城市更新的雨洪过程动态响应模拟研究——以银川市为例.pdf

年 月水利学报 第 卷第 期文章编号：（）收稿日期：；网络首发日期：网络首发地址：?基金项目：中德合作交流项目（）；国家自然科学基金项目（，）作者简介：李欣怡（），博士生，主要从事城市水利数值模拟方面的动态规划研究。：通信作者：侯精明（），教授，主要从事地表水及其附随过程数值模拟的理论推导和实际应用研究。：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（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 ；中国城市规划设计研究院，北京 ）摘要：为探明城市更新发展中局部片区改造对整体地表径流过程和地下管网排水过程的影响。本文应用耦合水文和水动力学过程数值模型，以银川市西夏区南部和金凤区北部分别作为老城和新城更新片区，进行老城管网雨污分流改造及新城城市边缘区居民用地扩建研究。研究表明：雨污分流对老城地表积涝和管网堵塞均有显著提升作用，不同组合方案局部改造较原始地块可减少地表积涝水量 ，在峰值时刻和退水 后管网充满度 所占比例较改造前分别提升 倍和 倍（）。不同面积占比的新城扩建（、）对城市地表积涝和降雨径流控制率影响随着降雨重现期增加而增大，但其增速在 时变缓。因此应充分考虑局部改造对整体城市区域雨洪过程的影响，以避免因城市更新而导致城市洪涝灾害加剧，达到防患未然效果。关键词：耦合模型；城市更新；旧城改建；雨污分流；新城扩建；雨洪响应中图分类号：文献标识码：?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 。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 。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 ，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 。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 。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 。目前常见的水力模型，如 模型、模型、模型和 模型 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 加速的高效高精度地表水动力模型（简称 模型）耦合 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 。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。区域概况与研究方法 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 ，东经 之间。年末城市建成区面积 。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 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。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（），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 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（），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 个 万 调蓄池并在新建雨水管排口分别加 个排水泵站，具体管网改造见图 ：（）仅改造片区 管网（）；（）仅改造片区 和片区 管网（）；（）同时改造片区 、和 管网（）。图 地理位置及研究区域图 西夏区南部改造规划 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 。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 ，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 。规划前，原始地块（）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：（）改造面积占比 （）；（）改造面积占比 （）；（）改造面积占比 （）。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 （取值范围 ）。根据资料可知，银川市短历时芝加哥暴雨强度公式 如下：（）（）（）式中：降雨历时选择 ；降雨重现期选择 ，和 。降雨过程如图所示：图 具体动态规划区域图 降雨过程 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。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 ）来模拟二维计算区域的水流运动过程 。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 格式有限体积法进行空间离散。质量通量和动量通量通过 近似黎 曼求 解 器计算。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 如下：槡?（）式中：为地表径流汇入管网的流量，?；为流量系数；为雨水井宽度，；为重力加速度，?；为雨水井水深，。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：（）（?）（）式中：为管道过水断面面积，；为管道流量，?；为固定横截面沿流程的距离，；为时间，；为重力加速度，?；为摩阻比降，（?（?），为滞阻系数，为管道曼宁系数，为过水断面的水力半径，为流速，?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。（）管网节点入流或回流。当地表二维模型的网格水位 大于对应管网一维模型节点水位 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 小于地表网格水位 且小于地表高程 时（如图 （），根据地表水深，即地表水位 与地表高程 的差值计算入流量，此时采用堰流公式进行计算，如下。槡（）（）式中：为节点入流量，?；为堰流系数，范围 ，；为管网节点周长，；为地表网格水位，；为地表高程，。当节点水位 小于地表网格水位 但大于地表高程 时（如图 （），采用孔口流量计算公式进行计算，如下。（槡）（）式中：为节点回流量，?；为孔流系数，范围 ，；为节点面积，；为节点水位，。（）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 大于地表网格水位 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 大于地表网格水位 时（如图 （），根据地表网格水位 与节点水位 的差值计算入流量，公式如下。（槡）（）式中：为节点溢流量，?；为孔流系数，范围 ，。图 节点水位 、地表网格水位 和地表高程 的关系示意（）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 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。（）（）式中：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，；为时间步长，；为节点对应的地表网格面积，；为未考虑管网节点溢流或入流通量的网格水位，。结果 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 。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 所示（由于积水深度 对行人、车辆无影响，因此在积涝图中积水深度 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 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 和 ，积水深度误差范围分别为 和 ，在合理范围内 （），表示该模型对于城市雨洪过程模拟精度及可靠性较高。图 实测积水点表 模拟值与实际值对照表积水点位置实测积水面积?模拟积水面积?误差比?实测积水深度?模拟积水深度?误差比?（）金波南街和济民路交叉口向南 （）上海路与北塔巷口 老城改造 地表积涝水量对比通过对比发现，采用雨污分流、增加 调蓄池及增加泵站的措施对地表积涝有积极响应。、雨污分流改造方案对比原状 ，积水峰现时间均为 ，地表最大积涝水量减少。当 时，地表积涝水量呈 的趋势，当 时，均呈现 的趋势。说明 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 为例，时对应地表积涝情况如图 所示，图中 处易积涝点位积涝面积及积涝深度均减小，其中 改造效果最为明显。图 时不同雨污分流改造地表积涝分布图图 为不同改造情况下地表水积涝水量。由图 可知，地表积涝水量达到峰值后，较 、和 退水速率缓慢，时尤为明显。原状 对应降雨重现期分别为 、时，地表最大积涝水量分别为 、，改造后 和 （最大积涝水量 ）在 、时分别为 、和 、，较 减小 、和 、。和 方案均优于 ，但 和 方案峰值时刻无差异。为进一步研究不同改造方案较原状 的变化情况，以积涝总量减小比率为参数。由图 可知：对比 、较 积涝总量减少率可知（和 时，差异较小，可忽略。仅考虑 ）：时，随着时间的增加，减小比率逐渐变大，而当 时，呈相反趋势。情况下，雨污分流改造效果最明显，积涝减小率可达 。和 时，地表积涝减小率分别为 、。图 不同改造情况下地表积涝水量图 不同改造情况下积涝总量减小比率 地下管网对比 室外排水设计规范中规定 ：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 规定取值。为方便对比，选用降雨重现期为 、和 。表 雨水管渠设计重现期单位：城镇类型城区类型中心城区非中心城区中心城区的重点地区中心城区地下通道和下沉式广场等超大城市和特大城市 大城市 中等城市和小城市 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 所示。由表 知：未改造前管网在 的情况下已基本满管，管网无法满足一年一遇降雨排水需求，退水 后，虽然较峰值时有所缓解（满管占比为 ），但依然无法满足排水需求。、和 的最大峰值管网满管情况呈（）（）（）的趋势（见图 （）。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 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 即定义为满足要求。由表 可知，、和 三种方案均对管网起到改善作用。当降雨重现期分别为 、和 时，最大峰值时刻 、管网充满度 的占比为 、，、和 、。退水 后，占比为 、，、和 、，均呈现 的趋势，且降雨量越大，满足要求的占比越小。以 为例，、和 改造下，最大峰值管网情况如图 （）所示。图 改造前后管网最大峰值比较情况表 改造前后管网充满度对比重现期?最大峰值时充满度 的管网占比?退水 后充满度 的管网占比?、较 相比，时，最大峰值时刻和退水 时刻分别可提高 、倍和 、倍。和 时，、三种改造较 相比呈相同趋势，最大峰值时刻分别提高 、和 、倍，退水 时刻分别提高 、和 、倍。新城扩建 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 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（），动态规划面积占比对城市内涝影响越来越大，时影响最大（图 ）。通过对比发现（图 ）：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 。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 的趋势，除 。以降雨重现期 为例，、和 地表积涝峰值水量分别为 、和 。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 地表积涝水量对比（，）图 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 （），动态规划后最大峰值积水量较原状增加比率发现：当 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 时，比率变化差异较大，降雨重现期分别为 、和 时，、内涝增加比率分别为 、，、和 、；而当 时，比率增加速率变缓，降雨重现期分别为 、和 时，、内涝增加比率分别为 、，、和 、。对城市内涝来说，是一个节点重现期。图 动态规划前后改造面积与内涝积水关系表 不同降雨重现期下拟合曲线函数关系式降雨重现期函数关系式 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 （），均符合非线性变化趋势（），见表 。由拟合曲线函数关系式发现：随着降雨重现期的增加，、这 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。降雨径流控制率对比降雨径流控制率 可通过统计获得，其计算公式如下：（）式中：为降雨径流控制率；为排水分区第 个排口的累计外排量，；为场次累计降雨量，；为排水分区面积，。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 。由表 可知：当降雨重现期 时，动态规划面积占比对径流控制率无影响，均为 。随着降雨重现期的增加（），径流控制率逐渐变小，、和 的径流控制率变化分别为 、和 ，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 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。讨论 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 时，地表积涝水量呈 的趋势，当 时，均呈现 的趋势。这是因为 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 改造片区约为 改造片区面积的 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，较 地表积涝水量均有大幅度降低。改造由 和 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 和 单一改造效果更为显著。但由于 部分对整体影响小，且峰值时刻管网基本满表 降雨径流控制率计算降雨重现期算例径流控制率?降雨重现期算例径流控制率?管，可调节能力受限，导致 和 在峰值差异性不大，但随着时间逐渐增加，部分雨水管作用逐渐凸显，内涝消退过程中 整体改造效果优于 。经过 、和 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 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 ，这也使得 情况下管网充满度 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，、和 三种改造方案在峰值时刻的充满度差异性虽然较 有提升，但是效果不够显著，差异性最大为 。退水 后，管网充满度 的占比较峰值时刻大幅度提升，这是因为经过 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 时，方案退水 后管网充满度 的占比可达 。新城扩建动态规划面积占比对新城扩建具有一定影响。当 时，地表积涝水量呈现 ，这是因为 为新城，本底条件良好，在小降雨时基本无内涝风险，而 、改造中，最大规划区域面积占比仅为 ，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（），改造后对内涝的影响逐渐显著，在 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 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 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 ，这也导致当降雨重现期在 时，地表内涝增加比率迅速增加。随着降雨重现期的进一步增加，土壤已达到饱和状态，无法下渗和排入管网的水量在地表汇集，因此 时，比率增加速率变缓。此时工程措施对内涝的影响很小，需要考虑非工程措施，提前评估风险，提高预警预报能力。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：（）老城改造时，在降雨 后老城区增加雨污分流、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 趋势，且在 时均呈现 的趋势。降雨重现期分别为 、和 时，、较 积涝可分别减少 ，和 。改造效果均为最优。（）、和 三种改造方案均对管网起到改善作用。降雨重现期为 、和 时，、管网充满度 的占比在最大峰值时刻分别可达到 ，和 ，退水 后，占比分别可达到 ，和 。改造效果均最优。（）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（）。但随着降雨重现期的增大其影响逐渐凸显，尤其在 时变化最为明显，而当 时变化幅度逐渐降低，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。（）小降雨重现期下（）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 ）。但随着降雨重现期增加（），径流控制率由 降低到 ，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。参考文献：冯高尚，张尚武公共价值导向的城市重点地区整体更新规划策略 以昆明翠湖周边地区整治与提升规划为例 城市规划学刊，（）：丁凡，伍江城市更新相关概念的演进及在当今的现实意义 城市规划学刊，（）：唐燕我国城市更新制度建设的关键维度与策略解析 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