1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
近些年我国的经济全面蓬勃发展，随着城镇化的稳步建设，我们所面临的问题也逐渐清晰化，在城区建设中的不透水下垫面积的总占比日益增加，由此引发暴雨情况下的城市内涝问题已经给人们的生命财产安全带来巨大隐患。每到汛期，多出城市发生程度不同的内涝现象[1]，2016 年 7 月 24 日西安的暴雨洪涝灾害以及北京 2012 年 7 月 21 日内涝灾害频频发生，都给城市建设与群众造成了巨大的经济损失。城市中发生的暴雨洪涝灾害对于城市的日常建设与生活造成了不可挽回的经济损失，影响了居民正常生活以及城市本身交通运营、工业生产等方面。此外，在发生城市内涝灾害中形成了大量雨水径流冲刷的污染物，当含有悬浮杂质、细菌等金属污染物流入城市水体[2-4]，直接影响了人们的正常生活。
随着可持续发展的理念深入人心，人们发现当今城市雨洪管理主要是协调城市与水关系，随后提出了一种新的发展城市模式即海绵城市[5]。在 2013 年度的中央城镇化会议上，习近平总书记强调要建设海绵城市，应注重城市自身排水系统的规划搭建，应当结合城市地形地貌将雨水利用起来，打造自然与城市友好相处的城市环境。随后国家发布了关于建设海绵城市技术的相关指南文件[6]。目的是为了推进海绵城市与自然和谐相处，共同发展的和谐观念，能合理搭建其中联系达到渗蓄净用排的效果[7]。其中调蓄池是经济效益最显著，且建设效果最为明显的工程措施。
调蓄池形式多样技术成熟，广泛应用于城市雨洪管理，在工程项目中根据周边的管网及地表情况而选择不同类型的调蓄池，可达到提高降雨时对于水量和水质的调节控制效果。我国现阶段关于调蓄池对非点源污染的调控已经取得了一定的研究成果，选用合适的调蓄池为我们进一步保护环境和水体提供了方向 [8]。建造雨水调蓄池在城市里运用，就是起到降灾、防洪的作用，在调蓄池的运行下，可以降低城市排出的雨水量，减小发生内涝灾害的可能性。并且调蓄池的设置可影响城市地下排水管道的设计，可以一定程度上缩小管道的直径，降低建设成本[9-10]。调蓄池需要满足两个条件以达到更高效率的运行，包括一方面蓄水量达到最大时再实现溢流，这与调蓄池的参数设计以及开闸水位、降雨情况相关；另一方面减少开启调蓄池的次数。故开闸水位与设计标高等参数对于调蓄池的高效运行具有重要的实用价值。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 海绵城市研究进展
起初澳大利亚的学者研究城市发展建设对于农村人口的影响效应，由此牵出海绵城市概念，并引出城市暴雨雨洪利用管理研究[16-17]，代表理念有：低影响开发( LID)、最佳管理措施（BMPs）、可持续发展排水系统( SUDS)和水敏感性城市设计(WSUD)[18-20]。
美国致力于研究城市建设中遇到雨洪管理问题，有较为丰富的研究成果，对其他各国家在该领域的研究起到了推动作用。其中最佳管理措施在城市关于城市降水中的自然与城市建设思路的和谐发展中，所提出初期是为了控制非点源污染问题，后来随着人们意识观念以及实际建设的逐步发展，又渐渐扩展到生态环境、与水质水量等方面[21]。工程性措施指的是建设镶嵌在城市内部的工程设施，以对形成的内涝污染问题进行调控，包括透水路面、生物滞留池、植被缓冲带等。非工程性措施主要为立法、监管等管理型措施[22]。在最佳管理措施的基础上，提出的 LID 措施是一种分布在城市管网系统源头的处理技术，其主要方式为分散布设在各个可能出现积水内涝的源头，将雨洪水量进行处理，即为在城市雨洪汇聚而成的过程中调控处理，渗透或存蓄。LID 措施除了对于径流水量的源头调控作用外，还对径流中汇聚的污染物起到重要作用，特别是中小强度的降雨事件[23]。该措施在城市中的布设灵活，类型多样，主要有渗透铺装、绿色屋顶和雨水花园多种形式，具有较高的经济效益[24-27]。关于 LID 措施的典型设计，有 2003 年波特兰市的会议项目获得了最佳水资源保护奖，在城市中布设了植被缓冲带、雨水花园等设施，既起到了控制城市雨水的作用，又打造了自然和谐的环境[28]。
英国的可持续排水系统是 20 世纪末期提出的新型排水方法措施，预在城市雨洪管理措施中加入渗水设施、人工滞留池、蓄水设施等，以减轻管网系统的排水压力。与传统意义上的城市排水相比较，SUDS 采取了过滤式沉淀池、渗透铺装等措施，调控径流水量与水质。这样的设施既可以作用在老城改造中，也可以作用在新城设计里，同时也营造了绿色景观。
澳大利亚的水敏感性城市设计，其主要核心思路为建立自然环境与海绵城市的相通与联系，强调自然水循环的过程。所提出的水循环理念为形成城市生活各类用水的自然循环体系，并通过生物滞留池、绿色屋顶、雨水花园等措施从源头解决城市雨洪管理问题[29]。 澳大利亚为了保证水敏感性城市设计体系在城市中的顺利实施颁布了大量的法律法规作为依靠，取得了明显的效果[30]。
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2 调蓄池运行规则模型搭建
2.1 调蓄系统背景分析
在城市内涝调蓄系统中，调蓄池缓解城市内涝的主要作用在于削减洪峰流量。具体体现为首先根据研究区域的地形地貌、汇水方向以及管网结构确定调蓄池管控的汇水区域，以此作为该调蓄池的调蓄系统边界。然后分析该汇水区域内部的地表产汇流、管网汇流等情况，总结各降雨条件下内涝点的位置，包括其积水时间、积水深度、溢流量、污染物质量等数据，再添设调蓄池设施，包括其位置参数、占地面积、池底相对标高、有效调节容积、进出水管径流量和闸门设置等参数。最终完成一个以内涝点削峰为核心，包括调蓄池设置、管网结构和汇水区域的调蓄系统，在此基础上分析系统需求目标及控制变量，搭建调蓄池运行规则模型，合理求解优化调蓄规则。该调蓄系统视图如图 2-1 所示，根据地形资料、汇水方向和管网信息，确定各调蓄池有效管控的汇水区域范围，以此作为该调蓄池的调控边界范围，再以内涝点数据为核心，为达到削减洪峰流量和减少积水情况的目标，结合汇水区域的产汇流情况与管网结构调整该调蓄池的运行规则，最终实现调蓄目的。
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2.2 需求分析
2.2.1 系统需求
本文采用面向对象的方法，将水文水力模型内部看做相互独立的对象，并分析其中相互影响的耦合关系，为解决水文水资源、水安全、水环境等系统建模提供了良好的思路。1995 年 Booch、Jacobson 和 Rumbaugh 三位面向对象大师将他们各自的方法统一起来，推出了对不同类型对象的标准建模语言，UML 语言(Unified Modeling Language)。UML 语言的思路是为搭建模型提供了一系列具有特殊设定的元素，
并且设定了不同元素关系之间的规则标准，最终建立起利用这些设定元素和设定规则标准而完成一个完整的模型表述遇到的现实问题[54]。根据需求描述，可采取多种具有不同特征的表达方式描述该需求行为，比如活动图、协作图和状态图等。本文选择了 UML 为设计工具完成面向对象的分析过程，建造数据模型。
在本文研究的调蓄系统工程中，主要为结合汇水区域地面、管网汇流及调蓄池运行的综合情况，确定调蓄系统目标及控制变量，以选择调蓄规则达到预期调蓄效果。水量和水质是体现调蓄效果的重要环节，在城市暴雨情况下，对积水时间、积水深度、溢流量的控制以及对水质污染物的削减，是调控的主要目标。本文主要通过调蓄池对雨水径流污染物削减率的研究，优化调蓄池运行规则，使得面源污染控制效果达到最佳。由于在地表和管网径流中，水质受水量的影响较大，污染物浓度随径流量的大小而变化，在本文系统中出现水质达到峰值的时间提前与水量达到峰值的时间，其中的原因可能是因为在降雨前期降雨较小，故形成的径流量也较小，因而使得径流中所携带的污染物浓度较高，形成了水质峰值，在之后随着降雨径流逐渐增大达到峰值时，较大的径流稀释了污染物浓度，使得水质浓度逐渐减小，因此，在调蓄池对雨水径流污染物削减率的研究中，分析削污效果与水量和水质的关系具有意义。据此调蓄池规则确定的主要系统需求为在城市地表管网径流的水文水力模型背景和不同降雨强度的降雨条件下，选择调蓄池进水口水位的变化速率为控制变量，形成运行水位与进水水闸开闭的调控关系，达到调蓄削污的目的。
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3 SWMM 模型基本原理简介 ................................................ 18
3.1 SWMM 模型水文水力模块基本原理 ................................... 18
3.1.1 地表产流模型 ...................................... 18
3.1.2 地表汇流模型 .......................................... 20
4 研究区域模型的搭建 ..................................... 27
4.1 研究区域概况 ................................. 27
4.1.1 地理位置 ............................. 27
4.1.2 地形地貌 .................................... 28
5 调蓄池运行规则的评价与优化 ......................... 51
5.1 指标相关性分析 .................................... 51
5.2 典型区域调蓄池运行规则的确定 ............................. 53
5 调蓄池运行规则的评价与优化
5.1 指标相关性分析
由于影响水量水质的参数较多，对于雨水径流污染物的分析影响较复杂，为了能清晰分析过程，选择重点影响指标，并以此来衡量调蓄池运行规则对雨水径流污染物削减的作用效果，通过 SWMM 模型模拟不同降雨强度下节点的各水量水质指标参数，进行相关性分析。
（1）水量指标相关性
选择南大明宫建材市场地下调蓄库进行 SWMM 模型模拟，通过芝加哥雨型生成器结合西安本地公式生成降雨历时选择设定为 120min，雨峰系数根据当地经验数据选择设定为 0.4 的 1 年和 2 年一遇的降雨过程线，如 4.3.4 节图 4-10 所示。
通过 SWMM 模型模拟可得南大明宫建材市场地下调蓄库进水口节点 N274 的深度与总进流量分别在 1 年一遇和 2 年一遇降雨强度下的关系图，通过 SPSS 软件分析该节点深度与总进流量相关性结果，如图 5-1 所示。
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6 总结
6.1 结论
本文在海绵城市建设背景下，研究调蓄池在不同规则运行中对于城市降雨径流引起的城市水环境问题的处理效果。本文以西安皂河排水分区海绵城市建设为背景，南大明宫建材市场调蓄池为典型设计。首先对调蓄系统背景做总体分析，确定调蓄池运行规则的系统需求及相关控制变量，梳理模型搭建的原理与方法。对研究区域西安皂河排水分区进行实地勘测，结合已有地形资料获取基本参数，利用 ArcGIS 软件搭建 SWMM 模型，根据不同重现期设计降雨过程线采用径流系数法验证模型。最后，对比典型调蓄池的运行规则在不同降雨条件下对研究区域非点源污染负荷量的调控效果。主要研究结论如下：
（1）通过对海绵城市中调蓄池设施的功能作用及适用条件，结合其经济效益与设施效果，从城市建设整体出发，分析调蓄系统的背景及结构，确定调蓄池合理运行的规则方法。首先确定调蓄池在水量和水质不同需求下的评价指标，分析其基本运行模式包括晴天模式、进水模式、满池模式、放水模式。然后以雨水径流污染物削减率和运行费用为目标，选取进水口水位变化速率为状态机，形成运行水位与进水水闸开闭的调控关系，达到调蓄削污的目的，建立调蓄池运行规则模型。
（2）本文通过对研究区域的实地调查以及现状资料的获取，概化得子汇水分区以及排水管网分布情况，通过对下垫面的分类统计整理得研究区域的各属性参数，并分析地表污染物来源及种类，整理各土地利用类型的属性资料。对研究区域现状问题进行调查分析，主要存在的问题包括地形方面，小寨区域东南高、西北低，若遇暴雨，洪水倾泻，严重威胁低洼地区；城市建设方面，城区不透水硬化下垫面扩张以及屋面和路面的雨水污染严重；维护管理方面，现状干管排水标准较低，调蓄设施严重不足。
（3）介绍了 SWMM 模型的原理及参数取值范围，采取径流系数法验证不同降雨重现期下模型的稳定性，模拟径流系数与实际综合径流系数的变异系数满足±5%要求。基本搭建完成研究区域 SWMM 模型，共 355 个子汇水分区，3 个排放口，376 个雨水井，3 个调蓄设施，382 条管段，设置 14 类水文水力参数，4 类水质参数，初步运行后，连续性误差表面径流为-0.01%，管网汇流为-0.14%，水质流动为 2.10%，模型具有良好的稳定性和精确度。
参考文献（略）