基于Mike Flood模型的老旧小区海绵化改造研究

孙 楠 范肖予 郭梦京

（1.山西省水利水电科学研究院 山西太原030002；2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室 陕西西安710054）

0 引言

城市化是推动区域迅速发展的有效途径，是维持经济蓬勃发展的有力支撑，但随着城市化进程的不断推进，传统的土地开发模式带来大面积不透水铺装，导致城市下垫面的透水及滞水性能明显降低，减弱了下垫面的雨水调蓄能力，从而引发了水资源紧缺、城市水生态恶化、城市内涝等一系列城市水问题。

2012年4月，“海绵城市”在《2012 低碳地市与区域发展科技论坛》中被首次提出；2014年10月，《海绵城市建设技术指南低影响开发雨水系统构建（试行）》正式发布；2016年4月，山西省人民政府印发了《关于推进海绵城市建设管理的实施意见》，意见要求旧城区结合城市道路改造、老旧小区更新、棚户区改造同步实施海绵城市建设，到2020年城市建成区海绵城市建设达标面积需大于20%；2019年4月，国家发改委、水利部联合印发的《国家节水行动方案》中提及结合海绵城市建设来提高雨水资源利用水平。

本文以山西太原某老旧小区为例，探讨Mike Flood 模型在老旧小区海绵化改造设计中的应用，并通过研究小区海绵措施削峰减洪效果，提出适宜老旧小区的海绵化改造措施，为涵养局部水资源、增强小区防涝能力提供思路，为旧城海绵城市建设提供技术支撑[1-2]。

1 研究区概况

太原市位于山西省中部，是山西的省会城市。2016年《太原市海绵城市专项规划》（2016年-2020年）的公布，标志着太原市海绵城市建设的开始。随后，太原市相继出台海绵城市建设的实施意见、管理暂行办法等，逐步推动太原市海绵城市建设；2019年11月，《太原市海绵城市建设管理条例》出台，以地方法规的形式将海绵城市建设的各项工作予以规范，给太原市海绵城市建设提供了法律保障。

太原市属暖温带大陆性季风气候，冬季干冷漫长，夏季湿热多雨。多年平均降水量为388～485 mm，降水主要集中于夏、秋两季；多年平均水面蒸发量925～1 247 mm；平均相对湿度53%～58%；最大冻土层厚度0.77～1.10 m。

研究小区位于太原市北部，建于上世纪90年代，总面积3.14 万m2，总地势东北高、西南低，小区有一个雨水出口位于小区南端，雨水通过雨水管网经雨水出口排入小区外道路管网系统。

2 模型与数据

2.1 模型建立

本次模拟采用的二维耦合模型（MIKE FLOOD）是丹麦DHI 公司开发的MIKE 系列软件之一，是由一维雨水管网模型（即：MIKE URBAN）与二维地表漫流模型（即：MIKE 21）耦合而成。一维管网模型用于模拟研究区管网系统的排水能力以及提供溢流节点位置及溢流水量，模拟主要分为径流模拟和管网模拟两个阶段。径流模拟中产流采用径流系数法，汇流采用时间-面积曲线法；管网模拟采用水动力模块计算，其控制方程为一维圣维南方程组；二维地表漫流模型用于模拟研究区地面洪水的流速、流向及深度[3]。二维地表漫流采用水动力学模块计算，其控制方程为二维圣维南方程组。

1）管网拓扑结构

该小区排水体制是分流制。本次工作收集到的管网数据主要包括：管网数据，包括管道位置、管道连接关系、流向、管道断面形式、管径、管道长度、上下游管底高程、管材等；检查井数据，包括检查井坐标、井底部高程、检查井井深、地面高程等；排放口数据，包括排放口顶部高程、底部高程等。研究区包含集水井37个，排放口1 个，管段36 个，均为圆管，共划分子汇水区37 个。研究区管网系统的拓扑结构如图1所示。

图1 小区管网系统拓扑结构图

图2 小区土地利用图

2）下垫面概化

本研究结合卫星遥感数据进行不透水率设置。研究区用地类型主要分为建筑、道路、绿地、其它四大类，土地利用图如图2所示。在雨洪模型中，径流系数通常采用经验数值，本研究采用《室外排水设计规范》（GB50014-2006）中给出的不同地类径流系数值。不同下垫面参数见表1。

表1 不同下垫面参数表

3）地形数据

本研究根据研究区1∶1000 CAD 数据图形，利用ArcGis 提取高程点和高程线，并进行插值处理得到研究区DEM 图。

4）参数设置

根据经验及相关资料设置曼宁糙率系数等模型参数及初始条件和边界条件等，其中干水深为0.002 mm、湿水深为0.003 mm，模拟时间步长为1 s，主要参数初始值见表2。

表2 模型主要参数取值表

2.2 模型验证

本文采用太原市“2016.7.19”暴雨为典型暴雨事件进行模型率定及验证。计算区域内最大淹没水深计算结果参见图3，可以看出，最大水深发生时刻为10:00 左右，1 号位置淹没水深为0.45～0.5 m，2 号位置淹没水深为0.3～0.4 m，与实际调查情况基本一致。各参数率定值见表2。

3 方案设置及计算结果分析

3.1 方案设置

图3 “7.19”暴雨最大淹没水深模拟结果

《海绵城市建设技术指南》中提出的诸如透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、雨水桶、植草沟、植被缓冲带、人工土壤渗滤等具有渗透、储存、调节、转输、截污净化等作用的海绵措施。本次小区海绵化改造主要考虑投资少、后期运营维护方便、适用于北方的海绵措施[4]。结合小区实际情况，本次选择适合研究区的海绵措施为在溢流点附近设置雨水桶，同时设置下凹绿地及透水铺装。其中雨水桶是指与单体建筑屋顶排水管网直接连接的，设置于地表或地下用塑料或金属等材料制成的简易雨水集蓄利用设施。下凹绿地是指根据土壤渗透性及植物耐淹性确定下凹深度的绿地，一般由蓄水层、种植层和溢流口组成，由于绿地标高小于四周不透水地表，雨水将被导流至绿地。透水铺装是指铺设透水砖、草坪砖、碎石卵石铺面等可透水下垫面。与硬化地面相比，透水铺装增加了雨水的下渗，在一定程度上减少了地面积水。本次措施布设模拟图见图4所示，各海绵措施尺寸表见表3。

图4 海绵措施布设模拟图

表3 各海绵措施尺寸表

3.2 计算结果分析

3.2.1 排口处流量变化情况

一维雨水管网1、3、5年一遇降雨在海绵措施添加前后，由排口处流量变化情况可以看出，海绵措施添加前不同设计暴雨排口处流量峰值分别为0.144 m3/s，0.157 m3/s，0.164 m3/s；添加后不同设计暴雨排口处流量峰值分别减小至0.125 m3/s，0.143 m3/s，0.151 m3/s，排口处流量峰值削减率分别为13.2%、8.9%、7.9%，海绵措施对排口处流量峰值削减效果明显。

3.2.2 暴雨节点溢流结果分析

运用已建模型模拟1年、3年和5年一遇设计暴雨2 h 降雨过程，研究区共设置节点数38 个，当降雨时间到33 min 时，溢流节点数达到最大。由计算结果可知，海绵措施的添加在各重现期降雨情境下对溢流节点均有明显的削减效果，消减率分别为100%、91.2%和79.9%，消减率随降雨重现期的增大而减小，这是由于海绵措施的调蓄能力有限，随着降雨强度的增加，除了雨水桶等可直接消减水量的措施不受影响，其它措施的调蓄能力都会产生不同程度的下降。

3.2.3 地表漫流淹没结果分析

运用已建模型模拟1年、3年和5年一遇设计暴雨2 h 降雨过程，现状研究区设计暴雨淹没水深分布图见图5、图6、图7，海绵措施添加后研究区设计暴雨淹没水深分布图见图8、图9、图10。由计算结果可知，海绵措施添加前，1年、3年和5年一遇降雨条件下，大于0.2 m 淹没水深的淹没面积分别为230.25 m2、869.8 m2和1 184.75m2。海绵措施添加后，大于0.2 m淹没水深的总面积分别减小到5 m2、50.5 m2和85.5 m2，大于0.2 m 淹没水深的淹没面积削减率分别为97.8%、94.2%、92.8%，削减作用明显。结果表明，采用合理的海绵措施能有效地降低研究区洪峰流量和径流总量，有效地改善小区局部积水问题。

图5 现状研究区1年一遇设计暴雨淹没水深分布图

图6 现状研究区3年一遇设计暴雨淹没水深分布图

图7 现状研究区5年一遇设计暴雨淹没水深分布图

图8 海绵改造后研究区1年一遇设计暴雨淹没水深分布图

4 结论

本文以山西太原某老旧小区为例，分析了海绵措施的添加对小区径流总量和峰值的削减情况，主要结论如下：

图9 海绵改造后研究区3年一遇设计暴雨淹没水深分布图

图10 海绵改造后研究区5年一遇设计暴雨淹没水深分布图

1）添加海绵措施后，雨水管网溢流点的个数、淹没面积、排口处流量峰值在不同降雨重现期下均明显减小，海绵措施的削峰减洪作用明显，可有效地改善小区局部积水问题。

2）本次添加的海绵措施有下凹绿地、渗透铺装及雨水桶，均属于低影响开发措施，措施施工方便，后期运营成本较低，对北方老旧小区较为适用。

3）本研究中设置的综合海绵措施效果良好，但仍有进一步优化空间，在实际运用过程中可通过调整措施设置位置、措施设置面积及措施组合，以达到最佳效果。