作者：李雨霏，呂永鵬，尹冠霖，莫祖瀾
摘要：針對海綿城市小區(qū)尺度采用水力模型模擬展開研究。為確定合適的子匯水分區(qū)劃分精度，建立了三個精度的水力模型，即高精度水力模型、中精度水力模型、低精度水力模型，并與海綿城市建設(shè)實測數(shù)據(jù)進行了對比分析。研究結(jié)果表明，子匯水分區(qū)劃分精度對模型模擬的水量結(jié)果在一定程度上無較大影響，模型對水量的模擬結(jié)果對實際情況有相對準確的參考價值。
關(guān)鍵詞：子匯水分區(qū)劃分精度；水力模型；海綿城市
由于近些年來城市極端天氣頻發(fā)，由暴雨所帶來的城市內(nèi)澇問題屢見不鮮。城市化的發(fā)展將綠地田園演變成鋼筋水泥，導(dǎo)致城市綜合徑流系數(shù)攀升。傳統(tǒng)依靠“快排”模式的雨水管網(wǎng)造價較高，無法迅速排出大量徑流雨水，因此，源頭凈化—中途轉(zhuǎn)輸—末端調(diào)蓄協(xié)同控制的新型雨洪管理模式應(yīng)運而生。海綿城市理念首次于2013年中央城鎮(zhèn)化工作會議中被提出，并借鑒了不同國家的雨洪管理理念，通過在源頭建設(shè)雨水花園、生態(tài)樹池、植草溝、人工雨水濕地等低影響開發(fā)設(shè)施，分散調(diào)蓄徑流雨水，同時削弱城市綜合徑流系數(shù)，涵養(yǎng)水源，使城市更加具有彈性。
在海綿城市的建設(shè)過程中，水力模型如暴雨洪水管理模型（SWMM）、InfoWorksICM、MikeUrban等軟件應(yīng)用正慢慢普及，此類模型可用以模擬海綿城市建設(shè)中的徑流、匯流、管道流等過程，判斷是否出現(xiàn)積水點或內(nèi)澇，具有一定的參考價值。但由于尚缺乏實測資料，模型運行的準確性缺少數(shù)據(jù)支持，模型率定存在難度。本文借助上海臨港海綿城市建設(shè)試點平臺的數(shù)據(jù)，對模型模擬結(jié)果進行分析比較，探索水力模型是否可在海綿城市建設(shè)中起到準確的模擬效果，不同精度水力模型的搭建對最終結(jié)果是否有較大的影響等問題。
1臨港海綿城市建設(shè)背景
臨港地區(qū)位于上海市東南角，是我國第二批海綿城市建設(shè)試點區(qū)，建設(shè)面積79km2。臨港海綿城市建設(shè)項目按類型分為公園與綠地、建筑與小區(qū)、道路與廣場、城市水體等，同時項目建設(shè)中，在具有代表性地區(qū)增設(shè)雨量計及流量監(jiān)測儀，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至臨港海綿城市智慧管控平臺，用以監(jiān)測海綿城市建設(shè)效果。本文所利用的數(shù)據(jù)全部來源于臨港海綿城市智慧管控平臺，具有一定的準確性和代表性。
2案例研究
2.1 研究區(qū)域
2.1.1 區(qū)域基本介紹
本文以上海市臨港某小區(qū)作為研究對象，此小區(qū)已完成海綿化改造，建設(shè)了雨水花園、透水鋪裝等低影響開發(fā)措施。重點研究地塊內(nèi)下墊面包括建筑屋面、綠地、停車位、道路及鋪裝等四類，根據(jù)測量統(tǒng)計，地塊各下墊面組成如表1所示。
表 1 研究地塊不同用地類型及其占比
分析小區(qū)內(nèi)高程點可知，小區(qū)整體較為平坦，高程在數(shù)值上無明顯變化。因此在本模型中，高程值設(shè)定為4.2m。結(jié)合設(shè)計資料，小區(qū)內(nèi)各下墊面組成，雨水花園，透水鋪裝的改造位置如圖1所示，其中雨水花園合計738m2，透水鋪裝合計3525㎡。
圖 1 研究地塊不同用地類型及設(shè)施布置圖
2.1.2 雨水管網(wǎng)走向
地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)長度總計1844.7m，主要雨水管順主路鋪設(shè)，管徑為DN300。小區(qū)為雨污分流制，地塊內(nèi)雨水通過主干管收集后統(tǒng)一從東側(cè)排放口排出，末端雨水管管徑為DN600。末端排口處設(shè)一流量監(jiān)測儀，用于監(jiān)測小區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)流量變化。地塊內(nèi)無客水進入。
2.2 模型建立
2.2.1 概化原則
模型概化遵循如下3條原則。
（1）基于匯水分區(qū)自身的排水特征，優(yōu)先合并流向相同或具有相同排放節(jié)點的子匯水區(qū)。
（2）為降低數(shù)據(jù)輸入工作量，優(yōu)先合并面積較小的子匯水區(qū)。
（3）簡化地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，利用地塊內(nèi)主要雨水管道信息建立排水系統(tǒng)，子匯水區(qū)徑流雨水就近匯入附近管網(wǎng)節(jié)點[1]。
2.2.2 概化結(jié)果
通過分析研究地塊的施工圖，建立SWMM雨水管網(wǎng)模型，3個不同精度管網(wǎng)概化結(jié)果如下所示。
（1）高精度雨水管網(wǎng)概化結(jié)果。研究地塊內(nèi)共概化雨水管渠158段，節(jié)點157個，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個，設(shè)置在研究區(qū)域東側(cè)。
（2）中精度雨水管網(wǎng)概化結(jié)果。研究地塊內(nèi)共概化雨水管渠59段，節(jié)點59個，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個，設(shè)置在研究區(qū)域東側(cè)。
（3）低精度雨水管網(wǎng)概化結(jié)果。研究地塊內(nèi)共概化雨水管渠46段，節(jié)點45個，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個，設(shè)置在研究區(qū)域東側(cè)。
研究地塊SWMM建模圖如圖2所示。
(a)高精度建模圖
(b)中精度建模圖
(c)低精度建模圖
通過查詢臨港海綿城市建設(shè)平臺數(shù)據(jù)，2018年8月16日0時至17日24時，總降雨量為212mm，具有典型暴雨特征。選取此典型48h暴雨實測時間序列的降雨輸入文件中，用于研究在實測暴雨情況下，不同精度模型的結(jié)果差別。時間序列間如圖3所示[5]。
圖 3 典型 48 h 暴雨實測時間序列
2.4 模型參數(shù)匯總
2.4.1 產(chǎn)匯流模型參數(shù)匯總
（1）水文參數(shù)。本模型中水文參數(shù)取值表分為子匯水區(qū)不滲透性參數(shù)取值表和其他水文參數(shù)取值表，其數(shù)值通過參考各文獻及模型手冊取適宜值，分別如表2、表3所示。
表 2 子匯水區(qū)不滲透性參數(shù)
表 3 其他水文參數(shù)取值范圍
（2）水力參數(shù)。在模型中，水力參數(shù)主要包括管道屬性和相應(yīng)節(jié)點及排放口屬性。管道屬性主要包括管長、管道坡度、管徑、管道曼寧系數(shù)。
2.3.2 低影響開發(fā)設(shè)施參數(shù)匯總
在單位匯水分區(qū)中加入低影響開發(fā)（LID）設(shè)施過程中，需編輯設(shè)定每個LID設(shè)施相關(guān)圖層的參數(shù)。在模型模擬過程中，LID設(shè)施包括表層、土壤層、蓄水層、儲存層、地下排水管等元素。每個圖層中的參數(shù)需單獨定義，如厚度、LID設(shè)施體積、水力傳導(dǎo)度等。在模型運行過程中，利用水量平衡方程跟蹤每個圖層實時出入流情況，其運行原理如圖4所示[2][4]。
圖 4 運行原理圖
在本文模擬過程中，各類設(shè)施在模型中的參數(shù)設(shè)置如表4至表6所示。
表 4 滲透鋪裝系統(tǒng)模擬參考參數(shù)取值[7]
表 5 雨水花園模擬參考參數(shù)取值
2.3.3 模擬結(jié)果分析
通過對模型進行模擬分析，在2018年8月16日至2018年8月17日內(nèi)，3種精度模型模擬結(jié)果一致，且與實測流量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。
圖 5 模型模擬結(jié)果與實際測量值分析圖
3 結(jié)語
（1）SWMM模型對于海綿化小區(qū)改造的水量模擬具有相對準確的參考價值。
（2）匯水分區(qū)的精度在一定程度上對于小區(qū)尺度的模擬結(jié)果影響不大，說明模型對于匯水分區(qū)精度等參數(shù)并不十分敏感。
參考文獻
[1]莫祖瀾.基于水體自凈能力的河網(wǎng)閘泵調(diào)控優(yōu)化模型研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.
[2]李雨霏.河網(wǎng)地區(qū)高密度建成區(qū)域截流調(diào)蓄系統(tǒng)優(yōu)化方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.
[3]韓松磊,李田,時珍寶.低影響開發(fā)設(shè)施提高上海建成區(qū)排水能力的模型研究[J].給水排水,2016(10):52-56.
[4] 秦攀,雷坤,喬飛,等.子匯水區(qū)劃分精度對SWMM模擬城市非點源的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2016(6):179-186.
作者簡介
李雨霏，主要研究方向為海綿城市設(shè)計及水力模型模擬。現(xiàn)供職于上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司。
