基于雨水模型模擬的海綿城市建設效果分析

□文/李 鵬

自2015年國家公布首批16個海綿城市試點以來，國內多個城市廣泛開展了海綿城市建設，探索適宜的建設模式和方法，取得了較多經驗。隨著各地海綿城市建設的推進，實施效果被更多地關注；科學合理地根據海綿城市建設方案模擬分析實施效果是一個重要環節。傳統的計算分析手段難以滿足大面積系統分析的需求，雨水模型模擬分析被廣泛應用于海綿城市的規劃設計和建設實施當中。本文以我國西南地區某市主城區為例，介紹了雨水模型建立的過程和分析方法并進行了海綿城市建成前后的效果對比。

1 區域模型參數

1.1 模型與模擬原理

采用InfoWorks ICM（城市綜合流域排水模型）建模，包含排水管網系統水力模型、河道系統水力模型和二維城市/流域洪澇淹沒模型；可完整地模擬城市雨水循環過程，實現城市排水管網系統模型與河道模型的整合，真實模擬地下排水管網系統與地表收納水體之間的相互作用。主要模塊包括：排水管網水力模型（水文模塊、管道水力模塊、污水量計算模塊）、河道水力模型、二維城市/流域洪澇淹沒模型、實時控制模塊、水質模塊和可持續構筑物（SUDS）模塊。本次模擬運用的主要計算模塊：降雨-徑流模塊、管流模塊、二維洪澇淹沒模塊。

1.2 區域模型

對某市主城區進行了雨水管網系統水力模型建立，主城區面積128.6 km2。對不同設計降雨重現期的雨水管網情況進行模擬，根據規劃雨水管網的CAD模型進行了建模，鑒于主城區模擬區域較大，考慮到工作量及精度要求，管網模型采用雨水管網主干管及干管，對于部分支管未進行建模，可以滿足雨水管網模擬及海綿城市實施效果模擬的目的。見圖1。

圖1 雨水管網模型及區域徑流系數分布

模型的管徑、坡度及埋深根據主城區排水專項規劃的設計參數進行了設定，設計降雨重現期為3 a 一遇；徑流系數分布通過地面用地性質計算確定；地形地貌采用規劃路網進行導入分析。

1.3 徑流總量控制率

我國大陸地區大致分為五個區，各區年徑流總量控制率α；I區（85%≤α≤90%）、II區（80%≤α≤85%）、III區（75%≤α≤85%）、IV 區（70%≤α≤85%）、V 區（60%≤α≤85%）[1]。該市屬于Ⅴ區，綜合考慮自然環境和城市定位、規劃理念、經濟發展等多方面條件及年徑流總量控制率現狀和綜合徑流系數現狀與目標可達性，取年徑流總量控制率為70%，根據當地降雨情況統計計算得出對應設計降雨量為37 mm。

2 過載管道和溢流節點模擬

首先模擬在不同設計降雨重現期下主城區雨水管網的過載管道和溢流節點情況，同時對海綿城市建成后的主城區雨水管網的過載管道和溢流節點情況進行對比。

在降雨重現期為2 a和3 a情況下管網均未出現溢流，運行狀態良好；自5 a重現期開始，管網節點與管道開始出現溢流和超負荷狀態。

當降雨重現期為10 a 時，管網中溢流節點增多且最大溢流量顯著增大。發生溢流的節點數量為10個，其中節點最大溢流量超過1 000 m3；隨著降雨時間的增加，過載管道數量增多，最多時達到36根，超負荷管道達到了3.7%。模擬海綿城市實施效果，10 a 降雨重現期時，只有1個節點發生了溢流，溢流量為236.4 m3，過載管道由原來的36根縮減為8根，超負荷管道只占0.8%。見圖2。

圖2 10 a重現期降雨下管網節點溢流與超負荷管段分布對比

降雨重現期為20 a時，溢流節點相較10 a重現期繼續增加且最大溢流量達到8 000 m3以上。發生溢流的節點為65個，溢流量超過1 000 m3的節點有14個；過載管道數量為181根，超負荷管道達到了18.5%。模擬海綿城市實施效果，20 a降雨重現期下，溢流節點由原來的65個減少至15個且節點中最大溢流量由8 246.5 m3變為1 976.5 m3，改善效果明顯；過載管道由原來的181根減少到了52根，超負荷管道只占5.3%，見圖3。

圖3 20 a重現期降雨下管網節點溢流與超負荷管段分布對比

當降雨重現期為30 a 時，降雨量繼續增大。發生溢流的節點數量達到了71 個，其中最大溢流量超過1 000 m3的節點數量為17 個；管道過載數量為208 根，管道超負荷達到了21.2%。模擬海綿城市實施效果，30 a降雨重現期下，管網中溢流節點由71個減少為17個且節點中最大溢流量為2 349.2 m3，是原來節點中最大溢流量的1/5 左右，改善情況顯著；過載管道由原來的208 根減少為69 根，超負荷管道只占7.0%，見圖4。

圖4 30 a重現期降雨下管網節點溢流與超負荷管段分布對比

以上結果說明，隨著降雨重現期增加，也就是降雨量增大，管網節點的溢流量和溢流管道數量明顯增大，管道超負荷情況變得越來越嚴重。但實施海綿城市建設后，節點溢流與管段超負荷情況改善顯著。在管網一維評估的基礎上，有必要進行對管網做空間二維模擬，以求能更真實地反映實際情況和雨水在地表漫流影響范圍。

3 積水點模擬

模型中，深度超過0.15 m 形成積水點，見圖5-圖7。

圖5 10 a降雨重現期下地面積水點分布對比

圖6 20 a降雨重現期下地面積水點分布對比

圖7 30 a降雨重現期下地面積水點分布對比

圖5-圖7 中，藍色區域代表地表在模擬時長內出現了積水，結合模擬區域的地形可以看出，隨著降雨重現期的增大，地表積水面積及積水深度呈顯著增加的趨勢。5 a降雨重現期時，最大地面積水為8 504.9 m2；10 a 降雨重現期時，最大地面積水為65 466.8 m2；20 a年降雨重現期，最大地面積水為722 700 m2；30 a 降雨重現期，最大積水面積為882 290 m2。地面積水都集中出現在地面標高為4～12 m的地勢低洼處。

開展海綿城市建設后，各降雨重現期下的地面積水情況無論從積水面積還是積水深度均得到了明顯改善。其中，5 a 降雨重現期下基本未積水；10 a 降雨重現期時，最大積水面積為13 125.1 m2，相比未采取措施前減少積水面積52 341.7 m2；20 a降雨重現期時，最大積水面積為238 463.8 m2，相比未采取措施前減少積水面積484 236.2 m；30 a降雨重現期時，最大積水面積為323 120 m2，相比未采取措施前減少積水面積559 170 m2。

4 結語

本次模擬研究區域在不同降雨重現期下管網的溢流情況及地面積水情況，在設計降雨重現期（3 a）時，管網沒有節點溢流出現，未形成積水點。隨著降雨強度的增加，節點溢流量和過載管道數量均不同程度增加。針對地面積水情況，建議采取海綿城市措施，降低城市下墊面的產流量，達到年徑流總量控制率的要求，有效解決內澇積水問題。