建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究_马鑫.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20211019基金项目:国家自然科学基金“精细地形及管网资料缺失城区洪涝过程数值模拟方法”(52079106);中德合作交流项目(M-0427);全沙坡面流挟沙力机理与侵蚀过程高分辨数值模拟研究(52009104);陕西省重点研发计划(2021SF-484)第一作者:马鑫(1994)，男，硕士研究生，主要从事城市洪涝管理方面研究。396272476 qqcom*通信作者:侯精明(1982)，男，教授，主要从事地表水及其附随过程数值模型的理论推导和实际应用、城市及流域洪涝灾害管理、城市水利和水利新技术研究。jingminghou xauteducnDOI:10.13205/jhjgc202212014马鑫，侯精明，李丙尧，等 建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究 J 环境工程，2022，40(12):105111建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究马鑫1侯精明1*李丙尧1栾广学1王俊珲1李东来1杜颖恩1杨党锋2姬国强3(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，西安 710048;2中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;3陕西西咸海绵城市工程技术有限公司，西安 710061)摘要:为探究建筑小区雨水花园空间布局对径流过程的影响规律，采用耦合 SWMM(暴雨洪水管理模型)管网模块和GAST 模型(基于 GPU 加速技术的地表水动力数值模型)的一二维耦合水动力模型，并以西咸新区天福和园小区为例，模拟计算了实测降雨条件下的径流过程。以雨水花园为研究对象，分别在该小区上、中、下游布设雨水花园，模拟6 种重现期，共 18 种典型工况下其对管网出口径流的调控效果。结果表明:该耦合模型可精确可靠地模拟城市管网排水及地表积涝过程，纳什效率系数为 0.80 和 0.76，模拟结果较好;随着设计降雨重现期增加，径流总量控制率逐渐降低;在相同重现期下，将雨水花园布设于下游侧的径流总量控制率较布设于上游侧时提升了 5.338.74 百分点，提升效果较明显。可见，该研究结果可为优化建筑小区雨水花园空间布局提供参考。关键词:耦合模型;雨水花园;空间布局优化;数值模拟;径流总量控制率INFLUENCE LAW OF AINWATE GADENS SPATIAL LAYOUT ON UNOFFPOCESS IN BUILDING COMMUNITIESMA Xin1，HOU Jingming1*，LI Bingyao1，LUAN Guangxue1，WANG Junhui1，LI Donglai1，DU Yingen1，YANG Dangfeng2，JI Guoqiang3(1State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid egion of China，Xi an University of Technology，Xi an 710048，China;2Northwest Engineering Corporation Limited，China Power Construction Group Co，Ltd，Xi an 710065，China;3Shaanxi Xixian Sponge City Engineering Technology Co，Ltd，Xi an 710061，China)Abstract:To explore the influence of the spatial layout of rainwater garden in the building community on the runoff process，a1D and 2D coupling hydrodynamic model with SWMM(storm flood management model)pipe network module and GAST(surface hydrodynamic numerical model based on GPU acceleration technology)was adopted in this research，and the runoffprocess under the measured rainfall condition was simulated and calculated by taking Tianfuheyuan community in Xixian NewArea as an example The rainwater gardens were arranged in the upper，middle and lower reaches of the Tianfuheyuancommunity respectively，to simulate the regulation effect on the outlet runoff of the pipe network，and more than 6 returnperiods and 18 typical conditions were conducted in this paper The results showed that the coupling model could be used toaccurately simulate the process of urban pipe network drainage and surface inundation;the Nash efficiency coefficients were0.80 and 0.76 in the two measured rainfall events，representing good accordance with the measured data With the increase indesign rainfall return period，the total runoff control rate decreased gradually Under the same return period，the total runoff环境工程第 40 卷control rate of the rainwater garden arranged on the downstream side was increased by 5.33%to 8.74%compared with that onthe upstream side，and that s an obvious improvement The research results can provide a reference for optimizing the spatiallayout of rainwater gardens in building communitiesKeywords:coupling model;rainwater garden;space layout optimization;numerical simulation;total runoff control rate0引言近年来，我国城镇化速度逐年递增，区域不透水占比增大，极端降雨情况下易形成地表径流，加之极端暴雨频发，导致城市内涝灾害日趋严重1-4。为解决城市水资源及水灾害问题，通过借鉴成熟的 LID(low impact development)理念，我国提出了“海绵城市”建设理念5，通过源头削减、过程控制和末端治理的方式实现对城市水资源的系统治理。目前，国内外相关领域专家学者针对 LID 设施优化问题的研究较多，如 She 等6 采用模拟退火(SA)算法，提出了以降雨径流、污染物排放和建设运营成本均最小化，环境效益最大化为目标的多目标优化方法，对研究区的 LID 设施进行优化，得到海绵城市的最优下垫面布局。Li 等7 为量化流域尺度LID 设施的调蓄能力，基于 SWMM 模型和生命周期成本(LCC)方法确定最优设计方案，研究发现在不同降雨情景下，生物滞留带、植草沟和透水路面等 LID 设施对缓解流域尺度的城市洪涝具有良好效果。章双双等8 通过构建SWMM 模型，采用最优化目标函数确定最优 LID 设施占比方案，从而得到经济成本最优方案。但是关于LID 设施优化的相关研究多集中在城市等大尺度区域，鲜有针对中小尺度的研究，且上述研究以水文模型或智能算法为主，未考虑径流的物理过程。因此，对LID 精细化布设方式研究等还存在一定欠缺。综上，本文以陕西省西安市西咸新区天福和园小区为研究对象，利用高精度地形数据、实际管网资料和实测数据，运用耦合了 SWMM(暴雨洪水管理模型)一维管网模块和 GAST(基于 GPU 加速技术的地表水动力数值模型)9 二维地表的一二维耦合水动力模型，研究在小区尺度区域内 LID 设施原有组合类型及各项设施面积占比不变的情况下，雨水花园不同空间布局对小区内径流调控效果的影响，并根据模拟结果得到雨水花园的优化布设方案。1数值模型及求解方法1.1控制方程本模 型 的 控 制 方 程 为 二 维 浅 水 方 程(简 称SWEs)10。忽略其运动黏性项、紊流黏性项、风应力和科氏力，则其非线性守恒格式矢量形式见式(1)(3):qt+fx+gy=S(1)q=hqxqy，f=uhuqx+gh2/2uqy，g=vhvqxvqy+gh2/2S=ighzbx Cfuu2+v槡2ghzby Cfvu2+v槡2(2)Cf=gn2/h1/3(3)式中:q 为流量变化矢量;t 为时间，s;h 为水深，m;qx、qy分别为 x、y 方向的单宽流量，m3/(sm);u 和 v分别为 x、y 方向的流速，m/s;f、g 分别为 x、y 方向的通量矢量;S 为源项，包含底坡源项、下渗源项及摩阻力源项;i 为净雨率;zb为河底高程，m;g 为重力加速度，m/s2;Cf为床面摩阻系数;n 为曼宁系数11。应用堰流公式或孔流公式计算地表汇入雨水井的水量，如式(4)所示。Qin=cwCi2槡gh3/22D，Z1D Zb2D Z2DcoAi2g(Z2D Z1D槡)，Z1D Zb2D Z2D(4)h2D=Z2D Z1D(5)式中:Qin为地表水通过雨水井汇入管道的流量，m3/s;cw为堰流系数;co为孔流系数;Ci为雨水井入口的周长，m;g 为重力加速度，m/s2;h2D为地表水深，m;Zb2D为地表高程，m;Z2D为地表水位，m;Z1D为雨水井内水位高程，m;Ai为雨水井入口截面面积，m2。当雨水井中水位高程超过地表水位高程时，产生地表溢流，其溢流量采用孔流公式计算，如式(6)所示。Qout=coAi2g(Z1D Z2D槡)(6)式中:Qout为从雨水井溢流至地表的流量，m3/s。1.2数值方法本研究使用的耦合模型在求解地表产汇流过程时采用 Godunov 格式有限体积法求解二维浅水方程。601第 12 期马鑫，等:建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究为了提高计算精度，变量空间插值选用二阶 MUSCL方法12，13。通过 HLLC 近似黎曼求解器求解控制单元内界面上的物质与动量通量。时间迭代采用二步unge-Kutta 法，同时采用 GPU 加速技术大幅提升计算速度14，15。在求解管网模块时采用二维地表模型计算地表积水深度，在雨水井节点处与地下管网进行水量交换的方式，当节点水位小于节点处地表网格水位时，地表水流进入地下管网，即水流从二维地表进入一维管网;反之，管网中的水从节点溢流至地表，即水流从一维管网进入二维地表。2模型构建及验证2.1研究区域概况本研究以天福和园小区为目标研究区域，其位于陕西省西安市西咸新区，东靠丰信路，西邻沣西新城咸户路，南连公