基于HY-SWMM的居住小区暴雨内涝模拟及小区防洪涝研究

李昱泽,王恩东,陈 红

(1.郑州大学建筑学院 河南 郑州 450001; 2.纽约州立大学 纽约州 雪城 13210)

2020年7月河南省郑州市因受台风“烟花”“查帕卡”影响,在7月18日至22日遭遇百年一遇的特大暴雨。主城区20日16至17时的降雨量高达201.9 mm[1],城区内积涝水量约3.51×108m3,平均积水深度约0.34 m,大部分城区道路处于淹没状态,同时因为短时的强降雨顺地势汇流形成高流速的城市内涝洪水灾害,大范围的洪水淹没使各类交通工具通行困难,郑州市内主城区超过半数(2067个)地下空间与公共设施淹没程度严重[2],并造成多数淹没区域断水断电树木倒塌,城市各方面均受到严重破坏。

7·20特大暴雨的雨量和雨强远远超出了城市承载洪涝灾害的能力,极端灾害的频发使人们更加意识到提升城市承载与应对灾害能力的紧迫,也看到了城市化进程中遇到的问题。大量学者通过分析暴雨的雨型成因、城市水网的承载能力以及城市规划方面的问题来研究暴雨洪涝灾害对于城市的影响与优化策略。作为城市构成的基础单元,居住小区的防灾研究对于城市防灾能力的提高有着深远的意义。本文通过对郑州市盛和苑小区的暴雨洪涝模拟来探究如何提升居住小区防暴雨洪涝能力。

1 HY-SWMM模型建立

鸿业海绵城市设计软件HY-SWMM(又称鸿业暴雨排水和低影响开发模拟系统)是我国研发的有关暴雨内涝模拟的软件;HY-SWMM是通过Auto CAD平台操作,集设计、分析、模拟与一身的水文动力学城市雨洪模型[3],其功能主要包括暴雨模型建立、导入识别CAD管网、管网的平面竖向设计、雨水管网的容积法和模型法计算、暴雨模拟结果展示、自动绘制相关数据表格等。HY-SWMM模型多应用于分析城市排水且可视化效果更佳,本文使用HY-SWMM软件来模拟居住小区在降雨事件下的内涝淹没过程,并分析其内涝原因。

1.1 研究对象

研究选取河南省郑州市盛和苑小区(见图1)作为研究对象,盛和苑是位于郑州市高新区翠竹街,小区现有占地面积约为39.67 hm2,绿地率约为35%,小区内住宅均为小高层,还有少量的多层公共建筑,房屋共计2470户,小区内部以地面停车为主,内部空间主要包含集中绿地、景观水体、硬质铺装广场以及道路等。

图1 盛和苑总平面图(作者自绘)

郑州气候属大陆性季风气候,降雨常集中在每年6月至9月,降雨特征明显且短时暴雨频发。深入了解小区的洪涝防治策略后,通过模拟暴雨洪涝灾害时盛和苑的内涝情况来研究分析内涝形成的原因,对提高郑州市防灾减灾能力有着重要的意义。

1.2 现状模型构建

为保证模拟结果更加符合实际情况,需根据CAD施工图纸结合小区现状创建HY-SWMM现状模型。主要包含3部分:(1)创建小区现状地形:利用盛和苑总图竖向设计的高程控制点与插入位置生成现有的高程地形,并且将道路现状置入高程模型,形成平面高程嵌入路网的“沟壑”状地形现状模型。(2)绘制雨水管网:通过盛和苑居住小区CAD外网图纸,绘制其现状管网,由于管道的材料、管径以及敷设的坡度会影响雨水排放的效率,需要在绘制后设置管道首尾端的高程、管径以及管材信息,并布置相应的雨水井及相连接的雨水口。(3)连接参数块:通过不同的用地性质来设置相应的参数块,其中盛和苑小区中下垫面:绿地、建筑屋顶、道路与广场,选取对应的径流系数为0.3、0.9、0.9,再按照雨水汇流的实际情况,将参数块(上流)与参数块(下游)、参数块与雨水节点相接,进而将小区内部划分为多个子汇水区,得到符合现状的HY-SWMM模型[3,4]。

1.3 雨量数据的选取

HY-SWMM中需要绘制雨量计来模拟降雨事件,通常雨量计是通过选取所在地的暴雨强度公式生成短时的降雨雨量数据进行模拟计算,模型中选取郑州市的暴雨强度公式生成重现期分别为五年一遇,十年一遇与五十年一遇的3小时内每5 min的短历时雨量数据,模拟选用芝加哥雨型,雨峰系数为0.4,郑州市城市暴雨强度公式为

公式中设计暴雨强度i对应的暴雨强度单位为mm/min;p为重现期,单位为年;t为降雨历时,单位为min;参数A、B、C、D分别取18.438、15.1、0.892、0.842;当p值选取5、20、50、100时,3 h生成的雨量分别为69.865 mm、92.926 mm、108.252 mm、119.807 mm,对比“720特大暴雨”的雨量数据7月20日仅1 h的雨量高达201.9 mm,峰值和总量差距过大,故模拟时使用5日内逐小时的降雨雨量实测数据来绘制雨量计,此处输入郑州市某气象站2022年7月18日至7月22日实测雨量数据作为暴雨洪涝重现期的雨量数据进行模拟,雨量数据图如图2。

图2 2021年郑州7.18—7.22雨量-时间曲线图(HY-SWMM软件生成)

1.4 模拟计算

HY-SWMM中雨水计算主要通过“降雨-径流”过程下的3部分组成:(1)初期损失,主要指降雨初期由截流开始没有参与形成径流的雨量部分,当雨量较小或透水表面比例较高时,初期损失较大,高强度降雨时,初期损失较小。(2)径流体积模型,是用来描述当降雨量大于初期损失,且雨强大于渗透速率时地表积水产生径流的过程。(3)SWMM模型,定义汇水区与各类地表的粗糙系数,利用非线性水库和运动波方程来计算坡面流,对各个汇水区表面进行汇流计算。

进行模拟前,需要确定汇水区渗入模型为Horton模型,设置其最大入渗率为76.2 mm·h-1,最小渗入率3.81 mm·h-1,透水和不透水地表糙率分别为0.06和0.01,透水与不透水洼蓄量分别为 3.5 mm、1.27 mm,管网产流计算方式选择为地表渗透-蓄水折扣法,演算模型形式为动态波,使用阻尼作为惯性处理方式,并定义模拟计算的开始与结束时间,先进行下垫面的推算,然后选择模拟重现期的雨量后执行模拟,模拟内容主要是在降雨径流下的流量演算;在模拟执行后选择内涝模拟,以得到居住小区在降雨事件下的内涝分析。

2 基于HY-SWMM模型的暴雨模拟结果

2.1 模拟结果

对于盛和苑小区进行“7·20雨量”下的暴雨模拟,模拟在经历短时罕见特大暴雨中居住小区时空下的内涝情况,在模拟过程中盛和苑小区这5天的降雨、下渗、径流情况,可以得到以下几种内涝分析结果:(1)区域的内涝模拟,是动态的可视化结果,可以通过视频看到积水区域淹没程度随时空的变化。(2)深度分析标注,内涝分析下可以看到盛和苑小区内部的淹没区域以及深度标注。(3)积水点的水深曲线和水量曲线,在图纸上可以看到积水点的标注与数据,对于内部治理有着更直观的数据图像体现。(4)洪流节点与管道充满度标注,可以显示各个雨水节点的洪流量,反应管段的洪流峰值情况(见图3)。(5)通过对定义建筑进行三维查看,可以看到三维空间里的内涝过程变化,可以直观地多角度展现实况场景。

图3 盛和苑小区洪流节点标注(结合软件生成作者自绘)

2.2 暴雨重现下居住小区内涝的时空变化

通过居住小区模型模拟的平面内涝结果变化与软件三维空间模拟结合,可以观察到小区内部的内涝时空变化,从降雨事件发生开始,雨水会在小区内部先由径流进入雨水管道进行排放,无法径流的局部区域与径流后雨水排出量小于降雨量时就会形成积水点,随着时间推移降雨量增加,在积水点水面会扩散形成积水面积,在短时的强降雨作用下,地表径流与雨水管网排水量总和小于降雨量的时候积水水面会扩大,水量深度会纵向增加形成深度的内涝;在雨量达到峰值后,积水量继续增加直至淹没的最大范围(见图4),当雨量小于排出量时,积水量会逐渐减少;积水点的深度和水量从开始到结束对比仅径流的区域来说水量较多。局部无法进行径流与管网排水的区域在降雨结束后依旧会有少量积水,需要依靠蒸发或人工处理来去除积水[5]。

图4 盛和苑小区淹没范围图示(根据模拟结果作者自绘)

2.3 盛和苑小区内涝模拟情况

降雨事件下模拟得到管道充满度,在标注下盛和苑小区在“7·20暴雨”中几乎所有管道充满度为1,仅图3的虚线框选管道为0.8～1之间;由积水深度统计表(见表1)来看0.45%的区域淹没深度超过了0.2 m,其中有425.91 m2超过了0.4 m,10.86 m2超过了0.6 m,这些区域危险程度较高;由图3和表1观察节点洪流量标注可以得到盛和苑小区内部明园区域与祥园的12、14号楼的雨水节点洪流量较大,且所受洪流量影响的范围较大,其他仅西一门道路洪流量较大,可以看出受降雨影响明园全区域、祥园12、14号楼和西一门道路的内涝风险较高;以明园中积水点为关键积水标注,内涝分析其最大积水量142.26 m3,最大积水水深为0.71 m,积水点相邻的管道管径不同,通过分析其管道流量、储水以及充满度曲线分析可以看出随时间变化,管道内部的雨量变化与使用效率。

表1 积水深度统计表(软件统计)

3 居住小区暴雨内涝的防治策略

通过分析与模拟发现,小区产生内涝的主要原因有以下几种:气候变化下短时强降雨事件发生频率变高;城市化进程中地表硬化,自然地貌的减少造成雨水下渗量减少,城市中建筑组团的地势更利于积水的产生;管网系统布置不均衡分流不合理,对于场地来说排放雨水效率不高会导致雨水积滞;内部的高程设计使得进入城市的雨水径流排放路径过长,局部地势较低的部分更易产生内涝;传统下垫面的渗水能力不足[6]。结合以上城市居住小区内涝成因,提出以下内涝防治策略。

3.1 低影响开发策略(LID)

针对城市化进程对于地表地貌的改变,低影响开发策略是通过对雨水径流的控制来达到雨水控制的目的,主要通过控制源头、控制传输、控制末端这3大类来设置相关的低影响开发(LID)设施。源头类控制主要指的是通过绿色屋顶、植被缓冲带等来削弱峰值流量,使得达到管网系统的雨量峰值延后,达到减缓雨峰控制流量的作用;传输类控制主要指利用透水铺装、植草沟与更改其他下垫面渗透率等来传输和增加下渗的雨量;末端控制类主要是依靠设置雨水花园、下沉式绿地、调节池等集蓄雨水进行再利用缓解进入城市雨水管网的雨量压力。

低影响开发策略将雨量进行分散实现对径流雨量的有效控制,从而削弱雨量峰值和管网压力。并且在海绵城市视角下,低影响开发策略可以很大程度地降低城市化建设对生态和地貌的影响。同一HY-SWMM模型在同一暴雨重现期下,设置有低影响开发设施后雨水径流峰值变小,雨水管网内峰值变小,外排量减少,对居住小区内涝有着明显的调蓄作用[7]。

根据城市居住小区现状选择合适的低影响开发策略进行雨水设计优化:盛和苑小区中心的集中绿地和水体可以考虑作为调蓄的雨水花园设置溢流管道进行雨水排放设计;小区内大量的地面停车场可以设置为透水铺装;道路两侧绿化带内可设置植草沟来减缓雨水的流速;下凹式绿地通过自身下凹的空间储蓄和消渗雨水,相比传统绿地可以承接更多的雨水,同时溢流口的设置可以保证在一定雨量强度下的溢流排放;作为上流参数块,绿色屋顶的设置使得雨水在径流屋顶时可以通过植被土壤储蓄作用减少进入雨水管和地表的雨量[8]。

3.2 雨水管网的设计优化

雨水管网系统作为居住小区主要的排水方式,雨水口布置缺失的位置排水速度明显较慢且易产生积水,雨水口的数量、布置方式,排水的管径、敷设坡度和排放口决定了雨水管道系统的排放效率。现有居住小区环境中完善管网的布置,增设雨水口可以加快局部的排放雨水速度。例如,盛和苑小区内部管网主管与次级管道按管径大小与雨水检查井(节点)相连接,节点333个,有两个雨水排放口与城市管网相接;优化主管网和次级管网与雨水检查井的合理相接,利用管道的高程设计减少互扰;分析管道的雨水处理流向,结合排放口合理分流,提高排放效率,盛和苑小区雨水管网与城市中两个雨水排放口相接,但如图5所示,排放口1的汇流排放的管道数量要远远多于排放口2所接受排放的管网数量,因此需要优化管网的组织结构,将雨水排放的压力尽量均匀地分散到两个排水口,以提高雨水排放的效率和整体承受峰值的能力[9];另外,应该补充增设雨水管网中未有的系统,根据施工图纸,盛和苑小区主要靠管道内的高差来排放雨水,应增设相应的蓄水池和排水泵等,以增加管网系统所能承受的雨量峰值,提升雨水管网的承灾能力[10]。

图5 盛和苑雨水管网分支示意(作者自绘)

3.3 居住小区的高程设计优化

居住小区的高程设计应结合自然地形与城市大排水系统构建行泄通道;建设居住小区的地面,除低洼绿地和调蓄区外,应高于周边道路低点至少0.2 m[11]。居住小区的高程设计控制了主要的地表径流方向,作为未进入管道系统雨水的主要排放方式,尽快排放进入城市雨水系统中可以有效减轻雨水管网的排放压力。盛和苑小区的地形较为平整,地势高度由南向北逐渐降低,四面接入城市,由暴雨模型模拟来看,应当利用高程设计优化增加排入城市的径流量,在防止城市雨水灌入的情况下,应多利用城市与居住小区接入的界面,产生更加直接的径流关系[12]。相对于人行道路需要升高以保证避险线路的安全,集中绿地则可选择降低部分高程作为引导径流调蓄雨水的作用,利用高程设计对现有小区的低点进行优化。

4 讨论与结语

郑州市“7·20暴雨”作为突发罕见的特大暴雨,对于原有的防洪涝体系是一种提醒,不应该因为没有发生就不去防范,要对突发的高强度灾害做到心中有数及时应对。本文通过HY-SWMM模拟建成的小高层居住小区在2021年7月20日的暴雨雨量重现下的小区内涝分析,得到了暴雨时间下的淹没区域演变变化。通过模拟可观察到居住小区的各个要素与雨量的关系,从而得到了居住小区内涝防治策略,也提升了城市防灾的韧性能力。