小寨區(qū)域海綿城市數(shù)值模擬研究

程 龍,王 盼,詹 存

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 研究背景

1.1 問題提出

近些年，隨著極端天氣不斷出現(xiàn)，短歷時(shí)、強(qiáng)暴雨出現(xiàn)頻次逐漸增多，加之中國各地雨水管渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，導(dǎo)致內(nèi)澇現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，內(nèi)澇造成的危害已成為影響城市健康發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的突出問題[1]。2007年7月18日，山東濟(jì)南突降大暴雨，3 h最大降雨量達(dá)到180 mm，至少34人喪生，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)12億元[2]。2008年6月13日，深圳市遭遇百年一遇大暴雨，造成5人死亡，2人失蹤，近萬家企業(yè)被迫臨時(shí)停業(yè)[3]。特別是，2016年7月24日晚，西安城區(qū)遭遇極端暴雨，最大1 h降雨量高達(dá)66.5 mm，24 h累計(jì)暴雨量達(dá)123 mm，超過50年一遇。暴雨造成小寨十字及周邊多個(gè)街區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，地鐵2號(hào)線雨水倒灌，整個(gè)區(qū)域交通一度陷入癱瘓，造成了較大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。為了減少內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的頻率，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要對(duì)內(nèi)澇產(chǎn)生的根源進(jìn)行分析研究[4]。

1.2 問題識(shí)別

小寨區(qū)域近些年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為西安發(fā)展次中心，經(jīng)濟(jì)地位及示范效應(yīng)日漸突出。但小寨區(qū)域東南高、西北低，若遇暴雨，洪水從曲江塬數(shù)條溝壑向西北傾瀉。基于Arcgis技術(shù)及地形資料分析，小寨區(qū)域地形與西安地勢(shì)變化一致，整體坡度較小，高程變化不大，存在部分低洼點(diǎn)。特別是小寨十字，四周高，中間地，成碗底狀，形成一片洼地，先天不足，一旦發(fā)生暴雨，極易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，自1950年起，雖也修筑了部分防洪排澇工程，但遭遇較大暴雨時(shí)，內(nèi)澇仍然頻發(fā)。

小寨區(qū)域內(nèi)澇問題頻發(fā)主要因區(qū)域排水系統(tǒng)的不健全，小寨區(qū)域地處皂河排水系統(tǒng)與大環(huán)河排水系統(tǒng)。皂河是渭河的一級(jí)支流，發(fā)源于西安市長安區(qū)水寨村，貫穿西安市西南郊文化區(qū)和西郊工業(yè)區(qū)，沿途流經(jīng)西安市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和六村堡工業(yè)區(qū)后，在西安市草灘農(nóng)場匯入渭河，現(xiàn)狀主要排放雨水、生活污水及工業(yè)廢水。西安市城市范圍內(nèi)三橋鎮(zhèn)西蘭公路橋以上有16條管渠匯入皂河。整治后的皂河排洪標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期3～5 a，設(shè)計(jì)流量為35～172.4 m3/s。

大環(huán)河是1956年修筑的南郊和西郊地域一條主要泄洪渠和防洪渠，為皂河的上游分支，全長14.36 km，位于南二環(huán)路綠化帶下。1995年南二環(huán)沿線大環(huán)河改造為暗涵，2003年西二環(huán)段改造為暗涵，同時(shí)改造了昆明路段大環(huán)河。現(xiàn)狀大環(huán)河太乙路至昆明路段為矩形暗涵，昆明路段為復(fù)式斷面明渠，最終排入皂河，主要收集南二環(huán)以南、緯一街以北、雁翔路以西范圍內(nèi)雨水，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在3～5 a之間。

2016年“7.24”暴雨時(shí)，因暴雨超過大環(huán)河、皂河的排水能力，又缺乏有效調(diào)蓄水池，造成大環(huán)河超負(fù)荷排洪，“頂托”沿途雨水干管行洪，導(dǎo)致小寨區(qū)域嚴(yán)重內(nèi)澇。但是目前該類分析多停留于定性分析，還未進(jìn)行過量化研究，解決問題雖有措施方向，但很難得到較為客觀、合理的工程措施規(guī)模，為此對(duì)小寨區(qū)域利用數(shù)值模擬技術(shù)研究顯得尤為必要。

在城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)模擬，可以系統(tǒng)地評(píng)估規(guī)劃方案對(duì)城市水環(huán)境的影響，從而為規(guī)劃方案的調(diào)整和優(yōu)化提供理論性的指導(dǎo)，這一實(shí)踐在國際上已經(jīng)成為排水系統(tǒng)規(guī)劃的重要內(nèi)容[5-9]。本文以小寨區(qū)域排水系統(tǒng)規(guī)劃為例，研究了數(shù)值模擬在小寨區(qū)域海綿城市數(shù)值模擬的應(yīng)用情況。

2 研究方法

為科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制情況、雨水管渠能力及內(nèi)澇情況，本次采用水力模型進(jìn)行分析研究，采用SWMM、Mike Urban、Mike21軟件進(jìn)行現(xiàn)狀模型搭建，分別分析評(píng)價(jià)計(jì)算現(xiàn)狀年徑流控制率、雨水管渠能力及內(nèi)澇點(diǎn)分布情況等。

2.1 降雨分析

設(shè)計(jì)暴雨雨型是設(shè)計(jì)暴雨的降雨強(qiáng)度過程。各次降水過程是不同的，設(shè)計(jì)總雨量確定之后，根據(jù)不同的雨型可計(jì)算出完全不同的洪峰流量和洪水過程線。

20世紀(jì)80年代初期,國外的研究者就已經(jīng)在城市排水系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究和開發(fā)，并出現(xiàn)了大量的統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)理模型及管理和規(guī)劃模型。Keifer和Chu為了在芝加哥進(jìn)行雨水管道系統(tǒng)研究，提出了一種合成雨量過程線，他們推薦用與均勻降雨相同平均強(qiáng)度的暴雨生成雨量過程線，并且在所選擇的時(shí)間內(nèi)造峰。雨量過程線的形狀對(duì)任何暴雨歷時(shí)的降雨均適用，只是平均強(qiáng)度不同，即芝加哥暴雨過程線[10]。岑國平等[11]研究表明，芝加哥雨型對(duì)中國城市暴雨特征的模擬效果較好，一般能滿足精度要求，且比較容易確定雨強(qiáng)過程，建議采用此雨型作為設(shè)計(jì)雨型。鑒于此過程線方法國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，有一定的代表性和實(shí)際利用價(jià)值，此次采用芝加哥暴雨過程線法作為降雨雨型。芝加哥暴雨過程線法具體理論如下：

根據(jù)歷時(shí)與平均暴雨強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

(1)

式中：i為歷時(shí)td的平均暴雨強(qiáng)度,mm/min；a、b、c為常數(shù)。

則t時(shí)刻的瞬時(shí)降雨強(qiáng)度為：

(2)

如降雨開始后其歷時(shí)的某一比例r處形成雨峰，當(dāng)降雨歷時(shí)為：

t=tb+ta

(3)

式中：t為降雨總歷時(shí)，min；ta為峰后時(shí)間，min；tb為峰前時(shí)間，min。

分別得到峰前峰后雨強(qiáng)公式：

峰前：

(4)

峰后：

(5)

式中：a、b為常數(shù)；ia為峰后某時(shí)刻暴雨強(qiáng)度；ib為峰前某時(shí)刻暴雨強(qiáng)度；ta為峰后時(shí)間；tb為峰前時(shí)間。

(1) 短歷時(shí)暴雨

針對(duì)雨水管渠能力計(jì)算，采用短歷時(shí)暴雨雨型。西安市氣象局以最大值法選樣，先進(jìn)行曲線擬合，得到i-t-p三聯(lián)表，再求解參數(shù)，推導(dǎo)公式得到暴雨強(qiáng)度公式和圖表(見表1)。

(6)

或

(7)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm-2);t為降雨歷時(shí),min;P為暴雨重現(xiàn)期,a;A、b、n分別為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算確定。

表1 西安暴雨強(qiáng)度分公式參數(shù)一覽表

(2) 長歷時(shí)暴雨

對(duì)于內(nèi)澇防治期，出于安全角度考慮，需考慮前期土壤含水量飽和狀態(tài)，故本次方案雨型采用24 h雨型(長包短)，作為內(nèi)澇防治重現(xiàn)期暴雨輸入條件，見圖1。

圖1 各頻率設(shè)計(jì)暴雨雨型圖

2.2 管流模擬

SWMM模型是美國環(huán)境保護(hù)署為解決日益嚴(yán)重的城市排水問題所推出的暴雨徑流管理模型，此模型可以對(duì)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行長期或者短期的模擬分析，目前在世界各國被廣泛用于城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬分析[12-15]。

SWMM對(duì)雨水管道、污水管道、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進(jìn)行水量水質(zhì)的模擬，考慮了地面徑流、污水入流、排水管網(wǎng)輸送、貯水處理等因素的影響，如圖2所示。

本次選用DHI(Denish Hydraulic Institute)公司的MIKE系列模型中MIKE URBAN軟件[16]，Mike Urban是基于地理信息系統(tǒng)的用于模擬城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的建模軟件，整個(gè)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬能夠劃分為2個(gè)步驟：降雨徑流模塊和管網(wǎng)水力模塊。其中，降雨徑流模塊的輸出結(jié)果是后者的上游邊界條件。Mike Urban CS是應(yīng)用隱式有限差分法來求解一維的水流問題。

圖2 SWMM模型原理示意圖

本次根據(jù)小寨區(qū)域所在排水分區(qū)，考慮地勢(shì)、集水分區(qū)等因素，基于收集的管網(wǎng)、地形資料，對(duì)整個(gè)研究范圍搭建SWMM管網(wǎng)模型及二維地理模型。根據(jù)模擬區(qū)域重要性，對(duì)小寨區(qū)域A、B、C、D進(jìn)行管網(wǎng)搭建，其他區(qū)域進(jìn)行管網(wǎng)概化，共構(gòu)建163個(gè)子流域，152個(gè)管道。二維地形模型68.79 km2。

2.3 耦合模擬

內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要對(duì)研究區(qū)域50年一遇重現(xiàn)期降雨可能造成的積水深度進(jìn)行分析模擬計(jì)算。模型中綜合考慮研究區(qū)雨水管網(wǎng)、道路、內(nèi)河水系等多種排水通道，通過一維、二維耦合模擬計(jì)算，模擬出暴雨造成的城區(qū)內(nèi)澇淹沒情況和管網(wǎng)水系的排水情況。

(1) 模型原理

1) 坡面匯流模型原理

該模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二維非恒定流方程組作為控制方程，包括水流連續(xù)性方程、水流沿x方向及y方向的動(dòng)量方程。

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，具體形式如下：

(8)

(9)

(10)

2) 一、二維耦合原理

一、二維模型耦合的原理是在兩者的連接處補(bǔ)充物理量之間的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)兩者的耦合，其中管道模型與坡面匯流模型之間的連接條件為：

流量連接條件：

式中：Q管2為管道模型在連接斷面上的流量,m3/s；U為匯流模型在連接斷面法向流速,m/s；h為匯流模型在連接斷面處的水深,m；ξ為管道模型與匯流模型連接斷面坐標(biāo)。

在一二維耦合連接中，管網(wǎng)與二維地面連接，如圖3所示。

(2) 模型構(gòu)建

由于本次研究范圍較大，需要較多的網(wǎng)格，而且是在市區(qū)內(nèi)，需要網(wǎng)格比較細(xì)致，能較好地反映出城市的道路和建筑外形。本次計(jì)算剖分網(wǎng)格選擇了四邊形網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格248 865個(gè)，每個(gè)網(wǎng)格約為225 m2。

圖3 城市管網(wǎng)與二維地面耦合連接示意圖

圖4 小寨片區(qū)雨水干管系統(tǒng)排水能力圖

(3) 模型耦合計(jì)算

對(duì)已構(gòu)建的坡面匯流模型、管道模型進(jìn)行耦合，管道與坡面模型均為節(jié)點(diǎn)連接。

《雙城記》的故事源頭可以追溯到多年前侯爵兄弟所犯下的那場罪惡，如果按時(shí)間順序，那可算是故事的第一幕，而德伐日太太就是在第一幕中被時(shí)時(shí)提及卻并未正式出場的小妹妹。因?yàn)楹罹粜值芏说臍埧幔├灼潖男∈チ烁改福髞砑藿o歐內(nèi)斯特·德伐日，成為了德伐日太太。在第一部第五章《酒店中》，德伐日太太正式出場：

3 研究結(jié)果

3.1 現(xiàn)狀徑流控制率

本次利用平水年(p=50%)日降雨數(shù)據(jù)評(píng)估小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制率，平水年小寨區(qū)域產(chǎn)水量1 130萬m3，系統(tǒng)外排水量706萬m3，計(jì)算小寨區(qū)域現(xiàn)狀年徑流控制率較小，約為37.5%(1-706/1 130)，相當(dāng)于設(shè)計(jì)降雨量4.5 mm，這與小寨區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)及用地開發(fā)程度基本吻合，需要改造空間較大。

3.2 管網(wǎng)排水能力分析

本次設(shè)計(jì)分別對(duì)小寨區(qū)域現(xiàn)狀雨水管道排水能力進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估成果見圖4，以大環(huán)河干管系統(tǒng)、緯一街干管系統(tǒng)、丈八東路干管系統(tǒng)為例。

(1) 大環(huán)河干管系統(tǒng)

大環(huán)河干管系統(tǒng)包括長安路、翠華路、雁塔路、慈恩路、朱雀大街、含光路、永松路、太白路等路段的雨水的排水干管，由南向北接至大環(huán)河，現(xiàn)狀干管總長度約19.33 km。

在重力流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為5≤p的管道約占總長度的6%，滿足降雨重現(xiàn)期為3≤p<5的管道約占總長度的15%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<3的管道約占總長度的52%，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占總長度的27%。

(2) 緯一街干管系統(tǒng)

緯一街干管系統(tǒng)內(nèi)干管總長度約17.38 km，在滿流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為5≤p的管道約占3%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<5的管道約占20%，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占87%。

(3) 丈八東路干管系統(tǒng)

丈八東路干管系統(tǒng)雨水通過皂河排水分區(qū)的丈八東路主干管系統(tǒng)及南三環(huán)輔道干管系統(tǒng)將區(qū)域內(nèi)的雨水排至皂河。其中丈八東路排水系統(tǒng)匯水面積為559.73 hm2，干管總長度為10.2 km。在滿流狀態(tài)下，滿足降雨重現(xiàn)期為1≤p<1.5的管道約占75%，滿足降雨重現(xiàn)期為1.5≤p<2的管道約占7%，滿足降雨重現(xiàn)期為2≤p<3的管道約占7%，滿足降雨重現(xiàn)期為3≤p<5的管道約占11%。

3.3 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析

基于現(xiàn)狀管網(wǎng)及地形，本次模擬了重現(xiàn)期50年一遇設(shè)計(jì)暴雨，小寨區(qū)域內(nèi)澇積水點(diǎn)較多，小寨十字內(nèi)澇積水最為嚴(yán)重，永松路、含光路、朱雀大街均有積水，區(qū)域性內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 結(jié) 論

通過本次模擬分析，我們可以看出小寨區(qū)域存在以下問題：

(1) 小寨區(qū)域由于城市化，高樓林立，居民樓、商業(yè)建筑遍布全區(qū)。開發(fā)密度高，建筑密度大，綠地、公園較少，建筑、路面不透水面積比例大，硬化率高。老舊小區(qū)內(nèi)綠地率低，道路兩側(cè)有部分綠化帶，但面積較小，人行道一般為不透水鋪裝。總體來看，小寨區(qū)域年徑流總量控制率較小，約為38%。

(2) 小寨區(qū)域，現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力集中在1～2 a，整體標(biāo)準(zhǔn)較低,難以滿足水安全需要。

(3) 小寨區(qū)域內(nèi)澇問題在于面對(duì)極端暴雨情形下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)處理能力有限，而大幅度提升老城區(qū)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，改造難度大、投入資金高，故解決小寨區(qū)域內(nèi)澇問題，需要改變以往以排為主的觀念，統(tǒng)籌考慮綜合運(yùn)用蓄排措施，“排”掉雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)水，“蓄”住超標(biāo)雨水，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域削峰作用，最大程度降低內(nèi)澇災(zāi)害。

(4) 通過模擬分析，小寨區(qū)域在遭遇50年一遇暴雨時(shí)，管網(wǎng)排水量有限，需要有效調(diào)蓄空間30.7萬m3，以滿足區(qū)域治澇需求,見圖5。

圖5 小寨區(qū)域50年一遇水量平衡圖

5 展 望

(1) 小寨區(qū)域自身城市化程度較高，地面硬化率高、管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)低，加之近些年極端暴雨天氣影響與小寨自身地形先天不足，極易發(fā)生內(nèi)澇。為防治內(nèi)澇，需要采用海綿城市理念，因地制宜選擇“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種措施，增加區(qū)域有效調(diào)蓄空間，將城市防汛排澇與海綿城市建設(shè)深度融合，綜合解決小寨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)問題，為打造綠色生態(tài)的公共活動(dòng)空間、小寨區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2) 中國北方城市，暴雨突顯歷時(shí)短、強(qiáng)度大特點(diǎn)，若單純依靠提高雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)解決內(nèi)澇問題，一方面提升空間有限，另一方面往往改造成本巨大。為此，需要綜合考慮蓄排措施，蓄排結(jié)合，提升區(qū)域蓄滯能力，“排”掉標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)雨水，“蓄”住超標(biāo)雨水，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域削峰作用，綜合發(fā)力，全面解決。