基于SWMM的海綿校園低影響開發(fā)技術(shù)方案研究

摘要：校園海綿化改造是海綿城市建設(shè)的重要組成部分，能夠緩解城市內(nèi)澇，高效利用校園內(nèi)部水資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。以臨沂市某學(xué)校為例，運用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）研究校園海綿化改造方案，評估低影響開發(fā)（Low-Impact Development，LID）技術(shù)方案的應(yīng)用效果。其間通過分析校園環(huán)境的水文特征，提出4種LID設(shè)施布設(shè)方案，并利用SWMM模擬其在不同暴雨重現(xiàn)期下的水文響應(yīng)。研究結(jié)果顯示，單LID設(shè)施方案中，綠色屋頂對地表徑流的削減率最大，下凹式綠地對徑流峰值的削減能力最大；LID設(shè)施組合方案是減少徑流和峰值流量的最有效方案。研究成果為海綿校園建設(shè)和LID技術(shù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)化提供理論支持和實踐參考。

關(guān)鍵詞：海綿校園；暴雨洪水管理模型（SWMM）；低影響開發(fā)（LID）；校園水資源管理

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-04

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Research on Low-Impact Development Technology Scheme for Sponge Campus Based on SWMM

WANG Jie， ZHANG Xin， LIU Yanfei， ZHANG Yu， LIU Jian

（SAES Environmental Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250100， China）

Abstract： Campus sponge transformation is an important component of sponge city construction， which can alleviate urban waterlogging， efficiently utilize water resources within the campus， and achieve sustainable development. Taking a school in Linyi city as an example， the Storm Water Management Model （SWMM） is used to study the campus sponge transformation plan and evaluate the application effect of Low-Impact Development （LID） technology scheme. Meanwhile， by analyzing the hydrological characteristics of the campus environment， four LID facilities layout schemes are proposed， and the SWMM is used to simulate the hydrological response under different rainstorm return periods. The research results show that in the single LID facility scheme， green roofs have the highest reduction rate of surface runoff， and sunken green spaces have the greatest ability to reduce peak runoff; the LID facility combination scheme is the most effective solution to reduce runoff and peak flow. The research results provide theoretical support and practical reference for the construction of sponge campuses and the optimization of LID technology in practical applications.

Keywords： sponge campus; Storm Water Management Model （SWMM）; Low-Impact Development （LID）; campus water resource management

隨著全球城市化的快速推進，城市水資源管理和環(huán)境保護面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)，極端降雨事件引發(fā)的洪澇災(zāi)害導(dǎo)致重大的生命財產(chǎn)損失，在我國，城市內(nèi)澇頻繁造成巨大的危害[1]。傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足城市快速發(fā)展的需求，為緩解城市內(nèi)澇現(xiàn)象，維護人民生命財產(chǎn)安全，我國大力推進“海綿城市”建設(shè)。海綿校園作為海綿城市理念在校園環(huán)境管理中的創(chuàng)新實踐，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)校園內(nèi)部水資源的高效利用，還可體現(xiàn)城市規(guī)劃與建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展理念。低影響開發(fā)（Low-Impact Development，LID）技術(shù)作為海綿校園建設(shè)的重要途徑，主要從源頭、中途和末端3個方面緩解城市內(nèi)澇。目前，LID已成為促進我國海綿城市建設(shè)、緩解城市內(nèi)澇的主要技術(shù)手段。高校校園作為城市不可或缺的功能密集型載體，已有大量研究將LID技術(shù)應(yīng)用于校園海綿化改造，以期加強雨水管理，提高城市抵御氣候變化影響的能力和穩(wěn)定性。清華大學(xué)勝因院雨水花園改造項目將各種雨水管理設(shè)施的功能與景觀設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙融合，有效緩解區(qū)域內(nèi)澇問題[2]。王宗圣等[3]運用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）模擬不同降雨重現(xiàn)期條件下LID措施對徑流總量和峰值的削減率，研究結(jié)果表明，相較于單一措施，多種LID措施組合應(yīng)用的方案在雨水徑流管理方面展現(xiàn)出更顯著的成效。下面利用SWMM模擬臨沂市某學(xué)校校園海綿化改造效果，分析不同降雨重現(xiàn)期下LID措施方案對徑流水量的控制成效，旨在為華東地區(qū)高校校園建立低影響的海綿化建設(shè)方案提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 基礎(chǔ)資料

該學(xué)校位于臨沂市海綿城市管控分區(qū)10號區(qū)域，結(jié)合校園具體情況，制訂具有高校特色的海綿化校園改造技術(shù)措施，提高對雨水的滲透、調(diào)蓄、凈化、利用和排放能力，可持續(xù)發(fā)揮學(xué)校片區(qū)的海綿功能。選取的A生活區(qū)占地面積廣闊，是校園內(nèi)人口密集的主要區(qū)域。這一區(qū)域擁有集中的學(xué)生宿舍、多樣化的食堂和商鋪，是學(xué)子購物、娛樂和休閑的重要場所。區(qū)域人口密集，日?；顒宇l繁，其水文環(huán)境、排水系統(tǒng)負荷和生態(tài)環(huán)境承載壓力較大，進行海綿化校園改造顯得尤為必要。

1.2 面臨問題

A生活區(qū)主要由建筑物、不透水路面和綠地組成。經(jīng)實地調(diào)研，該生活區(qū)主要存在3種問題。一是多數(shù)綠地或綠化帶高于人行道和硬化路面。二是校園建筑大多采用平樓頂設(shè)計，這種形式在雨后排水方面并不盡如人意。積水殘留會導(dǎo)致裂隙滲漏，不僅浪費寶貴的雨水資源，還會縮短樓頂?shù)氖褂脡勖Ｈ切@道路多為硬化路面，缺乏有效的自然排水系統(tǒng)，導(dǎo)致雨水徑流和洪澇風(fēng)險增加。

2 SWMM建立

2.1 研究區(qū)模型概化

根據(jù)該學(xué)校總體規(guī)劃平面圖、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)圖和地面標高等資料，在SWMM中，以規(guī)劃的雨水管網(wǎng)及學(xué)校的區(qū)域道路布置為劃分的基礎(chǔ)，將CAD軟件獲得的管網(wǎng)數(shù)據(jù)作為參考，手動將研究區(qū)域分割為7個子匯水區(qū)，包含21個雨水管網(wǎng)節(jié)點和10個雨水管網(wǎng)管段，使各子匯水區(qū)雨水能就近排入雨水管道。研究區(qū)概化圖如圖1所示。

2.2 降水資料

臨沂市屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為11.8～13.3 ℃，年平均降水量、蒸發(fā)量分別約為871.97 mm和839.00 mm[4]。降水量在時空分布上極不均勻，冬夏差異懸殊，主要集中在汛期（6—9月）。結(jié)合芝加哥雨型模型，采用式（1）計算臨沂市暴雨強度[5]，然后將計算得到的基礎(chǔ)降雨過程數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM。其中，降雨持續(xù)時間為120 min，設(shè)計暴雨重現(xiàn)期分別為2、5、10、20 a，退水時間為1 h，模擬總時長為3 h，時間間隔為5 min。

（1）

式中：q為設(shè)計暴雨強度，Ｌ/（s·hm2）；P為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型參數(shù)的設(shè)置需要充分考慮研究區(qū)的基本情況，包括調(diào)研和實測資料、《SWMM用戶使用手冊》的經(jīng)驗值和相關(guān)文獻[6]的取值。最大入滲率、最小入滲率分別為76.2、3.3 mm/h，入滲衰減系數(shù)為4 h-1，不透水區(qū)、透水區(qū)曼寧系數(shù)分別為0.011、0.200，不透水區(qū)、透水區(qū)洼地蓄水量分別為2、6 mm。

3 低影響開發(fā)技術(shù)方案

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》和相關(guān)參考文獻[7-9]的指導(dǎo)，結(jié)合場地現(xiàn)有條件，以“源頭控制、客水引流、中途滯蓄、末端排放”為規(guī)劃思路，選取下凹式綠地、透水鋪裝和綠色屋頂3種海綿設(shè)施，基于消納、截留與利用策略來構(gòu)建海綿校園方案模型。在構(gòu)建海綿校園過程中，SWMM通過在各個子匯水區(qū)添加LID設(shè)施來實現(xiàn)這一目標。根據(jù)海綿校園改造方案，LID1方案為布設(shè)LID設(shè)施面積與匯水區(qū)域面積比例為25%的下凹式綠地；LID2方案為布設(shè)20%透水鋪裝；LID3方案為布設(shè)23%綠色屋頂；LID4方案為同時采用3種措施進行布設(shè)，改造比例為68%。LID設(shè)施布置參數(shù)如表1所示。

4 模擬結(jié)果與評估

在SWMM中，降雨形成的徑流首先經(jīng)過區(qū)域下墊面和LID設(shè)施的滲透、截留及蒸發(fā)作用，其余徑流理論上全部經(jīng)雨水管網(wǎng)匯集到雨水排口[10]。因此，結(jié)果主要參考各個管網(wǎng)排口的徑流量，所有排口徑流量相加即為徑流總量。為確定不同LID設(shè)施在不同面積占比下對徑流量的削減效果，對實施改造方案前后的數(shù)據(jù)進行分析，得到削減率。

4.1 地表徑流削減能力

由表2可知，4種LID改造方案運用多樣化的人工強化技術(shù)來調(diào)控地表徑流，涵蓋滲透、蓄存及蒸發(fā)等手段。隨著重現(xiàn)期的延長，降雨強度亦增強，設(shè)施內(nèi)部的蓄水容量逐漸飽和，達到最大滯蓄能力。在此情境下，4種方案對雨水徑流的調(diào)控效能均呈現(xiàn)遞減趨勢。其中，LID4方案對徑流量的削減效果最好，削減率在各個重現(xiàn)期內(nèi)均可高于50%；相較于LID1方案，LID3方案在降低徑流量方面展現(xiàn)出輕微的優(yōu)勢，其具備較高的滯蓄效能，這揭示設(shè)施內(nèi)部蓄水層的厚度對于提升滯蓄能力具有更為顯著的影響。相比之下，LID2方案在控制徑流量方面表現(xiàn)最差，外排流量削減率最高僅為17%。

4.2 徑流峰值削減能力

降雨重現(xiàn)期為2 a時，LID2方案、LID3方案和LID4方案對峰值流量的削減效果最佳。但是，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，LID措施對峰值流量的控制效果呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，在重現(xiàn)期為5、10、20 a時，控制效果均明顯下降。LID1方案在削減徑流峰值方面的獨立效能最為顯著，削減能力先增加后僅有微小下降；LID3方案在削減徑流峰值上也展現(xiàn)出較為優(yōu)越的性能，這一現(xiàn)象的原因是下凹式綠地和綠色屋頂擁有更優(yōu)秀的雨水蓄留和緩釋能力，能夠有效地延緩雨水流動。另外，隨著降雨強度的提升，同時施用

3種LID措施的方案在減少徑流量方面的效果均有所下降，但LID4方案在削減徑流峰值方面仍表現(xiàn)出良好性能。綜上所述，LID4方案綜合運用3種LID措施，實現(xiàn)良好的徑流控制效果。相比之下，LID3方案在削減學(xué)校地表徑流方面好于LID1方案；而在峰值徑流控制方面，LID1方案優(yōu)于LID3方案；LID2方案則在徑流量削減率和峰值削減率上均呈現(xiàn)出最低水平。

5 結(jié)論

以學(xué)校為例，利用SWMM軟件模擬其在不同暴雨重現(xiàn)期下的水文響應(yīng)，研究4種LID設(shè)施布設(shè)方案對徑流的影響。結(jié)果表明，4種LID方案均能通過滲透、蓄積及調(diào)節(jié)雨水，有效削減徑流量、峰值流量，實現(xiàn)海綿校園倡導(dǎo)的自然蓄存及自然滲透功能。這一措施可以優(yōu)化校園排水系統(tǒng)，減輕校園內(nèi)澇。根據(jù)

4種LID方案對地表徑流的調(diào)控效果，LID4方案最佳，LID3方案和LID1方案效果居中，LID2方案最差。單LID設(shè)施方案中，綠色屋頂對地表徑流的削減率最大，下凹式綠地對徑流峰值的削減能力最大；透水鋪裝的蓄水能力較低，徑流削減效果不理想。LID設(shè)施組合方案是減少徑流和峰值流量的最有效方案。合理配置的LID技術(shù)能顯著減少徑流峰值，改善降水過程的水文延遲，有效控制雨洪問題，同時提升校園內(nèi)部的水資源利用率。海綿化校園改造不僅符合當(dāng)代城市可持續(xù)發(fā)展的趨勢，也是應(yīng)對氣候變化和城市化快速發(fā)展帶來的環(huán)境挑戰(zhàn)的有效途徑。建議在校園內(nèi)人口密集的主要區(qū)域合理布設(shè)綠色屋頂、下凹式綠地等組合設(shè)施，有效減輕校園積水、內(nèi)澇等問題，提升校園景觀環(huán)境，提高師生幸福度及滿意度。

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收稿日期：2024-12-10

作者簡介：王杰（1988—），男，山東嵐山人，碩士，高級工程師。研究方向：環(huán)境工程。