袁紹春，王懷鋆，呂 波，劉 杰

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶市海綿城市建設(shè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400020)

在海綿城市系統(tǒng)構(gòu)建過程中，雨洪模型已成為不可或缺的設(shè)計(jì)優(yōu)化和效果評估工具[1]。InfoWorks_ICM模型的應(yīng)用更是日趨廣泛，它在單個(gè)模擬引擎里整合了城市一維(1D)排水管網(wǎng)模型和城市流域二維(2D)洪澇淹沒分析模型，相對其他模型而言，其建模便捷、精度更高。王鋒[2]借助ICM模型對深圳市南坪快速路海綿改造項(xiàng)目進(jìn)行量化評價(jià)，發(fā)現(xiàn)改造方案能較好地達(dá)到海綿城市建設(shè)的目標(biāo)效果。孫曉光[3]利用ICM模型對婁底水洋新區(qū)海綿城市規(guī)劃進(jìn)行評估，指出建立雨水排水模型評估目標(biāo)地塊內(nèi)海綿化改造效果具有現(xiàn)實(shí)意義，可為項(xiàng)目決策提供依據(jù)。馬旭[4]基于ICM模型建立了北京市馬草河流域精細(xì)化雨洪模型，量化模擬馬草河流域內(nèi)澇情況，發(fā)現(xiàn)海綿改造能有效控制流域內(nèi)澇問題。黃子千等[5]基于ICM模型研究了不同重現(xiàn)期和雨峰位置的設(shè)計(jì)降雨對濟(jì)南市少年路積水的影響，驗(yàn)證了模擬積水過程和深度與區(qū)域水位站的實(shí)際觀測情況較為吻合，模型具有良好的精度和可靠性。

上述基于InfoWorks_ICM模型的海綿城市建設(shè)研究主要集中于中、東部的城市，且偏重流域范圍的海綿城市建設(shè)雨洪過程的整體模擬，鮮有對西部山地城市建筑小區(qū)，尤其是單個(gè)地塊老舊建筑小區(qū)海綿化改造方案及效果評估的模擬研究。山地城市建筑小區(qū)是西部地區(qū)城鎮(zhèn)人居環(huán)境的重要組成部分[6]，是城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要載體。建筑小區(qū)用地一般占城市建設(shè)用地的40%，其產(chǎn)生的雨水徑流約占城市徑流總量的50%[7]。老舊建筑小區(qū)通常面臨硬化率高、排水標(biāo)準(zhǔn)低、用地緊張等問題。對老舊建筑小區(qū)進(jìn)行海綿化改造、提高雨水徑流控制率是海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一[8-9]。山地城市地形獨(dú)特，對暴雨響應(yīng)更為強(qiáng)烈，海綿城市建設(shè)具有特殊性。本文聚焦山地城市老舊建筑小區(qū)，以重慶市萬州區(qū)海綿試點(diǎn)區(qū)內(nèi)某老舊建筑小區(qū)海綿化改造為例，通過現(xiàn)狀分析，按照因地制宜的原則，開展海綿化改造方案研究。結(jié)合InfoWorks_ICM模型模擬改造前后典型年降雨情景下小區(qū)徑流變化過程，模擬不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下改造前后內(nèi)澇積水情況，并對改造效果進(jìn)行評估，以期為山地城市老舊建筑小區(qū)海綿化改造提供借鑒。

1 山地城市老舊建筑小區(qū)海綿化改造特點(diǎn)

山地城市建筑小區(qū)具有地勢陡、坡度大、硬化程度高、土層薄、土壤滲透能力差、暴雨產(chǎn)流迅速、沖刷效應(yīng)明顯、小雨易積水、大雨易內(nèi)澇等特征。同時(shí)，因老舊小區(qū)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，普遍存在環(huán)境條件差、配套設(shè)施落后、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期不足1 a、管網(wǎng)溢流頻繁、外排雨水污染負(fù)荷高等現(xiàn)象。山地城市老舊小區(qū)海綿化改造本底條件差，地形與空間限制多，布置大型多樣的組合LID設(shè)施、構(gòu)建流域尺度的海綿排水系統(tǒng)難度大。通過布置多數(shù)量的小體量LID設(shè)施，因地制宜地布置小型梯級LID設(shè)施，把小區(qū)地表鋪裝更新、景觀綠化升級打造與小區(qū)雨水徑流的源頭控制有機(jī)結(jié)合起來，形成小區(qū)尺度的山地城市立體空間海綿系統(tǒng)。

2 改造方案設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀條件

改造小區(qū)為老舊建筑小區(qū)，位于重慶市萬州區(qū)，總建設(shè)用地面積13 973.67 m2。區(qū)域多年平均降水量1 184 mm，年降水量波動(dòng)小，最大降水量集中在夏季(6—8月)，雨峰靠前、雨型急促、降雨歷時(shí)較短，約占全年降水量的43%。小區(qū)整體地勢南高北低、西高東低；最高點(diǎn)高程204.46 m、最低點(diǎn)高程198.18 m。地形分3個(gè)臺級，地面高程由西向東逐級遞減，各臺級平均高程分別為203.42 m、201.13 m、199.66 m，地面坡度3.5%～7.0%。現(xiàn)狀下墊面包括硬質(zhì)屋面、硬質(zhì)鋪裝、綠地，分別占比35.79%、52.85%、11.36%，綜合徑流系數(shù)0.848?，F(xiàn)狀雨水通過管徑200～300 mm的雨水管和部分?jǐn)嗝娉叽?00 mm×350 mm的雨水溝排入市政雨水管網(wǎng)，最終排至龍寶河。

2.2 問題分析

小區(qū)主要存在以下4點(diǎn)問題：①下墊面硬化率高，坡度陡，暴雨地表徑流量大，小區(qū)東側(cè)存在較大內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)；②雨水系統(tǒng)過流能力不足，排水不暢，井管溢流現(xiàn)象頻發(fā)；③小區(qū)綠地及開敞空間局促，綠地率僅11.36%，大型滲透性LID設(shè)施不適用；④小區(qū)現(xiàn)狀屋面承重、排水條件差，不宜采用綠色屋頂。

2.3 改造方案

根據(jù)《萬州區(qū)城市規(guī)劃區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃(2016—2020年)》，通過指標(biāo)分解，確定該小區(qū)海綿化改造指標(biāo)：實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率53.15%，年徑流污染物去除率(以SS計(jì))39.86%。改造以降低小區(qū)雨水徑流外排總量，削減暴雨峰值流量，減少老城區(qū)合流制管網(wǎng)溢流頻次，緩解管網(wǎng)排水壓力，解決內(nèi)澇、積水等問題和改善小區(qū)環(huán)境為導(dǎo)向，融入海綿元素，以生態(tài)化改造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大拆大建，將海綿化改造與小區(qū)有機(jī)更新、功能提升相結(jié)合[7，10-11]。

2.3.1雨水管控分區(qū)和地面高程分級

在自然匯水分區(qū)基礎(chǔ)上，結(jié)合雨水系統(tǒng)、建設(shè)用地和道路布局，將小區(qū)劃分為12個(gè)雨水管控分區(qū)(圖1)，用于海綿指標(biāo)分解及雨水分區(qū)控制。結(jié)合山地城市建筑小區(qū)地形情況，將小區(qū)劃分為4個(gè)高程系(圖2)，A高程系代表屋面高程、B高程系代表平均高程203.42 m地塊、C高程系代表平均高程201.13 mm地塊、D高程系代表平均高程199.66 m地塊，用于LID設(shè)施布局指引，實(shí)現(xiàn)分層級雨水源頭控制，盡可能削減分區(qū)間大高差地形造成的客水影響。

圖1 雨水管控分區(qū)Fig.1 Service zone of rainwater control

圖2 地面高程分級Fig.2 Ground elevation classification

2.3.2設(shè)施布置

研究表明，在海綿城市建設(shè)中采用多種措施結(jié)合、注重豎向設(shè)計(jì)的方式比大量建設(shè)單一設(shè)施更為有效[12]。結(jié)合小區(qū)現(xiàn)有建設(shè)條件，本方案在小區(qū)A高程系，布置11座小型雨水花臺、5座現(xiàn)狀花臺原位改造為雨水花臺；B高程系人行道改為透水磚鋪裝、北側(cè)綠地增設(shè)1座雨水花園處理路面雨水；C高程系布置3條生物滯留帶對停車壩雨水進(jìn)行控制；D高程系主車道路面改造為透水瀝青削弱地表徑流(圖3)。通過分區(qū)、分層級進(jìn)行LID設(shè)施布置，實(shí)現(xiàn)雨水源頭滯蓄和凈化。各分區(qū)具體LID設(shè)施設(shè)計(jì)見表1。

表1 LID設(shè)施設(shè)計(jì)Table 1 LID facility design

3 改造方案效能評估模型

3.1 模型建立

InfoWorks_ICM模型整合了1D排水系統(tǒng)和2D地面高程模型，1D用于評估管網(wǎng)過流能力、提供溢流位置及溢流水量，2D用來模擬地面積水的深度、流速和流向。1D系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溢流工況時(shí)，模型啟動(dòng)堰流公式，將節(jié)點(diǎn)溢出水流與2D地面網(wǎng)格化高程模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)1D/2D耦合計(jì)算。

圖3 LID設(shè)施平面布置Fig.3 LID facility layout

3.1.1LID設(shè)施模型

LID設(shè)施模型的建立是通過對各子集水區(qū)的屬性及其對應(yīng)的參數(shù)表格設(shè)置實(shí)現(xiàn)的，把海綿化改造方案確定的LID設(shè)施類型與模型中創(chuàng)建的子集水區(qū)對應(yīng)，對LID設(shè)施面積及其服務(wù)面積進(jìn)行賦值，再對各子集水區(qū)的產(chǎn)流表面類型、比例進(jìn)行設(shè)置。子集水區(qū)產(chǎn)流表面分不透水表面、透水表面和綠地3種類型，不透水表面產(chǎn)流模型采用固定徑流系數(shù)模型(fixed PR model)，透水表面和綠地產(chǎn)流模型采用霍頓滲透模型(Horton infiltration model)；匯流模型采用SWMM模型(非線性水庫法)。管道計(jì)算采用圣維南方程組。

3.1.21D排水模型

小區(qū)實(shí)測雨水系統(tǒng)的井編號、井坐標(biāo)、井底高程、地面高程、管段編號、管徑、上下游管底標(biāo)高等屬性數(shù)據(jù)，經(jīng)ArcGIS軟件處理成shp格式后，導(dǎo)入InfoWorks_ICM模型，在模型中，把研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化為12個(gè)子集水區(qū)，36條雨水管道，37座雨水井。

3.1.32D積水模型

小區(qū)實(shí)測地形高程數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中篩選、插值處理后，導(dǎo)入ICM模型，生成地面高程模型(TIN模型)，創(chuàng)建2D模擬區(qū)間，屋面設(shè)為空白區(qū)，對模擬區(qū)間進(jìn)行網(wǎng)格化(圖4)，生成1 136個(gè)網(wǎng)格三角形，216個(gè)網(wǎng)格元素(最大網(wǎng)格元素面積100 m2，最小25 m2)。再將模型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的洪水類型由“Stored”設(shè)為“2D”,實(shí)現(xiàn)1D/2D耦合。

圖4 地面高程網(wǎng)格化Fig.4 Gridding of ground elevation

3.2 模型參數(shù)的選擇及率定

模型參數(shù)的選擇主要依據(jù)模型手冊及相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]。因缺乏模型率定所需的實(shí)測數(shù)據(jù)，模型參數(shù)率定選用基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法。劉興坡[16]對此方法進(jìn)行過研究，證明其能夠達(dá)到模型參數(shù)率定要求。采用萬州區(qū)2013—2015年實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，模擬小區(qū)降雨及徑流情況，獲得徑流系數(shù)模擬值，模擬結(jié)果見表2。

表2 小區(qū)模擬徑流總量及綜合徑流系數(shù)Table 2 Total simulated runoff and comprehensiverunoff coefficient of the area

模擬結(jié)果表明，小區(qū)徑流系數(shù)模擬平均值為0.819，與按分類下墊面面積加權(quán)平均求得的經(jīng)驗(yàn)綜合徑流系數(shù)值0.848接近，表明模型參數(shù)取值較符合小區(qū)實(shí)際情況。具體參數(shù)取值如下：LID設(shè)施模型構(gòu)建中，雨水花臺、生物滯留帶和雨水花園的護(hù)壁高度設(shè)置為200 mm；設(shè)施表面粗糙度(曼寧n值)0.05；設(shè)施表面坡度分別取0.02、0.03、0.015。產(chǎn)匯流和設(shè)施土壤模型參數(shù)取值見表3～5。

表3 ICM產(chǎn)流表面參數(shù)取值Table 3 ICM runoff surface parameters

表4 ICM匯流模型參數(shù)取值Table 4 Parameter value of ICM concentration model

表5 LID設(shè)施土壤參數(shù)取值Table 5 Soil parameter value of lid facilities

3.3 設(shè)計(jì)降雨曲線

雨型主要用于反映暴雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程，雨型不同，得到的降雨徑流結(jié)果也有很大差異。凱弗(Keifer)和丘(Chu)基于暴雨強(qiáng)度公式提出芝加哥雨型(簡稱K．C法)，短歷時(shí)雨洪模擬一般采用K．C法2 h設(shè)計(jì)暴雨雨型[17-18]。本研究選用萬州區(qū)典型年2009年(單年年降雨總量、累計(jì)降雨頻率曲線與多年的相近程度均較高，且與多年年均降水量相對誤差較小的年份)實(shí)測5 min降雨數(shù)據(jù)序列合成典型年降雨曲線(圖5)，對小區(qū)改造前后年徑流總量控制率和年徑流污染去除率進(jìn)行模擬評估。采用K．C法，基于萬州區(qū)2017年修訂暴雨強(qiáng)度公式，綜合雨峰位置系數(shù)r取0.35，合成1年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、30年一遇、50年一遇2h暴雨過程線(圖6)，對小區(qū)改造前后內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬評估。

圖5 典型年實(shí)測5 min降雨曲線Fig.5 5 min rainfall curve measured in typical years

圖6 設(shè)計(jì)2 h歷時(shí)K．C雨型曲線Fig.6 Design of 2 h duration K.C rain pattern curve

4 模擬結(jié)果與效能評估

4.1 改造指標(biāo)評估

在基于InfoWorks_ICM軟件建立的小區(qū)海綿系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)中，采用萬州區(qū)典型年5 min降雨曲線，進(jìn)行一年的連續(xù)降雨模擬，評估全年雨水徑流、蒸發(fā)、下滲等情況。模擬結(jié)果表明：改造后小區(qū)典型年峰值降雨徑流量削減明顯(圖7)；小區(qū)年降水量 16 544.83 m3，改造前年徑流總量13 384.7 m3，改造后年徑流總量6 358.7 m3；改造后年徑流總量控制率由改造前的19.10%提升至61.57%，滿足規(guī)劃指標(biāo)(圖8)。

圖7 典型年峰值降雨徑流模擬過程Fig.7 Simulation process of typicalannual peak rainfall runoff

(a) 改造前

(b) 改造后圖8 改造前后典型年徑流模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results of typicalannual runoff before and after reconstruction

SS和COD是地表徑流中主要污染物，且SS通常與COD、氮、磷等指標(biāo)具有一定相關(guān)性，本設(shè)計(jì)采用SS作為徑流污染物控制指標(biāo)[19-20]。根據(jù)LID設(shè)施對SS的平均去除率和對應(yīng)的年徑流總量控制率的乘積計(jì)算年徑流污染物負(fù)荷削減率。參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，透水瀝青SS去除率范圍80%～90%，本方案取80%；雨水花園、雨水花臺和生物滯留帶屬于復(fù)雜型生物滯留設(shè)施，SS去除率范圍70%～95%，本方案取85%；普通屋面和硬質(zhì)鋪裝SS去除忽略不計(jì)；綠地SS去除率取73%[21]。計(jì)算結(jié)果表明，改造后年徑流污染物負(fù)荷削減率由改造前的7.12%提升至49.69%，滿足規(guī)劃指標(biāo)。

4.2 不同重現(xiàn)期下內(nèi)澇積水評估

在基于InfoWorks_ICM軟件構(gòu)建的1D/2D耦合模型，以設(shè)計(jì)1年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇、30年一遇、50年一遇2h歷時(shí)K．C降雨過程線作為降雨事件，對小區(qū)改造前后內(nèi)澇積水情況進(jìn)行模擬和評估。

4.2.1海綿化改造前

1年一遇降雨強(qiáng)度下，小區(qū)雨水系統(tǒng)過流能力嚴(yán)重不足，一半以上的雨水管道處于超負(fù)荷狀態(tài)，2座雨水井發(fā)生溢流，溢流深度0～0.1 m，小區(qū)東南側(cè)出現(xiàn)小面積內(nèi)澇積水，積水深度小于0.2 m；3年一遇、5年一遇降雨強(qiáng)度下，處于超負(fù)荷狀態(tài)的雨水管道比例上升至2/3，共4座雨水井發(fā)生溢流，溢流深度介于0.1～0.2 m，東南側(cè)內(nèi)澇積水面積大幅增加，大部分積水深度超過0.2 m；10年一遇、30年一遇、50年一遇降雨強(qiáng)度下，處于超負(fù)荷狀態(tài)的雨水管道比例達(dá)到3/4，小區(qū)東側(cè)的雨水井幾乎全部發(fā)生不同程度溢流，東南側(cè)內(nèi)澇積水面積急劇增加，大部分點(diǎn)位積水深度超過0.3 m(圖9(a)～(f))。

(a) 1年一遇降雨模擬(改造前)

(b) 3年一遇降雨模擬(改造前)

(c) 5年一遇降雨模擬(改造前)

(d) 10年一遇降雨模擬(改造前)

(e) 30年一遇降雨模擬(改造前)

(f) 50年一遇降雨模擬(改造前)

(g) 1年一遇降雨模擬(改造后)

(h) 3年一遇降雨模擬(改造后)

(i) 5年一遇降雨模擬(改造后)

(j) 10年一遇降雨模擬(改造后)

(k) 30年一遇降雨模擬(改造后)

(l) 50年一遇降雨模擬(改造后)圖9 海綿改造前后內(nèi)澇積水模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of waterlogging and ponding before and after sponge reconstruction

4.2.2海綿化改造后

1年一遇降雨強(qiáng)度下，小區(qū)約1/4雨水管道仍存在超負(fù)荷狀態(tài)，但程度較改造前明顯減弱，溢流和內(nèi)澇積水現(xiàn)象未見發(fā)生；3年一遇降雨強(qiáng)度下，雨水管道超負(fù)荷狀態(tài)略有增加，僅1座雨水井開始出現(xiàn)輕微溢流，小區(qū)地面未出現(xiàn)內(nèi)澇積水現(xiàn)象；5年一遇降雨強(qiáng)度下，仍僅有1座雨水井發(fā)生溢流，小區(qū)地面開始出現(xiàn)小面積內(nèi)澇積水現(xiàn)象，局部最大積水深度0.2 m；10年一遇降雨強(qiáng)度下，小區(qū)發(fā)生溢流的雨水井增加至2座，地面內(nèi)澇積水現(xiàn)象變化不大；30年一遇、50年一遇降雨強(qiáng)度下,小區(qū)雨水管道超負(fù)荷狀態(tài)有所增加，小區(qū)發(fā)生溢流的雨水井增加至3座，但最大溢流深度均未超過0.1 m，地面內(nèi)澇積水現(xiàn)象增加較為明顯，局部最大內(nèi)澇積水深度超過 0.3 m(圖9(g)～(l))。

5 結(jié) 論

a. 改造后小區(qū)年徑流總量控制率和年徑流SS負(fù)荷削減率均達(dá)到規(guī)劃指標(biāo)要求。

b. 改造后小區(qū)內(nèi)澇積水現(xiàn)象改善顯著，低暴雨重現(xiàn)期雨水減控效果尤為明顯。內(nèi)澇積水暴雨重現(xiàn)期由改造前不足1年一遇提高至5年一遇，大于5年一遇暴雨重現(xiàn)期小區(qū)仍會發(fā)生輕微內(nèi)澇積水，但內(nèi)澇積水面積已大幅縮減至改造前的1/5以下，暴雨重現(xiàn)期與內(nèi)澇積水程度具有顯著相關(guān)性。

c. 基于InfoWorks_ICM構(gòu)建的1D/2D耦合小區(qū)排水模型能夠準(zhǔn)確地模擬山地城市老舊建筑小區(qū)全年雨水徑流、蒸發(fā)、下滲等過程，并對改造后不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下內(nèi)澇積水情況進(jìn)行直觀有效的評估。