量峰值也明显低于改造前，分别降低了35.7%和14.6%。根据模拟结果，在遭遇10年一遇设计暴雨时，小区未发生管网溢流和管道满载情况。

图8 改造前与改造后小区出口流量过程线(P=3)

图9 改造前与改造后小区出口流量过程线(P=10)

采用模型和研究区近30年降雨数据计算了小区改造后的年径流总量控制率。由于蓄水设施的利用方式对结果影响较大，分考虑和不考虑蓄水设施两种工况分别进行计算，结果见表5。考虑蓄水设施的工况中，采用SWMM模型控制模块、蓄水模块和泵站模块来共同模拟蓄水池蓄水和雨水利用过程，并按照雨停后两日内使用完蓄水池水量的速度进行雨水利用。从表5中可以看出，在不考虑蓄水设施时，年径流总量控制率为71.8%，考虑蓄水设施时，蓄水设施可以控制利用径流量约100.3 mm，控制率提升至92.1%，表明蓄水设施可大幅度提升径流控制率和雨水利用率。