作者：李雨霏，呂永鵬，尹冠霖，莫祖瀾
摘要：針對(duì)海綿城市小區(qū)尺度采用水力模型模擬展開(kāi)研究。為確定合適的子匯水分區(qū)劃分精度，建立了三個(gè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，子匯水分區(qū)劃分精度對(duì)模型模擬的水量結(jié)果在一定程度上無(wú)較大影響，模型對(duì)水量的模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際情況有相對(duì)準(zhǔn)確的參考價(jià)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(lái)城市極端天氣頻發(fā)，由暴雨所帶來(lái)的城市內(nèi)澇問(wèn)題屢見(jiàn)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(jià)較高，無(wú)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(yùn)而生。海綿城市理念首次于2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議中被提出，并借鑒了不同國(guó)家的雨洪管理理念，通過(guò)在源頭建設(shè)雨水花園、生態(tài)樹(shù)池、植草溝、人工雨水濕地等低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施，分散調(diào)蓄徑流雨水，同時(shí)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(guò)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(lèi)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(guò)程，判斷是否出現(xiàn)積水點(diǎn)或內(nèi)澇，具有一定的參考價(jià)值。但由于尚缺乏實(shí)測(cè)資料，模型運(yùn)行的準(zhǔn)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(diǎn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)確的模擬效果，不同精度水力模型的搭建對(duì)最終結(jié)果是否有較大的影響等問(wèn)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(guó)第二批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)，建設(shè)面積79km2。臨港海綿城市建設(shè)項(xiàng)目按類(lèi)型分為公園與綠地、建筑與小區(qū)、道路與廣場(chǎng)、城市水體等，同時(shí)項(xiàng)目建設(shè)中，在具有代表性地區(qū)增設(shè)雨量計(jì)及流量監(jiān)測(cè)儀，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至臨港海綿城市智慧管控平臺(tái)，用以監(jiān)測(cè)海綿城市建設(shè)效果。本文所利用的數(shù)據(jù)全部來(lái)源于臨港海綿城市智慧管控平臺(tái)，具有一定的準(zhǔn)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(duì)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(kāi)發(fā)措施。重點(diǎn)研究地塊內(nèi)下墊面包括建筑屋面、綠地、停車(chē)位、道路及鋪裝等四類(lèi)，根據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，地塊各下墊面組成如表1所示。
表 1 研究地塊不同用地類(lèi)型及其占比
分析小區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)可知，小區(qū)整體較為平坦，高程在數(shù)值上無(wú)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(jì)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(jì)738m2，透水鋪裝合計(jì)3525㎡。
圖 1 研究地塊不同用地類(lèi)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(zhǎng)度總計(jì)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(guò)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(cè)儀，用于監(jiān)測(cè)小區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)流量變化。地塊內(nèi)無(wú)客水進(jìn)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(diǎn)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(jiǎn)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(diǎn)[1]。
2.2.2 概化結(jié)果
通過(guò)分析研究地塊的施工圖，建立SWMM雨水管網(wǎng)模型，3個(gè)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(diǎn)157個(gè)，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個(gè)，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(diǎn)59個(gè)，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個(gè)，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(diǎn)45個(gè)，管網(wǎng)末端設(shè)排放口1個(gè)，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(guò)查詢(xún)臨港海綿城市建設(shè)平臺(tái)數(shù)據(jù)，2018年8月16日0時(shí)至17日24時(shí)，總降雨量為212mm，具有典型暴雨特征。選取此典型48h暴雨實(shí)測(cè)時(shí)間序列的降雨輸入文件中，用于研究在實(shí)測(cè)暴雨情況下，不同精度模型的結(jié)果差別。時(shí)間序列間如圖3所示[5]。
圖 3 典型 48 h 暴雨實(shí)測(cè)時(shí)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(guò)參考各文獻(xiàn)及模型手冊(cè)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(diǎn)及排放口屬性。管道屬性主要包括管長(zhǎng)、管道坡度、管徑、管道曼寧系數(shù)。
2.3.2 低影響開(kāi)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(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施過(guò)程中，需編輯設(shè)定每個(gè)LID設(shè)施相關(guān)圖層的參數(shù)。在模型模擬過(guò)程中，LID設(shè)施包括表層、土壤層、蓄水層、儲(chǔ)存層、地下排水管等元素。每個(gè)圖層中的參數(shù)需單獨(dú)定義，如厚度、LID設(shè)施體積、水力傳導(dǎo)度等。在模型運(yùn)行過(guò)程中，利用水量平衡方程跟蹤每個(gè)圖層實(shí)時(shí)出入流情況，其運(yùn)行原理如圖4所示[2][4]。
圖 4 運(yùn)行原理圖
在本文模擬過(guò)程中，各類(lèi)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(guò)對(duì)模型進(jìn)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(shí)測(cè)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(shí)際測(cè)量值分析圖
3 結(jié)語(yǔ)
（1）SWMM模型對(duì)于海綿化小區(qū)改造的水量模擬具有相對(duì)準(zhǔn)確的參考價(jià)值。
（2）匯水分區(qū)的精度在一定程度上對(duì)于小區(qū)尺度的模擬結(jié)果影響不大，說(shuō)明模型對(duì)于匯水分區(qū)精度等參數(shù)并不十分敏感。
參考文獻(xiàn)
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[3]韓松磊,李田,時(shí)珍寶.低影響開(kāi)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(duì)SWMM模擬城市非點(diǎn)源的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2016(6):179-186.
作者簡(jiǎn)介
李雨霏，主要研究方向?yàn)楹＞d城市設(shè)計(jì)及水力模型模擬。現(xiàn)供職于上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司。
