宋瑞寧,宮永偉,,李俊奇,李小靜,李小寧

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 2.北京建筑大學(xué)北京建筑節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044)

匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)選取對(duì)城市雨洪模擬結(jié)果的影響

宋瑞寧1,宮永偉1,2,李俊奇1,李小靜1,李小寧2

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 2.北京建筑大學(xué)北京建筑節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044)

利用InfoWorks ICM模型建立深圳市光明新區(qū)新城公園雨水管網(wǎng)模型,分別以檢查井和雨水口作為模型的節(jié)點(diǎn)劃分匯水區(qū),分析不同的匯水區(qū)劃分方式對(duì)公園出口流量模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明:在中小降雨條件下,匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)選取對(duì)峰值流量模擬結(jié)果的影響不明顯;在暴雨或特大暴雨的條件下,匯水區(qū)節(jié)點(diǎn)選取對(duì)峰值流量模擬結(jié)果的影響較大；與以檢查井為節(jié)點(diǎn)的劃分方式相比,以雨水口為節(jié)點(diǎn)的劃分方式產(chǎn)流時(shí)間會(huì)有一定程度的推遲；在模型建立過程中應(yīng)綜合考慮研究目標(biāo)、區(qū)域尺度和降雨特征等對(duì)匯水區(qū)進(jìn)行合理劃分。

檢查井;雨水口;InfoWorks ICM模型;泄水能力

近年來(lái),城市化的快速發(fā)展帶來(lái)了一系列問題,因城市化引起的熱島效應(yīng)和雨島效應(yīng)加重了城市內(nèi)澇的發(fā)生。針對(duì)內(nèi)澇問題,城市雨洪模型可以模擬分析不同降雨條件下的管網(wǎng)排水能力、地面積水情況以及雨洪管理方案的效果,從而為城市內(nèi)澇防治提供技術(shù)支持[1-3]。隨著雨洪模型的廣泛應(yīng)用，模型模擬和預(yù)測(cè)的不確定性已經(jīng)引起眾多學(xué)者的關(guān)注，并成為重要研究?jī)?nèi)容之一[4]。在構(gòu)建管網(wǎng)模型時(shí),不同的匯水區(qū)劃分方式對(duì)城市雨洪模擬具有一定程度的影響。目前,已有一些關(guān)于匯水區(qū)劃分策略的研究。趙冬泉等[5]認(rèn)為,不同坡度下匯水區(qū)劃分對(duì)模型模擬結(jié)果影響差異很大,尤其是對(duì)地形平緩的地區(qū)影響較大。許仕榮等[6]認(rèn)為推求高精度的雨水口水量過程線是建立城市雨水徑流水量動(dòng)態(tài)模型的關(guān)鍵。匯水區(qū)的劃分基本上以傳統(tǒng)的手工方法劃分和軟件的自動(dòng)劃分為主。手工方法劃分匯水區(qū)對(duì)操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)要求較高,需要耗費(fèi)大量的人力、物力,所繪制的匯水區(qū)精度和效率難以保證,也難以獲得物理意義較明確的模型參數(shù),勢(shì)必影響模型模擬的結(jié)果。張書亮等[7]利用地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù),通過建立南京雨水管網(wǎng)達(dá)標(biāo)信息系統(tǒng),將南京主城自動(dòng)劃分為233個(gè)雨水出水口匯水區(qū)。結(jié)果顯示,在把雨水管網(wǎng)作為匯水區(qū)劃分的前提條件下,自動(dòng)劃分的匯水區(qū)與傳統(tǒng)手工方法劃分的匯水區(qū)的走勢(shì)是一致的。

現(xiàn)有模型通常將檢查井概化為節(jié)點(diǎn),各子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流通過檢查井進(jìn)入排水管網(wǎng)中,最終由出水口排往下游河道。然而實(shí)際情況是雨水是經(jīng)由雨水口收集之后進(jìn)入排水管網(wǎng)的，但由于受場(chǎng)地面積、管網(wǎng)資料以及工作量等諸多因素的制約,在匯水區(qū)概化過程中通常仍把檢查井概化為節(jié)點(diǎn)。這種匯水區(qū)劃分方式對(duì)模型模擬結(jié)果的影響有多大,目前尚未得到進(jìn)一步的研究。若能以雨水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)的劃分,則模型模擬結(jié)果可能更接近真實(shí)情況。因此,筆者分別以檢查井和雨水口作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分,在此基礎(chǔ)上對(duì)研究區(qū)出口的流量過程線進(jìn)行分析,以期為合理選擇匯水區(qū)劃分方式提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

選取深圳市光明新區(qū)新城公園為研究對(duì)象。光明新區(qū)地處北回歸線以南,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,每年4—9月為雨季,多年平均降雨量為1 837 mm。新城公園位于光明新區(qū)光僑大道西側(cè),新區(qū)管委會(huì)東側(cè),北面為華夏路,西、南面為公園路,是一座以山體、林地、池塘、谷田等自然資源為依托,建設(shè)面積為56 hm2的生態(tài)型區(qū)級(jí)市政公園。本文主要以新城公園一個(gè)較大的匯水區(qū)作為研究區(qū)域,研究區(qū)域總面積為8.3 hm2,其中道路、屋面和廣場(chǎng)等不透水面積占5%,林地和草地等透水面積占95%。

2 模型的構(gòu)建

2.1 模型選擇及參數(shù)設(shè)置

本研究選用城市綜合流域排水模型InfoWorks ICM，該模型具有較完善的雨水口參數(shù)設(shè)置功能。InfoWorks ICM采用分布式的降雨-徑流過程,降雨經(jīng)過地表截留、填洼、滲透之后產(chǎn)生地表徑流,隨后經(jīng)雨水口匯入管道系統(tǒng),并最終進(jìn)入受納水體。

InfoWorks ICM通過產(chǎn)、匯流模擬獲得進(jìn)入雨水口的地面徑流過程線,并以此過程線作為管道水力計(jì)算的輸入條件,獲得管道的水位、流速和流量等過程線。管道水力計(jì)算采用完全求解的圣維南方程組[8],通過聯(lián)立求解連續(xù)方程和動(dòng)量方程來(lái)模擬漸變非恒定流。透水區(qū)域選擇霍頓滲透模型進(jìn)行徑流計(jì)算,不透水區(qū)域的產(chǎn)流模型選擇固定徑流比例模型[9]。匯流計(jì)算采用SWMM非線性水庫(kù)法[10],由連續(xù)方程和曼寧方程聯(lián)立求解。為了對(duì)比分別以檢查井和雨水口作為匯水區(qū)劃分節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬結(jié)果的影響,這2種劃分方案中的參數(shù)設(shè)定均一致。

雨水口是降雨徑流進(jìn)入城市排水管網(wǎng)的管道附屬構(gòu)筑物。地表上的降雨徑流通過雨水口進(jìn)入到管網(wǎng)系統(tǒng)中,最終排往下游河道。雨水口的數(shù)量不足、類型選擇不當(dāng)、布置不合理以及雨水口堵塞等問題均會(huì)造成暴雨時(shí)路面積水?？紤]到雨水口經(jīng)常會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象,以及雨水口孔口形狀、雨水口厚度(孔口壁厚度)的影響,雨水口泄水能力計(jì)算公式[11-12]如下:

(1)

式中:Q為雨水口的泄水能力,m3/s;w為雨水口進(jìn)水孔口面積,m2;α為孔口系數(shù),圓角孔取0.8,方角孔取0.6;k為孔口阻塞系數(shù),一般k=2/3；g為重力加速度,g=9.80 m/s2;h為雨水口上允許水頭,一般采用h=0.02～0.06 m。

文獻(xiàn)[13]給出了北京市雨水口上允許水頭為0.04 m時(shí)的各種雨水篦的泄水能力,平箅式單箅雨水口、平箅式雙箅雨水口和平箅式多箅雨水口每篦泄水能力分別為0.020 m3/s、0.035 m3/s和0.015 m3/s。由于深圳和北京的降雨條件差異較大,所以應(yīng)實(shí)地測(cè)量新城公園的雨水口尺寸進(jìn)行校核計(jì)算,以減小誤差。新城公園的雨水口為平篦式單箅雨水口,尺寸為600 mm×400 mm,經(jīng)測(cè)量孔口面積為0.068 m2,根據(jù)雨水口泄水能力計(jì)算公式求得雨水口的水頭-流量關(guān)系曲線,如圖1所示。

圖1 雨水口的水頭-流量關(guān)系曲線

2.2 輸入數(shù)據(jù)

研究區(qū)域的土地利用類型圖、管網(wǎng)數(shù)據(jù)等資料來(lái)源于新城公園施工圖,降雨數(shù)據(jù)由公園內(nèi)的自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)得。筆者根據(jù)降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選擇了6場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨作為模型的降雨輸入條件,具體降雨事件的特征參數(shù)見表1。

表1 降雨事件的特征參數(shù)

2.3 匯水區(qū)劃分

模型概化過程中采用2種方案進(jìn)行匯水區(qū)劃分,每個(gè)子匯水區(qū)土地利用類型包括屋面、道路和綠地三大類。方案1是以檢查井作為匯水區(qū)劃分節(jié)點(diǎn),地表徑流通過檢查井進(jìn)入排水管網(wǎng);方案2是以雨水口作為匯水區(qū)劃分節(jié)點(diǎn),地表徑流通過雨水口進(jìn)入排水管網(wǎng)并流經(jīng)檢查井。

a. 方案1。根據(jù)新城公園地面高程和雨水管線的走向進(jìn)行子匯水區(qū)劃分,以檢查井為節(jié)點(diǎn)將研究區(qū)域概化得到27個(gè)子匯水區(qū),見圖2。各子匯水區(qū)的地表徑流直接排入最近的檢查井。

圖2 以檢查井為節(jié)點(diǎn)的研究區(qū)域概化

b. 方案2。根據(jù)新城公園地面高程、雨水口和雨水管線的走向進(jìn)行子匯水區(qū)劃分,以雨水口為節(jié)點(diǎn)將研究區(qū)域概化得到41個(gè)子匯水區(qū)，見圖3。各子匯水區(qū)的地表徑流直接排入最近的雨水口。

圖3 以雨水口為節(jié)點(diǎn)的研究區(qū)域概化

3 結(jié)果與討論

3.1 模型率定及驗(yàn)證

經(jīng)模擬計(jì)算,2種方案率定后得出的結(jié)論基本一致,本文以方案1為例展開研究。分別采用2013年9月14日和2013年5月19日兩場(chǎng)降雨的實(shí)測(cè)雨量和流量數(shù)據(jù)對(duì)方案1進(jìn)行水文水力參數(shù)的率定和驗(yàn)證,并采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。將公園內(nèi)上游一檢查井用于模型的率定,公園出口用于模型的驗(yàn)證(圖2)。模擬流量過程線與實(shí)測(cè)流量過程線的對(duì)比見圖4～5。

圖4 2013-09-14降雨徑流模擬率定結(jié)果

圖5 2013-05-19降雨徑流模擬驗(yàn)證結(jié)果

2013年9月14日和2013年5月19日兩場(chǎng)降雨事件的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.81、0.92,該系數(shù)越接近于1,模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)值吻合程度越高[14]。因此認(rèn)為模型率定的參數(shù)能夠較好地表征研究區(qū)域的產(chǎn)匯流情況。

3.2 模擬結(jié)果

采用4場(chǎng)不同降雨強(qiáng)度的降雨事件作為水量邊界條件,分別以檢查井和雨水口為匯水區(qū)劃分節(jié)點(diǎn)模擬分析這2種方案對(duì)公園出口流量的影響。2種方案在不同降雨條件下的出口流量過程線見圖6。

表2 不同匯水區(qū)劃分方式模擬結(jié)果對(duì)比

由圖6可知,不同的匯水區(qū)劃分方式下,匯水區(qū)出口流量過程線的變化趨勢(shì)基本一致,均隨著降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。究其原因,雖然2種方案匯水區(qū)的劃分方式不同,但所采用的產(chǎn)匯流模型是一致的。產(chǎn)流模型決定該匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流量,匯流模型決定徑流的匯流速度,不同的匯水區(qū)劃分方式可能導(dǎo)致匯水區(qū)的匯流路徑不同,但其流量的變化趨勢(shì)是一致的。

圖6 不同降雨條件下2種方案的出口流量過程線對(duì)比

對(duì)不同匯水區(qū)劃分方式的模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見表2,可以看出,峰值流量、徑流總量和產(chǎn)流時(shí)間均隨著降雨等級(jí)的變化發(fā)生不同程度的變化。2種方案的峰值流量在2013年4月25日、2013年7月10日兩場(chǎng)降雨中差異較小,而在2013年8月17日、2013年8月30日兩場(chǎng)降雨中差異較大。與方案1相比,方案2的產(chǎn)流時(shí)間均有一定程度的推遲。在這4場(chǎng)降雨中，2種方案的徑流總量和峰值流量的出現(xiàn)時(shí)間(峰現(xiàn)時(shí)間)差異均較小。

3.3 不同匯水區(qū)劃分方式對(duì)模擬結(jié)果的影響

3.3.1 對(duì)產(chǎn)流時(shí)間和峰現(xiàn)時(shí)間的影響

方案2較方案1產(chǎn)流時(shí)間有一定程度的推遲,峰現(xiàn)時(shí)間卻基本沒有變化。這是由于2種匯水區(qū)劃分方式不同,以雨水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)的劃分更接近實(shí)際情況。與以檢查井為節(jié)點(diǎn)的劃分方式相比,不透水區(qū)域(道路、屋面)和透水區(qū)域(綠地)產(chǎn)生的地表徑流通過雨水口進(jìn)入雨水管線,延長(zhǎng)了徑流的傳輸路徑。在相同的降雨條件下,以雨水口為節(jié)點(diǎn)的劃分方式致使地表徑流路徑延長(zhǎng),必然會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)流時(shí)間的推遲。

3.3.2 對(duì)峰值流量的影響

不同匯水區(qū)劃分方式下模擬得到的峰值流量差異變化較大,在2.7%～38.8%之間,且峰值流量差異隨降雨量的增大呈逐漸增大的趨勢(shì),見表3。采用降雨等級(jí)較高的降雨(如2013年8月17日降雨、2013年8月30日降雨)進(jìn)行模擬時(shí),2種方案模擬的降雨峰值流量差異較大;而采用降雨等級(jí)較低的降雨(如2013年4月25日降雨、2013年7月10日降雨)進(jìn)行模擬時(shí),2種方案的峰值流量差異較小。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是受到雨水口泄水能力的影響,單篦雨水口的最大泄水能力為0.020m3/s,限制了匯水區(qū)徑流進(jìn)入雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中的流量。隨著降雨量的增大,地表徑流的產(chǎn)生量也逐漸增大。對(duì)于方案1,該匯水區(qū)的徑流量均無(wú)限制地由檢查井進(jìn)入到雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中。對(duì)于方案2,當(dāng)降雨量較小時(shí),匯水區(qū)的徑流量達(dá)不到雨水口的最大泄水能力,可以全部排放至下游管段,所以兩者的峰值流量差異較小;而當(dāng)降雨量較大時(shí),匯水區(qū)的地表徑流量超過了雨水口的最大泄水能力,形成地表積水。由于地表積水受到雨水口最大泄水能力的限制,從而導(dǎo)致方案2的峰值流量比方案1的低,因此兩者的峰值流量差異較大。

表3 2種方案的峰值流量差異

3.3.3 對(duì)徑流總量的影響

表4 2種方案的徑流總量差異

不同匯水區(qū)劃分方式下出口的徑流總量與降雨量呈負(fù)相關(guān)。采用不同降雨等級(jí)的降雨進(jìn)行模擬時(shí),2種方案的徑流總量差異較小,在1.6%～6.9%之間,見表4。由表4可知,出口處徑流總量的差異隨降雨量的增大呈減小趨勢(shì)。由于本文采用的下墊面組成和產(chǎn)匯流模型的選擇均相同,故2種匯水區(qū)劃分方式對(duì)出口處徑流總量的影響較小。差異產(chǎn)生的原因可能是下墊面相同的均一化造成,產(chǎn)匯流過程受下墊面組成影響,而雨水口劃分方式的子匯水區(qū)個(gè)數(shù)多于檢查井劃分方式的子匯水區(qū)個(gè)數(shù),盡管每個(gè)下墊面的組成相同,但是總的匯水區(qū)下墊面組成受到均一化的影響會(huì)產(chǎn)生微小的變化,因此出口處的徑流總量會(huì)隨之變化。

4 結(jié) 論

a. 劃分匯水區(qū)時(shí)應(yīng)綜合考慮研究區(qū)域的尺度和降雨特征,依據(jù)研究目標(biāo)選擇匯水區(qū)的劃分方式。在中小等級(jí)降雨情況下,匯水區(qū)劃分方式對(duì)峰值流量的影響較小,推薦采用以檢查井為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分;在暴雨或特大暴雨的條件下,匯水區(qū)劃分方式對(duì)峰值流量的影響較大,推薦采用以雨水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分。

b. 在中小尺度的研究區(qū)域(如小區(qū)、公園等)下,推薦采用以雨水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分,使研究區(qū)域的產(chǎn)匯流過程更接近實(shí)際情況;在大尺度的研究區(qū)域下,由于以雨水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分將會(huì)增加建模成本和工作量,故推薦采用以檢查井為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯水區(qū)劃分;除此之外,重點(diǎn)區(qū)域(如下凹立交橋區(qū))可以將雨水口作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分,其他區(qū)域采用以檢查井為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分。

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The effect of node type selection for catchment division on urban stormwater simulation//

SONG Ruining1, GONG Yongwei1,2, LI Junqi1, LI Xiaojing1, LI Xiaoning2

(1.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment,MinistryofEducation,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 2.BeijingCooperativeInnovationResearchCenteronArchitecturalEnergySavingandEmissionReduction,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

The storm drainage system model of Xincheng Park in Guangming New District of Shenzhen was set up based on InfoWorks ICM model. In this study the catchment area was divided respectively according to manhole and gully, and its effect on flow simulation results of park outlet was analyzed. The results showed that the selection of node-type had no obvious effect on peak flow simulation result in the condition of light or medium rainfall, while for storm or heavy rainfall the selection of node-type had great influence on peak flow. Compared to catchment division based on manhole, runoff-yielding time producing was delayed by dividing the catchment area based on gully. Therefore, research goal, regional scale and rainfall characteristics should be considered in the process of modeling to reasonably divide the catchment area.

manhole; gully; InfoWorks ICM model; discharging capacity

北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃(YETP1645);北京建筑大學(xué)環(huán)境科學(xué)及環(huán)境工程專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(PXM2014-014210-0001)

宋瑞寧(1988—), 男, 河北邢臺(tái)人, 碩士研究生, 主要從事城市雨洪控制利用研究。E-mail: songruining@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.015

P333

A

1006-7647(2015)03-0075-05

2014-02-20 編輯：駱超)