西咸新区海绵城市建设对沣河洪水特性影响模拟研究

纪亚星，同 玉，侯精明，苏 锋，杨 霄，吕 鹏，李东来，石 佳

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 研究背景

近年来，我国极端气候频发，其致灾性备受人们关注[1]。北京2018年“7·16”降雨事件中18个气象站有4个台站降雨量超100 mm，拥堵道路数量多达日常的 1.5倍[2]。西北地区有63%的暴雨集中在7-8月，且1 h、10 min的雨量极值相对较高[3]。西安市更是在2020年7月遭遇两场短历时高强度降雨，积水点遍布主城区，下穿通道积水尤其严重，水深高达成人腰部，一些车辆在水中熄火，社会影响严重[4]。为应对水灾害带来的一系列自然灾害问题，我国提出并践行了建设海绵城市的思路[5]。周志才[6]基于SWMM(storm water management model)模拟了上海市松江国际生态商务区海绵城市建设，在芝加哥雨型设计50年一遇降雨时，径流深总量削减高达33.82 mm，而且对污染负荷控制也起到一定效果。陈韬等[7]以北京市通州区某建筑小区海绵化改造为例，表明低影响开发(low impact development, LID)设施布设对雨水径流调控后，可减少内涝点，减轻管道负荷。但海绵城市建设不单是LID设施的简单布设，LID类型的选用、土地利用格局的划分、气候条件等均与之关系密切[8-10]。沣西新城海绵城市建设径流控制率可达80%～85%[11]，其海绵城市建设经验对相似地区具有借鉴意义[11-12]。针对西咸新区沣西新城的海绵化改造，马越等[13]研究表明，在低影响开发后原道路积水阻碍通行的易涝积水状况通过渗透铺装增加下渗量而得到明显改善，可以为人们的交通出行带来便利。刘力等[14]通过对比西咸新区LID设施布置前后两场相似降雨，在均匀监测的8个内涝点中有3个点积水消失，其中秦皇大道在LID设施作用下最大积水面积由531 m2减为0。陈光照等[15]研究发现海绵城市建设后即使面对空间分布非一致性降雨，城市内涝也可以被减弱。这些研究均表明海绵城市建设可以应对多种形式降雨。另外，姚原等[16]研究发现森林覆盖率变化正向影响流域洪水峰值削减率及峰现时间。

海绵城市建设使得原本通过管网排出的雨水自然下渗或就地存储，从而减少了外排量，至于对流域内河洪水特性是否产生影响，仍缺少相关资料验证。为了进一步明确海绵城市建设对内河产生的影响，本文基于侯精明等[17]开发出的一套高效、高精度地表水动力数值模型GAST(GPU accelerated surface water flow and transport model)，模拟分析了沣西新城海绵城市试点区低影响开发(LID)改造前后沣河西咸新区段峰值流量的变化并得出量化结论。该模型对城市雨洪过程、内涝、泥沙输移等均有较好的模拟效果[18-20]。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

本文首先利用理想流域进行定性分析，接着对实际流域进行模拟，两者相互验证。由Overton等[21]提出的V型理想流域示意图见图1。图1中河道宽为20 m，河道坡度i1=0.02，两岸为对称的边坡，单侧边坡宽为800 m，边坡坡度i2为0.05，流域总长为1 000 m，面积为162 hm2，下垫面类型为林地、草地和河道。根据Hou等[22]的研究发现，V型流域河道坡度小于0.05时，一侧斜坡平面上林地和草地各占50%且林地土地利用类型位于集水区斜坡中间对减弱洪水最有效。依照这种设置，单侧边坡的土地利用情况如图1右边坡布置，林地位于斜坡中间且与草地的面积相等。

图1 V型理想流域示意图(单位：m)

实际研究区选取沣河西咸新区段的沣西新城，南起沣润西路，东临沣河，北至西兴高速公路，西到秦皇大道，河长2.4 km，总面积为10.36 km2，其区位概况见图2。研究区地势高程变化不大，微向沣河河床倾斜。沣河发源于西安市长安区，流经咸阳市，然后汇入渭河，多年平均降水量为806.6 mm，秋季降雨量占比为全年的一半左右，相对集中，最大峰值流量达1 430 m3/s[23]。

图2 实际研究区沣西新城区位概况

目前，西咸新区沣西新城的部分海绵设施已建成，包括一些主要道路两侧以及小区内布设的生物滞留带、秦皇大道以及康定和园内布设的透水铺装、西部云谷楼顶等地采用的绿色屋顶[14]。研究区内除已建成的海绵设施区域外，其他区域也在规划建设中，参数统一按照已建成海绵设施区域选择。基于海绵化改造前后两种情景定性、定量模拟河道在不同上游来流和不同区间汇流的组合工况下出口断面流量过程线。

2.2 数据来源、参数确定及研究工况

海绵化改造极大程度地改变了下垫面不透水的缺点。模型输入资料包括地形、土地利用类型、下渗、降雨及河道入流等5部分。V型地形采用5 m结构网格，网格数为64 800个。改造前为情景1，改造后为情景2，不同情景对应不同下垫面参数，改造前的下渗值明显小于改造后。由于实际流域地形更加复杂，测算后采用高精度DEM数据，网格尺寸为2 m×2 m，数量为259×104个。研究区数字高程分布情况如图3所示。

图3 沣西新城数字高程图

基于正射影像将研究区下垫面划分为草地、林地、裸地、道路、居民用地、河道共6种不同土地利用类型，其具体分布情况见图4。根据侯精明等[17]采用的不同土地利用类型的曼宁系数，选取适合本文的曼宁系数值。其中河道曼宁系数根据地形实际情况取为0.023[24]。

图4 沣西新城各土地利用类型分布

研究区海绵化改造前，居民用地和道路交通大多数为硬化的不透水地面，透水能力较小，改造前下渗参数根据相关文献确定[17]，草地、林地、裸地的下渗能力依次增大。经过复杂的LID改造后，城市内涝现象得到有效缓解，研究区年径流总量控制率在80%～85% 之间[11]。采用双环入渗仪对典型LID设施的下渗进行测量，下渗参数根据实际情况率定，实际研究区改造前、后不同下垫面曼宁系数及下渗参数取值如表1所示。理想流域3种土地利用类型参数取值与实际研究区相同。

表1 实际研究区改造前、后不同下垫面曼宁系数及下渗参数取值

采用沣西新城设计暴雨强度公式[14]，如公式(1)所示。

(1)

式中：i为设计暴雨强度，mm/min；P为重现期，a；t为降雨历时，min。

降雨重现期P选为2、10和50 a，历时均为2 h，各降雨重现期的设计降雨过程如图5所示，其中80%的降雨量集中在0.50～1.20 h时间段内。

图5 各降雨重现期的设计降雨过程

根据潘景辰[25]文中提到的沣河历史最大、最小以及平均年径流量值，通过公式(2)将年径流量与流量进行转换，假设上游来流均为恒定流，得出沣河最大流量为17.06 m3/s，最小流量为2.75 m3/s，平均流量为7.69 m3/s。

(2)

河道上游来流流量Q0分别采用2.75、7.69、17.06 m3/s 3种大小不同的均匀流，与选定的3种降雨重现期进行组合。各组合工况及名称如表2所示。

表2 各研究工况组合方式及名称

模拟过程中采用节点等效管网，即1次降水的部分水量经土地下渗自行消纳，超出土地稳定下渗能力的多余水量利用节点等效排进河道，假设这一过程中所有多余降水量均被排出，不在当地形成内涝积水。模型除入口与出口外其余均为闭边界，模拟时库朗数取为0.5[15]。

2.3 研究方法

模型控制方程为二维浅水方程(shallow water equations, SWEs)，守恒格式的矢量形式为：

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：q为变量矢量;h为水深，m；qx、qy分别为x、y方向的单宽流量，m3/(s·m)；g为重力加速度，m/s2；u和v分别为x、y方向的流速，m/s；F和G分别为x、y方向的通量矢量；S为源项矢量；i为入渗源项；zb为河床底面高程，m；Cf=gn2/h1/3为谢才系数，m1/2/s；n为曼宁系数。

模型采用Godunov格式的有限体积法对方程进行空间离散，通过HLLC近似黎曼求解器求解通量[26]。采用静水重构法解决负水深问题，取小到可以忽略的初始水深来判定湿网格[27]。摩阻源项采用稳定性较好的隐式法；时间积分的二阶精度用二阶显式Runge-Kutta方法来实现[28]。针对模型计算中由非物理现象引起的计算不稳定性和物质动量不守恒的问题，采用具有二阶精度的MUSCL格式解决。模型作者在提高模拟效率方面采用了GPU加速技术[18]。

3 结果与分析

通过对流量过程、峰值流量以及峰现时间的分析来评估海绵建设后内河洪水特性的变化。本文采用基于水动力的数值模型模拟计算理想流域和实际研究区河道出口断面洪水过程线。

理想流域选取降雨历时2 h，模拟5 h 后结束，时间步长为300 s。当上游来流稳定后即在入流1 h后加入降雨。图6为理想流域不同情景各工况出口断面洪水流量(Qd)过程线的模拟结果。由图6可明显看出，改造后(情景2)的出口断面洪水峰值明显比改造前(情景1)减小。

图6 理想流域不同情景各工况出口断面洪水流量(Qd)过程线

在沣河西咸新区段对上述不同降雨重现期与不同入流的组合工况进行数值模拟。模拟总历时为24 h，全时长均有上游来流，待上游来流充满整个河道且稳定后，即在第18 h加入设计降雨，图7为实际研究区改造前、后各工况出口断面洪水流量(Qa)过程线的模拟结果。

图7 实际研究区改造前、后各工况出口断面洪水流量(Qa)过程线

从峰现时间以及峰值流量两个方面定量分析海绵城市建设对河流洪水过程的影响。理想流域不同情景各工况出口断面洪水流量的峰现时刻如表3所示。由表3可看出，情景2条件下各工况的峰现时刻相同，均出现在6 000 s时。重现期为2 a时，工况10在情景2条件下峰现时刻比情景1提前900 s，其余工况均提前1 200 s；重现期为10 a时，3种工况在情景2条件下峰现时刻均比情景1提前4 200 s；重现期为50 a时，3种工况在情景2条件下峰现时刻均比情景1提前3 300 s。由此可见，重现期为10 a时峰现提前时间最长，50 a重现期次之，2 a重现期提前时间最短。

表3 理想流域不同情景各工况出口断面洪水流量峰现时刻

实际研究区改造前、后各工况出口断面洪水流量的峰现时刻如表4所示。

表4 实际研究区改造前、后各工况出口断面洪水流量峰现时刻

由表4可看出，重现期为2 a时，工况2、6、10的峰现时刻在改造后比改造前分别延迟0、900、900 s；重现期为10 a时，工况3的峰现时刻在改造后条件下比改造前提前900 s，工况7、11的峰现时刻分别延迟2 100、1 200 s；重现期为50 a时，工况4的峰现时刻在改造后条件下比改造前提前900 s，工况8、12的峰现时刻分别延迟3 000、2 100 s。其中工况8的延迟时间最长，工况3、4略有提前。从峰现时刻来看，海绵化改造对相当于平水年的中等上游来流量影响效果更好。

本文采用洪峰消减率评价海绵化改造后不同上游来流量与不同区间汇流组合工况下对出口断面流量的影响，其计算公式如下：

f=(Q1-Q2)/Q1×100%

(8)

式中：f为洪峰削减率，%；Q1、Q2分别为海绵城市改造前、后的峰值流量，m3/s。

通过公式(8)计算，理想流域各工况峰值流量削减率如图8所示。计算结果表明，重现期为2 a时，工况2、6、10的峰值流量削减率分别为28.86%、13.18%、6.64%；重现期为10 a时，工况3、7、11的峰值流量削减率分别为52.24%、33.07%、18.64%；重现期为50 a时，工况4、8、12的峰值流量削减率分别为67.34%、46.37%、29.29%。其中工况4即上游来流最小且区间汇流最大时的削减率最大，工况10即上游来流最大且降雨重现期最小时的削减率最小。

图8 理想流域各工况出口断面峰值流量削减率

实际流域各工况峰值流量削减率如图9所示。计算结果表明，降雨强度为2 a时，工况2、6、10的峰值流量削减率分别为16.73%、4.12%、2.66%；重现期为10 a时，工况3、7、11的峰值流量削减率分别为30.47%、14.58%、9.21%；重现期为50 a时，工况4、8、12的峰值流量削减率分别为43.57%、26.79%、18.74%。

图9 实际研究区各工况出口断面峰值流量削减率

通过分析计算结果发现，当重现期不变时，随着上游来流量增大，由于区间汇流所引起的洪峰在整个峰值流量中占比减小，洪峰削减率也随之减小；当上游来流不变时，随着重现期增大，由于区间汇流所引起的洪峰在整个峰值流量中占比增大，峰值削减率则随之增大。即削减率受区间汇流量在总量中的占比影响较大。从峰值流量来看，海绵化改造对相当于枯水年的上游较小来流量影响效果最好，对相当于平水年的上游中等来流量次之，对相当于丰水年的较大上游来流量最差。结合峰现时间与峰值流量的结果分析，海绵化改造对平水年洪水的控制效果最佳。

4 讨 论

本文通过水文及水动力学模型GAST对V型理想流域和沣河西咸新区沣西新城段实际流域的洪水流量过程进行了模拟，并定量分析了峰现时间和峰值流量。从模拟结果可以看出，理想流域和实际流域在海绵城市建设后均对内河的洪水过程有一定影响，其大小取决于上游来流量与区间汇流量，在河道流量较大，且经常发生高强度降雨的地区进行海绵化建设对内河峰值流量的削减率最大。至于对峰现时刻的影响规律，两者差别较大，还需要进一步研究。本研究对于海绵城市的建设效果有一定的评估作用，尤其是在以管网排水为主的城市。如果海绵化改造建设范围更广，高峰值的洪水事件将发生的越少，在水生态等方面建议考虑海绵城市建设所带来的影响。

5 结 论

(1)海绵城市建设前，实际流域各工况的出口断面洪水流量过程曲线形状相似，最大峰值流量为27.37 m3/s，理想流域最大峰值流量为25.58 m3/s。上游来流量和区间汇流量越大，实际流域与理想流域的峰值流量越大，峰现时间越早。

(2)海绵化改造后，与改造前相比，实际流域及理想流域的峰值流量均被削减，实际流域峰值削减率最大为43.57%，理想流域最大为67.34%，但两者峰现时间无明显规律。

(3)实际流域与理想流域相比，峰值流量削减有所差别，但规律相同。至于峰现时刻，实际流域各工况在海绵化改造后比改造前有提前也有延迟，最少提前900 s，最多延迟3 000 s。而理想流域峰现时刻改造后比改造前均为提前，最少提前900 s。在洪水发生时，峰现时刻的确定很重要，洪峰越早发生越不利，峰现时刻可能也与地形特性有关。