基于SWMM的透水性路面水文效應(yīng)分析

梁春娣 孫艷偉

（1.太原理工大學(xué)山西太原 030024；2.山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002；3.華北水利水電學(xué)院河南鄭州 450011）

隨著城市化進(jìn)程的加速，伴隨而來(lái)的一系列問(wèn)題也給現(xiàn)代人的生活帶來(lái)了困擾。其中最主要的是對(duì)城市水系及其所屬的流域水源造成了一定程度的破壞。對(duì)天然水體的水循環(huán)造成一定程度的干擾。尤其近年來(lái)不斷出現(xiàn)的淡水資源供需矛盾、洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生以及河流生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題。傳統(tǒng)混凝土路面在暴雨季節(jié)，路面積水嚴(yán)重，而采用透水性較好的多孔性混凝土等鋪設(shè)的透水性路面，能使暴雨徑流在很短的時(shí)間內(nèi)入滲到更深層的土壤中，對(duì)城市中的人行道或者停車場(chǎng)等交通量不大的路面來(lái)說(shuō)，能有效地避免雨天積水。LID（Low Impact Development）是以維持或者復(fù)制區(qū)域天然狀態(tài)下的水文機(jī)制為目標(biāo)，通過(guò)采取一系列措施創(chuàng)造與天然狀態(tài)下效果相當(dāng)?shù)乃臈l件及土體情況，取得對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最低負(fù)面影響的設(shè)計(jì)策略。其中，透水性路面是一種典型的LID措施，并在西方國(guó)家得到了廣泛和深入的研究，因此，探討透水性路面的水文調(diào)控性能，對(duì)于解決城市的雨洪問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 透水性路面及其調(diào)控機(jī)理

從調(diào)控機(jī)理的角度來(lái)講，透水性路面是一種典型的通過(guò)降低城市產(chǎn)流面積進(jìn)而實(shí)現(xiàn)徑流調(diào)控的LID雨洪調(diào)控措施。具備適宜面積的透水性路面，在快速入滲自身降水的同時(shí)，也可入滲來(lái)自鄰近區(qū)域的降水徑流，從而降低產(chǎn)流區(qū)域的面積。此外，對(duì)排水不便的道路或者區(qū)域來(lái)說(shuō)，透水性路面是最為理想的雨洪調(diào)控方式。

2 模型的建立

2.1 SWMM模型

SWMM是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于單個(gè)降水事件或者長(zhǎng)期降水序列的降水—徑流模擬軟件，主要用于對(duì)城市發(fā)展區(qū)域的水量或水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。SWMM通過(guò)一系列能夠接收降水的子區(qū)域作為徑流或者污染物的來(lái)源，并通過(guò)傳輸系統(tǒng)，如管道、渠道、儲(chǔ)存/處理設(shè)施、泵及調(diào)節(jié)器等來(lái)實(shí)現(xiàn)水文、水力以及水質(zhì)方面的模擬，并能以多種形式對(duì)結(jié)果進(jìn)行輸出。在一次模擬過(guò)程中，SWMM可以實(shí)時(shí)記錄每個(gè)子區(qū)域以及管道系統(tǒng)的徑流流量、徑流速度、徑流深度和污染物產(chǎn)量?，F(xiàn)在，SWMM已在世界范圍內(nèi)被廣泛用于城市暴雨徑流、流域規(guī)劃、排水管道系統(tǒng)等的模擬、分析和設(shè)計(jì)中，并逐漸在非城市區(qū)域得到應(yīng)用。本文利用SWMM，通過(guò)一個(gè)城市小區(qū)的停車場(chǎng)所修建的不透水性路面，分析其水文效應(yīng)。

2.2 應(yīng)用區(qū)域

該停車場(chǎng)面積為0.017 km2，由于該區(qū)面積不大，且所處位置地形較低，可認(rèn)為該小區(qū)徑流均流向停車場(chǎng)，并經(jīng)透水性路面調(diào)控。該區(qū)城市化發(fā)展前（即天然狀態(tài)下）不透水性面積比例為5%，城市化后（普通混凝土路面條件）利用地理信息系統(tǒng)軟件—ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能獲得其不透水性面積比例為86%。利用重現(xiàn)期分別為2年、10年以及100年的設(shè)計(jì)暴雨分析透水性路面的洪峰消減效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 重現(xiàn)期為2年、10年及100年設(shè)計(jì)降水分布圖

2.3 基于SWMM的透水性路面模擬

SWMM通過(guò)各分區(qū)域來(lái)模擬區(qū)域的匯流、產(chǎn)流及入滲過(guò)程，通過(guò)雨量站模擬不同的降雨過(guò)程。其中，透水性路面在SWMM中可由一個(gè)100%透水性的區(qū)域來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，徑流形成采用非線性水庫(kù)模型，入滲采用Horton入滲模型。修建透水性路面所用透水性混凝土的厚度為20.32 cm，其孔隙度為0.18；儲(chǔ)存區(qū)域的厚度為30.48 cm，其孔隙度為0.40，則透水性路面實(shí)際的儲(chǔ)水深度為15.8 cm。其中，透水性材料的曼寧系數(shù)為0.03。經(jīng)校核后，透水性路面在SWMM中的主要特征參數(shù)如表1所示。

表1 透水性路面的主要特征參數(shù)

2.4 模型的主要輸入?yún)?shù)

區(qū)域?qū)挾?、平均坡度、區(qū)域面積、區(qū)域不透水性面積比例等利用地理信息系統(tǒng)軟件—ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能獲得，通過(guò)實(shí)測(cè)資料獲得Horton入滲方程的參數(shù)。再根據(jù)實(shí)測(cè)的流量和降水資料對(duì)模型各參數(shù)進(jìn)行校核。得出SWMM模型區(qū)域的各參數(shù)如表2。

表2 SWMM模型區(qū)域主要輸入?yún)?shù)

3 模型運(yùn)行結(jié)果及透水性路面水文效應(yīng)分析

本文對(duì)如下三種情況進(jìn)行模擬：（1）城市發(fā)展前（天然狀態(tài)下），（2）城市發(fā)展后無(wú)調(diào)控措施（普通混凝土路面條件下），（3）城市發(fā)展后有調(diào)控措施（透水性路面條件下），并分別模擬2年、10年、100年設(shè)計(jì)降雨下透水性路面的水文效應(yīng)，并采用洪峰流量和洪量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)分析透水性路面的水文調(diào)控性能，其結(jié)果如表3和圖2至圖4所示。

表3 不同設(shè)計(jì)降水下透水性路面的洪峰流量和洪量消減比例

由表3可以看出，城市化顯著增加了一場(chǎng)降水中的洪峰流量和洪量。對(duì)于2年、10年和100年設(shè)計(jì)降水來(lái)講，城市化后的洪峰流量是發(fā)展前的8.7、6.5和5.1倍，同樣地，城市化對(duì)洪量的改變也是非常顯著的。而經(jīng)由透水性路面進(jìn)行調(diào)控后，其洪峰流量和洪量甚至小于區(qū)域發(fā)展前的值，表明透水性路面幾乎能夠吸收區(qū)域產(chǎn)生的絕大部分徑流。

圖2 2年降水時(shí)不同情景下的徑流過(guò)程線

圖3 10年降水時(shí)不同情景下的徑流過(guò)程線

圖4 100年降水時(shí)不同情景下的徑流過(guò)程線

圖2至圖4揭示了不同設(shè)計(jì)降水條件下無(wú)調(diào)控措施和經(jīng)透水性路面調(diào)控后的徑流過(guò)程曲線。與表3所對(duì)應(yīng)，其徑流過(guò)程曲線同時(shí)也反映了透水性路面顯著的調(diào)控性能。透水性路面具備顯著的徑流調(diào)控性能的主要原因除了其本身滲透快的特性外，另外一個(gè)主要的原因是透水性路面將原本低透水的區(qū)域轉(zhuǎn)化為高透水性的區(qū)域。在本研究中，透水性路面的修建將原有的區(qū)域不透水性系數(shù)由86%降低為35%，可有效地降低區(qū)域不透水性面積上的產(chǎn)流量。

4 結(jié)論

城市化進(jìn)程對(duì)路面造成的最直接影響是路面由透水性向不透水性轉(zhuǎn)化，進(jìn)而導(dǎo)致了一系列水文環(huán)境的變化和下游河道徑流態(tài)勢(shì)的改變。本文利用SWMM模型，采用不同重現(xiàn)期的降水事件模擬了透水性路面的水文效應(yīng)。模擬結(jié)果表明作為典型的低影響發(fā)展的雨洪調(diào)控措施，透水性路面具有顯著的洪峰和洪量消減功能，并能有效地入滲補(bǔ)給地下水。但是，修建透水性路面的成本是比較高的，其透水性混凝土的原材料價(jià)格要遠(yuǎn)高于修建入滲帶和生物滯留池等。這也是透水性路面沒(méi)有普及的原因之一。隨著價(jià)格低廉的透水性材料的問(wèn)世，透水性路面將會(huì)越來(lái)越普及，這樣就會(huì)減輕城市化對(duì)水環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。