城市社會水循環排水系統模擬與調控

鄧勝平

成都市市政工程設計研究院有限公司 四川 成都 610023

1 城市社會水循環排水系統

隨著城鎮化進程的不斷推進，土地開發強度不斷加大，勢必會造成城鎮不透水下墊面比例的增加，降雨后城鎮地面徑流量增大，引起強烈城市水文效應，導致一系列城市水資源、水生態環境以及城市自然水循環問題。一些國家和地區通過低影響開發LID（low impact development）的理念控制區域不透水性面積的比例來緩解這些問題。低影響開發強調城市開發應減少對開發區域環境的影響，其核心理念包括源頭控制和延緩沖擊負荷。低影響開發是以開發前后區域內水文特征保持天然狀態為目標，通過一系列分布又整體成系統的措施達到與自然狀態下功能相當的水文特征和生態景觀，而對開發區內水生態環境產生最小負面影響的開發策略。低影響措施可以整合城市基礎設施，改善城市水系統循環路徑，改善傳統僅強調“排”的單一策略，同時具有更好的生態、景觀效應。

2 城市社會水循環排水系統模擬模型

在我國較為常用的城市水力計算方法包括推理公式法、等流時線法、單位線法等。以上幾種計算方法基本屬于集總型，一般僅適用于邊界條件較為明確簡單、水文基礎資料較為完整全面、雨水匯流面積不大的區域，超范圍應用傳統雨水流量計算方法將導致排水管網建設標準與排放需求不匹配[1]，且難以計算出流量過程。

在《城市排水工程規劃規范》（GB50318）以及《室外排水設計標準》（GB50014）所使用的推理公式，采用經驗法確定坡面匯流時間，采用水力學的恒定均勻流推理公式計算管網匯流。恒定均勻流推理公式使用的前提包含了以下三個假設：1）在計算雨量的徑流系數是常數；2）計算過程中匯流面積不變；3）在計算匯水時間內的降雨強度保持不變。而實際上這三者都是動態變化的。當流域特性比較復雜，研究區域范圍較大，人工調控干預比較顯著時，這類方法難以描述城市復雜水文過程。

XPSWMM集成水文學和水動力學模擬于一體，通過動力波方法對圣﹒維南方程組的完整求解，得到排水管網匯流過程的動態非恒定流模擬；對管網匯流與地表積水的流量交換和相互影響分析可無縫集成一維、二維模擬，用于管網系統排水能力分析，排水系統的局限性診斷，洪澇風險評估，在國內外得到廣泛應用。

2.1 水文條件

選擇2011年7月3日暴雨（后簡稱“7·3暴雨”）作為模型檢驗的降雨事件。

衣冠廟和新光路片區附近有武侯區政府雨量站，7·3暴雨的降雨量為196.0 mm，本次模型采用該雨量站7·3暴雨的小時降雨量雨型過程線與不同頻率6小時設計降雨量的乘積，分解為不同頻率6小時降雨過程，各時段雨量如表1所示。

表1 不同頻率6小時設計降雨量7·3暴雨雨型的時段分配雨量

2.2 產匯流方法

降雨產流過程的扣損采用Horton扣損法，降雨徑流采用SWMM Runoff非線型水庫法，根據雨水匯流區域的下墊面特征，如硬質路面、河湖水系、綠地、房屋建筑等，具有各自的透水強弱特性，逐時模擬生成降雨過程中的產匯流結果。

2.3 水動力方法

地面雨水徑流進入雨水管道后，在管道中流動的水力特征較為復雜。水力模擬通過求解水力方程組——圣﹒維南方程組，來動態模擬水流在管網中的水力狀態。

圣﹒維南方程組包含兩類方程——連續性方程和能量方程。方程組的未知參數包括水流過流橫斷面的平均流速v=v(x，t)以及管底到自由水面的深度h=h(x，t)。

排水管網中的水流一般可視為不可壓縮的液體，即水流密度不變，根據質量守恒定律，在dt時段內，從上游斷面流入和從下游斷面流出的水量差等于兩斷面間水體體積的增減量，據此有連續性方程：

上下游斷面間的能量差轉化為兩部分，一部分為摩擦阻力做功，另一部分為位置勢能轉換動能；據此則有能量方程：

聯立以上連續性方程和能量方程即為圣﹒維南方程組。式中：

A — 過水斷面的面積(m2)；

Q — 水體流量(m3/s)；

t — 時間(s)；

x — 管道的長度(m)；

q — 旁側入流量；

g — 重力加速度(m/s2)；

h — 水深(m)；

S0— 管道坡降；

Sf— 阻力坡降。

采用動力波法求解圣﹒維南方程組，包括了影響非恒定明渠流的所有項，考慮了上下游兩個斷面條件的水力狀態。用該法進行水力動態模擬，能夠模擬管道中的逆向流、壓力流、側流滲入滲出損失以及洪峰在管道中的傳播與衰減，回水對上游水流的影響，適用的情形廣泛，綜合的邊界條件全面，結果與實際情形更接近。

2.4 一維二維耦合模擬

一維水力學模型主要用于模擬管道中的水流運動。當水量過大，管道發生溢流或地面發生積水時，管道與地面發生水量交互流動時，一維模型則不能根據具體地形和下墊面特征模擬溢流或地面水流的動態演進過程，無法動態模擬內澇的積水深度、積水范圍及整體的退水路徑等內容。

城市地表漫流可視為具有自由表面的淺水體在重力作用下的流動，可忽略水流沿垂直z方向的速度和加速度，可用二維淺水動力學進行研究，也就是通常所說的二維模擬。描述淺水動力學的二維非恒定流方程組，共包括三個方程：水流連續性方程、水流沿水平x方向動量方程、及水流沿水平y方向的動量方程，形式如下：

式中：

t— 時間(s)；

n— 曼寧糙率系數；

x, y— 直角坐標的橫坐標和縱坐標（m）；

u, v—x, y方向的流速分量（m/s）；

z, h—x, y處的水位和水深（m）；

g — 重力加速度(SI 制)。

對城市內澇分析研究采用一維、二維耦合模擬，將管網一維模型與地面漫流二維進行耦合分析，將模型網絡節點的檢查井頂部與地表二維網格連接，模擬管渠中的有壓流和地表自由表面流之間的物質與能量交互，以及內澇洪水在地表二維空間內的運動過程，從而動態演繹洪澇的變化過程。

2.5 其他影響因素

排水系統出口出流狀態會受到受納水體水位的影響，影響的具體情形有以下兩種：

1. 流域性降雨引起的河湖受納水體水位上漲滯后于本地集中降雨，認為本地集中暴雨時，排水系統不受河道水位影響。

2. 流域性洪水引起的河湖受納水體水位上漲與本地集中降雨影響重疊時，二者將共同影響排水系統，將進行受納水體水位對排水系統的敏感性分析[2-3]。

3 城市社會水循環排水系統模擬與調控實例

以人民公園和羊市街片區為例，該片區東側至東城根街、文翁路附近，南側至南河附近，北側至府河附近，西側至飲馬河、西郊河附近。片區內城市開發強度較高，區域內的人民公園是有較大面積綠地空間。

3.1 模型概化

將衣冠廟和新光路片區的雨水管網中進行模擬分析，模型網絡概化見1圖，包括2361個節點和2380個連接。片區內二環路從西往東的雨水管網匯流了區域大半的雨水，是主要的雨水通道，排往府河；創業路從北往南雨水管道是另一條主要排放管道，排往火燒堰。

圖1 地面高程背景下的管網概化圖

3.2 模型檢驗

衣冠廟和新光路片區雨水排水系統在7·3暴雨條件下的內澇范圍及積水水深如圖2所示。模型模擬內澇情況與片區實際調查的8個積水區域基本吻合，積水深度也較為接近。

圖2 片區現狀20年一遇6小時設計暴雨下積水風險圖

3.3 內澇原因診斷

⑴ 紫荊北路道路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街段的管徑為DN600，紫竹北街到紫荊巷段為DN700，而該段管道的上游和下游均為DN800，暴雨期排水不暢。

⑵ 桐梓林北路雨水管網自西向東穿過高攀河時管徑由DN1000減小為DN600，然后繼續向東以DN800的管徑從人民南路向北接入二環路。該區域的排水受限于DN600的瓶頸段。

⑶ 人民南路過二環路存在地勢低洼，由于7·3暴雨二環路骨干管網超負荷運行，導致與二環路主干管網連接的雨水管道無法及時排走雨水，產生地面積水，匯入立交區域洼地。

⑷ 武侯祠大街南側，洗面街、高升橋東路的集水區內的雨水匯往洗面街和高新大道的骨干雨水管網后排往火燒堰。洗面橋街道過一環路到高新大道區域中位于一環路附近的地勢處于凹型的鍋底狀，7·3暴雨管網來不及排水造成凹形鍋底區域積水，影響交通。

3.4 排澇能力提升方案

衣冠廟和新光路片區排澇能力提升工程措施包括：

⑴ 紫荊北路雨水管道自紫竹西街到紫竹北街管徑擴大為DN800，消除該段的局部阻水段，提高排水能力。

⑵ 新光路雨水管網自二環路往桐梓林北路排水，再沿著桐梓林北路往東排水，在高攀河設置下河口。

⑶ 二環路路南的桐梓林東路雨水管網反向改造，管徑為DN1400，自二環路往桐梓林北路排水，并在高攀河設置下河口，并將桐梓林東路東側的桐梓林北路上的雨水管道與此反向改造的雨水管網斷開連接。

⑷ 創業路永豐立交下穿通道下設置雨水強排自動泵站，規模1.0m3/s，通過DN1000雨水強排入肖家河。

⑸ 高升橋東路雨水管道反向改造，排往肖家河。

⑹ 衣冠廟、一環路、高新大道立交設置雨水強排自動泵站，規模1.3m3/s，沿高新大道敷設一條DN1100壓力管排入肖家河。

3.5 工程措施效果評估

衣冠廟和新光路片區雨水系統實施相關工程措施后，將原本重現期5年一遇降雨情形下發生溢流風險的區域，提高到了重現期10年一遇6小時降雨情形下才出現溢流。重現期20年一遇降雨時，一環路高新大道附近地勢低洼區域，出現的積水深度多數在25mm以下，對交通影響較小，調控取得良好效果。

4 結論

⑴ 城市社會水循環排水系統包括城市排水管網、河道、閘、壩、泵站等系統。在高度城市化發展的今天，由于這些系統調控不當將導致城市發生內澇，威脅城市安全運行。為加強對城市社會水循環排水系統的調控，采用低影響開發（LID）技術和引入水力模型對城市排水系統進行模擬是兩個有效的方法。

⑵ 傳統的推理公式對流域特性比較復雜，人類影響活動比較強烈，以及人工調控干預比較顯著的情況難以描述城市復雜水文過程，必須借助水力模型模擬。

⑶ 目前國內外著名城市水文模型有SWMM、STORM、MOUSE、HYDROSIN、Wallingford、XPSWMM等。其中XPSWMM集成水文學和水動力學模擬于一體，采用動力波方法求解圣﹒維南方程組，進行排水管網匯流的動態非恒定流模擬；對管網匯流與地表積水的流量交換和相互影響分析可集成一維、二維模擬，用于管網系統排水能力分析，排水系統的局限性診斷，洪澇風險評估，在國內外得到廣泛應用。

⑷ 結合衣冠廟和新光路易澇片區，建立區域水力模型、經模型概化、模型檢驗，分析出了區域產生內澇的原因，并有針對性地提出了若干工程解決方案。

⑸ 采用相關工程措施施后，經模擬結果，片區雨水排水系統排澇能力提升至重現期10年一遇6小時設計降雨不溢流，重現期20年一遇6小時設計降雨有少量積水，但對交通影響較小和城市整體安全，調控取得良好效果。