侯煜堃， 郭宇超

(1.華北水利水電大學(xué) 城市水務(wù)研究院，河南 鄭州 450046; 2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化的建設(shè)越來(lái)越快，氣候變化也隨之發(fā)生改變。在此背景下，城市面臨著洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生、水資源短缺、排水能力不足等問(wèn)題，越來(lái)越多的城市受到積水問(wèn)題的困擾[1-3]。隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)居住小區(qū)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越來(lái)越大，而城市中市區(qū)用地緊張，造成城市綠化用地逐步縮減，不透水地面比例逐步增加。

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006，2016年版)中規(guī)定，排水設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)重現(xiàn)期校核城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)能力，重現(xiàn)期根據(jù)城市城區(qū)類(lèi)型采用不同的標(biāo)準(zhǔn)[4]。但我國(guó)一些城市的老城區(qū)或舊的住宅小區(qū)，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)行設(shè)計(jì)下限，導(dǎo)致城區(qū)或居住小區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)，嚴(yán)重限制了城市的發(fā)展及人們的正常生活，所以對(duì)于舊城區(qū)排水能力的校核及改造是非常有必要的。

在傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)改造中，常用方法為加大排水管道的管徑，對(duì)溢流口進(jìn)行改造，合流制改分流制等。在改造中必然進(jìn)行道路開(kāi)挖，使用較大噪聲的機(jī)械設(shè)備，這嚴(yán)重影響了城市居民的日常生活，并且開(kāi)挖過(guò)程中可能破壞其他管線，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。但LID(low impact development,低影響開(kāi)發(fā))措施卻避免了這些問(wèn)題的發(fā)生，并且對(duì)于其控制效果，王紅武等[5]、劉志峰等[6]、KRISTIN L等[7]進(jìn)行了積極的探索，表明LID對(duì)雨水徑流具有削減作用。

城市暴雨內(nèi)澇、城市水資源短缺和城市水環(huán)境惡化已經(jīng)成為城市水資源管理領(lǐng)域亟須解決的三大問(wèn)題[8]。本文以武漢市青山區(qū)某小區(qū)為研究對(duì)象，基于SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)校核了該小區(qū)的排水能力，并通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)(LID)措施，解決了該小區(qū)排水能力不足的問(wèn)題，為武漢城市舊城改造提供了有效方法，同時(shí)為其他城市的建設(shè)提供參考。

1 SWMM原理簡(jiǎn)介

1.1 水文過(guò)程模擬原理

水文過(guò)程模擬是在子匯水區(qū)域的基礎(chǔ)上完成的，在模擬中，每個(gè)子匯水區(qū)如同一個(gè)非線性水庫(kù)，如圖1所示，模型根據(jù)輸入項(xiàng)降雨量，輸出項(xiàng)下滲量、蒸發(fā)量、洼地蓄水量等，通過(guò)水量平衡方程計(jì)算地表徑流量。當(dāng)蓄水深度超過(guò)最大洼地蓄水深ds時(shí)，地表發(fā)生徑流，計(jì)算公式為

(1)

其中，Q：徑流量(m3/s)，A：子匯水區(qū)面積(m2)，i：凈降雨強(qiáng)度(m/s)，dV：總蓄水量(m3)，dt：時(shí)間(s)。

圖1 模型地表產(chǎn)流示意圖Fig.1 Sketch map of surface runoff of model

本文在模型設(shè)置中忽略了蒸發(fā)的損失量，下滲水量計(jì)算采用水文學(xué)家霍頓提出的Horton下滲模型，其計(jì)算方程為

f=ft+(f0-ft)e-kt，

(2)

其中，f：下滲率(mm/h)，ft：穩(wěn)定下滲率(mm/h)，f0：初始下滲率(最大下滲率)(mm/h)，k:下滲衰減系數(shù)(h-1)，t:下滲歷時(shí)(h)。

1.2 水力過(guò)程模擬原理

SWMM模型為水流在管道中的運(yùn)動(dòng)提供了3種方法，分別為穩(wěn)定流法、運(yùn)動(dòng)波法和動(dòng)力波法，本次模擬過(guò)程選用運(yùn)動(dòng)波法。運(yùn)動(dòng)波法采用連續(xù)方程和簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)方程對(duì)管道水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬[9]，其計(jì)算方法為

(3)

其中，A：過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)，Q：徑流量(m3/s)，S0：網(wǎng)格單元地表坡降或河道的縱向坡降(%)，n：曼寧糙率系數(shù)，R：水力半徑(m)。

運(yùn)動(dòng)波節(jié)點(diǎn)控制方程寫(xiě)成有限差分形式為

(4)

其中，Ht：節(jié)點(diǎn)水頭(m)，Δt：時(shí)段(s)，Qt：節(jié)點(diǎn)流量(m/s)，Ask：自由水面面積(m2)。

1.3 LID模擬原理

在SWMM中，低影響開(kāi)發(fā)控制模塊被設(shè)置在子匯水面積的屬性之中。LID控制是通過(guò)多個(gè)豎向單元層的組合表示的，每個(gè)單元層能單獨(dú)定義參數(shù)。在模型計(jì)算模擬時(shí)，SWMM通過(guò)執(zhí)行含濕量平衡，模擬每個(gè)豎向單元層中發(fā)生的徑流流入、滲透、蓄存、潛流、蒸發(fā)等情況，并將演算的模擬結(jié)果帶入下一層再次進(jìn)行計(jì)算，直到演算完成[10]。

2 研究區(qū)域排水能力校核

2.1 研究區(qū)域概況

本文選取的研究區(qū)域位于武漢市青山區(qū)，建設(shè)二路與友誼大道交叉口附近。地理位置為北緯30°37′，東經(jīng)114°26′。境域地處長(zhǎng)江中游南岸，中低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。研究區(qū)域?qū)侔肫皆肭鹆甑孛?，地?shì)由東向西傾斜，逐漸走低，平均海拔約22 m。境域內(nèi)四季分明，光照充足，熱富雨豐。總占地面積14.49 hm2，綠化面積約30%。區(qū)域雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀Fig.2 Present situation of rainwater pipe network in studied area

2.2 研究區(qū)域的概化

本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)域雨水管道及水文特征的分析，結(jié)合小區(qū)實(shí)際地表用地類(lèi)型，下墊面屬性等因素，嚴(yán)格遵循SWMM區(qū)域概化的基本原則，對(duì)小區(qū)進(jìn)行概化。本次研究中將DN400以下的管道略去，只保留DN400以上(包括DN400)的管道，概化后匯接點(diǎn)25個(gè)，排水口7個(gè)，雨水管道25條(均屬于圓形斷面管道)，子匯水面積24個(gè)。概化結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化結(jié)果Fig.3 Generalized results of drainage system in studied area

2.3 水力參數(shù)設(shè)置

水力參數(shù)在本研究區(qū)域內(nèi)主要為雨水管網(wǎng)的屬性設(shè)置，其中包括雨水管道屬性設(shè)置、相應(yīng)節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置、排放口屬性設(shè)置。雨水管道的屬性包括管道的長(zhǎng)度、管道的直徑、坡度以及曼寧系數(shù)等，其中管長(zhǎng)、管徑和管道坡度由CAD 設(shè)計(jì)圖紙直接獲得。雨水管道進(jìn)出水偏移量在SWMM中有兩種設(shè)置，本次研究選取標(biāo)高偏移，此時(shí)進(jìn)出水偏移量為上下游管底的高程值。而管道曼寧系數(shù)則與雨水管道自身管材有關(guān)，參考依據(jù)實(shí)際管道材料及模型手冊(cè)選取0.013。匯接點(diǎn)屬性，只需輸入內(nèi)底標(biāo)高及深度，管內(nèi)底標(biāo)高由提供的 CAD 設(shè)計(jì)圖獲得。排放口的內(nèi)底標(biāo)高，同樣從CAD圖紙得出。

2.4 水文參數(shù)設(shè)置

2.4.1 子匯水區(qū)寬度

子匯水區(qū)寬度的物理定義是指子匯水區(qū)面積與地表漫流最長(zhǎng)路徑的比值，但是在實(shí)際中這個(gè)參數(shù)無(wú)法測(cè)量。常見(jiàn)的子匯水區(qū)寬度的計(jì)算機(jī)計(jì)算方法主要有以下4種:

1)Width=1.7×Max (Height, Width)；

2)Width=K×Sqrt (Area)(0.2

3)Width=K×Perimeter (0

4)Width=Area / Flow length。

本次研究中根據(jù)已有資料及研究區(qū)域?qū)嶋H情況，選取第2種方法進(jìn)行子匯水區(qū)寬度的計(jì)算，其中參數(shù)K取值為0.8。

2.4.2 子匯水區(qū)坡度

坡度值在SWMM運(yùn)行中是一個(gè)敏感的參數(shù)，本文通過(guò) ArcGIS (3D Analyst工具)柵格表面坡度計(jì)算工具，對(duì)研究區(qū)域DEM(digital elevation model,數(shù)字高程模型)進(jìn)行坡度分析計(jì)算，統(tǒng)計(jì)每個(gè)子匯水區(qū)平均坡度。經(jīng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，子匯水區(qū)的坡度值統(tǒng)一取0.25。

2.4.3 子匯水區(qū)的不滲透性參數(shù)

SWMM中子匯水區(qū)不滲透性是指區(qū)域內(nèi)不滲透面積占區(qū)域總面積的百分比。本研究區(qū)域主要用地為住宅用地、交通設(shè)施用地、公共服務(wù)用地及綠地等，其中綠地約占總體用地的30%，所以子匯水區(qū)的不滲透性統(tǒng)一取70%。

2.4.4 其他水文參數(shù)

其他水文參數(shù)根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)及SWMM手冊(cè)，選取推薦值，具體取值如表1。

表1 其他水文參數(shù)取值范圍及獲取途徑Tab.1 The range and access of other hydrological parameters

2.5 設(shè)計(jì)降雨

根據(jù)城市暴雨雨型和武漢市暴雨強(qiáng)度相關(guān)文獻(xiàn)[12]，求得武漢市的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度；降雨歷時(shí)為2 h，雨峰系數(shù)為0.4，降雨重現(xiàn)期分別為1 a、3 a、5 a，采用芝加哥降雨模型[11]推求時(shí)間間隔為5 min的2 h降雨過(guò)程線，武漢市暴雨強(qiáng)度公式如式(5)，不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度過(guò)程如圖4。

(5)

式中，q：平均暴雨強(qiáng)度(L/s)，P：重現(xiàn)期(a)，t：降雨歷時(shí)(min)。

圖4 不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線Fig.4 Design process lines of rainfall with different recurrence periods

2.6 不同重現(xiàn)期下降雨情況模擬

選用上述模型參數(shù)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行1 a、3 a、5 a重現(xiàn)期下的徑流模擬，得到不同降雨強(qiáng)度下的區(qū)域模擬結(jié)果，如表2所示。結(jié)果表明，在2 h的短時(shí)間典型設(shè)計(jì)降雨模擬中，隨著重現(xiàn)期的增長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度不斷加大，降雨量逐漸加大，55 min后研究區(qū)域的排水系統(tǒng)就無(wú)法在不產(chǎn)生積水的情況下排出雨水。從溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量及總積水容積上看，在短期暴雨情況下，當(dāng)重現(xiàn)期為1 a時(shí)，該區(qū)域出現(xiàn)10個(gè)溢流節(jié)點(diǎn)，占總節(jié)點(diǎn)的40%，總積水容積為0.323×106L。當(dāng)重現(xiàn)期增長(zhǎng)到3 a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)即增加到13個(gè)，占總節(jié)點(diǎn)的52%，增長(zhǎng)幅度為30%，總積水容積為1.019×106L。而當(dāng)重現(xiàn)期為中短期5年一遇暴雨情況下，研究區(qū)域內(nèi)又出現(xiàn)3個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生溢流，溢流節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)的64%，增長(zhǎng)幅度達(dá)到23%，總積水容積變?yōu)?.446×106L。這種情況下居住小區(qū)內(nèi)澇發(fā)生的可能性極高。上述變化趨勢(shì)顯示，研究區(qū)域在短歷時(shí)暴雨侵襲下，發(fā)生洪澇災(zāi)害的可能性隨重現(xiàn)期的增加而急劇上升。主要原因可能是該區(qū)域在建設(shè)中綠化用地減少，不透水面積過(guò)多。現(xiàn)狀情況下區(qū)域不透水系數(shù)高達(dá)70%，區(qū)域的蓄水、滲水能力不足，導(dǎo)致降雨發(fā)生后，地表雨水匯流時(shí)間縮短、地表徑流增大、洪峰提前，無(wú)形中加大了雨水管網(wǎng)排水壓力，提高了內(nèi)部洪澇發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)上述描述情況，可以判斷該居住小區(qū)管網(wǎng)泄洪能力不足，雨水管網(wǎng)不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范基本要求，需對(duì)其進(jìn)行改造，以達(dá)到滿(mǎn)足3 a、5 a重現(xiàn)期下雨水管網(wǎng)不發(fā)生節(jié)點(diǎn)溢流的要求。

表2 不同重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)溢流情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of node overflow under different recurrence periods

3 基于LID的改造模型

3.1 LID措施選擇及參數(shù)設(shè)置

低影響開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)原理:主要運(yùn)用分散的、小規(guī)模的源頭控制形式和處理技術(shù)，使暴雨造成的徑流和污染得到有效調(diào)控，開(kāi)發(fā)地區(qū)盡可能恢復(fù)成開(kāi)發(fā)前的原始水循環(huán)狀態(tài)[13]。

SWMM模型提供了生物滯留網(wǎng)格、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、雨水桶、植草溝等7種模塊，多種LID模塊在子匯水區(qū)域中可單獨(dú)或組合使用。本次改造選取LID組合的方式，根據(jù)本研究區(qū)域?qū)嶋H情況及相關(guān)參考文獻(xiàn)[14]，選擇綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝組合的LID措施，將其加入模型中，模擬其不同重現(xiàn)期下控制雨洪的效果，具體模塊設(shè)計(jì)如下。

1)綠色屋頂。綠色屋頂率對(duì)蓄截雨水和減緩暴雨徑流具有決定性作用，針對(duì)不同暴雨強(qiáng)度的低影響設(shè)施設(shè)計(jì)對(duì)綠色屋頂率的閾值要求不同。本次研究選取綠色屋頂率為80%。

2)雨水花園。研究區(qū)域中心地塊原本屬于公共休閑花園，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建雨水花園LID措施可大大減少開(kāi)挖及修建難度。所以雨水花園布置在小區(qū)中心地帶，原公共休閑花園處，約占總區(qū)域面積的6%。

3)透水鋪裝。為了更好地減少地表不透水面積，將研究區(qū)內(nèi)人行道路及停車(chē)場(chǎng)路面轉(zhuǎn)化為透水鋪裝路面。約占總區(qū)域面積的13%。

SWMM中LID措施參數(shù)設(shè)置如表3。

表3 LID措施參數(shù)Tab.3 Parameters of LID measure

3.2 模擬結(jié)果與分析

利用前面構(gòu)建的SWMM，對(duì)原模型中添加3種LID措施并進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬，得到不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)地表徑流模擬結(jié)果，及O4排放口的徑流流量變化曲線，如表4和圖5、圖6、圖7所示。

表4 地表徑流模擬結(jié)果Tab.4 Simulation results of surface runoff

由表4可以看出增加了LID措施后，不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)的下滲量增加，徑流量減少。1 a、3 a、5 a重現(xiàn)期的下滲量增長(zhǎng)率分別為7.6%、30.5%、41.1%，徑流削減率分別為73.0%、65.1%、60.3%。隨著降雨重現(xiàn)期的增加，系統(tǒng)下滲率隨之增大，徑流削減率減小。說(shuō)明土壤的飽和含水量有所增加，土壤達(dá)到飽和狀態(tài)的時(shí)間滯后，LID措施會(huì)隨著降雨量的增加，徑流削減的能力會(huì)呈下降趨勢(shì)。從圖5、圖6、圖7可看出，在增加了LID措施后，排放口的最大峰值流量有所下降，峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后，隨著重現(xiàn)期的增大，峰值下降率減小。

圖5 1 a重現(xiàn)期下O4排放口的徑流流量變化曲線Fig.5 Runoff discharge curve of O4 outlet under 1 year recurrence period

圖6 3 a重現(xiàn)期下O4排放口的徑流流量變化曲線Fig.6 Runoff discharge curve of O4 outlet under 3 years recurrence period

圖7 5 a重現(xiàn)期下O4排放口的徑流流量變化曲線Fig.7 Runoff discharge curve of O4 outlet under 5 years recurrence period

SWMM模擬結(jié)果顯示，通過(guò)增設(shè)LID組合措施后，研究區(qū)1 a、3 a、5 a重現(xiàn)期下，不再有節(jié)點(diǎn)溢流狀況的發(fā)生，可以證明，通過(guò)改造，研究區(qū)域可以承受3 a、5 a重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨而不發(fā)生節(jié)點(diǎn)溢流的目的，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今世界水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，確保水生態(tài)安全已經(jīng)成為一個(gè)世界性的議題[15]。本文以武漢市青山區(qū)某居住小區(qū)為例，基于SWMM模型，模擬計(jì)算了1 a、3 a、5 a不同重現(xiàn)期下該小區(qū)的積水情況，結(jié)果反映出該居住小區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行排水規(guī)范要求，且小區(qū)易發(fā)生內(nèi)澇和積水，隨著設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的增加，積水范圍不斷擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)對(duì)該小區(qū)增設(shè)LID措施后，LID措施表現(xiàn)出較好的水文控制效果，削減了地表徑流及洪峰流量，降低了排水管網(wǎng)壓力。在3 a、5 a重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨下，小區(qū)不再發(fā)生節(jié)點(diǎn)溢流，滿(mǎn)足了現(xiàn)行排水規(guī)范要求，對(duì)武漢市相關(guān)措施的設(shè)計(jì)和改造提供了科學(xué)指導(dǎo)，為其他城市的LID建設(shè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。