周思敏 ，侯精明 ，高徐軍，李繼成，武華萍，呂 鵬，楊 霄，陳至立，張學(xué)弟，薛樹(shù)紅

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;3. 陜西省水生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)研究中心，西安 710065;4. 西安高新一中灃東中學(xué),西安 710086)

0 前 言

由于城市化進(jìn)程加快[1]、排水管網(wǎng)老舊復(fù)雜，過(guò)量的建筑密度導(dǎo)致下墊面不透水占比過(guò)高。當(dāng)極端降雨發(fā)生時(shí)，極易引起城市內(nèi)澇。2016年7月24日晚，西安城區(qū)遭遇極端暴雨，降雨量超過(guò)50年一遇雨量，小寨十字及周邊多個(gè)街區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，雨水倒灌地鐵，整個(gè)區(qū)域交通一度癱瘓，造成較大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失[2]。為應(yīng)對(duì)城市水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)在老舊城區(qū)推行了海綿城市建設(shè)理念[3]，海綿城市的提出為解決老舊城市內(nèi)澇問(wèn)題提供了新理念及方向。當(dāng)前多采用數(shù)值模擬的方式對(duì)海綿城市的建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)估，如謝凌鋒[4]等基于SWMM分析福州某小區(qū)的LID改造措施對(duì)管道出口斷面的徑流的影響，結(jié)果表明多種LID組合可以有效減少洪澇災(zāi)害；黃雪林等人[5]采用SWMM對(duì)海綿城市高架路進(jìn)行模擬分析，得出了LID設(shè)施對(duì)高架路徑流總量、峰值削減的控制效果顯著；邵遲等人運(yùn)用MIKE軟件模擬了園區(qū)的雨水運(yùn)行情況，結(jié)果顯示園區(qū)可抵御20年一遇內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[6]。

上述研究?jī)H對(duì)某一小區(qū)域進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，未從城市片區(qū)的角度分析海綿城市建設(shè)對(duì)于內(nèi)澇的影響，并且忽略了伴隨降雨徑流的城市地表污染物輸移過(guò)程。本文采用二維數(shù)值模型對(duì)西安市雁塔區(qū)小寨老城區(qū)海綿改造下的降雨致澇和污染物輸移過(guò)程進(jìn)行模擬，研究小寨老城區(qū)海綿改造前后的內(nèi)澇狀況，為未來(lái)海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供有利支撐。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于西安市雁塔區(qū)，位置如圖1所示。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸季風(fēng)性氣候，冷暖干濕四季分明。年降水量在522.4～719.5 mm，夏季的降水量明顯高于其他季節(jié)，降水量均值達(dá)230.0 mm,汛期易發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)降雨[7-8]。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位圖

2 模型介紹

本文采用1套耦合完整水文過(guò)程的二維地表水動(dòng)力模型。該模型可高效模擬城市內(nèi)澇、江河洪水、山洪及潰壩過(guò)程、泥沙輸移及河床演變等過(guò)程[9-10],同時(shí)采用GPU并行加速計(jì)算技術(shù)[12]，可以有效地進(jìn)行大尺度的模擬計(jì)算，極大提升模型的計(jì)算性能[13]。

模型采用Godunov類型有限體積法(FVM)對(duì)地面漫流過(guò)程控制方程進(jìn)行數(shù)值求解,地表水動(dòng)力學(xué)模擬通過(guò)數(shù)值求解二維淺水方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，且包含下滲和出流,并改進(jìn)已有的模擬算法來(lái)更好地處理復(fù)雜地形和流態(tài)等問(wèn)題。采用Godunov格式的有限體積法對(duì)二維圣維南方程進(jìn)行數(shù)值求解，所采用的控制方程的守恒形式如下所示：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

(5)

污染物輸移模擬的控制方程為對(duì)流擴(kuò)散方程：

(6)

式中:C為垂線平均污染物，mg/L；Sc為反應(yīng)項(xiàng)；ε為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。

3 模型構(gòu)建

本次小寨老城區(qū)模擬海綿改造前及改造后2種情況，依據(jù)相關(guān)降雨數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、LID布設(shè)地圖等基礎(chǔ)資料搭建模型。

3.1 降雨數(shù)據(jù)

降雨數(shù)據(jù)通過(guò)芝加哥雨型得到，芝加哥雨型為目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)雨型的主要方法，是以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的典型降雨過(guò)程[14]，暴雨強(qiáng)度公式可確定不同重現(xiàn)期及峰現(xiàn)比例下不同時(shí)刻的雨強(qiáng)，得到不同場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程，且得到的雨型效果較好，能反映大多數(shù)降雨的共性，符合短歷時(shí)暴雨特征。小寨區(qū)域設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)由西安暴雨公式計(jì)算，取雨峰位置系數(shù)為0.35，選用降雨重現(xiàn)期分別為2、20、50年，降雨歷時(shí)為120 min的設(shè)計(jì)暴雨，暴雨強(qiáng)度公式如下：

(7)

式中：i為暴雨強(qiáng)度，mm/h；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

3.2 地形及下滲數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確模擬城市內(nèi)澇和降雨徑流過(guò)程有重要意義。研究區(qū)域采用GIS平臺(tái)獲取12.5 m地形數(shù)據(jù)，并通過(guò)影像數(shù)據(jù)及實(shí)地踏勘，通過(guò)GIS進(jìn)行進(jìn)一步矯正，其網(wǎng)格精度約可達(dá)12.5 m，網(wǎng)格數(shù)共27.5萬(wàn)個(gè),研究區(qū)域數(shù)字高程見(jiàn)圖2。另外，根據(jù)高清正射影像圖，采用最大似然分類法將所構(gòu)建的網(wǎng)格單元分為居住用地、醫(yī)療用地、行政用地、工業(yè)用地、商業(yè)用地、綠地、道路及LID設(shè)施等8種土地利用類型，土地利用分類見(jiàn)圖3。 每種土地利用的糙率選取按照城市排澇相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)確定，各土地利用類型的穩(wěn)定下滲率按具體土壤類型確定，并考慮植被的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]，采取等效下滲的方法，將排水效果量化，將管網(wǎng)排水等效為對(duì)應(yīng)的下滲過(guò)程計(jì)入模型進(jìn)行計(jì)算，以此表征全區(qū)管網(wǎng)效果[17]。不同下墊面的穩(wěn)定下滲率與曼寧糙率值如表1所示。

圖2 研究區(qū)域數(shù)字高程圖

圖3 土地利用分類圖

表1 小寨下墊面曼寧系數(shù)表

4 模擬結(jié)果

4.1 降雨致澇模擬結(jié)果

對(duì)小寨老城區(qū)海綿城市建設(shè)前不同重現(xiàn)期短歷時(shí)暴雨(2年一遇、20年一遇、50年一遇)的內(nèi)澇情況進(jìn)行模擬分析。根據(jù)城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將研究區(qū)積水程度分為4級(jí)：路面積水深度在3 cm以下為Ⅰ級(jí)(無(wú)內(nèi)澇);3～10 cm之間為Ⅱ級(jí)(輕度內(nèi)澇);10～25 cm之間為Ⅲ級(jí)(中度內(nèi)澇);超過(guò)25 cm為Ⅳ級(jí)(嚴(yán)重內(nèi)澇);Ⅲ、Ⅳ級(jí)內(nèi)澇積水深度較大，嚴(yán)重影響城市居民生活。重點(diǎn)對(duì)Ⅲ、Ⅳ級(jí)內(nèi)澇進(jìn)行對(duì)比分析[18]，海綿城市建設(shè)前不同降雨重現(xiàn)期下全區(qū)域積水點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖4～6所示。

圖4 2年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

圖5 20年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

圖6 50年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

2年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，全區(qū)有3處明顯積水，僅為Ⅱ級(jí)(輕度內(nèi)澇)道路積水，并不影響居民正常生活；在20年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，出現(xiàn)15處積水；在50年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，出現(xiàn)29處積水。綜合全區(qū)范圍內(nèi)積水點(diǎn)位，小寨十字積水情況最為嚴(yán)重。由海綿設(shè)施建設(shè)前內(nèi)澇模擬情況可知，對(duì)于全區(qū)域而言，在2年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，研究區(qū)域僅有少量積水；設(shè)計(jì)降雨為5年一遇時(shí)，研究區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)明顯積水情況。對(duì)于同一降雨重現(xiàn)期，起初降雨強(qiáng)度小于下滲速率，研究區(qū)域無(wú)積水；隨著降雨強(qiáng)度的增加，下滲飽和后地表開(kāi)始產(chǎn)生積水，地表內(nèi)澇積水總量和積水總面積均逐漸增大。此外，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，研究區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)明顯積水，且積水范圍逐漸擴(kuò)大，積水點(diǎn)分布增多，全區(qū)域積水情況嚴(yán)重。

不同降雨重現(xiàn)期下海綿城市建設(shè)后全區(qū)域積水點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖7～9所示。

圖7 2年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

圖8 20年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

圖9 50年一遇設(shè)計(jì)降雨下t=2.333 h時(shí)內(nèi)澇模擬情況圖

對(duì)于全區(qū)域而言，2年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，研究區(qū)域并未出現(xiàn)明顯積水；20年一遇降雨條件下，全區(qū)出現(xiàn)約5處積水情況，但僅為Ⅱ級(jí)(輕度內(nèi)澇)及以下道路積水情況，并未出現(xiàn)中度及以上內(nèi)澇；50年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，全區(qū)只有13處明顯積水。由于在提高管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)的前提下在區(qū)域內(nèi)添加綠色措施，提高了部分區(qū)域的下滲能力，并配合管網(wǎng)排水，提升了小寨區(qū)域的雨水徑流控制能力。因此，在海綿改造后小寨區(qū)域的積水明顯減少。

小寨老城區(qū)海綿改造前后積水水量結(jié)果如圖10所示。2、20、50 a重現(xiàn)期積水水量峰值分別消減62.04%、37.13%、32.43%。結(jié)果表明，海綿改造后，在各降雨重現(xiàn)期條件下，積水水量均有削減，但隨著降雨重現(xiàn)期增大，積水水量削減率逐漸減小。

圖10 不同重現(xiàn)期建設(shè)前后水量對(duì)比圖

4.2 污染物輸移過(guò)程模擬

城市地表污染物主要包括固體懸浮物、富營(yíng)養(yǎng)化、耗氧物質(zhì)及有毒物質(zhì)。它們主要來(lái)源于：① 交通工具銹蝕產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)、機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的廢氣、大氣干濕沉降物、輪胎和剎車摩擦產(chǎn)生的物質(zhì)以及居民煙囪釋放的煙塵等；② 生活垃圾、樹(shù)葉、草及雜亂廢棄物的堆放，使得城市徑流中有大量的耗氧有機(jī)物(有機(jī)無(wú)毒物)。這些污染物主要分布在街道路面，因此，本次模擬假設(shè)污染物分布在街道十字路口等極易受雨水沖刷的區(qū)域，采用不同重現(xiàn)期(50年一遇、20年一遇、2年一遇)降雨驅(qū)動(dòng)污染物輸移，污染物初始濃度均設(shè)為1 mg/L，模擬固體懸浮物等在不同工況下的輸移過(guò)程。

圖11～13為不同降雨重現(xiàn)期下，地表污染物分別在t=0、4 800、9 600、14 400 s時(shí)刻，隨降雨徑流的輸移運(yùn)動(dòng)情況。污染物在降雨徑流的作用下隨時(shí)間推移不斷發(fā)生輸移，污染物擴(kuò)散面積逐漸增大。且由于研究區(qū)域西北地勢(shì)較低，因此在雨水徑流的運(yùn)載下污染物向西北區(qū)域擴(kuò)散較多。并且各個(gè)重現(xiàn)期下污染物擴(kuò)散面積由大到小依次為：50年一遇、20年一遇、2年一遇，表明不同降雨重現(xiàn)期下，污染物輸移規(guī)律不同，不同的土地利用類型和地形高程的變化都對(duì)污染物輸移產(chǎn)生影響。

圖11 50年一遇降雨重現(xiàn)期污染物輸移圖

圖12 20年一遇降雨重現(xiàn)期污染物輸移圖

圖13 2年一遇降雨重現(xiàn)期污染物輸移圖

5 結(jié) 論

本文以小寨老城區(qū)為研究對(duì)象，利用二維雨洪數(shù)值模型模擬分析各重現(xiàn)期的降雨致澇和污染物輸移，對(duì)該老城區(qū)的污染物輸移過(guò)程以及海綿城市建設(shè)的防澇效果進(jìn)行評(píng)估，得到如下結(jié)論：

(1) 海綿城市建設(shè)對(duì)于小寨區(qū)域的內(nèi)澇防治有明顯效果。對(duì)于全區(qū)域而言，2、20、50 a重現(xiàn)期積水水量峰值分別消減62.04%、37.13%、32.43%。

(2) 模型研究分析了海綿城市建設(shè)前的污染物輸移，得到了2年、20年、50年一遇3個(gè)不同降雨重現(xiàn)期下污染物的詳細(xì)輸移過(guò)程，污染物在研究區(qū)域西北處擴(kuò)散范圍最大；且污染物擴(kuò)散面積由大到小相應(yīng)降雨重現(xiàn)期依次為：50年一遇、20年一遇、2年一遇降雨重現(xiàn)期。