城市更新的雨洪过程动态响应模拟研究——以银川市为例

李欣怡，侯精明，潘占鹏，景 静，樊 超，孙学良

(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.中国城市规划设计研究院，北京 100044)

1 引言

中国城市建设正逐步由增量为主进入存量发展时代，城市更新作为保持城市生命力的一种重要调节机制，受到极大关注，成为城市发展建设领域的热门话题[1]。城市更新相关术语从二战后的“城市重建”到“城市再开发”、“城市复兴”、“城市振兴”到如今的“城市更新”，因不同阶段城市更新侧重点的不同命名也各有差异[2]。针对我国城市发展现状和薄弱环节，根据不同问题导向，城市更新可分为老城改造和新城扩建两部分。老城改造更新对象主要为旧城、旧厂、历史街区等，改造方式主要为拆除重建、整治改造、保护维护/全面改造、微更新等[3]，目前我国尚未出台全局性、统领性的国家级城市更新法律法规或管理办法，因此该方面研究将会成为未来城市发展的重点研究方向[4]。新城扩建主要针对新城未开发区域，由原有耕地、林地、草地等土地改建为城市商业用地、住宅用地等，是一个城市化必经发展过程。目前，我国大部分区域仍然处于一种以城市为中心的扩散过程，使得城市边缘区成为城市中最活跃、变化最为迅速的地区，因此，城市边缘区发展研究也逐渐成为我国新城扩建的重要任务[5-7]。

海绵城市建设要落实到指标中，需借助水力模型进行前期评估以指导相关规划指标的落实[8]。目前常见的水力模型，如InfoWorks模型、SWMM模型、GAST模型和MIKE模型[9-13]等。在管网和地表二维水动力模拟中，检查井和雨水网格之间的流量交换条件下，通常需要分别耦合管网和地表二维模型。本文采用自主研发的基于CPU加速的高效高精度地表水动力模型(简称GAST模型)耦合SWMM模型，该耦合模型具有地表地下水流交换过程合理，地表径流过程计算准确，管网排水过程精度高，运行速度快的优点[14]。以银川市为例，在不同重现期降雨条件下，对老城管网进行不同范围雨污分流改造及新城城市边缘区不同占比居民用地扩建后地表积涝及管网情况进行研究。在响应海绵城市理念的同时，应用雨洪利用思路，通过对现状的评估，制定不同规划方案，分别评估不同规划方案较现状的变化情况，得出相关结论，为城市发展提供理论依据。

2 区域概况与研究方法

2.1 研究区域银川市位于黄河上游，宁夏平原中部，西倚贺兰山、东临黄河，南靠黄土高原、北接内蒙古高原，其地域范围在北纬37°29′—38°53′，东经105°49′—106°53′之间。2013年末城市建成区面积148.60 km2。属于典型大陆性干旱、半干旱气候。银川市主城区根据污水厂服务范围分为6大排水系统，本文选取西夏区南部和金凤区北部为研究对象。

2.1.1 老城改造区域 西夏区南部为典型老城片区。老城主要特征为建筑密度大，发展程度高，由于居民用地占比高，开发涉及政府、原住民、开发商等多方主体，利益分配复杂，拆迁难度大，在可持续发展情况下优先考虑整治改造和保持维护。其地下管网系统为合流制(R1)，大部分区域存在严重雨污合流溢流甚至黑臭现象，无法满足城市化发展的需求。因此根据研究区域特点，将部分区域合流制管网改为雨污分流管道，并在易积涝部位增加CSO调蓄池及泵站。生活污水量根据污水处理厂旱季日进水量确定(70 238.65 m3)，以节点入流方式加入模型中；根据片区实际管网分布等情况，在污水处理厂前加1个4.5万m3CSO调蓄池并在新建雨水管排口分别加3个排水泵站，具体管网改造见图2：(1)仅改造片区3管网(N1)；(2)仅改造片区1和片区2管网(N2)；(3)同时改造片区1、2和3管网(N3)。

2.1.2 新城扩建区域 城市边缘区是城市环境空间和农村环境空间过渡地带，是城市外延的发展用地区，更是城市中最活跃、变化最为迅速的地区[15-16]。我国城市化的发展目前还未经历发达国家的大规模郊区化现象，城市对周围边缘区的吸引力依然巨大。因此，新城扩建过程中边缘区域的土地利用问题尤为突出，特别是利用动态规划管理方法实现土地利用结构优化方面。土地利用结构优化为各类土地用地之间相互依存、结合和转化的关系[17-19]，是数量上、地域上和时间上的共同影响形成的布局结构，主要表现为边缘区耕地、林地等转化为城市用地。

金凤区北部为典型新城片区，新城主要特征为整体人口密度低，待开发面积大，可规划程度高，基本为雨污分流制管网。可根据政策及实际地形进行更完善规划，海绵措施改造发挥空间大。根据城市边缘区扩散及预测，得到动态规划变化区域，变化特征为随着距离的增加，在空间分布上，城市型用地增多，农业型用地减少。具体变化区域见图3。

规划前，原始地块(B1)为林地，靠近交通主干道，毗邻城市主城区居民用地，具有发展为居民用地潜力。根据发展趋势改造为居民用地，改造面积方案分别为：(1)改造面积占比0.56%(C1)；(2)改造面积占比0.30%(C2)；(3)改造面积占比0.19%(C3)。

2.2 降雨条件设计暴雨是城市规划工程中水力模型的重要输入参数，降雨峰值系数r=0.4(取值范围0

(1)

式中：降雨历时选择t=2 h；降雨重现期选择P=1，3，5，10，20，50，100和200 a。降雨过程如图4所示：

2.3 研究方法本文主要研究内容由地表和地下两部分组成：地表产汇流和地下管网汇流。

2.3.1 地表产汇流控制方程 本文应用具有守恒格式的平面二维浅水方程(简称SWEs)来模拟二维计算区域的水流运动过程[21]。地表产汇流过程通过动力波方法求解二维浅水方程，计算区域采用Godunov格式有限体积法进行空间离散。质量通量和动量通量通过HLLC近似黎曼求解器计算。

2.3.2 地下管网汇流控制方程 计算地表径流汇入雨水井水量所采用的堰流公式[22]如下：

(2)

式中：Q为地表径流汇入管网的流量，m3/s；m为流量系数；b为雨水井宽度，m；g为重力加速度，m/s2；h为雨水井水深，m。

SWMM的管网汇流计算的解法有稳定流解法、运动波解法和动力波解法，其中后两种方法的本质就是求解简化或完整的圣维南方程组。考虑到动力波法可计算管段的入口及出口损失，模拟封闭管渠有压流及一些复杂多变水流状态，因此，本次研究选用动力波进行管网汇流计算，方程如下：

(3)

(4)

式中：A为管道过水断面面积，m2；Q为管道流量，m3/s；x为固定横截面沿流程的距离，m；t为时间，s；g为重力加速度，m/s2；Sf为摩阻比降，Sf=(K/(gAR4/3))Q|V|，K为滞阻系数，K=gn2，n为管道曼宁系数，R为过水断面的水力半径，m，V为流速，m/s

2.3.3 模型耦合机制 城市地表径流及管网排水过程耦合主要需要解决地表二维模型与管网一维模型的水量交互问题。在模型中，管网节点将地表二维与管网一维相连接，其是进行二者水量交互的唯一通道。目前对于地表二维模型与管网一维模型的水量交互问题的研究尚浅，在物理实验方面的验证较少，计算方法一般采用堰流公式或者孔口流量公式计算溢流和入流。因此，本文同样采用此方法进行节点水量交换计算。

(1)管网节点入流或回流。当地表二维模型的网格水位Z2D大于对应管网一维模型节点水位Z1D时，降雨在地表二维模型中产生的径流通过管网节点进入城市地下管网系统，发生节点入流；当管网排水能力不足时，发生超载，管网系统中通过管网节点溢流到地表的水，在管网排水能力恢复后重新回到管网系统，发生节点回流。对地表与管网系统水量交互时的这两种情况，分别采用堰流公式和孔口流量公式计算。

当节点水位Z1D小于地表网格水位Z2D且小于地表高程Z时(如图5(a))，根据地表水深，即地表水位Z2与地表高程Z的差值计算入流量，此时采用堰流公式进行计算，如下。

(5)

式中：QR为节点入流量，m3/s；m1为堰流系数，范围[0，1]；b为管网节点周长，m；Z2D为地表网格水位，m；Z为地表高程，m。

当节点水位Z1D小于地表网格水位Z2但大于地表高程Z时(如图5(b))，采用孔口流量计算公式进行计算，如下。

(6)

式中：QH为节点回流量，m3/s；m2为孔流系数，范围[0，1]；A1为节点面积，m2；Z1D为节点水位，m。

(2)节点溢流。当管网排水能力不足，发生超载，此时管网节点水位Z1D大于地表网格水位Z2D时，管网系统中的水会通过与地表相连接的管网节点溢流到地表，发生节点溢流，此时采用孔口流量计算管网节点溢流量，即管网系统溢流到地表的水量。

当节点水位Z1D大于地表网格水位Z2D时(如图5(c))，根据地表网格水位Z2D与节点水位Z1D的差值计算入流量，公式如下。

(7)

式中：QY为节点溢流量，m3/s；m2为孔流系数，范围[0，1]。

(3)一二维模型通量处理。地表网格水位与管网节点水位计算水量交互后，将计算的溢流量或入流量重新反馈给地表二维模型和管网一维模型分别进行通量计算。其中管网一维模型将水量交互计算得到的入流或溢流量通过新增外部函数直接传回SWMM系统即可；地表二维模型则需要根据入流或溢流量对地表网格的水深进行重新计算，计算公式如下。

(8)

式中：Znew2D为考虑此时间步长下管网节点溢流或入流通量计算的新网格水位，m；Δt为时间步长，s；Acell为节点对应的地表网格面积，m2；Z2D为未考虑管网节点溢流或入流通量的网格水位，m。

3 结果

3.1 模型验证模型计算采用开放边界，四周无入流，初始无积水，计算过程库朗数取值为0.4。以银川市实测数据进行模型验证(数据来源：银川市市政局)。积水点模拟结果如图6所示(由于积水深度<0.01 m对行人、车辆无影响，因此在积涝图中积水深度<0.01 m不进行显示，后续积涝图中处理方式相同)。积水点模拟值与实测值对比如表1所示。由于有实测数据的积水点位较少，因此仅对有监测数据的两个点进行对比。由于实际过程中降雨不稳定及室外自然条件等因素的影响，模拟结果与实测结果略有偏差，积水面积误差范围分别为1.25%和3.5%，积水深度误差范围分别为4.41%和5.2%，在合理范围内[23](<6%)，表示该模型对于城市雨洪过程模拟精度及可靠性较高。

3.2 老城改造

3.2.1 地表积涝水量对比 通过对比发现，采用雨污分流、增加CSO调蓄池及增加泵站的措施对地表积涝有积极响应。N1、N2、N3雨污分流改造方案对比原状R1，积水峰现时间均为4500 s，地表最大积涝水量减少。当t=4500 s时，地表积涝水量呈N1>N2=N3的趋势，当4500 sN2>N3的趋势。说明N3改造对地表积涝影响最显著，减小积涝水量的同时，加快内涝消退时间。以P=5为例，t=4500 s时对应地表积涝情况如图7所示，图中2处易积涝点位积涝面积及积涝深度均减小，其中N3改造效果最为明显。

图8为不同改造情况下地表水积涝水量。由图8可知，地表积涝水量达到峰值后，R1较N1、N2和N3退水速率缓慢，P=1时尤为明显。原状R1对应降雨重现期分别为P=1、P=2、P=5时，地表最大积涝水量分别为17 320、24 137、40 770 m3，改造后N1和N2(最大积涝水量N2=N3)在P=1、P=2、P=5时分别为16 508、23 330、39 974和16 501、23 321、39 963 m3，较R1减小4.92%、3.46%、1.99%和4.96%、3.50%、2.02%。N2和N3方案均优于N1，但N2和N3方案峰值时刻无差异。

为进一步研究不同改造方案较原状R1的变化情况，以积涝总量减小比率为参数。由图9可知：对比N1、N2、N3较R1积涝总量减少率可知(t<4500 s和t>14 400 s时，差异较小，可忽略。仅考虑4500 s10 800 s时，呈相反趋势。P=1情况下，雨污分流改造效果最明显，积涝减小率可达44.93%～49.63%。P=2和P=5时，地表积涝减小率分别为34.02%～37.99%、25.06%～28.41%。

3.2.2 地下管网对比 《室外排水设计规范》中规定[24]：雨水管渠设计重现期应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定，经技术经济比较后按表2规定取值。为方便对比，选用降雨重现期为P=1、P=3和P=5。

表2 雨水管渠设计重现期 单位：a

不同降雨条件下原状管网最大峰值时刻管网充满度情况如表3所示。由表3知：未改造前管网在P=1的情况下已基本满管，78.81%管网无法满足一年一遇降雨排水需求，退水3 h后，虽然较峰值时有所缓解(满管占比为59.81%)，但依然无法满足排水需求。P=1、P=3和P=5的最大峰值管网满管情况呈(P=5)>(P=3)>(P=1)的趋势(见图10(a))。雨天情况下，雨污分流区域功能不同。雨水汇入雨水管道，排入就近水体，生活污水顺着原合流管道汇入新建CSO蓄水池并由排水泵站抽进污水厂处理。通过对比管网充满度，充满度<1即定义为满足要求。由表3可知，N1、N2和N3三种方案均对管网起到改善作用。当降雨重现期分别为P=1、P=3和P=5时，最大峰值时刻N1、N2、N3管网充满度<1的占比为34.89%、28.26%、25.53%，46.06%、27.44%、26.79%和50.73%、35.15%、32.10%。退水3 h后，占比为76.66%、44.75%、27.96%，78.24%、44.81%、35.55%和80.88%、61.29%、56.47%，均呈现N3>N2>N1的趋势，且降雨量越大，满足要求的占比越小。以P=5为例，N1、N2和N3改造下，最大峰值管网情况如图10(b)所示。

表3 改造前后管网充满度对比

图1 地理位置及研究区域

图2 西夏区南部改造规划

图3 具体动态规划区域

图4 降雨过程

图5 节点水位Z1D、地表网格水位Z2D和地表高程Z的关系示意

图6 实测积水点

图7 P=5时不同雨污分流改造地表积涝分布图

图8 不同改造情况下地表积涝水量

图9 不同改造情况下积涝总量减小比率

图10 改造前后管网最大峰值比较情况

N1、N2、N3较R1相比，P=1时，最大峰值时刻和退水3 h时刻分别可提高1.65、2.17、2.39倍和1.91、1.95、2.01倍。P=3和P=5时，N1、N2、N3三种改造较R1相比呈相同趋势，最大峰值时刻分别提高1.51、1.47、1.88和1.59、1.67、2.00倍，退水3 h时刻分别提高1.74、1.74、2.39和1.32、1.67、2.66倍。

3.3 新城扩建

3.3.1 地表积涝水量对比 同一降雨重现期条件下，动态规划面积占比对城市内涝具有一定影响。当重现期P<5时，动态规划面积占比变化与未改造前相比差异极小，可忽略不计。而随着降雨重现期的增加(5

图11 地表积涝水量对比(P=200 a，t=3600 s)

通过对比发现(图12)：动态规划前后地表积涝水量均呈现先迅速增大后逐渐减小的趋势，峰现时间均为3600 s。同一降雨重现期情况下，不同面积占比对内涝积水量有一定影响，均呈现C1>C2>C3>B1的趋势，除P=1。以降雨重现期P=100为例，B1、C1、C2和C3地表积涝峰值水量分别为98 208、99 352、98 785和98 572 m3。动态规划不透水区域占比面积越大，对地表积涝影响越大。

图12 不同降雨情况下地表积涝水量变化

通过对比不同降雨重现期条件下(图13(a))，动态规划后最大峰值积水量较原状增加比率发现：当P=1时，动态规划面积改变对水量几乎无影响，随着降雨重现期逐渐增大，比率变化越来越大。其中1

图13 动态规划前后改造面积与内涝积水关系

当降雨重现期相同时，随着动态规划面积占比的增加，改造后内涝增加比率较改造前明显增大，通过拟合曲线发现(图13(b))，均符合非线性变化趋势(y=ax2+bx+c)，见表4。由拟合曲线函数关系式发现：随着降雨重现期的增加，a、b、c这3个常数值均逐渐增大。通过评定不同扩建面积在不同降雨重现期情况下的内涝积水量和积水区域分布情况，可初步预测城市边缘区居民用地扩建面积对整体的积涝影响，并评估方案可行性。

表4 不同降雨重现期下拟合曲线函数关系式

3.3.2 降雨径流控制率对比 降雨径流控制率[25]可通过统计获得，其计算公式如下：

(9)

式中：β为降雨径流控制率；Qi为排水分区第i个排口的累计外排量，m3；R为场次累计降雨量，mm；A2为排水分区面积，hm3。根据耦合管网模块的高效高精度城市雨洪模型，外排水量通过管网排口获得。

不同降雨重现期下，降雨径流控制率计算结果见表5。由表5可知：当降雨重现期P=1时，动态规划面积占比对径流控制率无影响，均为82.75%。随着降雨重现期的增加(5≤P≤200)，径流控制率逐渐变小，B1、C1、C2和C3的径流控制率变化分别为87.75%～53.01%、75.62%～52.91%、75.62%～52.97%和75.63%～52.99%，符合客观规律，即降雨重现期越大，降雨径流控制率越小。而同一降雨重现期情况下，径流控制率基本呈现B1>C3>C2>C1的趋势，即规划居民用地占比越大，对降雨径流控制率的影响越小。

表5 降雨径流控制率计算

4 讨论

4.1 老城改造雨污分流改造在老城改造中具有积极响应。峰现时刻t=4500 s时，地表积涝水量呈N1>N2=N3的趋势，当4500 sN2>N3的趋势。这是因为N1改造片区区域较小，居民用地占比少，改造对整体影响效果受限。而N2改造片区约为N1改造片区面积的2倍，且基本为居民用地，属于成熟城市区域，原状内涝压力大，改造后雨水在泵站作用下汇入雨水渠道，排入就近水系，缓解地表内涝压力，因此在不同降雨重现期情况下，N2较N1地表积涝水量均有大幅度降低。N3改造由N1和N2改造合成，以西夏区南部宝湖南路为分界线，整体南部区域均进行雨污分流改造，较N1和N2单一改造效果更为显著。但由于N1部分对整体影响小，且峰值时刻管网基本满管，可调节能力受限，导致N2和N3在峰值差异性不大，但随着时间逐渐增加，N1部分雨水管作用逐渐凸显，内涝消退过程中N3整体改造效果优于N2。

经过N1、N2和N3雨污分流改造后，改造区域雨水进入新建雨水管道，在新加泵站作用下迅速排入就近水系，雨水管的分流作用逐渐凸显。而合流管经过改造后变为污水管，仅起到承载生活污水的作用，污水管和未改造合流管先汇入新建CSO调蓄池，起到错峰作用，使得短时间内汇入污水厂的水量变少，不再因为超过污水厂处理负荷而产生厂前溢流。雨水管道改造区域面积N3>N2>N1，这也使得N3情况下管网充满度<1占比最大。但是由于管网最大承载能力有限，同一降雨重现期情况下，N1、N2和N3三种改造方案在峰值时刻的充满度差异性虽然较R1有提升，但是效果不够显著，差异性最大为9.36%。退水3 h后，管网充满度<1的占比较峰值时刻大幅度提升，这是因为经过3 h退水，雨水管中的水基本排完，雨水管道基本无满管，因此管道整体退水速度加快，尤其是P=1时，N3方案退水3 h后管网充满度<1的占比可达80.88%。

4.2 新城扩建动态规划面积占比对新城扩建具有一定影响。当P=1时，地表积涝水量呈现B1=C1=C2=C3，这是因为B1为新城，本底条件良好，在小降雨时基本无内涝风险，而C1、C2、C3改造中，最大规划区域面积占比仅为0.56%，产生的地表径流水量可以通过管道排走，内涝影响在小降雨时基本可忽略不计。而随着降雨重现期的增加(5≤P≤200)，改造后对内涝的影响逐渐显著，在P=200时最显著。这是因为降雨重现期越大，降雨量越大，虽然金凤区北部本底管网均进行了雨污分流，但P=5时，雨水管基本满管，使得降雨在地表汇集，形成积涝。同时，新城扩建后较原始地块土地利用类型单一，且均为地表坡度为0的居民用地，下渗速度较改造前的耕地类型减小，表面积水无法顺坡流走，聚集形成新的薄层积涝区。另外，地表径流速度对管网井点的汇入有重要影响，径流速度较大时，会导致水无法就近汇入井点，反而越过井点进一步形成径流[26]，这也导致当降雨重现期在5

5 结论

针对城市更新过程中，局部片区改造对整体地表径流过程、地下管网排水过程的雨洪动态响应规律不明确等问题，通过对银川市西夏区南部和金凤区北部进行老城局部管网雨污分流改造和新城边缘区居民用地扩建，模拟不同降雨重现期下，管网改造片区不同组合对老城地表积涝水量和管网充满度的影响，及新城居民用地扩建占比对整体积涝分布和降雨径流控制率影响。得出以下结论：

(1)老城改造时，在降雨4500 s后老城区增加雨污分流、CSO调蓄池及泵站措施对城市雨洪有积极响应。地表积涝水量呈N1>N2=N3趋势，且在4500 sN1>N2>N3的趋势。降雨重现期分别为P=1、2和5时，N1、N2、N3较R1积涝可分别减少44.93%～49.63%，34.02%～37.99%和25.06%～28.41%。N3改造效果均为最优。

(2)N1、N2和N3三种改造方案均对管网起到改善作用。降雨重现期为P=1、3和5时，N1、N2、N3管网充满度<1的占比在最大峰值时刻分别可达到34.89%～25.53%，46.06%～26.79%和50.73%～32.10%，退水3 h后，占比分别可达到76.66%～27.96%，78.24%～35.55%和80.88%～56.47%。N3改造效果均最优。

(3)新城改造时，局部动态规划面积对整体区域的洪涝影响在小降雨情况下可忽略(P=1)。但随着降雨重现期的增大其影响逐渐凸显，尤其在P=20时变化最为明显，而当P>20时变化幅度逐渐降低，P=20为节点重现期。新城改造区域面积占比对整体区域积涝影响随着改造面积增加而越大。

(4)小降雨重现期下(P=1)新城居民建筑用地动态规划面积占比对径流控制率无影响(均为82.75%)。但随着降雨重现期增加(5≤P≤200)，径流控制率由87.75%降低到52.91%，表明存在较大韧性动态改造空间。

针对不同区域实际情况，通过动态模拟不同规划方案，定量评估老城和新城局部区域改造对自身及整体区域的影响，可为后续工程建设提供重要理论支撑。