基于水文水動力模型的海綿城市建設效果評價技術(shù)研究

王潔瑜，楊黨鋒，劉曉東，侯精明

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065；2.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048）

0 引言

海綿城市建設是促進生態(tài)文明發(fā)展的重要舉措,是改善城市水環(huán)境,提高城市水安全、修復城市生態(tài)等目標的重要手段,而由于缺乏考核制度和考核監(jiān)督壓力,嚴重阻礙海綿城市建設工作的推進[1]。截至目前,部分試點地區(qū)通過貫徹落實國家各部委制定的績效考核政策,制定績效考核機制,而為了更好地智慧化評價與考核海綿城市建設的成效,本文依托西安小寨海綿城市智慧管控系統(tǒng)項目建設的實際情況與地域特征,以信息技術(shù)為手段、以智慧管控平臺為基礎、城市監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心、考核指標為目標,信息化配套基礎設施設備為依托,海綿工程規(guī)劃設計為保障,開展基于水文水動力模型的海綿城市建設效果評價技術(shù)研究,主要涉及水文水動力模型研究、考核指標體系、城市內(nèi)澇可視化模擬研究及考核引擎研究等內(nèi)容。

1 海綿城市建設效果評價關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 海綿城市內(nèi)澇災害數(shù)值模擬可視化關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）海綿城市內(nèi)澇災害數(shù)值模擬

基于水文水動力學模型,將工程項目匯水區(qū)劃分成若干個子區(qū)域,然后根據(jù)各子區(qū)域的特點分別計算徑流過程,最后通過流量演算方法將各子區(qū)域的出流進行疊加,如圖1 所示利用MIKE FLOOD動態(tài)耦合模型將一維模型MIKE URBAN或MIKE 11 和二維模型MIKE 21 進行整合,同時結(jié)合SWMM的LID措施模型,實現(xiàn)二維可視化海綿城市建設前后地表漫流數(shù)值模擬[2-3]。

圖1 海綿城市內(nèi)澇災害數(shù)值模擬

分別設計暴雨重現(xiàn)期為5 年、10 年、20 年、50 年的短歷時降雨工況,雨型為芝加哥雨型,雨峰系數(shù)采用0.3。

式中：q為設計暴雨強度,L/（s·hm2）；t為降雨歷時,min；P為設計重現(xiàn)期,年。

（2）城市內(nèi)澇可視化模擬

目前我國將水環(huán)境數(shù)學模型與3 DGIS平臺相結(jié)合的技術(shù)還很少,相關(guān)的規(guī)范性應用方案也沒有,本應用集成平臺研究在資源整合的基礎上研究智能模型用于決策,其中決策模擬由積水深度模擬、檢查井冒水模擬及管網(wǎng)+內(nèi)澇模擬三個模塊構(gòu)成,分別根據(jù)不同重現(xiàn)期進行模擬,同時結(jié)合GIS地圖可直觀查看城市內(nèi)澇情況,見圖2。

圖2 城市內(nèi)澇可視化模擬

1.2 考核指標研究

海綿城市考核指標研究具體以住建部《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》為指導依據(jù),圍繞水安全評估、水環(huán)境評估、水生態(tài)評估及水生態(tài)評估四個方面開展相關(guān)研究,見表1[3]。

表1 小寨區(qū)域海綿城市建設前徑流控制率模擬結(jié)果

2 海綿城市考核引擎關(guān)鍵技術(shù)研究

結(jié)合考核指標體系構(gòu)建海綿城市考核信息化引擎,根據(jù)不同的考核指標進行相關(guān)內(nèi)容計算過程及模擬表達研究[4-6]。

（1）年徑流總量控制率指標及考核引擎

1）指標計算

年降雨徑流控制率可通過統(tǒng)計、計算獲取,滿足考核要求需RAV大于85%,其見式（2）：

式中：RAV為地塊項目/區(qū)域的年徑流總量控制率；Vi為監(jiān)測范圍內(nèi)年降雨總量,L；V0為地塊監(jiān)測范圍降雨的總外排量,L。每場降雨外排徑流量可由地塊的外排井內(nèi)流量計計量。

2）考核引擎

年徑流總量控制率考核引擎分別根據(jù)試點區(qū)域、排水分區(qū)、項目地塊及規(guī)劃地塊進行徑流控制計算模擬,同時聯(lián)動雨量站在線監(jiān)測設施設備實時計算模擬全年降雨量,見圖3。

圖3 年徑流總量控制率計算考核引擎

3）模擬結(jié)果

系統(tǒng)基于徑流控制率計算機理,聯(lián)動接入數(shù)值模擬計算來進行效果評估判定。主要模擬研究區(qū)域全區(qū)在5 年、10 年、20 年、50 年一遇的設計降雨重現(xiàn)期條件下,降雨歷時2 小時情況下建設前與建設后各匯水分區(qū)及全區(qū)的徑流總量控制率。模擬結(jié)果表明：在17.2 mm2 h設計降雨情況下,建設前整體試點區(qū)徑流控制率為70.59%,建設后整體試點區(qū)徑流控制率為91.28%。建設前各重現(xiàn)期徑流控制率分別為66.60%、64.56%、62.42%、59.62%。

考核引擎計算結(jié)果表明建設區(qū)域進行海綿設施改造后,設計降雨17.2 mm的徑流控制率可達91.28%,滿足80%的考核要求。17.2 mm、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇2 h設計降雨條件下研究區(qū)域徑流控制率分別為91.28%、86.28%、82.90%、79.53%、75.27%。綜上所述,建設LID措施和雨水調(diào)蓄池后,徑流控制率顯著提高,設計降雨重現(xiàn)期較小時,大部分降雨水量會留在當?shù)?可滿足徑流總量控制率的要求。

（2）城市面源污染控制率考核引擎

1）指標計算

①單項設施

對于單項設施,日降雨徑流中各污染物負荷削減率由入流及外排徑流污染物平均濃度按式（3）計算出：

式中：Ri為第i日降雨中SS污染物負荷削減率；C入、C出分別為第i日降雨中SS的入流平均濃度和外排平均濃度,mg/L；V入、V出分別為第i日降雨入流徑流及外排徑流體積,L。

②排水分區(qū)及地塊

對于排水分區(qū)和地塊類項目由于難以獲得徑流源頭水質(zhì),需實測屋頂、道路、綠地等類型的徑流水質(zhì),計算不同下墊面污染物輸出系數(shù),同時借助GIS等軟件提取不同下墊面面積,地塊或排水分區(qū)上的污染負荷；地塊或排水分區(qū)的外排污染負荷可按外排口的實測水質(zhì)和流量計算獲得,再按式（4）、式（5）計算日降雨徑流污染物負荷削減率和年降雨徑流污染物負荷削減率：

2）考核引擎

城市面源污染控制率考核引擎分別根據(jù)試點區(qū)域、排水分區(qū)、項目地塊及規(guī)劃地塊進行面源污染計算模擬,見圖4。

圖4 凍融循環(huán)過程中的介電常數(shù)

圖4 凍融循環(huán)過程中的介電常數(shù)

3）模擬結(jié)果

系統(tǒng)基于城市面源污染計算機理,聯(lián)動接入數(shù)值模擬計算來進行效果評估判定。主要模擬了重現(xiàn)期為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇設計暴雨,降雨歷時2 h等不同情況下建設前及建設后整體區(qū)域的面源污染控制率。不同降雨條件下建設前后整體區(qū)域模擬結(jié)果分別見表4~表5。

表4 小寨區(qū)域海綿城市建設前面源污染模擬結(jié)果

表5 小寨區(qū)域海綿城市建設后面源污染模擬結(jié)果

綜上所述,海綿建設前后城市面源污染明顯削減,可根據(jù)考核結(jié)果直接得到預期效果。

（3）熱島效應考核引擎

1）指標計算

取海綿城市建設前區(qū)域內(nèi)夏季（按6月~9月）日平均氣溫與周邊區(qū)（郊區(qū)和鄉(xiāng)村）日平均氣溫的差值T1；

取海綿城市建設前區(qū)域評價年的前一年夏季（按6月~9月）日平均氣溫與周邊區(qū)（郊區(qū)和鄉(xiāng)村）日平均氣溫的差值T2；

比較T1和T2的差值△T,比較△T的值是否有下降趨勢。

2）考核引擎

熱島效應考核引擎分別根據(jù)城郊區(qū)域、試點區(qū)進行監(jiān)測考核,聯(lián)動溫度站在線監(jiān)測設施設備對比分析區(qū)域內(nèi)外溫度變化趨勢,見圖5。

圖5 熱島效應考核引擎

（4）城市排水及內(nèi)澇點防治考核引擎

1）指標計算

雨水資源利用率通過以下公式計算：

式中：Rw為雨水資源利用率,%；∑v為各雨水收集設施雨水利用量,m3；V為年均降水總量或市政雜用水總量,m3。

雨水資源利用率監(jiān)測與評估工作以雨水利用量監(jiān)測為主,分別從社區(qū)地塊、排水分區(qū)和試點區(qū)域三個尺度進行雨水回用量監(jiān)測與統(tǒng)計,結(jié)合年降水量或市政雜用水量進行計算。

2）考核引擎

城市排水考核依據(jù)城市排水5 年一遇工程前后內(nèi)澇點個數(shù)變化進行考核分析。內(nèi)澇點防治依據(jù)城市排水5年一遇、10 年一遇及50 年一遇工程前后內(nèi)澇點個數(shù)變化進行考核分析,見圖6。

圖6 城市排水及內(nèi)澇點防治考核引擎

在城市排水標準分析中,分別計算在不同設計管網(wǎng)排水標準情況下的城市內(nèi)澇情況,以所監(jiān)測的三處內(nèi)澇點的積水情況作為評判標準,以評估海綿建設區(qū)域5 年一遇城市排水標準的合理性。同時采用數(shù)值模型模擬計算了在5 年一遇、10 年一遇及50 年一遇的降雨條件下的城市內(nèi)澇結(jié)果。

以海綿改造前后5 年一遇降雨重現(xiàn)期下全區(qū)域及三個監(jiān)測點位積水點分布情況為例,見圖7（圖中橢圓區(qū)域分別為三個監(jiān)測點位積水情況）。

圖7 5年一遇降雨下海綿建設前后研究區(qū)內(nèi)澇模擬情況

由海綿設施建設前后內(nèi)澇模擬情況可知,設計降雨為5 年一遇時,海綿建設前,研究區(qū)域積水情況明顯,積水點位較多,監(jiān)測點位JS3 積水較多,JS2、JS1 開始出現(xiàn)積水情況；海綿建設后,研究區(qū)域無明顯積水,積水情況得到明顯改善,監(jiān)測點位無明顯積水情況,部分點位出現(xiàn)積水可能與地形因素有關(guān),考慮到輸入地形資料的地形精度誤差較大,因此地形上的數(shù)字凹陷可能導致模擬結(jié)果中部分點位出現(xiàn)較深積水。

（5）雨水資源收集利用率考核引擎

城市雨水收集資源利用率考核分別從地塊、排水分析及試點區(qū)域三個尺度進行雨水回收用量與統(tǒng)計,結(jié)合年降雨量進行計算,同時展示調(diào)蓄池水位-庫容曲線,見圖8。

圖8 雨水收集資源利用率考核引擎

3 結(jié)論

考核評估是海綿城市建設工作的重要環(huán)節(jié),為了科學、全面、智慧化評價海綿城市建設成效,開展基于水文水動力模型的海綿城市建設效果評價技術(shù)研究工作,以住建部《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》為指導,圍繞“水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全”建設理念遴選7項涉水考核指標,同時借助數(shù)字化、信息化技術(shù)構(gòu)建海綿城市考核引擎,一方面能夠為海綿城市建設提供智慧化效果評價手段,一方面為海綿措施工程提供建設依據(jù)。