不同降雨情境下某建筑小區(qū)雨水管網(wǎng)運行性能分析

唐 兵

（新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

當(dāng)下城鎮(zhèn)化率節(jié)節(jié)攀升，城鎮(zhèn)不透水區(qū)域比例不斷擴大，地表的滲透能力明顯下降。傳統(tǒng)開發(fā)的雨水系統(tǒng)因其快排設(shè)計和灰色基礎(chǔ)，在設(shè)計年限以上易發(fā)生大面積積水，甚至形成內(nèi)澇［1］。我國在設(shè)計雨水系統(tǒng)時，計算主要是結(jié)合經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式并以恒定流水力學(xué)作為理論基礎(chǔ)［2］。采用暴雨強度公式計算累計降雨量作為管道設(shè)計流量的參考值，能滿足設(shè)計要求，但不能同時反映雨水在管渠內(nèi)的流動情況，無法直觀顯示在排水過程中各階段管道流量以及查找建成后管網(wǎng)可能存在的瓶頸。利用排水系統(tǒng)模型探究解決內(nèi)澇方面，前人多采用單因素條件進行管網(wǎng)模型的水文、水力效應(yīng)研究［3］，如不同降雨強度、重現(xiàn)期、降雨歷時及雨型等，雖獲得較好的模擬效果，具有一定參考價值，但均與實際降雨出入較大，并不能作為區(qū)域管網(wǎng)實際水文狀態(tài)的真實體現(xiàn)［4-5］。

筆者以成都市郫都區(qū)某綜合住宅小區(qū)為研究區(qū)域，該小區(qū)為典型的綜合住宅小區(qū)，硬化區(qū)域比例高，提出借助均勻設(shè)計法組合復(fù)雜降雨情境，建立傳統(tǒng)開發(fā)模式下管網(wǎng)模型，通過可視化模擬，分析傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)在不同降雨情境下的產(chǎn)流、匯流、下滲及傳輸過程的運行變化情況。

1 研究區(qū)域概況

該小區(qū)地勢整體平坦，西北略高，西南低，地面坡度2‰～7‰。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨水充沛，多年年平均降水量947 mm，豐水期為6—9月，降水量占全年降水量的74%。小區(qū)建設(shè)凈用地面積約73 464 m2，其中總建筑面積約25 177 m2，綠地面積32 240 m2，道路及硬化地面面積16 047 m2。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的土地利用類型，分為建筑地塊、道路及硬化地塊、綠地三類，分別占總面積的28.6%、27.6%和43.8%。小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期為3年，綜合徑流系數(shù)為0.65，采用雨污分流排水。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型建立

本研究區(qū)域范圍適中且地形起伏小，采用泰森多邊形法結(jié)合人工手動修正劃分匯水區(qū)域面積，將小區(qū)劃分為87個子匯水區(qū)，88個管段（圓形斷面）和90個雨水節(jié)點（含2個排放口）。結(jié)合實際工程中用地類型及屋面特性，其中綠化地塊徑流系數(shù)取0.24，屋頂徑流系數(shù)取0.9，道路及硬化地塊的徑流系數(shù)取0.82。本研究選擇修正Horton方程作為子匯水區(qū)的滲透模型。

2.2 設(shè)計降雨

芝加哥雨型在擬合降雨數(shù)據(jù)時比較容易，降雨資料要求低，使用范圍更廣，是國內(nèi)城市排水設(shè)計中常用的一種雨型［6］。本研究采用芝加哥雨型對降雨量進行時間尺度上的分配，通過SWMM模型中降雨時間序列作為初始變量推動降雨-徑流-流量演算的進行［7］。

2.3 降雨情境設(shè)計

我國降雨雨型有單峰、雙峰及多峰，多峰雨型只出現(xiàn)在較長降雨歷時中，其出現(xiàn)概率和雙峰雨型出現(xiàn)概率均較低，故筆者只研究單峰雨型［8］。不同降雨量由重現(xiàn)期體現(xiàn)，設(shè)1、3、5、10、30年五個重現(xiàn)期水平；成都市降雨歷時總體并不長，多集中在1～3 h內(nèi)，設(shè)置30、60、90、120、150 min五個水平；我國平均雨峰相對位置較一致，暴雨強度最大時多出現(xiàn)在降雨中期即r=0.4，設(shè)置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五個水平。研究因素有降雨量、降雨歷時和雨峰系數(shù)，每個因素均設(shè)置5個水平，依照組合可生成125組降雨數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，引入均勻設(shè)計法，選用U5（53）均勻設(shè)計表，基于均勻設(shè)計的降雨過程曲線如圖1所示。

圖1 不同重現(xiàn)期下排放口徑流量變化曲線

2.4 模型參數(shù)校準(zhǔn)與驗證

通過逐步迭代法調(diào)整模型參數(shù)［9］，校準(zhǔn)結(jié)果為：滲透性地塊曼寧系數(shù)0.35，不滲透性地塊曼寧系數(shù)0.015，滲透性地塊洼蓄量6.57 mm，不滲透性地塊洼蓄量2.54 mm，修正Horton模型中的最大下滲速率79.6 mm/h，最小下滲速率7.36 mm/h，衰減系數(shù)2.81 h-1，模型演算的徑流系數(shù)0.652，滿足設(shè)計三年一遇0.65的要求。選取重現(xiàn)期分別為1年和5年，r=0.4，T=120 min的降雨進行驗證，演算的徑流系數(shù)分別為0.552、0.692，符合規(guī)定的綜合徑流系數(shù)要求，雨水排放口的峰值流量出現(xiàn)時間及流量過程曲線滿足產(chǎn)流規(guī)律，驗證結(jié)果表明，校準(zhǔn)的模型參數(shù)可應(yīng)用于該研究區(qū)域降雨產(chǎn)匯流模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同重現(xiàn)期下管網(wǎng)運行分析

3.1.1 地表徑流分析。如圖2所示，小區(qū)地表徑流總量、總下滲量、地表蓄水量都隨重現(xiàn)期的增大而增大，徑流總量增大趨勢與降雨量增大趨勢一致，總下滲量和地表蓄水量增加趨勢平緩。當(dāng)重現(xiàn)期超過3年之后，總下滲量逐漸接近穩(wěn)定值，表明小區(qū)下墊面已經(jīng)趨于飽水狀態(tài)。隨著重現(xiàn)期的提高，小區(qū)的徑流系數(shù)也隨之增加，但地表下滲率和徑流控制率卻隨重現(xiàn)期增大而減小，表明硬化地塊比例較高的地塊抵御高重現(xiàn)期暴雨的能力逐漸降低，形成內(nèi)澇的風(fēng)險在逐漸增加。

圖2 不同重現(xiàn)期地表徑流模擬圖

3.1.2 節(jié)點及排放口運行狀態(tài)分析。

①管網(wǎng)節(jié)點分析。不同重現(xiàn)期下節(jié)點溢流情況如表1所示。根據(jù)表1可知，管網(wǎng)溢流節(jié)點數(shù)量、溢流持續(xù)時間、溢流量均隨重現(xiàn)期增大而不斷遞增。在設(shè)計三年一遇的重現(xiàn)期下僅有4.6%的節(jié)點溢流，且溢流持續(xù)時間較短，累計溢流量僅有14 m3，當(dāng)前雨水管網(wǎng)排水能力能滿足低重現(xiàn)期下不內(nèi)澇。當(dāng)遭遇10年、30年重現(xiàn)期特大暴雨時，節(jié)點溢流百分比高達(dá)52.3%和78.4%，部分區(qū)域出現(xiàn)內(nèi)澇。

表1 不同重現(xiàn)期下節(jié)點溢流情況

②管網(wǎng)排放口分析。如圖2所示，重現(xiàn)期提高，排放口流量不斷增大。排放口的流量變化曲線均相對滯后于各個降雨過程，排放口處的峰值流量出現(xiàn)時刻均滯后于最大降雨強度出現(xiàn)時刻，這是由于在降雨過程中地表存在坑洼、下滲及雨水匯集到管網(wǎng)等過程，地表徑流、管網(wǎng)水流并未立即形成，中間存在時間差。

3.1.3 管段運行狀態(tài)分析。由表2可知，重現(xiàn)期增大，過載管段數(shù)量持續(xù)增加，過載百分比增速在下降，依次為411.25%、19.56%、18.16%、16%。在小重現(xiàn)期下過載管段增速較快，雨水管網(wǎng)大部分為未充滿運行狀態(tài)，大重現(xiàn)期下增速較緩，雨水管網(wǎng)超半數(shù)為滿流運行狀態(tài)。

表2 不同重現(xiàn)期下管段過載情況

3.2 不同降雨歷時下管網(wǎng)運行分析

3.2.1 地表徑流分析。如圖3所示，小區(qū)地表徑流總量、總下滲量、洪峰流量均隨降雨歷時增大而增大，徑流總量與總降雨量增大趨勢一致，總下滲量和洪峰流量增加趨勢平緩，地表蓄水量在短歷時降雨中基本保持不變，長歷時下有所增加。當(dāng)降雨歷時超過120 min之后，總下滲量趨于穩(wěn)定，說明小區(qū)下墊面趨于飽水狀態(tài)。隨著降雨歷時增加，小區(qū)的徑流系數(shù)緩慢增加后趨于穩(wěn)定，地表下滲率和徑流控制率隨降雨歷時增大而減小，其減小趨勢表明降雨歷時對研究小區(qū)地表徑流的影響次于降雨重現(xiàn)期。

圖3 不同降雨歷時地表徑流模擬圖

3.2.2 節(jié)點及排放口運行狀態(tài)分析。

①管網(wǎng)節(jié)點分析。如表3所示，管網(wǎng)溢流節(jié)點數(shù)量、溢流持續(xù)時間、溢流量隨降雨歷時增加而線性遞增，三者的遞增趨勢相同，均為先大后小。降雨時長從30 min增加到150 min時，降雨時長增加4倍，溢流百分比僅增加1.38倍。不同降雨歷時，溢流總量較低，可見降雨歷時增加對傳統(tǒng)開發(fā)模式下雨水管網(wǎng)節(jié)點的溢流情況影響較小。

表3 不同降雨歷時下節(jié)點溢流情況

②管網(wǎng)排放口分析。如圖4所示，降雨歷時增大，排放口總流量負(fù)荷增加，峰值流量隨之增加，但增量較小，排流時長延長。當(dāng)為短歷時強降雨時，排放口的徑流急劇增加，對雨水管網(wǎng)沖擊較大，當(dāng)為長歷時強降雨時，對雨水管網(wǎng)沖擊較小，但卻提高了管網(wǎng)排水容量要求。不同降雨歷時的排放口峰值流量出現(xiàn)時刻均滯后降雨峰值時刻，表明降雨歷時對延遲雨水系統(tǒng)峰值流量的形成無關(guān)。

圖4 不同降雨歷時下排放口徑流量變化曲線

3.2.3 管段運行狀態(tài)分析。由表4可知，不同降雨歷時下，過載管段數(shù)量穩(wěn)定，不隨降雨時長增加而增加，且不同降雨歷時下過載管段大致相同，說明降雨歷時對雨水管網(wǎng)的管道過載無影響。

表4 不同降雨歷時下管段過載情況

3.3 不同雨峰位置下管網(wǎng)運行分析

3.3.1 地表徑流分析。如圖5所示，小區(qū)地表徑流總量隨雨峰系數(shù)變大而緩慢增加，總下滲量隨之緩慢減小，地表蓄水量保持不變，不受雨峰位置的影響，但洪峰流量隨著雨峰位置后移而顯著增加。雨峰位置后移，小區(qū)的徑流系數(shù)緩慢增大，地表下滲率和徑流控制率隨之減小，兩者減小趨勢相同，表明雨峰位置對小區(qū)地表徑流的影響較小。

圖5 不同雨峰位置地表徑流模擬圖

3.3.2 節(jié)點及排放口運行狀態(tài)分析。

①管網(wǎng)節(jié)點分析。由表5可知，隨著雨峰后移，溢流節(jié)點的持續(xù)時長增加越來越緩慢，表明雨峰后移對溢流時長的影響越來越小。不同雨峰位置下，溢流量增幅較大，表明雨峰越靠后，節(jié)點溢流量越大，且隨雨峰位置變化明顯。因此，雨峰位置對雨水管網(wǎng)節(jié)點的溢流情況影響大。

表5 不同雨峰位置下節(jié)點溢流情況

②管網(wǎng)排放口分析。由圖6可知，雨峰系數(shù)增大，排放口總流量保持不變，峰值流量增加，峰值時刻后移，這是由于雨峰越靠后，形成的地表徑流越大，徑流峰值也越大，表明雨峰位置主要影響地表徑流過程，從而影響管網(wǎng)水流運行狀態(tài)。由兩處排放口徑流過程可知，前峰雨型更有利于徑流控制，后峰雨型對管網(wǎng)承載能力要求更高，需要排放的峰值洪流更大。雨峰位置能夠影響排放口峰值滯后時間，前峰雨型滯后時間最長，后峰雨型滯后時間最短。

圖6 不同雨峰位置下排放口徑流量變化曲線

3.3.3 管段運行狀態(tài)分析。由表6可知，隨著雨峰系數(shù)不斷增大，過載管段數(shù)量有所增加，但增幅較低，過載管段占比45.5%～52.3%，表明雨峰位置對雨水管網(wǎng)的管道過載影響甚微。

表6 不同雨峰位置下管段過載情況

3.4 綜合降雨情境下管網(wǎng)運行分析

3.4.1 地表徑流分析。由表7和圖7可知，地表徑流總量先增后減再增加，出現(xiàn)下降點是因為降雨歷時較短?？傁聺B量起初增加是由于重現(xiàn)期和降雨歷時均變大，然后減小是因為降雨歷時較短，再增加則是重現(xiàn)期增大和雨峰位置靠前，最后因下墊面逐漸趨于飽水狀態(tài)而下滲速率減小。洪峰流量先增速較小后急劇增加，表明洪峰流量主要受重現(xiàn)期影響，其次受降雨歷時影響。地表蓄水量在大重現(xiàn)期長歷時后峰降雨情景中最大，其余降雨情境下基本保持不變。研究地塊的徑流控制率和下滲率在五種降雨情境下呈現(xiàn)出相同的下降變化趨勢，轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)表明短歷時降雨有助于土壤下滲及地表徑流控制。

圖7 綜合降雨情境地表徑流模擬圖

表7 綜合降雨情境下地表徑流模擬計算結(jié)果

3.4.2 節(jié)點及排放口運行狀態(tài)分析。

①管網(wǎng)節(jié)點分析。由表8可知，小區(qū)雨水管網(wǎng)能滿足三年一遇長歷時和五年一遇短歷時降雨只出現(xiàn)極少溢流點。對比單因素時的溢流時長，重現(xiàn)期對溢流時長起絕對主導(dǎo)的影響作用。綜合降雨情境下，五年一遇重現(xiàn)期下溢流量均較低，十年及三十年一遇降雨溢流量大且增幅也較大。對溢流量而言，重現(xiàn)期的影響較大，降雨歷時次之，雨峰位置影響最小。

表8 綜合降雨情境下節(jié)點溢流情況

②管網(wǎng)排放口分析。由圖8可知，一年及三年重現(xiàn)期場降雨時，降雨歷時和雨峰位置影響排放口峰值流量出現(xiàn)時間，歷時越長，雨峰系數(shù)越大，其峰值越靠后。五年及十年重現(xiàn)期場降雨時，排放口表現(xiàn)出相同的行洪過程，但總量和峰值不同，這是因為雨峰系數(shù)大致相同，而重現(xiàn)期相差較大。出現(xiàn)暴雨且雨峰靠后時，排放口峰值滯后時長短，排放口在最大雨強出現(xiàn)后便達(dá)到峰值，較難快速排出管網(wǎng)內(nèi)的雨水。

圖8 綜合降雨情境排放口PFK1徑流量變化曲線

3.4.3 管段運行狀態(tài)分析。由表9可知，重現(xiàn)期變大，降雨歷時增加，過載管段數(shù)量急劇增加，表明重現(xiàn)期和降雨歷時對雨水管網(wǎng)的管道過載影響較大。在三年重現(xiàn)期下，管網(wǎng)運行負(fù)荷占比不大，能夠承擔(dān)其排水任務(wù)。隨著重現(xiàn)期繼續(xù)增大，縮短降雨歷時，并且雨峰位置前移，過載管段數(shù)量僅增加9段，說明重現(xiàn)期增大的情況下，降雨歷時變短，雨峰位置靠前時能夠減少對雨水管網(wǎng)的沖擊。

表9 綜合降雨情境下管段過載情況

4 結(jié)論

①傳統(tǒng)開發(fā)模式下對地表徑流水力狀況影響最大為重現(xiàn)期，其次為降雨歷時，雨峰位置影響最小。雨水檢查井溢流數(shù)量按受影響力大小排序依次為重現(xiàn)期、雨峰位置、降雨歷時。重現(xiàn)期對排放口運行狀態(tài)影響最大，其次為雨峰位置，最小為降雨歷時。雨水管網(wǎng)的管段運行狀態(tài)受降雨重現(xiàn)期影響最大，受雨峰位置影響次之，幾乎不受降雨歷時影響。

②傳統(tǒng)開發(fā)模式下的雨水管網(wǎng)在面對綜合的復(fù)雜降雨情境時，能夠保證三年一遇設(shè)計降雨重現(xiàn)期正常運行，并滿足一定條件的五年一遇降雨場次，如短歷時降雨、前峰雨型降雨等，表明設(shè)計雨水管網(wǎng)安全合理，并有一定冗余能力。

③在借助芝加哥雨型分配由暴雨強度公式計算出的降雨量，擬合降雨數(shù)據(jù)時，應(yīng)首要考慮重現(xiàn)期設(shè)置的梯度，雨峰位置及降雨歷時可作為次要因素考慮，選取的梯度范圍可適當(dāng)減小。