基于SWMM模型的透水路面徑流削減模擬分析

鄧智彬

（東莞市橫瀝鎮(zhèn)工程建設(shè)中心,廣東 東莞 523000）

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展,原有的天然土壤和植被不斷被建筑物及不透水地面所取代,極大降低了原有地面對(duì)雨水的滲透性,從而引發(fā)了城市的洪澇災(zāi)害。因此建設(shè)具有“自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”逐漸成為市政工程規(guī)劃的研究熱點(diǎn)[1]。透水路面作為海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和片區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)等工作的重要基礎(chǔ)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的模擬預(yù)測(cè)將極大地提高地表徑流削減效果。因此,分析基于暴雨強(qiáng)度及透水路面鋪裝方式的模擬研究具有重要意義,進(jìn)一步地,可以為研究區(qū)域透水路面徑流削減工藝的選定提供有力的理論依據(jù)。

目前,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者借助由美國(guó)環(huán)保署研發(fā)的暴雨洪水管理模型（StormWaterManagementModel,SWMM）對(duì)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵工藝進(jìn)行模擬[2]。王建富等[3]以遷安典型片區(qū)為例,結(jié)合設(shè)計(jì)資料、人工試驗(yàn)和自然降雨條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),參考相關(guān)文獻(xiàn),提出基于SWMM模型的海綿城市設(shè)計(jì)模擬中的參數(shù)選擇和率定方法。梁華秋等[4]通過SWMM軟件構(gòu)建模型,根據(jù)實(shí)際情況重新定義雨水徑流凈化設(shè)施面積與場(chǎng)地總面積的比值為建設(shè)強(qiáng)度,并得到不同坡度下典型雨水徑流凈化設(shè)施的使用效益結(jié)果,經(jīng)回歸分析證明各效益與建設(shè)強(qiáng)度存在線性關(guān)系。研究結(jié)果表明：山地村落雨水徑流凈化設(shè)施的最適建設(shè)強(qiáng)度區(qū)間分別為7%～9%,該研究為山地村落雨水集蓄系統(tǒng)的建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。葉陳雷等[5]運(yùn)用SWMM模擬研究了在不同的降雨情景下,街區(qū)地表二維淹沒與危險(xiǎn)性分布。本研究結(jié)果可以為城市街區(qū)尺度下的洪澇模擬及危險(xiǎn)性評(píng)估提供一定的借鑒作用。黃誠(chéng)等[1]使用基于GIS技術(shù)的SWMM模型,模擬了城市區(qū)域在發(fā)生暴雨后的內(nèi)澇問題和探討低影響開發(fā)措施對(duì)城市雨洪的調(diào)控效果。研究表明低影響開發(fā)措施設(shè)計(jì)方案對(duì)海綿城市雨洪調(diào)控效果明顯,可為當(dāng)?shù)貎?nèi)澇治理提供參考。

現(xiàn)階段應(yīng)用SWMM軟件的研究范圍內(nèi)率定參數(shù)的選取均基于國(guó)外研究報(bào)道或數(shù)據(jù),尚未有利用SWMM軟件對(duì)實(shí)際規(guī)劃區(qū)域內(nèi)透水路面工程徑流削減特征模擬的相關(guān)研究?；诖?本文利用SWMM5.0 軟件對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同暴雨強(qiáng)度下透水路面徑流削減效率進(jìn)行模擬,研究結(jié)果以期對(duì)市政工程規(guī)劃中不同暴雨強(qiáng)度下的透水路面徑流削減工藝的選定及預(yù)期提供一定的理論指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣東省某北部區(qū)域,淮河下游,該地區(qū)地形起伏相差較小,絕大部分為平原地形區(qū),海拔在10 m～18 m之間,其中平原地形主要占到研究區(qū)域總體面積的95%?？傮w氣候?qū)倥瘻貛騺啛釒н^渡的季風(fēng)氣候,受季風(fēng)氣候影響,四季分明,雨量集中,雨熱同季,常年平均氣溫為13.6℃。研究區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

3 研究區(qū)域管網(wǎng)模型及匯水區(qū)劃分

為了探究研究地區(qū)透水路面徑流削減特征,對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的排水系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行模型概念化,并導(dǎo)入SWMM5.0軟件進(jìn)行建模。如圖2所示,該規(guī)劃雨水系統(tǒng)為分流制強(qiáng)排系統(tǒng),研究區(qū)域總體面積為28.5 hm2,共設(shè)5 路總管,管徑范圍為DN500～DN3000,研究區(qū)域的節(jié)點(diǎn)管網(wǎng)設(shè)定參照實(shí)際規(guī)劃雨水排水管網(wǎng)敷設(shè),共有62 個(gè)普通節(jié)點(diǎn)、4個(gè)排放口節(jié)點(diǎn),雨水泵站設(shè)置于系統(tǒng)北部,泵站近遠(yuǎn)期規(guī)劃規(guī)模分別為25 m3/s及45 m3/s,三用一備。

圖2 排水系統(tǒng)模型概化

進(jìn)一步地,根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)管網(wǎng)及部分施工圖紙,對(duì)研究區(qū)域內(nèi)SWMM模型建模所需參數(shù)進(jìn)行確定,主要包括水文模塊、水力模塊及透水路面參數(shù)等,結(jié)果見表1。

表1 SWMM模型參數(shù)表

4 研究區(qū)域透水路面徑流削減特征模擬

4.1 研究區(qū)域透水路面徑流削減模擬方法

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的雨洪管理模型（SWMM）是一種動(dòng)態(tài)降雨徑流路徑模擬模型,用于對(duì)主要城市地區(qū)的徑流數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行單次事件或長(zhǎng)期（連續(xù)）模擬。SWMM的徑流部分在接收降水并產(chǎn)生徑流和污染物負(fù)荷的子匯水面積集合上運(yùn)行。SWMM的選路部分通過管道、渠道、儲(chǔ)存/處理設(shè)備、泵和調(diào)節(jié)器系統(tǒng)輸送徑流。SWMM跟蹤每個(gè)子匯水面積內(nèi)產(chǎn)生的徑流的數(shù)量和質(zhì)量,以及在模擬期間劃分為多個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的每個(gè)管道和渠道中的流量、流深和水質(zhì)[4]。連續(xù)透水路面系統(tǒng)是用礫石填充并鋪有多孔混凝土或?yàn)r青混合料的開挖區(qū)域。連續(xù)滲透路面系統(tǒng)是用礫石填充的挖掘區(qū)域,并用多孔混凝土或?yàn)r青混合料鋪設(shè)（圖3）。連續(xù)滲透路面模塊化砌塊系統(tǒng)與其相似,只是使用了透水砌塊攤鋪機(jī)。通常所有的降雨都會(huì)立即通過路面進(jìn)入下面的礫石儲(chǔ)存層,以自然速率滲透到場(chǎng)地的原生土壤中。路面層的高度通常為30 mm～50 mm,而礫石儲(chǔ)存層的高度通常為100 mm～150 mm。降雨滲流的捕獲率是指處理區(qū)域（街道或停車場(chǎng)）被可滲透路面取代的百分比[6]。

圖3 透水路面結(jié)構(gòu)模型

本研究主要探究某研究區(qū)域透水路面徑流削減演變模擬特征,運(yùn)用SWMM5.0模型計(jì)算典型的透水路面徑流削減效率與透水路面鋪設(shè)位置、降雨強(qiáng)度等影響因子的關(guān)系,以期為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。在模擬過程中,輸入模型的參數(shù)包括子匯水區(qū)面積、透水路面鋪裝設(shè)置及暴雨強(qiáng)度等[7]。

4.2 研究區(qū)域暴雨強(qiáng)度

選取研究區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式,進(jìn)一步對(duì)暴雨強(qiáng)度進(jìn)行分析。公式如下[8]：

式中：i為暴雨強(qiáng)度,mm/min或mm/hm2；t為降雨歷時(shí),min；P為重現(xiàn)期,年。本次計(jì)算降雨歷時(shí)t取120 min,重現(xiàn)期P取1年、3年及5年。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 降雨強(qiáng)度表 單位：mm/hm2

進(jìn)一步地,根據(jù)表2數(shù)據(jù),繪制不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度圖（見圖4）。如圖4所示,在降雨歷時(shí)區(qū)間為0～40 min內(nèi),重現(xiàn)期對(duì)暴雨強(qiáng)度的影響相對(duì)較大。具體來說,隨著研究區(qū)域內(nèi)暴雨重現(xiàn)期的提高（1年～5年）,暴雨強(qiáng)度也不斷增大（141.52 mm/hm2到212.75 mm/hm2）。進(jìn)一步地,暴雨強(qiáng)度隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加,其強(qiáng)度大小及變化逐漸趨于緩和。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度

4.3 研究區(qū)域芝加哥雨型強(qiáng)度

式中：Ia、Ib分別為雨峰前雨強(qiáng),雨峰后雨強(qiáng)；A,b,n等均為地方降雨參數(shù)（取自地方數(shù)據(jù)）；r為降雨過程線雨峰的相對(duì)位置參數(shù),一般取值為0.3～0.5；ta為峰前降雨歷時(shí)；tb為峰后降雨歷時(shí)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道及經(jīng)驗(yàn),本研究模擬過程雨峰位置選取為0.45。根據(jù)公式（3）～（4）得到研究區(qū)域在暴雨重現(xiàn)期分別為1年、3年及5年的芝加哥雨型強(qiáng)度,見圖5。

圖5 不同降雨重現(xiàn)期下的雨型

如圖5所示,通過積分計(jì)算芝加哥合成暴雨過程線在降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨量,進(jìn)而得到在1 min～120 min降雨歷時(shí)內(nèi),對(duì)應(yīng)降雨重現(xiàn)期為1 年、3 年及5 年的芝加哥雨型。具體來說,在0～120 min降雨歷時(shí)內(nèi),雨峰的位置出現(xiàn)在54 min時(shí)。研究區(qū)域內(nèi)的雨型展現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。

4.4 研究區(qū)域透水路面徑流削減模擬分析

利用SWMM5.0軟件,對(duì)根據(jù)不同暴雨重現(xiàn)期下的透水路面徑流削減效率進(jìn)行分析。如圖6所示,采用透水路面將極大地削減地表徑流量。進(jìn)一步地,隨著降雨強(qiáng)度的增加,透水路面徑流削減效率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。具體來說,當(dāng)市政規(guī)劃采用透水鋪裝方式且P=1 年、3 年及5 年的情況下,透水路面徑流削減效率分別為55.1%、42.4%及36.3%。

圖6 降雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期對(duì)透水路面徑流削減效率的影響

5 結(jié)論

基于對(duì)某研究區(qū)域不同暴雨強(qiáng)度重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度及雨型的計(jì)算與分析,本文利用SWMM5.0 軟件對(duì)研究區(qū)域透水路面徑流削減特征進(jìn)行模擬,得到了如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強(qiáng)度隨著降雨重現(xiàn)期的提高而增加,但雨型變化不明顯。

（2）SWMM5.0 對(duì)透水路面徑流削減占比模擬結(jié)果表明,透水路面將極大地提高地表徑流削減,但隨著暴雨強(qiáng)度的提高,透水路面徑流削減效率會(huì)降低。