基于SWMM模型的LID設施的雨洪控制效果分析

李思祎，張建豐，李 濤，計寶鑫

(西安理工大學水利水電學院，西安 710048)

隨著高速的城市化，城市的不透水路面日益增加。近幾十年來，西安市城區(qū)內(nèi)澇災害頻繁，城市內(nèi)澇問題得到廣泛關注。如今，城市居民生產(chǎn)和生活中受內(nèi)澇災害影響嚴重[1,2]。研究表明，暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)是目前研究較為深入，在國內(nèi)外應用最為廣泛的降雨-徑流模擬模型[3]。SWMM模型已經(jīng)更新至SWMM5.0版本，較之前增加了對低影響開發(fā)措施的支持，包括生物滯留池、連續(xù)多孔透水鋪裝路面、雨水桶、入滲池、植草溝5種措施。目前SWMM模型成為國內(nèi)外最主要的低影響開發(fā)措施的計算模型之一[4]。

國內(nèi)學者運用SWMM模型在城市防洪排澇方面做了大量深入的研究，如熊麗君等選取上海市中心城區(qū)，應用SWMM模型分析研究了該研究區(qū)域的降雨和產(chǎn)流特征，得出低影響開發(fā)措施對削減小雨量或低強度降雨下的徑流效果明顯，同時建立該地區(qū)徑流量與降雨因子的回歸方程，為該地區(qū)低影響開發(fā)方案提供參考[5]。柳浩林等運用SWMM模型分析兩種不同LID措施透水磚和下沉式綠地對降雨徑流過程的影響，得出LID措施對雨洪控制效果顯著[6]。目前，國內(nèi)在應用SWMM模型研究模擬中還存在若干問題，模型參數(shù)選取、加設LID措施時照搬國外案例經(jīng)驗不符合國內(nèi)實情等[7]。

本文將準確的排水管網(wǎng)和下墊面微地形信息結(jié)合，劃分若干個降雨徑流匯水區(qū)分區(qū)?；赟WMM模型探求每一個獨立排水管網(wǎng)系統(tǒng)所在下墊面的降雨徑流特征規(guī)律和加設4種不同LID組合措施對雨洪的控制效果和規(guī)律。尤其針對城市化程度高，不透水率大的城區(qū)的防洪管理，提供改進建議。同時對西安市以及國內(nèi)其他城市的雨水管理以及內(nèi)澇防治工作提供一些理論參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

以西安市南二環(huán)與環(huán)城南路之間、雁塔北路以西、長安北路以東為研究對象。該研究區(qū)域多年平均氣溫為13.3 ℃，在1月份氣溫最低，平均在-0.5～1.3 ℃，8月氣溫最高，平均氣溫為26.4～26.9 ℃。多年平均降雨量629.9 mm，7-10月的降水占全年降水量的55.9%。該區(qū)域降雨時空分布不均，夏季容易出現(xiàn)暴雨天氣，因此加重了城市內(nèi)澇發(fā)生的頻率。

該區(qū)域建筑基本建于20世紀八九十年代，城市化水平高，建筑屋面面積占該區(qū)域總面積41.8%，不透水路面占該區(qū)域面積44.8%，不透水率高達86.6%，排水系統(tǒng)相對較老，極易造成城市內(nèi)澇災害，是西安市內(nèi)澇頻發(fā)的區(qū)域之一。研究區(qū)域面積211.25 hm2，區(qū)域大體地勢是西北高，東南低，該雨水管網(wǎng)系統(tǒng)沿文藝路截流建設路、友誼路、建西街等管道系統(tǒng)的雨水，最終排入護城河。

1.2 研究區(qū)域概化

根據(jù)西安市最新的排水管網(wǎng)分布圖，對子匯水區(qū)進行劃分，首先根據(jù)研究區(qū)域雨水管網(wǎng)圖以及雨水井的位置，對研究區(qū)域的主干道進行劃分。其次根據(jù)該區(qū)域的土地利用類型圖、數(shù)字高程圖，對已經(jīng)粗略劃分好的子匯水區(qū)進行詳細的劃分。這樣可以盡量減小模型模擬的誤差，使得劃分好的每一個子匯水區(qū)域真實的降雨徑流過程與模型模擬的降雨徑流過程保持相似。如圖1所示，劃分結(jié)果為：共22個子匯水區(qū)，28個匯水節(jié)點，27段排水管道和1個排水總出口，圖中每個黑點代表一個子匯水區(qū)中心。

圖1 子匯水區(qū)劃分與排水管網(wǎng)圖Fig.1 Sub-catchment area division and drainage pipe network diagram

1.3 模型參數(shù)確定

1.3.1 子匯水區(qū)特征參數(shù)的選取

通過西安市地形圖，提取需要輸入模型中各子匯水區(qū)的具體參數(shù)，如表1所示。

1.3.2 水力參數(shù)選取

根據(jù)模型的用戶手冊和相關文獻[8,9]中，提供的模型參數(shù)的選取辦法，如表2所示，對水力參數(shù)進行選取。

1.3.3 模型驗證

對上述選取的水力參數(shù)，需要進行校驗，但在本研究中，研究區(qū)域?qū)儆诜比A的城市街道，并且排放口的位置處于地下數(shù)十米，現(xiàn)狀排放口處的實際流量過程線不易測得。所以，采用一種無實測資料的模型驗證方法，具體方法是參照實際的下墊面的情況，依據(jù)《室外排水設計規(guī)范》對不同下墊面的徑流參數(shù)進行取值。再計算不同下墊面的面積占研究區(qū)域總面積的面積權(quán)重，計算得到該區(qū)域的實際綜合徑流系數(shù)。最后通過模型模擬確定的徑流系數(shù)與實際綜合徑流系數(shù)進行比較，檢驗模型的誤差。表3是不同下墊面徑流系數(shù)取值范圍表。表4是城市地區(qū)不同區(qū)域的綜合徑流系數(shù)取值范圍表。

表1 研究區(qū)域基本特征參數(shù)表Tab.1 Table of characteristic parameters of sub-catchment area

表2 SWMM模型中主要水力參數(shù)取值范圍表Tab.2 The value range of main hydraulic parameters in SWMM model is shown in table

表3 不同下墊面徑流系數(shù)取值范圍表Tab.3 A variety of underlying surface runoff coefficient value table

表4 不同城市區(qū)域綜合徑流系數(shù)取值范圍表Tab.4 Urban area comprehensive runoff coefficient values range table

因為研究區(qū)域?qū)儆谖靼彩卸h(huán)以內(nèi)的老城區(qū)，該區(qū)域中底層建筑較多，城市化程度高，屬于城市建筑密集區(qū)。所以依據(jù)表4所示，綜合徑流系數(shù)在0.6～0.85之間，結(jié)合不同的下墊面類型，不透水路面徑流系數(shù)、綠地徑流系數(shù)、徑流系數(shù)分別選取0.9、0.1、0.9。 表5所示是實際綜合徑流系數(shù)加權(quán)計算結(jié)果。

表5 實際綜合徑流系數(shù)計算表Tab.5 Comprehensive runoff coefficient calculation table

SWMM模型模擬采用兩個不同降雨重現(xiàn)期1年一遇和2年一遇，運用SWMM模型進行模擬確定徑流系數(shù)，計算結(jié)果如表6所示。

表6 模擬徑流系數(shù)與計算綜合徑流系數(shù)對比表Tab.6 Simulate runoff coefficient and runoff coefficient calculation comprehensive contrast table

如表6所示，在1年一遇(P=1)條件下模擬徑流系數(shù)為0.791與實際綜合徑流系數(shù)0.793差異不大。為了判別在2年一遇(P=2)條件下的差異性，引入模擬綜合徑流系數(shù)與實際綜合徑流系數(shù)的變異系數(shù)CV(ψ)。如果變異系數(shù)小于5%，則證明變異性小。

(1)

經(jīng)公式(1)計算，變異系數(shù)為3.3%，由于徑流系數(shù)是一個變量，會隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增大。又因為此次模擬的降雨徑流系數(shù)的變異系數(shù)小于5%，基本判斷出在2年一遇的強度降雨下模擬得到的降雨徑流系數(shù)變異性小。所以SWMM模型可以準確的模擬研究區(qū)域的實際情況，可以用于下述的情景模擬。

1.4 模擬情景設計

1.4.1 設計雨型和雨量

城市暴雨雨型設計的方法主要有芝加哥法、Pilgrim&Cordery 法、Huff法[10]等。國內(nèi)的水文手冊和室外排水設計規(guī)范的設計暴雨公式一般都采用芝加哥法[11]。根據(jù)《西安市水文手冊》和西安市多年的暴雨資料確定設計暴雨公式如下：

<20年)

(2)

(3)

式中：i為暴雨強度，mm/min；N為設計重現(xiàn)期，a；t為設計暴雨歷時，min。

不同重現(xiàn)期設計降雨過程線如圖2所示，取降雨歷時取120 min，雨峰系數(shù)r=0.4，設計4種不同降雨重現(xiàn)期為1年一遇、2年一遇、5年一遇、10年一遇。

圖2 不同降雨強度下降雨過程線Fig.2 Design different frequency rainfall process line

1.4.2 設計不同雨峰系數(shù)下降雨過程線

通過公式(4)、(5)可知，雨峰系數(shù)r(峰值時間與降雨歷時的比值)是芝加哥雨型的唯一參數(shù)。所以通過公式可得到隨著降雨歷時變化的設計降雨過程線。

(4)

(5)

式中：i前為峰前時間的雨強，mm/min；i后為峰后時間的雨強，mm/min；tb為峰前時間，min；ta為峰后時間，min；r為峰值系數(shù)；a,b,c為地方參數(shù)。

如圖3所示是設計重現(xiàn)期P=1年時，雨峰系數(shù)r=0.3、0.4、0.5、0.6、0.7的設計降雨過程線。

圖3 P=1設計不同雨峰系數(shù)下降雨過程線Fig.3 Design frequency P=1 different rainfall peak rainfall process line

1.4.3 不同LID措施設置

情景設計選取在海綿城市建設中應用較為廣泛的LID設施：透水鋪裝路面和綠色屋頂[12,13]。由于考慮到研究區(qū)域為不透水面積較大的老城區(qū)，透水路面改造率有限并且有一定的改造難度，所以結(jié)合實際的下墊面情況，在設計不同LID措施情景中，保持透水路面面積不變，設計為15%透水鋪裝路面，15%是指透水路面面積占總道路面積為15%。建筑屋頂由于易于改造，根據(jù)不同屋頂?shù)母脑炻试O計以下4種情景。其中25%、50%、75%綠色屋頂是指綠色屋頂占總建筑屋頂面積為25%、50%、75%。加裝不同類型LID措施的情景設計如表7所示。

表7 不同情景設計表Tab.7 Design tables for different scenarios

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀條件下降雨徑流過程模擬

2.1.1 不同設計雨峰系數(shù)條件下降雨徑流過程

圖4和表8分別是不同雨峰系數(shù)下排放口處流量過程線和不同雨峰系數(shù)下水文特征值表。

圖4 不同雨峰系數(shù)條件下流量過程線Fig.4 Flow process line under different rain-peak coefficients

雨峰系數(shù)洪水總量/萬m3洪峰值/(m3·s-1)峰值時間/min徑流系數(shù)r=0.33.592 36.429510.792r=0.43.593 26.951610.791r=0.53.598 37.148710.790r=0.63.589 97.316820.791

從圖4和表8可以看出：隨著雨峰系數(shù)的增大，對于排放口產(chǎn)生的洪量和下墊面的徑流系數(shù)基本沒有發(fā)生變化。是因為在相同的下墊面類型和固定的設計降雨量，洪量和徑流系數(shù)是不發(fā)生變化的。但當雨峰系數(shù)每增加0.1，洪峰出現(xiàn)的時間推遲10 min左右。并且洪峰流量也隨之增大，當r=0.3時，Q=6.429 m3/s；r=0.6時，Q=7.316 m3/s，洪峰流量增大13.8%。根據(jù)排水管網(wǎng)的實際情況和模型運行的過程分析可知，在降雨初期時排水管道存在大量空間，能有效排走雨峰值出現(xiàn)越早的雨量，所以此時的洪峰流量值越小。但當雨峰值出現(xiàn)較晚，雨水管網(wǎng)的空間較小，導致洪峰流量增大，使得管道負荷增大。所以也可以看出在雨水管網(wǎng)設計時，城市的雨峰系數(shù)選取是不可忽視的。

2.1.2 不同設計降雨強度下降雨徑流過程

圖5以雨峰系數(shù)r=0.4設計P=1、P=2、P=5、P=10 四個不同重現(xiàn)期排放口流量過程線。表9是不同設計降雨強度下降雨徑流過程中水文特征值表。

圖5 不同降雨強度流量過程線Fig.5 Different rainfall intensity flow process line

重現(xiàn)期/a洪水總量/萬m3峰值時間/min徑流系數(shù)P=13.654 8600.774P=25.878 0540.803P=57.706 1500.834P=109.867 5480.861

從圖5和表9可以看出：在降雨重現(xiàn)期P=2年時的洪峰出現(xiàn)時間比P=1年時提前6 min；P=5年時的洪峰出現(xiàn)時間比P=2年時提前4 min；P=10年時的洪峰出現(xiàn)時間比P=5年時提前2 min。得出隨著降雨強度的增大，洪峰出現(xiàn)時間會提前，但洪峰出現(xiàn)時間的速度會變緩。根據(jù)對市政管網(wǎng)建設分析可知，雨水管網(wǎng)的設計規(guī)范采用的是一年一遇的設計標準，當降雨強度增大時會導致一定程度的管網(wǎng)滿流溢流。當降雨重現(xiàn)期P=1、2、5、10年時流域出口產(chǎn)生的洪水總量分別為3.654 8、5.878 0、7.706 1、9.867 5 萬m3，徑流系數(shù)在分別為0.774、0.803、0.834、0.861。是因為降雨強度的增大，排放口管道滿流的時間會提前，持續(xù)時間變長，不能持續(xù)排走雨水，導致洪量值增大。管道滿流時間增長，城市區(qū)域內(nèi)澇積水時間越長，模擬的規(guī)律與城市區(qū)域?qū)嶋H內(nèi)澇中特點基本一致。

2.2 不同情景下降雨徑流過程模擬

2.2.1 不同情景下降雨徑流過程

根據(jù)上述模擬情景設計，運用SWMM模型模擬現(xiàn)狀條件下和不同情境下研究區(qū)域的降雨徑流過程。圖6為設計降雨重現(xiàn)期P=1的情況下研究區(qū)域排放口的流量過程線。表10是不同情景下排放口所對應的水文特征值。

從圖6和表10可以看出：加裝LID措施，明顯有減少洪水流量，減小洪峰值，推遲洪峰出現(xiàn)時間的效果。加設不同LID措施較現(xiàn)狀條件下洪量分別削減5.4%、17.7%、26.8%、36.6%，洪峰分別削減2.0%、12.4%、17.7%、28.5%。表明隨著LID布設面積比例的增加，排放口洪峰、洪量大幅下降，洪水歷時縮短，洪峰向后延遲。從相關文獻中，模擬的結(jié)果可以得到驗證，王書敏等[14]對綠色屋頂對城市區(qū)域降雨徑流量模擬，得出相對于未加裝綠色屋頂，綠色屋頂?shù)木G化率達到100%，50%時研究區(qū)域峰值徑流量分別降低了5.3%和1.8%。表明綠色屋頂可以儲蓄洪水、削減洪峰，有利于緩解城市內(nèi)澇。

圖6 不同情景下P=1的排放口流量過程線Fig.6 The discharge outlet flow process line in different scenarios with the recurrence period P=1

情景設計洪量/萬m3洪量削減率/%洪峰/(m3·s-1)洪峰削減率/%洪峰時間/min洪峰推遲時間/min現(xiàn)狀3.654 807.010580情景13.458 15.46.872.0602情景23.006 917.76.1412.4624情景32.675 426.85.7717.7646情景42.317 636.65.0128.5668

2.2.2 加設LID措施在不同設計降雨重現(xiàn)期下降雨徑流過程

為了研究在不同設計降雨重現(xiàn)期，現(xiàn)狀條件和加裝LID措施的降雨徑流規(guī)律，選取LID布設情景4在P=1、P=2、P=5、P=10四個降雨重現(xiàn)期下的流量過程線如圖7所示，不同降雨強度下洪量削減對比表如表11所示。

圖7 不同設計降雨強度下排放口處流量過程線Fig.7 Discharge process line at discharge outlet under different design rainfall intensity

從圖7和表11可以看出：隨著設計降雨強度的增大，洪水流量和洪峰值逐漸增大，洪峰出現(xiàn)的時間提前，徑流過程歷時增加。洪量值與現(xiàn)狀條件相比，在重現(xiàn)期 1、2、5、10年時洪量削減量分別為1.337 2、1.862 9、2.352 4、2.211 1 萬m3，洪量衰減率分別為 36.6%，33.7%，29.2%，22.7%，可以看出洪水總量的削減量逐漸增加，但是s洪量的削減幅度減小。表明隨著降雨強度的增加，雨洪削減的效果減小。從相關文獻中，上述的研究規(guī)律可以從印證：翟丹丹等[15]北方典型城市的設計降雨對綠色屋頂裝置進行模擬降雨試驗，發(fā)現(xiàn)在設計降雨重現(xiàn)期在3年一遇時，加裝綠色屋頂措施對降雨徑流的削減效果稍高于重現(xiàn)期為5年的。兩者均在29.0%～33.1% 之間。說明綠色屋頂蓄水容量是有限，隨著雨量的增大，對洪峰洪量削減效果越不明顯。

表11 不同降雨強度下洪量削減對比表Tab.11 Comparison table of flood reduction under different rainfall intensity

同時，從圖7排放口流量過程線可以看出，加裝LID措施導致洪峰出現(xiàn)的時間有提前的趨勢。所以進行進一步的探究，以1 min為模擬時間步長，模擬不同重現(xiàn)期下現(xiàn)狀條件下和情景4的降雨徑流過程。分析在不同降雨強度的不同情景下，洪峰出現(xiàn)時間和推遲時間，如表12所示。

表12 不同降雨強度下洪峰推遲時間對比表Tab.12 Comparison table of flood peak delay time under different rainfall intensities

從表12可以得到以下結(jié)論：在相同降雨強度下，加裝LID措施明顯能推遲洪峰出現(xiàn)時間，有滯洪錯峰的效果。在重現(xiàn)期 1、2、5、10 時洪峰推遲時間分別為7、6、4、3 min，隨著降雨強度增大，滯洪錯峰的效果明顯減弱。

3 結(jié) 語

近年來，隨著城市化的發(fā)展，城市不透水面積激增，內(nèi)澇頻繁發(fā)生。為了解決面臨的難題，提出了海綿城市理念。針對改造困難的老城區(qū)，運用低影響開發(fā)理念，改善老城區(qū)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，從而有效控制降雨徑流過程。本文基于城市雨洪模擬技術(shù)方法，運用SWMM模型對獨立排水區(qū)域的現(xiàn)狀條件下和加裝LID措施的雨洪過程進行模擬和分析，得到以下結(jié)論：

(1)雨峰位置的不同，排水管網(wǎng)的洪峰值變化較大。所以在城市管道設計中，準確的得到雨峰系數(shù)，對雨水管道設計標準的選取有較大的參考價值。

(2)加裝LID措施，能有效改善內(nèi)澇現(xiàn)象。隨著布設LID措施的面積比例增加，排放口處洪量、洪峰值大幅度減小，洪峰出現(xiàn)的時間延后，洪水歷時縮短。

(3)加裝LID措施，滯洪錯峰效果明顯，但是隨著降雨強度的增大，LID措施對削減雨洪效果明顯減弱。