固原海綿城市內澇削減效果數值模擬

2019-09-24 09:49:34黃綿松楊少雄齊文超侯精明張陽維

水資源保護 2019年5期

黃綿松，楊少雄，齊文超，侯精明，張陽維

(1.北京首創股份有限公司，北京 100028； 2.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048)

為了應對近年來日益嚴重的內澇問題[1-2]，我國在借鑒國外先進理念的基礎上[3-5]，積極開展海綿城市試點建設。由于海綿城市建設對城市內澇緩解效果無法預知，為了科學合理地進行規劃管理，需采用數值模擬的方法進行海綿城市建設效果評估[6]。國內外學者針對城市內澇數值模擬做了大量的研究，如Pedrozo-Acuna等[7]對墨西哥塔巴斯科州進行了城市洪澇的數值模擬；Mignot等[8]將城市計算區域的道路概化為二維路網，對道路上的洪澇過程進行了模擬；常曉棟等[9]基于SWMM模型對北京清河流域進行了城市內澇模擬，得出了合理的低影響開發(LID)組合措施可有效削弱研究區域內澇的結論；黃國如等[10]基于GIS和SWMM模型進行了內澇模擬分析，結果顯示隨著設計暴雨重現期增加，內澇積水水深和積水范圍不斷增大；陳莎等[11]基于SWMM模型對不同重現期下LID措施對城市雨水徑流和污染物的控制效果進行了模擬，得到了LID控制措施對城市雨水徑流量、污染物總負荷以及徑流峰值均有明顯削減作用，對徑流峰現時間有延遲作用的結論；麻蓉等[12]利用MIKE模型模擬了北京市某小區的內澇積水過程，得出了增加LID措施和加大下墊面下滲率可以減少積水的結論。利用現有模型進行內澇模擬及評價對于海綿城市建設具有重要的指導意義，但模擬精度與效率依然可以進一步提高。如引入二維水動力模型可以解決一維概化水文模型無法提供模擬區域任意點的水力要素值，在模擬結果分析時，需通過節點流量反算積水面積的問題[13-14]。與此同時，引入GPU加速技術可解決輸入高精度地形造成的計算量大、計算效率降低[15-16]，且易計算發散[17]的問題。

本文以寧夏固原海綿城市建設核心示范區為研究區，采用基于GPU加速技術的高效高精度的二維水動力城市雨洪模型[18]分析海綿城市建設對核心示范區的內澇緩解效果，以期為固原海綿城市建設提供參考。

1 研究區概況

固原市地處黃土高原中西部，寧夏回族自治區南部。固原海綿城市建設核心示范區包含西南新區及部分老城區，核心示范區面積約為23 km2，其位置如圖1所示。研究區位于黃土高原半干旱區，屬典型大陸性氣候，干旱少雨，蒸發強烈，水資源短缺，多年平均降水量466 mm，平均蒸發量1 471 mm，降水年內分配不均，降雨主要集中于7、8、9月，易形成洪澇災害。

圖1 研究區示意圖

2 數學模型及求解方法

模型控制方程為考慮水文過程的二維水動力淺水方程[19]，守恒格式可用以下矢量形式來表示：

(1)

式中：t為時間；h為水深；qx、qy分別為x、y方向上的單寬流量；u、v分別為x、y方為向上的流速；f、g分別為x、y方向上的通量矢量；S為源項矢量；i為降雨強度；zb為底面高程；Cf為謝才系數，Cf=gn2/h1/3，其中n為曼寧系數，g為重力加速度。

模型采用Godunov格式有限體積法離散二維淺水方程，采用二階MUSCL方法對變量值進行空間插值來提高計算精度。在控制單元內，界面上的物質與動量通量通過HLLC近似黎曼求解器求解[20]。通過二步龍格-庫塔方法來進行時間推進。模型應用水量平衡原理計算產流，當降水量滿足地表截流、填洼且大于下滲量時，地表開始積水并形成徑流。在計算產流量時，主要考慮下滲損失。將管網排水能力等效為下滲值代入模型計算，即按照實際管網排水設計標準，將管網最大排水能力作為等效下滲值代入模型。等效下滲的水量即為管網的外排水量[21-22]。

3 模型構建

3.1 模型設置

3.1.1 研究區地形數據

研究區地形高程呈現西高東低、南高北低的特點；模型采用分辨率為2 m高精度DEM(圖2)。

圖2 研究區地形

3.1.2 設計降雨數據

根據文獻[23]，本文設計降雨數據采用以下暴雨強度公式計算：

(2)

式中：qi為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；T為重現期，a；t為地面集水時間，min。采用芝加哥雨型生成器擬合得到不同降雨重現期2 h歷時的降雨過程曲線如圖3所示。

圖3 不同重現期設計降雨過程

3.1.3 研究區下墊面資料

研究區土地利用類型根據下滲率劃分為道路、草地、水系、林地、居住用地及辦公用地6類。將雨水花園、下沉式綠地和植草溝3種海綿措施均認為是草地。以海綿城市建設前后對應土地利用類型的不同來反映海綿措施對城市水文水動力過程的影響。根據固原市海綿城市專項規劃，得到現狀建設土地利用和海綿城市規劃土地利用如圖4、圖5所示。海綿城市建設前草地面積占比為2.63%，道路和裸地占比為18.5%，建設后兩者占比分別為7.44%和15.03%。

圖4 現狀建設土地利用

圖5 海綿城市規劃土地利用

不同土地利用類型的下墊面下滲率采用雙環下滲儀測量，摩阻曼寧值依據《固原市城市總體規劃(2011—2030年)》提供的資料及相關文獻[24]獲取，具體參數值如表1所示。此外，在海綿城市建成后，管網排水能力由0.8年一遇提升為2年一遇，等效下滲由15.65 mm/h提升為22.59 mm/h。

表1 下墊面下滲率及摩阻曼寧值

3.2 模型驗證

采用2017年7月27日降雨來驗證。本場降雨為單場次降雨，降水量為21.92 mm，降雨歷時為2 h，利用芝加哥雨型結合式(2)得到本次降雨的過程，輸入模型進行模擬，并與實際踏勘結果相對比，結果如圖6(圖中紅色圓圈表示內澇點位置，數字為內澇點編號)及表2所示。

圖6 模擬內澇點位置示意圖

內澇點位置模擬內澇點實地踏勘內澇點1.上海路-九龍路交叉口2.上海路-中山南路交叉口3.宋家巷4.南河灘市場5.義烏商貿城6.濱河小區7.六盤山東路

注：圖例同圖6。

由圖6與表2可看出模型模擬內澇點位置與實地踏勘結果基本一致，但是本場降雨缺乏實測積水深度和面積的量化資料，無法進行定量化驗證。但侯精明等[21]利用該二維水動力城市雨洪模型對灃西新城2016年8月25日實測降雨進行了模擬，結果顯示，模型對城市內澇的位置、積水深度和積水面積等的模擬結果與實際情況基本一致，表明本文所采用的二維水動力城市雨洪模型具有較好的實用性，適用于城市內澇的實際情況的模擬及計算。

4 模擬結果分析

采用所建模型，輸入實測降雨與下墊面資料，通過對比研究區在不同重現期設計降雨情境下，海綿城市建設前后的內澇積水狀況來研究固原海綿城市建設的內澇削減效果。模型計算選用開放邊界，四周無入流，計算過程庫朗數取0.5，模擬降雨開始至4 h的積水過程。輸入地形、土地利用及其對應的下滲率和摩阻曼寧值，對2年、30年和100年一遇重現期降雨條件下海綿城市建設對城市內澇的調控效果進行數值模擬。

4.1 研究區內澇積水深度

總模擬時長4 h，其中降雨時長為2 h，得到不同重現期降雨條件下研究區海綿城市建設前后積水深度(忽略0.03 m以下水深[25-26])的對比如圖7～9(圖中方框內為內澇點局部放大)所示。

對比圖7～9可看出，在不同重現期降雨條件下，研究區內澇均有改善，但隨著重現期的增大，改善效果逐漸降低。在2年一遇和30年一遇重現期的降雨條件下，海綿城市建設后相較于建設前，研究區域內9個重點內澇點得到明顯改善，在降雨重現期為100年一遇時，9個現狀重點內澇點尚存5個，但這5個內澇點積水面積和積水量均有所減小。

圖10為本文模擬得到的建業街與九龍路交叉口嚴重內澇點在不同重現期降雨條件下，海綿城市建設前后積澇情況的對比。在同一重現期下，海綿城市規劃工況相較于現狀建設工況，內澇點積水面積減少，積水深度降低，內澇改善效果顯著；在不同重現期降雨條件下，由于重現期的增大，LID措施含水量逐漸趨于飽和，海綿城市建設對城市內澇的削減程度逐漸降低，但仍可起到一定的改善效果。

4.2 內澇積水總面積及部分重點內澇點積水量

根據城市暴雨內澇風險等級，將研究區積水程度分為4級[27]：路面積水深度在3 cm以下為Ⅰ級(無內澇)，3～10 cm之間為Ⅱ級(輕度內澇)，10～25 cm之間為Ⅲ級(中度內澇)，超過25 cm為Ⅳ級(嚴重內澇)。Ⅲ、Ⅳ級內澇積水深度較大，嚴重影響城市居民生活。著重對Ⅲ、Ⅳ級內澇進行對比分析，圖11和圖12為不同重現期降雨條件下研究區內Ⅲ、Ⅳ級內澇積水總面積和嚴重內澇點的平均積水量模擬結果。

由圖11和圖12可知，在2年一遇降雨條件下，積水面積峰值由1.12 km2減少至0.42 km2，降低了62.50%，區域內嚴重內澇點平均積水量降低4 187 m3，峰值由10 365 m3降至4 194 m3，降低了59.54%。在30年一遇降雨條件下，積水面積峰值由3.42 km2減少至1.03 km2，降低了69.88%，區域內嚴重內澇點平均積水量降低10 242 m3，峰值由23 567 m3降至9 339 m3，降低了60.37%。在100年一遇降雨條件下，積水面積峰值由6.88 km2減少至1.23 km2，降低了81.12%，區域內嚴重內澇點平均積水量降低11 469 m3，峰值由29 560 m3降至12 519 m3，降低了57.64%。由于海綿城市建設使下墊面下滲率增大，更多的地表徑流更快地滲入地下，使地表積水水深降低，積水量減少，積水面積縮小。