基于SWMM模型的小區(qū)低影響開發(fā)措施組合模式的效果模擬評(píng)估

張譯心 于富鑫 黃晨霞 王森

摘 要：文章以江蘇宿遷恒力·水木清華小區(qū)一期為例，運(yùn)用SWMM模型模擬了該區(qū)域傳統(tǒng)開發(fā)模式下及由四種LID措施組合布設(shè)后的LID模式下，在重現(xiàn)期為10年一遇的180min短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨下的徑流過程，評(píng)估了相比于傳統(tǒng)開發(fā)模式，LID措施組合的雨洪控制效果。結(jié)果表明，LID措施在減小排放口的徑流洪峰流量、提高地面蓄水量方面有較明顯效果，能夠有效地恢復(fù)大自然原有的對(duì)雨洪的調(diào)蓄能力。LID模式能夠優(yōu)化該小區(qū)的防洪排澇功能，減輕市政排水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，緩解城市內(nèi)澇，對(duì)海綿城市的建設(shè)有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：SWMM模型；低影響開發(fā)；雨洪控制；海綿城市

中圖分類號(hào)：S276.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）13-0050-03

Abstract： This article takes the first-stage project of Hengli Shuimuqinghua community in Suqian city， Jiangsu province as an example， by using the SWMM model to simulate runoff process of 10 years recurrence period， 180 minutes short-time design storm under the circumstances of the traditional mode of this area and LID mode that made of 4 kinds of LID facilities. The effect of storm control by LID measure combinations is also assessed comparing with traditional mode. The result indicates that LID measures have obvious effect on reducing the runoff flood peak flux of discharge outlet and on increasing surface storage. It can effectively restore the regulation and storage capacity that the nature originally has. LID mode is able to optimize the flood control and drainage functions of the community， reduce the operating pressure of municipal drainage network， relieve urban waterlogging and has significant meaning to the construction of sponge city.

Keywords： SWMM model （storm water management model）； low impact development （LID）； rain flood control； Sponge City

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市不透水路面積不斷增加，降水難以入滲，城市雨水控制系統(tǒng)滯后于城市發(fā)展[1]，導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。近年來研究表明，應(yīng)用SWMM模型對(duì)排水管道網(wǎng)進(jìn)行模擬，可對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸問題進(jìn)行有效的識(shí)別；在對(duì)城市雨水控制的研究中，LID的理念和技術(shù)體系作為一種可持續(xù)城市雨水控制方法，既能有效收集雨水利用雨水資源，緩解城市水資源短缺危機(jī)，還能顯著減少城市地表徑流，提高城市排水安全性[3]。鑒此，本文以江蘇省宿遷市恒力·水木清華一期小區(qū)為例，設(shè)計(jì)了由四種LID措施構(gòu)成的組合方案，運(yùn)用SWMM模型模擬評(píng)估了傳統(tǒng)開發(fā)模式下和LID措施組合下的雨洪控制效果，為城市小區(qū)域開發(fā)措施的優(yōu)化提供了參考。

1 研究區(qū)概況

恒力·水木清華擇居江蘇省宿遷市宿城新區(qū)核心，年降水量919mm，但分布不均，6─8月雨量占年降水量近六成，易形成春旱、夏澇、秋冬干燥天氣[4]。

研究區(qū)總用地面積11415m2。透水面積主要由小區(qū)綠化組成，綠化率35%。

2 SWMM模型及其LID模塊

SWMM是美國(guó)環(huán)保署研制的模擬城雨洪過程和水質(zhì)的綜合數(shù)學(xué)模型，能實(shí)現(xiàn)水文、水力以及水質(zhì)方面的模擬，并能以多種形式輸出結(jié)果。

LID低影響開發(fā)是一種可輕松實(shí)現(xiàn)城市雨水收集利用的生態(tài)技術(shù)體系，其關(guān)鍵在于原位收集、自然凈化、就近利用或回補(bǔ)地下水[5]。主要包含：生態(tài)植草溝、下凹式綠地、雨水花園、綠色屋頂、地下蓄滲、透水路面等[6]。

運(yùn)用SWMM的LID模塊，通過對(duì)場(chǎng)降雨事件及連續(xù)降雨事件的模擬，可實(shí)現(xiàn) LID設(shè)施對(duì)雨水徑流量、峰值流量的模擬和評(píng)估[7]，從而指導(dǎo)城市開發(fā)建設(shè)過程中LID設(shè)施的布局及優(yōu)化。

3 LID布設(shè)方案

LID的布設(shè)原則主要有以下幾條：

（1）以原有的自然生態(tài)系統(tǒng)和水文循環(huán)系統(tǒng)為土地開發(fā)利用的綜合框架，尊重原有的自然條件，減少對(duì)自然環(huán)境的影響。

（2）控制雨水徑流，增加可滲透鋪裝的面積，設(shè)計(jì)綠色屋頂和雨水收集系統(tǒng)，并將屋頂?shù)挠晁肟蓾B透的區(qū)域。

（3）盡量維持原有的自然的徑流路徑，減少排水坡度，延長(zhǎng)徑流路徑，使凈流面積最大化。

（4）創(chuàng)造多功能的景觀，通過景觀設(shè)計(jì)減少雨水徑流和城市熱島效應(yīng)并提升場(chǎng)地美學(xué)價(jià)值[8]。

SWMM模型中可以考慮的LID措施主要類型有以下幾類：植草溝、屋面雨水?dāng)嘟?、雨水桶、透水鋪裝、下滲溝、綠色屋頂、雨水花園、生物滯留網(wǎng)絡(luò)[9]。本次研究結(jié)合恒力·水木清華一期現(xiàn)有開發(fā)建設(shè)情況，遵循LID布設(shè)原則，提出以下幾種LID布設(shè)方案，將它們組合后成為L(zhǎng)ID措施組合方案：

（1）綠色屋頂：綠色屋頂作為L(zhǎng)ID技術(shù)中一個(gè)重要的組成部分，對(duì)于城市的降雨徑流控制效果明顯，由于LID就是分散、小規(guī)模的源頭控制技術(shù)，通過城市分散，大量的綠色屋頂建設(shè)必然能夠有效提高城市雨水的處理能力[10]。改造小區(qū)內(nèi)的24棟樓的屋頂為綠色屋頂，布設(shè)土壤厚度為300mm，導(dǎo)水率100mm/h，孔隙率0.5，排水材料厚度20mm，粗糙度為0.1。

（2）雨水桶：用雨水桶捕獲屋頂徑流，并用于灌溉綠地。每棟樓配備30m2的雨水桶，設(shè)置蓄水層厚度1000mm，排水滯后6h。

（3）透水路面：透水混凝土路面具有透水性，下雨時(shí)能較快消除道路、廣場(chǎng)的積水現(xiàn)象[11]；當(dāng)集中降雨時(shí)能減輕城市排水設(shè)施的負(fù)擔(dān)，防止河流泛濫和水體污染[12]。這里將所有路面換為透水路面，設(shè)置蓄水層孔隙率為0.45，路面層孔隙率為0.31，表面坡度為0.4%，表面粗糙系數(shù)為0.1。

（4）下凹式綠地：下凹式綠地能夠有效地利用小區(qū)內(nèi)綠化帶積蓄雨水，根據(jù)因地制宜的原則，改造部分綠地為下凹式綠地。設(shè)置蓄水層厚度500mm，孔隙率0.5，土壤滲透能力200mm/h，表面粗糙系數(shù)0.1。

4 徑流過程模擬

4.1 研究區(qū)概化

為了便于使用SWMM進(jìn)行徑流模擬，結(jié)合恒力·水木清華一期管網(wǎng)資料，將研究區(qū)域的排水系統(tǒng)概化為匯接點(diǎn)21個(gè)、管渠21條、排放口1個(gè)（位于小區(qū)東門）。結(jié)合排水規(guī)劃、地形，將研究區(qū)域劃分為13個(gè)子集水區(qū)。

4.2 項(xiàng)目數(shù)據(jù)及參數(shù)的選擇

研究區(qū)域的子集水區(qū)面積的大小由SWMM自動(dòng)測(cè)量。漫流寬度初始估計(jì)通過子集水區(qū)面積除以平均最大地表漫流長(zhǎng)度給出。平均坡度、管道形狀、管道大小、管長(zhǎng)、匯接點(diǎn)標(biāo)高、區(qū)域不透水面積比例等可由下墊面信息和管網(wǎng)信息得到。

選用宿遷閘站1981-2016年降雨資料，使用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線對(duì)60min、120min和180min年最大降雨量目估適線，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為10年，在配好的頻率曲線上查得，X60min，10%=75.5mm，X120min，10%=94.4mm，X180min，10%=108.3mm。最長(zhǎng)取到180min作為短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)，選取典型暴雨過程，使用同頻率法縮放典型暴雨過程得到降水過程。

查閱相關(guān)資料，蒸發(fā)量取1.02mm/d。

其他模型參數(shù)的取值主要是根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，參考SWMM模型用戶手冊(cè)中推薦的值及相關(guān)的資料、文獻(xiàn)。降雨入滲模型采用Horton入滲模型進(jìn)行模擬，依照SWMM手冊(cè)，采用如下參數(shù)值：最大入滲率f∞=76.2mm/h，最小入滲率f0=12.7mm/h，衰減系數(shù)α=4h-1。地表徑流的匯流計(jì)算采用非線性水庫(kù)模型，模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動(dòng)力波模型。其他模型參數(shù)取值見表1。

4.3 模擬結(jié)果及分析

運(yùn)用SWMM模型計(jì)算傳統(tǒng)開發(fā)模式和LID模式下的徑流過程，模擬總時(shí)長(zhǎng)取7h，結(jié)果時(shí)間步長(zhǎng)取5s。排放口1的流量過程與降水過程見圖1。

徑流過程與雨量過程吻合較好，徑流過程模擬合理，符合實(shí)際。兩種模式下模擬結(jié)果及對(duì)比見表2，排放口1徑流過程曲線見圖2。

圖2為傳統(tǒng)開發(fā)模式與LID模式下，排放口1 的徑流過程曲線。由圖2可以明顯的看出，在LID模式下，排放口1的徑流深得到了有效的削減。在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，排放口1的最大流量2.01m3/s；在LID模式下，排放口1的最大流量1.38m3/s，最大流量削減達(dá)31.3%。在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，地表徑流72.1mm，徑流系數(shù)0.666；在LID模式下，地表徑流25.6mm，徑流系數(shù)0.236，徑流系數(shù)減小幅度達(dá)0.430。同時(shí)，地表蓄水量得到了明顯的提高。排放口1流量的降低、地面徑流的減少和地表蓄水量的提高，說明雨水得到了有效的控制。

相比于傳統(tǒng)開發(fā)模式，在LID模式下，匯接點(diǎn)積水深度和匯接點(diǎn)進(jìn)流量均有下降。在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，共有9個(gè)匯接點(diǎn)出現(xiàn)了溢流，9條管渠出現(xiàn)了超載，占比高達(dá)42.8%。這是因?yàn)閷?duì)于洪水的調(diào)蓄能力較差，需要排放的雨水量超過了排水管網(wǎng)的承載能力，會(huì)造成內(nèi)澇積水。LID模式很好地解決了匯接點(diǎn)溢流、管道超載的問題。這也說明了LID模式能夠治理城市化帶來的內(nèi)澇問題。

綜上所述，相比于在傳統(tǒng)開發(fā)模式下開發(fā)，在LID模式下開發(fā)小區(qū)，可以更好地利用大自然的雨洪調(diào)節(jié)能力，有效地增加雨洪資源的可利用量，從而減輕市政排水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，有效地緩解城市內(nèi)澇。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用SWMM模型對(duì)傳統(tǒng)開發(fā)模式下和四種LID措施組合模式下的出水口斷面徑流過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)LID組合措施對(duì)斷面洪峰流量、徑流系數(shù)控制效果較顯著。因此，在城市小區(qū)域范圍內(nèi)可積極推行LID措施模式，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境起到整體改善作用。同時(shí)可通過改變不同LID措施的布局，進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)方案。

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