【摘" " 要】：為驗(yàn)證海綿城市設(shè)施建設(shè)對(duì)提高現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同重現(xiàn)期降雨能力的作用，在不提高現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模的前提下，引入海綿城市設(shè)施，利用SWMM模型模擬已建成的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期1 a的現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)增加海綿城市設(shè)施前后 1、3、5 a設(shè)計(jì)重現(xiàn)期條件下雨水系統(tǒng)徑流。結(jié)果表明，增加海綿設(shè)施后，系統(tǒng)滿足3 a設(shè)計(jì)重現(xiàn)期條件下雨水排放的要求，對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5 a的降雨也有較好地排放能力。

【關(guān)鍵詞】：海綿城市；雨水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)重現(xiàn)期

Research on Rainwater System Reconstruction Strategies under the Sponge

City Concept

REN Yanqin1，WANG Shaohua2

（1 .Tianjin City Planning and Design Research Institute，Tianjin 300191，China；2.Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research

Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392，China）

【Abstract】：In order to verify the ability of sponge city facilities to improve the ability of the current rainwater system to cope with rainfall in different return periods， introducting of sponge city facilities without increasing the design scale of the current rainwater systerm， this paper uses the SWMM model to simulate the runoff of the rainwater system under the conditions of 1 year， 3 year and 5 year design return periods after the completion of the current rainwater system with a design return period of 1 year and the addition of sponge city facilities. The results show that after adding sponge facilities， the system meets the needs of rainwater discharge under the condition of 3 year design return period， and has better discharge capacity for rainfall with a design return period of 5 years.

【Key words】：sponge city；rainwater system；design return period

隨著城市化進(jìn)程加快，城市下墊面不斷硬化，加之近些年極端暴雨天氣頻發(fā)，導(dǎo)致雨水徑流量增大。我國(guó)大部分雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1 a甚至低于1 a。以天津市為例，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，截至2015年，中心城區(qū)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期1 a及以下標(biāo)準(zhǔn)雨水管道占比達(dá)73.5%。海綿城市提倡在地塊設(shè)置低影響開(kāi)發(fā)（LID）調(diào)蓄設(shè)置，實(shí)行源頭減排策略，削減地塊外排雨水量，利用海綿城市建設(shè)理念，對(duì)雨水系統(tǒng)已經(jīng)建成的區(qū)域進(jìn)行改造，對(duì)地塊雨水進(jìn)行調(diào)蓄，可以減輕雨水系統(tǒng)運(yùn)行壓力。國(guó)內(nèi)較為成功的案例有北京奧林匹克公園、上海世博園和深圳光明新區(qū)示范項(xiàng)目等[1]。

本文以某雨水系統(tǒng)為例，研究地塊增設(shè)海綿城市設(shè)施，對(duì)現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，為現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)改造提供一種可行的解決方案。

1 工程概況

某雨水系統(tǒng)服務(wù)范圍236.37 hm2，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1 a，市政雨水管道及雨水泵站均已建成，系統(tǒng)內(nèi)地塊尚未開(kāi)發(fā)。雨水管道總長(zhǎng)度7.62 km，管徑DN600 mm及3 000 mm（寬）×2 480 mm（高）；雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模18.0 m3/s，共設(shè)置6臺(tái)水泵，單泵流量3 m3/s。見(jiàn)圖1。

2 現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)能力評(píng)估

本文采用SWMM模型對(duì)雨水系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。SWMM暴雨管理模型由產(chǎn)流模型、匯流模型和管網(wǎng)水動(dòng)力模型組成，動(dòng)態(tài)模擬降水-徑流過(guò)程，主要用于城市排水、防澇工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理等，已經(jīng)在許多國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行廣泛應(yīng)用[2]。

2.1 參數(shù)設(shè)定

2.1.1 降雨數(shù)據(jù)

根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式，分別生成1、3 a重現(xiàn)期120 min的設(shè)計(jì)降雨量，再根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨雨型分配表生成對(duì)應(yīng)的降雨序列。見(jiàn)圖2。

2.1.2 雨水系統(tǒng)

由于受各種條件限制，SWMM模型中部分參數(shù)不能得到準(zhǔn)確數(shù)值及初始值，常用經(jīng)驗(yàn)或者參數(shù)優(yōu)化方法確定[3]。

由于雨水系統(tǒng)匯流范圍內(nèi)的地塊尚未開(kāi)發(fā)，根據(jù)規(guī)劃地塊性質(zhì)及國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，確定雨水系統(tǒng)徑流系數(shù)為0.6、匯水區(qū)不透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.012、透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.20、不透水區(qū)洼蓄量2.1 mm、透水區(qū)洼蓄量7.2 mm、最大入滲率75.2 mm/h、最小入滲率3.8 mm/h、無(wú)洼蓄比例25%。雨水下滲采用霍頓下滲模型，雨水系統(tǒng)匯流采用動(dòng)態(tài)波進(jìn)行模擬。

2.2 雨水泵站

開(kāi)泵按照雨水泵站設(shè)計(jì)最低水位、最高水位及水泵臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。見(jiàn)表1。

1）1 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。所有雨水節(jié)點(diǎn)均未冒溢；所有雨水管道均未超載，29.22%的雨水管道長(zhǎng)度充滿度＜50%，90.26%的雨水管道充滿度＜80%，說(shuō)明現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)可以滿足1 a一遇的降雨的排水要求。見(jiàn)圖3。

泵站排水流量呈先增大后減小的趨勢(shì)；最高流量出現(xiàn)在降雨開(kāi)始1 h，比降雨出現(xiàn)峰值時(shí)間滯后30 min，最大排水流量15.83 m3/s，未達(dá)到泵站設(shè)計(jì)規(guī)模。說(shuō)明現(xiàn)狀雨水泵站可以滿足1 a一遇的降雨的排水需求。見(jiàn)圖4。

2）3 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。所有雨水管道均超載，超載時(shí)長(zhǎng)0.46～1.56 h；其中，40.2%雨水管道超載時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1 h，超載問(wèn)題較為嚴(yán)重。見(jiàn)表2。

全部38個(gè)雨水節(jié)點(diǎn)中，23個(gè)節(jié)點(diǎn)冒溢，占比60.5%，主要分布于雨水系統(tǒng)起點(diǎn)管段，由于上述管段管徑偏小，過(guò)水能力不足，在高重現(xiàn)降雨條件下，無(wú)法及時(shí)排除地塊積水，導(dǎo)致管道冒溢。見(jiàn)圖5。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開(kāi)始后45 min，比降雨出現(xiàn)峰值時(shí)間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達(dá)到泵站設(shè)計(jì)規(guī)模。見(jiàn)圖6。

現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)已無(wú)法滿足3 a一遇降雨的排水需求。

3 雨水系統(tǒng)改造方案

鑒于雨水管道及雨水泵站均已修建完成，按照3 a一遇重現(xiàn)期對(duì)管道進(jìn)行改造難度很大；因此，結(jié)合海綿城市建設(shè)理念，對(duì)尚未建設(shè)的地塊，進(jìn)行海綿城市年徑流總量控制指標(biāo)分解，以期達(dá)到控制地塊雨水徑流、緩解雨水系統(tǒng)壓力的目的。

3.1 海綿城市方案

相關(guān)研究表明，不同LID設(shè)施對(duì)區(qū)域雨洪削減和滯留效果不同，從徑流量來(lái)看，下凹式綠地發(fā)揮的作用優(yōu)于其他LID設(shè)施[4]。鑒于下凹式綠地占地面積很小、綠化效果好，修建在不透水面積率大的城區(qū)，對(duì)地面徑流有很好的消減作用[5]等特點(diǎn)，故在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置下凹式綠地。

根據(jù)地塊的規(guī)劃屬性，考慮結(jié)合地塊綠化部分設(shè)置下凹式綠地，對(duì)雨水進(jìn)行源頭調(diào)蓄。按照地塊30%綠化率，40%綠化面積可用于設(shè)置下凹式綠地，下凹式綠地有效深度定為150 mm，可滿足設(shè)計(jì)降雨量30.2 mm條件下，地塊雨水不外排，對(duì)應(yīng)年徑流總量控制率＞80%。見(jiàn)表3。

3.2 改造后雨水系統(tǒng)能力

1）3 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。3 a一遇降雨條件下，雨水節(jié)點(diǎn)未冒溢；雨水系統(tǒng)下游部分管道超載，管長(zhǎng)占比21.9%；超載時(shí)長(zhǎng)0.01～0.35 h。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開(kāi)始后50 min，比降雨出現(xiàn)峰值時(shí)間滯后20 min，泵站最大排水流量18 m3/s，達(dá)到泵站設(shè)計(jì)規(guī)模。見(jiàn)圖7。

可以看出，由于海綿設(shè)施的設(shè)置，雨水系統(tǒng)流量峰值一定程度上滯后出現(xiàn)。

越靠近雨水泵站，管道超載深度越大，說(shuō)明由于雨水泵站的能力不足，系統(tǒng)末端排水不暢，導(dǎo)致管道超載。管道最大水深出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與泵站最大流量出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相比，滯后約10 min，也證明了管道超載是由于受到了泵站設(shè)計(jì)能力的制約。見(jiàn)圖8。

選取一段起點(diǎn)雨水管道，對(duì)比增加海綿設(shè)施前后的瞬時(shí)流量。增加了海綿設(shè)施后，雨水管道最高瞬時(shí)流量由0.91 m3/s下降到0.82 m3/s，證明海綿設(shè)施對(duì)降低管道峰值流量起到了一定的作用。見(jiàn)圖9。

總體來(lái)看，增加了海綿設(shè)施后，現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)可以滿足3 a一遇降雨條件下的排水要求，證明基于海綿理念的雨水系統(tǒng)改造策略是可行的。

2）5 a一遇降雨條件下雨水系統(tǒng)能力。為驗(yàn)證地塊增加海綿城市設(shè)施后，雨水管道系統(tǒng)的承載能力，采用5 a一遇的降雨數(shù)據(jù)對(duì)雨水系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。見(jiàn)圖10。

超載主要發(fā)生在下游主干管道，管長(zhǎng)占比66.0%；超載時(shí)長(zhǎng)0.01～0.78 h，54.0%雨水管道超載時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)0.5 h，雨水系統(tǒng)處于較為安全的狀態(tài)。見(jiàn)圖11和表4。

全部38個(gè)雨水節(jié)點(diǎn)中，只有系統(tǒng)起點(diǎn)2個(gè)雨水節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)冒溢問(wèn)題，冒溢時(shí)間＜10 min。

泵站最高流量出現(xiàn)在降雨開(kāi)始后45 min，比降雨出現(xiàn)峰值時(shí)間滯后15 min；最大排水流量18 m3/s，達(dá)到泵站設(shè)計(jì)規(guī)模，最大流量時(shí)長(zhǎng)約1.833 3 h?？梢?jiàn)，由于降雨強(qiáng)度的增加，需要排除的雨水量增大，現(xiàn)狀雨水泵站需要開(kāi)啟更長(zhǎng)的時(shí)間。見(jiàn)圖12。

總體來(lái)看，現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)雖然大部分處于超載狀態(tài)且局部節(jié)點(diǎn)冒溢，但冒溢時(shí)間較短，整個(gè)雨水系統(tǒng)處于較為安全的狀態(tài)。改造后的雨水系統(tǒng)基本可以滿足5 a一遇降雨的排水要求。

4 結(jié)論

1）現(xiàn)狀1 a一遇的雨水系統(tǒng)，在3 a一遇的降雨條件下，雨水系統(tǒng)排水能力嚴(yán)重不足，無(wú)法及時(shí)排除地塊積水，導(dǎo)致管道大面積冒溢。

2）增設(shè)海綿城市設(shè)施后，在不改變現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)管徑及雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模的情況下，雨水系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)3 a一遇的降雨，除個(gè)別管道有短時(shí)間超載外，其余管道均運(yùn)行正常，無(wú)節(jié)點(diǎn)冒溢問(wèn)題。

3）增設(shè)海綿城市設(shè)施后，對(duì)5 a一遇的降雨也有較好的應(yīng)對(duì)能力；雖有個(gè)別節(jié)點(diǎn)冒溢，但時(shí)間較短，證明海綿城市設(shè)施改造雨水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)較高設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨的策略是可行的。

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收稿日期：2023-04-04

作者簡(jiǎn)介：任艷琴（1981 - ）， 女， 天津市人， 碩士， 高級(jí)工程師，從事給排水、海綿城市設(shè)計(jì)工作。