作者：李雨霏，呂永鵬，尹冠霖，莫祖瀾
摘要：針對海綿城市小區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，并與海綿城市建設實測數據進行了對比分析。研究結果表明，子匯水分區劃分精度對模型模擬的水量結果在一定程度上無較大影響，模型對水量的模擬結果對實際情況有相對準確的參考價值。
關鍵詞：子匯水分區劃分精度；水力模型；海綿城市
由于近些年來城市極端天氣頻發，由暴雨所帶來的城市內澇問題屢見不鮮。城市化的發展將綠地田園演變成鋼筋水泥，導致城市綜合徑流系數攀升。傳統依靠“快排”模式的雨水管網造價較高，無法迅速排出大量徑流雨水，因此，源頭凈化—中途轉輸—末端調蓄協同控制的新型雨洪管理模式應運而生。海綿城市理念首次于2013年中央城鎮化工作會議中被提出，并借鑒了不同國家的雨洪管理理念，通過在源頭建設雨水花園、生態樹池、植草溝、人工雨水濕地等低影響開發設施，分散調蓄徑流雨水，同時削弱城市綜合徑流系數，涵養水源，使城市更加具有彈性。
在海綿城市的建設過程中，水力模型如暴雨洪水管理模型（SWMM）、InfoWorksICM、MikeUrban等軟件應用正慢慢普及，此類模型可用以模擬海綿城市建設中的徑流、匯流、管道流等過程，判斷是否出現積水點或內澇，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據支持，模型率定存在難度。本文借助上海臨港海綿城市建設試點平臺的數據，對模型模擬結果進行分析比較，探索水力模型是否可在海綿城市建設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果是否有較大的影響等問題。
1臨港海綿城市建設背景
臨港地區位于上海市東南角，是我國第二批海綿城市建設試點區，建設面積79km2。臨港海綿城市建設項目按類型分為公園與綠地、建筑與小區、道路與廣場、城市水體等，同時項目建設中，在具有代表性地區增設雨量計及流量監測儀，并將監測數據傳輸至臨港海綿城市智慧管控平臺，用以監測海綿城市建設效果。本文所利用的數據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 研究區域
2.1.1 區域基本介紹
本文以上海市臨港某小區作為研究對象，此小區已完成海綿化改造，建設了雨水花園、透水鋪裝等低影響開發措施。重點研究地塊內下墊面包括建筑屋面、綠地、停車位、道路及鋪裝等四類，根據測量統計，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
分析小區內高程點可知，小區整體較為平坦，高程在數值上無明顯變化。因此在本模型中，高程值設定為4.2m。結合設計資料，小區內各下墊面組成，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施布置圖
2.1.2 雨水管網走向
地塊內雨水管網長度總計1844.7m，主要雨水管順主路鋪設，管徑為DN300。小區為雨污分流制，地塊內雨水通過主干管收集后統一從東側排放口排出，末端雨水管管徑為DN600。末端排口處設一流量監測儀，用于監測小區內雨水管網流量變化。地塊內無客水進入。
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）基于匯水分區自身的排水特征，優先合并流向相同或具有相同排放節點的子匯水區。
（2）為降低數據輸入工作量，優先合并面積較小的子匯水區。
（3）簡化地塊內雨水管網系統，利用地塊內主要雨水管道信息建立排水系統，子匯水區徑流雨水就近匯入附近管網節點[1]。
2.2.2 概化結果
通過分析研究地塊的施工圖，建立SWMM雨水管網模型，3個不同精度管網概化結果如下所示。
（1）高精度雨水管網概化結果。研究地塊內共概化雨水管渠158段，節點157個，管網末端設排放口1個，設置在研究區域東側。
（2）中精度雨水管網概化結果。研究地塊內共概化雨水管渠59段，節點59個，管網末端設排放口1個，設置在研究區域東側。
（3）低精度雨水管網概化結果。研究地塊內共概化雨水管渠46段，節點45個，管網末端設排放口1個，設置在研究區域東側。
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平臺數據，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 模型參數匯總
2.4.1 產匯流模型參數匯總
（1）水文參數。本模型中水文參數取值表分為子匯水區不滲透性參數取值表和其他水文參數取值表，其數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 子匯水區不滲透性參數
表 3 其他水文參數取值范圍
（2）水力參數。在模型中，水力參數主要包括管道屬性和相應節點及排放口屬性。管道屬性主要包括管長、管道坡度、管徑、管道曼寧系數。
2.3.2 低影響開發設施參數匯總
在單位匯水分區中加入低影響開發（LID）設施過程中，需編輯設定每個LID設施相關圖層的參數。在模型模擬過程中，LID設施包括表層、土壤層、蓄水層、儲存層、地下排水管等元素。每個圖層中的參數需單獨定義，如厚度、LID設施體積、水力傳導度等。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，各類設施在模型中的參數設置如表4至表6所示。
表 4 滲透鋪裝系統模擬參考參數取值[7]
表 5 雨水花園模擬參考參數取值
2.3.3 模擬結果分析
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，3種精度模型模擬結果一致，且與實測流量數據結果如圖5所示。
圖 5 模型模擬結果與實際測量值分析圖
3 結語
（1）SWMM模型對于海綿化小區改造的水量模擬具有相對準確的參考價值。
（2）匯水分區的精度在一定程度上對于小區尺度的模擬結果影響不大，說明模型對于匯水分區精度等參數并不十分敏感。
參考文獻
[1]莫祖瀾.基于水體自凈能力的河網閘泵調控優化模型研究[D].杭州:浙江大學,2014.
[2]李雨霏.河網地區高密度建成區域截流調蓄系統優化方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2017.
[3]韓松磊,李田,時珍寶.低影響開發設施提高上海建成區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.子匯水區劃分精度對SWMM模擬城市非點源的影響[J].環境科學與技術,2016(6):179-186.
作者簡介
李雨霏，主要研究方向為海綿城市設計及水力模型模擬。現供職于上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司。
