【摘" " 要】：為驗證海綿城市設施建設對提高現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)應對不同重現(xiàn)期降雨能力的作用，在不提高現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)設計規(guī)模的前提下，引入海綿城市設施，利用SWMM模型模擬已建成的設計重現(xiàn)期1 a的現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)增加海綿城市設施前后 1、3、5 a設計重現(xiàn)期條件下雨水系統(tǒng)徑流。結(jié)果表明，增加海綿設施后，系統(tǒng)滿足3 a設計重現(xiàn)期條件下雨水排放的要求，對設計重現(xiàn)期為5 a的降雨也有較好地排放能力。

【關鍵詞】：海綿城市；雨水系統(tǒng)；設計重現(xiàn)期

Research on Rainwater System Reconstruction Strategies under the Sponge

City Concept

REN Yanqin1，WANG Shaohua2

（1 .Tianjin City Planning and Design Research Institute，Tianjin 300191，China；2.Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research

Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392，China）

【Abstract】：In order to verify the ability of sponge city facilities to improve the ability of the current rainwater system to cope with rainfall in different return periods， introducting of sponge city facilities without increasing the design scale of the current rainwater systerm， this paper uses the SWMM model to simulate the runoff of the rainwater system under the conditions of 1 year， 3 year and 5 year design return periods after the completion of the current rainwater system with a design return period of 1 year and the addition of sponge city facilities. The results show that after adding sponge facilities， the system meets the needs of rainwater discharge under the condition of 3 year design return period， and has better discharge capacity for rainfall with a design return period of 5 years.

【Key words】：sponge city；rainwater system；design return period

隨著城市化進程加快，城市下墊面不斷硬化，加之近些年極端暴雨天氣頻發(fā)，導致雨水徑流量增大。我國大部分雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設計重現(xiàn)期為1 a甚至低于1 a。以天津市為例，根據(jù)相關資料統(tǒng)計，截至2015年，中心城區(qū)設計重現(xiàn)期1 a及以下標準雨水管道占比達73.5%。海綿城市提倡在地塊設置低影響開發(fā)（LID）調(diào)蓄設置，實行源頭減排策略，削減地塊外排雨水量，利用海綿城市建設理念，對雨水系統(tǒng)已經(jīng)建成的區(qū)域進行改造，對地塊雨水進行調(diào)蓄，可以減輕雨水系統(tǒng)運行壓力。國內(nèi)較為成功的案例有北京奧林匹克公園、上海世博園和深圳光明新區(qū)示范項目等[1]。

本文以某雨水系統(tǒng)為例，研究地塊增設海綿城市設施，對現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，為現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)改造提供一種可行的解決方案。

1 工程概況

某雨水系統(tǒng)服務范圍236.37 hm2，設計重現(xiàn)期為1 a，市政雨水管道及雨水泵站均已建成，系統(tǒng)內(nèi)地塊尚未開發(fā)。雨水管道總長度7.62 km，管徑DN600 mm及3 000 mm（寬）×2 480 mm（高）；雨水泵站設計規(guī)模18.0 m3/s，共設置6臺水泵，單泵流量3 m3/s。見圖1。

2 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)能力評估

本文采用SWMM模型對雨水系統(tǒng)進行模擬研究。SWMM暴雨管理模型由產(chǎn)流模型、匯流模型和管網(wǎng)水動力模型組成，動態(tài)模擬降水-徑流過程，主要用于城市排水、防澇工程的規(guī)劃、設計、管理等，已經(jīng)在許多國家和地區(qū)進行廣泛應用[2]。

2.1 參數(shù)設定

2.1.1 降雨數(shù)據(jù)

根據(jù)項目所在區(qū)域的暴雨強度公式，分別生成1、3 a重現(xiàn)期120 min的設計降雨量，再根據(jù)設計暴雨雨型分配表生成對應的降雨序列。見圖2。

2.1.2 雨水系統(tǒng)

由于受各種條件限制，SWMM模型中部分參數(shù)不能得到準確數(shù)值及初始值，常用經(jīng)驗或者參數(shù)優(yōu)化方法確定[3]。

由于雨水系統(tǒng)匯流范圍內(nèi)的地塊尚未開發(fā)，根據(jù)規(guī)劃地塊性質(zhì)及國內(nèi)類似項目經(jīng)驗，確定雨水系統(tǒng)徑流系數(shù)為0.6、匯水區(qū)不透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.012、透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.20、不透水區(qū)洼蓄量2.1 mm、透水區(qū)洼蓄量7.2 mm、最大入滲率75.2 mm/h、最小入滲率3.8 mm/h、無洼蓄比例25%。雨水下滲采用霍頓下滲模型，雨水系統(tǒng)匯流采用動態(tài)波進行模擬。

2.2 雨水泵站

開泵按照雨水泵站設計最低水位、最高水位及水泵臺數(shù)進行控制。見表1。

1）1 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。所有雨水節(jié)點均未冒溢；所有雨水管道均未超載，29.22%的雨水管道長度充滿度＜50%，90.26%的雨水管道充滿度＜80%，說明現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)可以滿足1 a一遇的降雨的排水要求。見圖3。

泵站排水流量呈先增大后減小的趨勢；最高流量出現(xiàn)在降雨開始1 h，比降雨出現(xiàn)峰值時間滯后30 min，最大排水流量15.83 m3/s，未達到泵站設計規(guī)模。說明現(xiàn)狀雨水泵站可以滿足1 a一遇的降雨的排水需求。見圖4。

2）3 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。所有雨水管道均超載，超載時長0.46～1.56 h；其中，40.2%雨水管道超載時長超過1 h，超載問題較為嚴重。見表2。

全部38個雨水節(jié)點中，23個節(jié)點冒溢，占比60.5%，主要分布于雨水系統(tǒng)起點管段，由于上述管段管徑偏小，過水能力不足，在高重現(xiàn)降雨條件下，無法及時排除地塊積水，導致管道冒溢。見圖5。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開始后45 min，比降雨出現(xiàn)峰值時間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規(guī)模。見圖6。

現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)已無法滿足3 a一遇降雨的排水需求。

3 雨水系統(tǒng)改造方案

鑒于雨水管道及雨水泵站均已修建完成，按照3 a一遇重現(xiàn)期對管道進行改造難度很大；因此，結(jié)合海綿城市建設理念，對尚未建設的地塊，進行海綿城市年徑流總量控制指標分解，以期達到控制地塊雨水徑流、緩解雨水系統(tǒng)壓力的目的。

3.1 海綿城市方案

相關研究表明，不同LID設施對區(qū)域雨洪削減和滯留效果不同，從徑流量來看，下凹式綠地發(fā)揮的作用優(yōu)于其他LID設施[4]。鑒于下凹式綠地占地面積很小、綠化效果好，修建在不透水面積率大的城區(qū)，對地面徑流有很好的消減作用[5]等特點，故在研究區(qū)域內(nèi)設置下凹式綠地。

根據(jù)地塊的規(guī)劃屬性，考慮結(jié)合地塊綠化部分設置下凹式綠地，對雨水進行源頭調(diào)蓄。按照地塊30%綠化率，40%綠化面積可用于設置下凹式綠地，下凹式綠地有效深度定為150 mm，可滿足設計降雨量30.2 mm條件下，地塊雨水不外排，對應年徑流總量控制率＞80%。見表3。

3.2 改造后雨水系統(tǒng)能力

1）3 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。3 a一遇降雨條件下，雨水節(jié)點未冒溢；雨水系統(tǒng)下游部分管道超載，管長占比21.9%；超載時長0.01～0.35 h。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開始后50 min，比降雨出現(xiàn)峰值時間滯后20 min，泵站最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規(guī)模。見圖7。

可以看出，由于海綿設施的設置，雨水系統(tǒng)流量峰值一定程度上滯后出現(xiàn)。

越靠近雨水泵站，管道超載深度越大，說明由于雨水泵站的能力不足，系統(tǒng)末端排水不暢，導致管道超載。管道最大水深出現(xiàn)的時間節(jié)點與泵站最大流量出現(xiàn)的時間節(jié)點相比，滯后約10 min，也證明了管道超載是由于受到了泵站設計能力的制約。見圖8。

選取一段起點雨水管道，對比增加海綿設施前后的瞬時流量。增加了海綿設施后，雨水管道最高瞬時流量由0.91 m3/s下降到0.82 m3/s，證明海綿設施對降低管道峰值流量起到了一定的作用。見圖9。

總體來看，增加了海綿設施后，現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)可以滿足3 a一遇降雨條件下的排水要求，證明基于海綿理念的雨水系統(tǒng)改造策略是可行的。

2）5 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。為驗證地塊增加海綿城市設施后，雨水管道系統(tǒng)的承載能力，采用5 a一遇的降雨數(shù)據(jù)對雨水系統(tǒng)進行模擬分析。見圖10。

超載主要發(fā)生在下游主干管道，管長占比66.0%；超載時長0.01～0.78 h，54.0%雨水管道超載時長不超過0.5 h，雨水系統(tǒng)處于較為安全的狀態(tài)。見圖11和表4。

全部38個雨水節(jié)點中，只有系統(tǒng)起點2個雨水節(jié)點出現(xiàn)節(jié)點冒溢問題，冒溢時間＜10 min。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開始后45 min，比降雨出現(xiàn)峰值時間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達到泵站設計規(guī)模，最大流量時長約1.833 3 h。可見，由于降雨強度的增加，需要排除的雨水量增大，現(xiàn)狀雨水泵站需要開啟更長的時間。見圖12。

總體來看，現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)雖然大部分處于超載狀態(tài)且局部節(jié)點冒溢，但冒溢時間較短，整個雨水系統(tǒng)處于較為安全的狀態(tài)。改造后的雨水系統(tǒng)基本可以滿足5 a一遇降雨的排水要求。

4 結(jié)論

1）現(xiàn)狀1 a一遇的雨水系統(tǒng)，在3 a一遇的降雨條件下，雨水系統(tǒng)排水能力嚴重不足，無法及時排除地塊積水，導致管道大面積冒溢。

2）增設海綿城市設施后，在不改變現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)管徑及雨水泵站設計規(guī)模的情況下，雨水系統(tǒng)可以有效應對3 a一遇的降雨，除個別管道有短時間超載外，其余管道均運行正常，無節(jié)點冒溢問題。

3）增設海綿城市設施后，對5 a一遇的降雨也有較好的應對能力；雖有個別節(jié)點冒溢，但時間較短，證明海綿城市設施改造雨水系統(tǒng)應對較高設計重現(xiàn)期降雨的策略是可行的。

參考文獻：

[1]唐清華，何沛英，朱志華，等.已建城市排水管網(wǎng)的排澇能力評估方法[J].熱帶地理，2016，36（4）：626-632.

[2]鄭志宏，段曉涵，趙" " 飛．基于暴雨洪水管理模型的低影響開發(fā)設施應用研究[J]．水利水電技術(shù)，2018，49（9）：32-40．

[3]常曉棟，徐宗學，趙" " 剛，等．山前平原型城市雨洪模擬與應用——以濟南市為例[J]．水力發(fā)電學報，2018，37（5）：107-116．

[4]朱" " 梅，何君濤，黎江少，等. 基于 SWMM 模型的不同LID設施對雨洪控制效果模擬分析[J]. 水力發(fā)電，2020，46（3）：24-27+79．

[5]符博淵. 基于 SWMM 的西安市北片區(qū)城市雨洪模型應用研究[D].西安：西安理工大學，2016.

收稿日期：2023-04-04

作者簡介：任艷琴（1981 - ）， 女， 天津市人， 碩士， 高級工程師，從事給排水、海綿城市設計工作。