基于SWMM模型的海綿城市措施效果模擬研究
——南京市高淳區(qū)為例

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院 北京 100048；2.中駿集團 上海 201100)

一、引言

伴隨城市發(fā)展，不透水地面的增加帶來對原有水循環(huán)的破壞，城市區(qū)域的降水-徑流-蒸發(fā)-入滲比例失調(diào)，城市水系功能退化等問題亟待解決。而基于綠地系統(tǒng)的海綿城市規(guī)劃則通過低影響開發(fā)(LID)技術(shù)充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化。國內(nèi)已有諸多學者借助城市暴雨管理(SWMM)模型對研究區(qū)域降雨進行模擬，進而對LID措施效果進行模擬及評價，其中不乏城市規(guī)劃行業(yè)從業(yè)者對海綿城市改造效果進行評價[1-3]。

本文以南京市高淳區(qū)為研究區(qū)，基于SWMM模型對城區(qū)海綿模型、單一片區(qū)海綿模型進行不同開發(fā)模式下的模擬，以期為之后南京市建設(shè)海綿城市提供建議。

二、研究區(qū)概況

南京市高淳區(qū)位于南京市西南部，周邊丘陵環(huán)繞，區(qū)內(nèi)水庫、湖泊眾多，共有荊塘水庫、大山水庫、馬耳山水庫、龍墩湖水庫等16座水庫，分布在東部山區(qū)，多為小型水庫，且區(qū)內(nèi)有諸多小湖泊分布。該區(qū)域春夏兩季的降水和暴雨城區(qū)東部多西部少，秋季則東少西多。受季風影響梅雨季雨量集中，平均占常年總降水量22.3%，年均降水量在1100mm以上。

三、SWMM模型構(gòu)建

(一)降雨數(shù)據(jù)模擬

選用芝加哥降雨過程線模型合成降雨情景，取雨峰系數(shù)0.57，降雨歷時2h，時間間隔5min，根據(jù)南京市暴雨強度公式(L/S,ha)，生成5個重現(xiàn)期下的設(shè)計降雨，分別是0.5年、1年、2年、5年、10年。

表1 不同重現(xiàn)期下的設(shè)計降雨量(mm)

(二)模型構(gòu)建

根據(jù)規(guī)劃，將研究區(qū)進行概化，得到79個子匯水分區(qū)，61個匯接點，10個排放口，60段管渠。并結(jié)合實地現(xiàn)場調(diào)研，對現(xiàn)狀進行建模分析。

圖1 高淳區(qū)SWMM模型構(gòu)建圖

(三)參數(shù)設(shè)定

為便于分析，將研究區(qū)概化為5個子研究區(qū)，如圖2所示，分別標號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其不透水面積根據(jù)計算以及經(jīng)驗參數(shù)值，分別確定，如表2所示，綜合徑流系數(shù)則是根據(jù)經(jīng)驗值確定，通過模型調(diào)參，確定最優(yōu)組合，如表3所示。

圖2 子匯水分區(qū)概化

區(qū)域概況區(qū)域代號不透水面積百分比綜合徑流系數(shù)建筑密集區(qū)Ⅰ≥75%0.6-0.8山區(qū)有植被區(qū)Ⅱ60%-75%0.5-0.7山區(qū)無植被區(qū)Ⅲ50%-60%0.4-0.6建筑稀疏區(qū)Ⅳ30%-50%0.3-0.5農(nóng)田自然保護區(qū)Ⅴ<30%0.2-0.4

表3 概化區(qū)域最優(yōu)組合

(四)徑流模型構(gòu)建

為比較傳統(tǒng)常規(guī)開發(fā)和LID開發(fā)下的徑流過程，對研究區(qū)構(gòu)建自然狀態(tài)、傳統(tǒng)開發(fā)、LID開發(fā)3種不同情境下的徑流模型。

1.自然狀態(tài)下的模型

以1995年的下墊面作為研究區(qū)的自然狀態(tài)模型，使用Landsat 4-5 TM/ETM影像，進行不透水層面提取，按照提取的值及經(jīng)驗參數(shù)可知，村鎮(zhèn)區(qū)域為8%，城鎮(zhèn)區(qū)域為25%，構(gòu)建研究區(qū)自然狀態(tài)下的模型。

2.傳統(tǒng)開發(fā)模型

對高淳城區(qū)進行傳統(tǒng)模式開發(fā)，使用“快排”形式進行排水，且土地下墊面被改變，該開發(fā)模式適用于城市化區(qū)域，模擬在常規(guī)開發(fā)狀態(tài)下的徑流過程。

3.LID開發(fā)模型

LID主要措施選取下沉式綠地、綠色屋頂、透水鋪裝三種，確定指標如表4。

表4 LID指標比例

四、模擬結(jié)果與分析

(一)高淳城區(qū)在三種情境下的徑流狀態(tài)

因要考量不同開發(fā)模式對于徑流的影響，則主要針對城市區(qū)域，故選擇高淳城區(qū)為研究區(qū)，比較其在三種情境下的徑流狀態(tài)，如表5-7所示。

表5 不同重現(xiàn)期下高淳城區(qū)自然狀態(tài)下的徑流模擬值

表6 不同重現(xiàn)期下高淳城區(qū)常規(guī)開發(fā)的徑流模擬值

表7 不同重現(xiàn)期下高淳城區(qū)的LID模擬值

由表5可知，自然狀態(tài)下，徑流系數(shù)在重現(xiàn)期為0.5年的情況下，只有26.64%，負荷正常值，由表6可知，在不同重現(xiàn)期下，常規(guī)開發(fā)徑流系數(shù)均超過了55%，其中，當研究區(qū)遭遇十年一遇的暴雨時，徑流系數(shù)更是達到67.67%，地表水流失嚴重，而下滲量都較低，是因為研究區(qū)的土壤類型均由砂質(zhì)壤土分布，整體蓄水量不高，而由于研究區(qū)的水庫較多、水系發(fā)達，地表蓄水量均在25%以上。

a.不同開發(fā)模式下的徑流百分比

b.不同開發(fā)模式下的入滲百分比

c.不同開發(fā)模式下的地表蓄水量百分比對比

由圖3可知，在高淳城區(qū)，常規(guī)開發(fā)下的徑流系數(shù)遠大于自然狀態(tài)下，地表水流失嚴重，而LID開發(fā)模式下，城區(qū)的徑流系數(shù)相較于常規(guī)開發(fā)降低36%，可在最大程度上轉(zhuǎn)近自然開發(fā)狀態(tài)下的徑流系數(shù)，維持地表水的穩(wěn)定，使得地表水可以被吸收、利用，防止內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生；但在入滲能力的改善方面，LID開發(fā)模式對此的改善有限，和常規(guī)開發(fā)模式均遠低于自然狀態(tài)下的降雨入滲能力，這源于城市區(qū)域建筑用地過多，LID開發(fā)模式對下墊面的改善有限；同時實行LID開發(fā)后，地表蓄水量大量增加，遠高于自然狀態(tài)下和常規(guī)開發(fā)，這是因為常規(guī)開發(fā)重點在于“快排”，以快排的形式將降水排放至江河湖泊，而LID開發(fā)重在實施蓄水設(shè)施，諸如雨水花園、綠色屋頂?shù)?，將降水蓄存下以便再次利用，深入落實貫徹可持續(xù)發(fā)展觀。

(二)單一片區(qū)下的海綿布設(shè)

通過徑流深度選擇單一片區(qū)進行模擬，以徑流系數(shù)作為主要評價指標，選擇徑流系數(shù)降低最優(yōu)區(qū)域，以重現(xiàn)期p=0.5a為例，由圖4可知，編號為48的子匯水分區(qū)(圖5)的總徑流量最大，徑流量最多，故選擇其作為片區(qū)LID實施點。

圖4 高淳區(qū)城區(qū)各片區(qū)徑流深度

圖5 48號地塊所處區(qū)位示意圖

項目自然狀態(tài)傳統(tǒng)開發(fā)LID開發(fā)總降水量/mm33.9833.9833.98總?cè)霛B量/mm20.91413.72015.533總徑流量/mm13.06220.24513.143峰值流量/(m3·s-1)12.77927.90414.938徑流系數(shù)0.3800.5960.387

結(jié)合表8，傳統(tǒng)開發(fā)的入滲量遠低于自然狀態(tài)下，實行LID開發(fā)后，其入滲量雖有少幅提升，但也遠低于自然狀態(tài)下，表明下墊面的改變在很大程度上影響城市的下滲；在LID開發(fā)模型中，48號地塊的年綜合徑流系數(shù)與現(xiàn)狀值相差無幾，且自然狀態(tài)下為0.38，是由于在兩小時設(shè)計暴雨強度內(nèi)，即便是重現(xiàn)期為0.5，但是研究區(qū)面積過小，僅為3.25平方公里，蓄滿產(chǎn)流，導(dǎo)致徑流量過大；峰值流量接近現(xiàn)狀值，表明通過對不同的下墊面綜合應(yīng)用多種LID設(shè)施，可以有效的使研究區(qū)的水文狀態(tài)接近于自然狀態(tài)，達至海綿城市的初步目標；其次，LID開發(fā)模型中，總徑流降低率相較于傳統(tǒng)開發(fā)模型達到35%，峰值流量削減率相較于傳統(tǒng)開模型達到46.5%。

由圖6可知，48號地塊共包含12種土地利用類型，分別是一類居住用地(5.95ha)、二類居住用地(55.06ha)、公園綠地(27.91ha)、商業(yè)設(shè)施用地(24.79ha)、安全設(shè)施用地(4.82ha)、廣場用地(0.49ha)、待建用地(32.86ha)、文化設(shè)施用地(11.83ha)、河流(30.79ha)、行政辦公用地(2.53ha)、道路(91.13ha)、防護綠地(37.35ha)，研究區(qū)總面積325.51ha。

a.48號地塊下墊面屬性圖

b.48號地塊LID設(shè)施布局方案

根據(jù)48號地塊的最終布局LID實施方案(圖6)，研究區(qū)可概化為屋面(138.33ha)、綠地(65.26ha)、硬質(zhì)鋪裝(91.13ha)、水體(30.79ha)4類下墊面，結(jié)合，LID具體設(shè)施布局面積見表9。據(jù)此可知，考慮到經(jīng)濟指標和實施可操作性、可利用性，針對于某一類下墊面，只需建設(shè)一定比例的LID開發(fā)，便可滿足研究區(qū)建設(shè)海綿區(qū)的基本目標；針對于屋面，對于已開發(fā)區(qū)，小范圍的綠色屋頂耗費經(jīng)濟、人力指標，故本研究區(qū)的綠色屋頂均選擇大范圍的建設(shè)用地和待建用地，將地塊的16.7%的屋面建設(shè)成綠色屋頂，這樣既符合經(jīng)濟適用性原則，也可避免LID設(shè)施與其他設(shè)施建設(shè)的沖突；對于綠地，主要通過在公園綠地建設(shè)雨水花園和下沉式綠地，對防護綠地建設(shè)下沉式綠地，共約占綠地類型的22.5%；對于鋪裝，主要集中在可替換的硬質(zhì)鋪裝以及小區(qū)周圍的人行道，透水鋪裝共占硬質(zhì)鋪裝的20.81%。就整個研究區(qū)而言，LID的設(shè)施布局約占全部下墊面的26%。

五、結(jié)論

通過采用SWMM模擬自然狀態(tài)模型、常規(guī)開發(fā)模型、LID開發(fā)模型，將其進行對比分析，結(jié)果表明，LID開發(fā)能在一定程度上降低研究區(qū)的徑流系數(shù)，削減峰值流量，使其接近于自然狀態(tài)，在對城區(qū)進行LID設(shè)施后，能在一定程度上降低全區(qū)的徑流系數(shù)，對單一片區(qū)進行LID布局落實方案研究，表明LID設(shè)施占總面積的30%即可達到片區(qū)LID目標。