利用暴雨管理模型（SWMM）對低影響開發(fā)措施效果的模擬研究

1、前言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市中不透水面積增加，建成區(qū)的徑流系數(shù)增加、匯流時間縮短、降雨徑流的峰值流量增大、降雨徑流總量增大。隨著氣候的變化，近年來極端天氣頻現(xiàn)，城市中短時暴雨造成城市的內(nèi)澇，給城市排水管網(wǎng)造成極大的壓力并且國家和人民的生命財產(chǎn)造成了極大的損害。同時雨水徑流被排走，造成雨水資源得不到充分利用。由于城市的大規(guī)模建設以及城市中機動車輛的增加，降雨徑流的污染也日益嚴重。面源污染已逐步成為我國水體污染的主要因素。因此，在城鎮(zhèn)的建設過程中應當增加雨洪控制與利用的措施，盡量保持土地開發(fā)前后的水文過程，防止面源污染。為增加雨水資源的利用量以及防止面源污染，可以采用低影響開發(fā)的理念，增加綠色屋頂面積、建設雨水收集利用系統(tǒng)、增加城市透水面積、降低綠化帶的高程、建設調(diào)蓄設施等。筆者利用暴雨管理模型(SWMM)對某新開發(fā)區(qū)域內(nèi)采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢綠地等LID措施后出水口斷面的峰流量、峰流量出現(xiàn)時間、徑流系數(shù)的變化進行了模擬分析。

2、SWMM模型介紹

暴雨管理模型（SWMM）模型是一個動態(tài)模擬模型，能夠?qū)Τ鞘械貐^(qū)進行某一降雨事件或者特定時期降雨徑流水量以及水質(zhì)的模擬。

根據(jù)地表特性的不同，子匯水區(qū)被概化為三種類型：①有滯蓄量的不透水地面；②無滯蓄量的不透水地面；③透水性地面。有滯蓄量的不透水地面的產(chǎn)流量計算方法為降雨量減去滯蓄量；無滯蓄量的不透水地面的產(chǎn)流量就是降雨量；透水性地面的產(chǎn)流量計算方法為降雨減去滯蓄填洼量和地面下滲量。

SWMM模型中，匯水區(qū)被概化為非線性水池。當降雨水量大于地表的滯留量時，地表才開始產(chǎn)流。模型中利用曼寧公式進行產(chǎn)流量計算：。

式中：W—匯水區(qū)特征寬度，m；n—曼寧系數(shù)；d—降雨水深，m；

dp—地表滯蓄水深，m；S—匯水區(qū)地面坡度，m/m； Q—地表產(chǎn)流量，m3/s。

SWMM模型采用圣維南方程組(Saint-Venant)對管網(wǎng)匯流系統(tǒng)的演算和求解。

3、研究區(qū)域SWMM模型的建立

3.1 研究區(qū)域的概化（如圖1所示）

圖1 研究區(qū)概化效果圖

研究區(qū)域為某新規(guī)劃開發(fā)區(qū)域，開發(fā)區(qū)域內(nèi)包含金融商業(yè)用地、行政辦公用地、文化娛樂用地、公共市政用地、綠地用地等總用地面積為90.48ha。本文中常規(guī)開發(fā)指不采取任何雨洪控制利用措施的開發(fā)方式；采用的LID措施主要有綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、下凹綠地等LID措施的開發(fā)方式。研究區(qū)整個模擬地塊被概化為43個子匯水區(qū)、15條雨水管道、16個節(jié)點、1個出水口。

3.2 模擬采用的降雨數(shù)據(jù)

本文對兩種不同重現(xiàn)期設計降雨進行模擬，降雨重現(xiàn)期取3a和10a。采用的暴雨強度公式為：

式中：—暴雨強度，L/s?ha；—重現(xiàn)期，a；—降雨歷時，min；（如圖2所示）

3.3 SWMM模型參數(shù)確定

各匯水區(qū)產(chǎn)流過程的計算，采用Horton模型模擬區(qū)域內(nèi)的滲透過程，模型中參數(shù)包括最大下滲率f0、最小下滲率f∞以及衰減系數(shù)，三者的取值分別為76mm/h、3.80mm/h和2.5h-1。地面匯流過程采用非線性水池模型，透水地表和不透水地表的的滯蓄量取值分別為為12mm和2mm。透水地面、不透水地面以及排水管道的曼寧系數(shù)取值分別為0．013、0.12和0.013。管網(wǎng)匯流過程采用運動波方程進行流量演算與求解。

圖2 設計降雨強度示意圖

4 模擬結(jié)果與分析

3年一遇設計降雨常規(guī)開發(fā)與采用LID措施后區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰現(xiàn)時間、徑流系數(shù)比較見表2。

3年一遇設計降雨條件下，峰流量在常規(guī)開發(fā)時為9.31m3/s，采取LID措施后為4.37m3/s，峰流量被削減了53.0%；常規(guī)開發(fā)時峰流量出現(xiàn)時間為52min，采取LID措施后為133min，峰流量出現(xiàn)時間被滯后81min；徑流系數(shù)常規(guī)開發(fā)時為0.69，采取LID措施后為0.41，徑流系數(shù)減小0.22。

10年一遇設計降雨時常規(guī)開發(fā)與采用LID措施后區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰現(xiàn)時間、徑流系數(shù)比較見表3。

10年一遇設計降雨條件下，采取LID措施較常規(guī)開發(fā)峰流量被削減了30.3%，峰流量出現(xiàn)時間被滯后66min，徑流系數(shù)減小0.19。

常規(guī)開發(fā)與采取LID措施后在不同設計降雨條件下各指標削減量匯總見表4。

從表4中可以看出，采取LID措施在3a設計降雨重現(xiàn)期時較10a設計降雨重現(xiàn)期時發(fā)揮的作用更大。峰流量削減的更多，峰流量被滯后的時間更長，徑流系數(shù)減小的更大。

常規(guī)開發(fā)與采取LID措施后相比較。采取LID措施后，地表對降雨的滯納量增加，降雨的下滲量增加，因此地表徑流系數(shù)減小，降雨峰流量減小，地表產(chǎn)匯流時間延長，峰流量出現(xiàn)時間被滯后。

10a一遇設計降雨強度較3a一遇的大，采取LID措施后地表的滯納量及下滲量在10a一遇設計降雨時，達到飽和的時間更快，甚至由于設計降雨強度太大，LID措施的滯納量和下滲量還沒有達到飽和，地表就開始產(chǎn)匯流。因此在10a一遇設計降雨時，采取LID措施對峰流量的削減、峰流量出現(xiàn)時間滯后、地表徑流系數(shù)等方面的作用減弱。

5、結(jié)論

本文采用暴雨雨水管理模型SWMM模型模擬分析了某新規(guī)劃開發(fā)區(qū)域內(nèi)采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢綠地等幾種LID措施后對暴雨徑流的影響。結(jié)果表明，在一定降雨重現(xiàn)期時，LID措施可以對削減降雨徑流的峰流量，推遲峰流量出現(xiàn)時間，減小開發(fā)區(qū)域內(nèi)地表的徑流系數(shù)。

對于重現(xiàn)期不同的設計降雨過程，重現(xiàn)期為3a較重現(xiàn)期為10a的設計降雨，LID措施對降雨徑流的滯納效果更明顯。低影響開發(fā)措施對重現(xiàn)期較小降雨事件地表徑流的滯納效果更明顯。

利用SWMM模型可以用來考察規(guī)劃LID措施對降雨徑流滯納效果，為有關(guān)LID措施的規(guī)劃建設提供必要的參考。由于對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的實測數(shù)據(jù)掌握不足，未能針對規(guī)劃區(qū)域進行參數(shù)率定和驗證，模型有關(guān)參數(shù)均采用國內(nèi)外相關(guān)研究的典型參數(shù)。還需要加強對措施實際效果的監(jiān)測，從而為模型參數(shù)率定和驗證提供大量基礎數(shù)據(jù)，以確保模擬的結(jié)果更加精確。

表2 3年一遇設計降雨時區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰流量出現(xiàn)時間及徑流系數(shù)比較

表3 10年一遇設計降雨時區(qū)域內(nèi)出水口峰流量、峰流量出現(xiàn)時間及徑流系數(shù)比較

表4 常規(guī)開發(fā)與采取LID措施后不同重現(xiàn)期各指標削減量匯總