西安市小寨区域城市雨洪综合模拟与解析研究

薛树红，高徐军，刘 园，康 抗，吴 巍，翟敏婷

(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 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048）

近年来,以降水变化为主要特征的气候变化和下垫面快速城市化影响了水循环诸要素的时空分布特征,使得我国城市雨洪灾害的发生频率及强度均呈上升趋势,空间上亦由沿海向内陆城市蔓延［1-4］。据统计,2000 年以来每年发生200 多起不同程度的城市雨洪灾害,造成了巨大的人民生命财产损失,成为制约社会经济高质量发展的重要因素之一［5-6］。城市雨洪过程模拟与多维度解析成为城市雨洪研究的热点,诸多学者融合城市排水防涝和生态海绵城市理念,借助城市雨洪过程模拟模型做了大量积极的探索［7］。钱真等［8］基于Open MI 异构模型集成平台,动态耦合河网水文水动力模型和城市排水管网水力模型,模拟分析了不同雨潮组合对上海淀北片区域内涝的影响；南京市雨花台区LID 设施对区域雨洪控制效果的模拟研究表明,不同设施组合均有减小径流量和削减污染物排放量的作用,但随着降雨重现期的增大,对雨洪控制的效果降低［9］；武汉大学针对老城区既建管网系统改造,基于暴雨径流管理模型(SWMM)和GIS 研发了城市地下排水管网瓶颈分析与改造评价平台［10］；中国水利水电科学研究院基于自主研发的水文-水力学耦合模型,实现了城市防洪防涝工程体系多情景模拟和工程优化评价［11］；西安理工大学通过小尺度单项设施模型,设计并模拟了雨水花园在不同层厚和组分填料条件下的径流污染削减效果,提出了LID 设施设计参数优化方案［12］。

以往研究多是围绕水安全或水生态单一建设目标,而对协调城市防涝和生态海绵建设中并存的水文过程管控要求,涵盖低影响开发、排水防涝和雨洪调蓄空间的全过程模拟和评价研究相对较少。本研究以西安市小寨区域为研究对象,根据该地区水文、气象、下垫面条件和排水防涝资料,基于MIKE FLOOD 构建耦合管网模型和地表漫流模型的绿-灰-蓝雨洪设施综合模拟模型,对径流控制、管网排水和城市防涝能力进行解析,以期为城市排水防涝与生态海绵协同建设提供决策依据。

1 研究区概况

小寨区域位于西安市雁塔区,本次研究范围总面积约为66.87 km2。该区属温暖带半湿润大陆性季风气候区,年平均降水量528～716 mm,年内降水多集中于6—9 月,地势由东南向西北呈阶梯下降。纬一街以北片区雨水经南北向干管向北汇入大环河暗渠,纬一街以南片区雨水经南北向干管向北汇入纬一街主干管,并进入皂河。针对小寨雨洪灾害,西安市融合生态海绵与排水防涝建设理念,南起南三环、北至南二环,东起雁塔路、西至太白南路,提出建设综合低影响开发系统、排水防涝系统和湖库调蓄系统的“绿-灰-蓝”雨洪系统。“绿”是海绵设施的运用和深化,指在源头建设的具有生态、低碳等特征的低影响开发设施；“灰”指市政排水设施,包括管网、泵站以及蓄水池等；“蓝”指控制湖库水位、疏导排涝河渠等措施。研究区概况见图1。

图1 研究区概况

2 模型与方法

2.1 模型原理

MIKE URBAN 是当前应用最广泛的管网模型之一。对于降雨径流的计算,模型基于子集水区降雨扣除初期雨水损失(洼蓄和植物截留)、下渗后产流,通过时间—面积曲线法、非线性水库法、单位水文过程线法等汇流计算模型得到排水管网的入流量［13-14］。常用的管流演算方法有扩散波、运动波、动力波等三种。动力波演算基于一维自由水面流的完全圣维南方程组,采用六点隐式有限差分法求解,可有效模拟城市“绿-灰-蓝”雨洪系统的运行。MIKE 21 作为平面二维自由表面流模型,通过有限差分法和有限体积法求解二维浅水方程。在高度建成区,该模型基于网格化DEM 能够很好地再现地表雨洪运动过程。基于MIKE FLOOD 的管网模型(MIKE URBAN)和地表漫流模型(MIKE 21)的耦合模型,不仅能模拟复杂的管网、明渠系统,还可反映地表积水和管网水流的交互过程,进而实现城市暴雨洪涝的动态模拟［15］。

2.2 模型构建

2.2.1 产汇流概化

在降水形成径流的过程中,覆被、土壤、水系等统称下垫面因素,基于原始测绘地形图,将下垫面划分为道路、建筑、绿地、水域和其他5 类［见图2(a)］,各下垫面径流系数根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2021)规定取值,模型中降雨初期损失包括植物截留、洼蓄等,取值0～5 mm。研究区各类下垫面占比、径流系数和初期损失见表1。结合管网空间分布信息,采用泰森多边形法剖分流域,得到对应节点的子汇水区［见图2(b)］,并通过时间—面积曲线法计算子汇水区汇流过程。

表1 小寨区域各类下垫面产汇流特征参数

图2 研究区产汇流解析结果

2.2.2 地表高程概化

DEM 网格化及其修正是地表漫流模型计算的基础。考虑到高度建成区城市地形地貌特征,小寨区域DEM 网格采用正方形网格,网格尺寸为4 m×4 m,DEM 路网像元下凹0.05 m,建筑像元拔高20 m。研究区高程模型概化见图3。

图3 高程模型概化

2.2.3 管网系统概化

小寨区域管网系统概化见图4。

图4 管网系统概化

(1)灰色设施概化。根据管网拓扑结构、节点(窨井、雨水箅和出水口)与管线数据,概化节点3 214 个,排口15 个,管道3 250 条；模型中泵站资料包括流量及其启停规则,南二环＃1、＃2 泵站用于提排北片区管网雨洪进入大环河,设计流量13.45 m3/s；此外,概化管网蓄水池17 个,总调蓄容积21.5 万m3。

(2)绿色设施概化。小寨区域绿色低影响开发系统主要涉及建筑小区、市政道路与绿地广场内的雨水花园、下沉绿地、植草沟、透水铺装。不同低影响开发措施根据设计有效蓄水深度,通过初期雨水损失法来概化,小寨区域低影响开发措施的蓄水特性参数见表2。

表2 小寨区域低影响开发措施蓄水特性参数

(3)蓝色设施概化。为减缓大环河暗河承压排涝压力,下游兴庆湖利用雨前预泄库容,分流大环河雨洪进入兴庆湖。模型通过节点水位—容积关系曲线来表征兴庆湖调蓄过程,通过MIKE URBAN 实时控制模块(RTC),在大环河上游＃2 泵站出口处设置水位传感器,在大环河下游兴庆湖分洪口设置闸门启闭控制器,当＃2 泵站入大环河口出现高水位顶托时,则启动大环河分洪闸。

2.2.4 耦合与参数

耦合模型用于描述城市地面水流和管网水流通过节点时的水力交互,不同规格类型和堵塞情况下的过流参数根据夏军强等［16］试验研究成果确定。采用MIKE FLOOD 垂向连接方式,得到耦合管网模型和地表漫流模型的“绿-灰-蓝”雨洪系统综合模拟模型。

根据2019 年6 月27 日中雨(500 min 降雨量为24.9 mm)大环河太白南路段断面现场监测分析成果,对耦合模型中的水文衰减因子、管道糙率和节点最大流量等敏感性参数进行了率定,利用2019 年8 月26日大雨(1 000 min 降雨量达44.1 mm)西北水电小区管网在线监测数据,对率定结果进行了验证,见图5。对比降雨与流量过程线,流量峰值略滞后于降雨雨峰,这符合城市水文学基本规律,并且流量的模拟值与实测值具有较好的拟合效果,表明概化后的“绿-灰-蓝”雨洪系统综合模拟模型精度可靠。耦合模型水文衰减因子取0.90,管道糙率取0.014,节点最大流量取0.8 m3/s。

图5 耦合模型流量率定与验证过程

3 模型应用

3.1 设计降雨

综合考虑城市年径流总量控制率、管网排水能力和城市防涝能力解析要求,以短历时2 h 降雨模拟解析管网排水能力,以长历时24 h 降雨模拟评价年径流总量控制率和城市防涝能力。短历时降雨根据西安市暴雨强度公式,见式(1),采用芝加哥雨型法计算而得,雨峰系数取0.35；长历时降雨雨型采用西咸新区统计雨型,雨峰系数为0.13。小寨区域雨洪系统解析设计降雨工况见图6。

图6 西安市小寨区域设计降雨过程

式中:q为设计暴雨强度,L/(hm2·s)；t为设计降雨历时,min；T为重现期,a。

3.2 结果分析

3.2.1 径流控制解析

年径流总量控制率是指通过自然和人工强化的渗透、集蓄、利用、蒸腾等生态海绵建设方式,场地内累计全年得到控制的雨量占全年总降雨量的比例［17］。根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,西安市小寨区域80%年径流总量控制率对应的设计日降雨量为17.2 mm［18］。就海绵城市改造区纬一街南、北两个片区,以设计日降雨量为输入条件,对区域降雨—渗蓄—外排过程进行模拟分析(见表4)。根据水量平衡原理分析可知,区域基本可消纳17.2 mm 日降雨。

表4 17.2 mm 日降雨条件下小寨区域降雨—渗蓄—外排雨量

3.2.2 管网排水能力解析

以管道最大充满度P表征管网排水能力,若管道出现满管承压状态,即P＞1,则为排水瓶颈。2 a 一遇降雨条件下,小寨区域管道最大充满度P等级分布见图7(a),排水瓶颈管道总长145.02 km,占比54.23%,多分布于南三环及其以南、雁塔路以西等片区,其原因为该区域下垫面不透水率较高,且缺少足够的雨洪调蓄空间；随着降雨重现期增大至3 a,管道最大充满度等级分布［见图7(b)］发生变化,P≤0.75 的管道长度有所减少,P＞0.75 的管道有所增加,排水瓶颈管道总长181.91 km,占比68.02%。

图7 不同重现期降雨条件下小寨区域管网最大充满度分布

3.2.3 城市防涝能力解析

易涝点是内涝积水的敏感点,也是城市排水防涝工作的重点研究对象。不同重现期24 h 暴雨条件下,小寨区域的最大淹没水深(范围)见图8。结合模拟结果和现场调研,小寨区域海绵城市改造区基本无积水现象,其他区域共有3 处易涝点(水深大于0.15 cm),分别为大环河北岸(＃1)、南三环中段(＃2)、延展路(＃3),最大淹没面积分别为2.02、3.91、1.75 hm2,对比排水管网充满度分布图可知,易涝点附近管道均存在满管承压现象。

图8 小寨区域不同重现期暴雨最大淹没水深（范围）

基于二维地表淹没计算,选取各易涝路段特征点,解析其水深变化过程,如图9 所示。20 a 一遇暴雨条件下,＃1、＃2 和＃3 易涝点最大淹没水深分别为0.18、0.22、0.20 m；50 a 一遇暴雨条件下,＃1、＃2 和＃3 易涝点开始积水时刻分别提前8、3、2 min,最大淹没水深增幅分别为0.05、0.03、0.02 m,积水淹没时间明显延长,这与积水调研结果基本一致；同频率暴雨条件下,因局部积水原因的差异,易涝点出现积水的先后顺序依次为＃3、＃2 和＃1,＃1 易涝点受雨峰后期大环河高水位顶托导致路面积水,而＃2 和＃3 易涝点是雨峰来临时管网过流能力不足导致积水。

图9 小寨不同重现期暴雨易涝点积水过程

4 结论与展望

以西安市小寨区域为例,搭建耦合管网模型和地表漫流模型的“绿-灰-蓝”雨洪系统综合模拟模型,从径流控制、管网排水与城市防涝等方面解析城市雨洪管理现状。通过研究得到以下结论:

(1)结合中雨、大雨2 场实测雨水情资料验证,该模型基本能够反映小寨区域雨洪的蓄排过程,计算所采用的参数及模拟结果符合城市水文学基本规律,采用MIKE FLOOD 模型综合模拟城市“绿-灰-蓝”雨洪系统是可行的。

(2)小寨区域年径流总量控制率符合海绵城市建设要求,2 a 一遇和3 a 一遇降雨管网排水瓶颈长度分别为145.02 km 和181.91 km,20 a 一遇和50 a 一遇暴雨易涝点局部积水深大于0.15 m,并且易涝点与管网瓶颈段多分布于海绵城市改造空白区。

(3)小寨区域暴雨积水的主要原因:①城市内河大环河暴雨条件下高水位顶托,导致下游入河管段排水不畅；②部分老旧排水管道设计标准较低,难以应对大重现期暴雨；③下垫面不透水率高,城市雨洪调蓄空间有限,尤其是南三环以南、雁塔路以西片区。

绿色低影响开发措施、灰色排水防涝设施和蓝色雨洪调蓄空间是实现城市雨洪源头—转输—末端全过程管控的重要手段。城市开发、改造过程中,一方面应合理规划留白、留绿,以降低下垫面不透水率；另一方面,应充分利用城市内湖(库)调蓄功能和河—网联合调度实现雨洪错峰排放。基于城市雨洪综合模拟的径流控制、管网排水和城市防涝多维度解析,进行城市雨洪全过程管控研究具有十分重要的意义,可为排水防涝与生态海绵城市协同建设和科学评价提供决策依据。