基于SWMM的老城區(qū)LID布設比例優(yōu)化研究

王婷+刁秀媚+劉俊+欒慕+丁楠

摘要：老城區(qū)因建筑密度高等特點，是內(nèi)澇的高發(fā)地帶。針對這一問題，基于SWMM模型中的LID（低影響開發(fā)Low Impact Development）模塊，研究選取滲渠、滲透鋪裝、雨水桶和生物滯留網(wǎng)格4種措施，在不同重現(xiàn)期設計暴雨情景下，對不同布設比例（0.1%～15%）的LID措施進行模擬分析，尋找最佳布設比例。最后將幾種最佳比例組合，對組合優(yōu)化進行初步探索。模擬結果表明，幾種LID措施布設在達到某一比例后，對不同重現(xiàn)期設計暴雨的削減作用會減緩，此時的布設比例即為所求最佳比例；而組合方案由于受到措施間的相互作用等因素影響，不能直接套用單項措施最佳比例，其優(yōu)化仍有待研究。

關鍵詞：SWMM模型；老城區(qū)；低影響開發(fā)；布設比例；優(yōu)化模擬

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0039-05

Abstract：[JP+3]The urban water logging takes place in the old city area frequently because of its high density of buildings and other characteristics of construction.Responding to this problem，this study used the LID module in SWMM model and chose Infiltration Trench，Permeable Pavement，Rain Barrel，and Bio-Retention Cell for simulation and analysis.We placed different proportions of LID measures （0.1%～15%）on the study area in design storm conditions with different return periods，so as to find the optimal proportions.At last，we combined these proportions to tentatively explore combination optimization.The results showed that the LID measures′ effect on design storms would diminish after their layout reached a certain proportion，which should be the optimal proportion.But the optimal proportions of individual measures cannot be directly applied to the combination scheme because of the interaction between individual measures.The combination optimization still needs further study.

Key words：SWMM model；old city area；LID；layout proportion；optimization simulation

隨著近年來城市的快速擴張，城市內(nèi)澇頻發(fā)、水資源短缺以及水環(huán)境惡化等現(xiàn)象不斷加劇[1]。為此基于美國、英國、澳大利亞等西方發(fā)達國家先進雨洪管理經(jīng)驗[2-3]的“海綿城市”理念應運而生，而主張進行雨水源頭控制從而降[HJ2.27mm]低內(nèi)澇風險的低影響開發(fā)理念則是海綿城市建設的重要內(nèi)容[4]。應用低影響開發(fā)措施構建城市小海綿體，是當前海綿城市建設的熱點，杭州、上海等地[5-6]都在進行低影響開發(fā)模式的探索，無論是從規(guī)劃層面到后期的政策制度保障，還是對國外低影響開發(fā)技術的學習，這些探索在海綿城市建設的優(yōu)化實踐中并沒有明確的指導作用。LID措施如今雖已廣泛用于具體的模擬應用[7-8]當中，但已有應用只是根據(jù)經(jīng)驗選擇LID措施的布設比例，簡單得出LID措施能夠削減降雨徑流的結論，并未提出布設比例的優(yōu)化方法。目前仍然缺少LID布設比例優(yōu)化方面的研究。

老城區(qū)普遍具有建筑密度高、地表透水性差、綠化面積小、水面率不高以及管道排水標準低等特點，是發(fā)生城市內(nèi)澇的高危地區(qū)。加上在老城區(qū)進行大規(guī)模的水系拓?；蚬芫W(wǎng)改造較為困難，所以在海綿城市建設中應給以老城區(qū)足夠的重視。

鑒于低影響開發(fā)措施應用中存在的上述問題，研究首先模擬老城區(qū)現(xiàn)狀情況下的降雨徑流，設置不同比例的LID措施后再進行模擬比較，通過對LID布設比例與降雨徑流削減效果的關系進行分析，尋找最佳布設比例，以期為低影響開發(fā)措施的優(yōu)化布設提供依據(jù)與方法思路。

1 研究區(qū)模型構建

1.1 研究區(qū)概化

研究區(qū)域位于長江三角洲地區(qū)某市，該市所處地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨充沛。境內(nèi)地勢平坦，起伏不大，又河網(wǎng)密布，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。研究區(qū)屬于該市的老城區(qū)，小區(qū)建筑較為密集且頂部承受荷載的能力變得相對較低。道路廣場等透水性差；城市綠化面積小，產(chǎn)生的大部分地表徑流只能通過管網(wǎng)排出，增大了內(nèi)澇發(fā)生的可能性。

為避免水閘、泵站等工程措施的影響以及各匯水區(qū)之間產(chǎn)匯流過程的相互影響，選取該市中心城區(qū)的一獨立匯水區(qū)域作為本次的研究區(qū)域。研究區(qū)域面積4.84 km2，共劃分為146個子匯水區(qū)。利用研究區(qū)雨水管網(wǎng)資料和水系河道資料，共概化雨水管道104條，河道24段和126個節(jié)點。結合其土地利用情況，采用ENVI軟件對遙感圖像進行監(jiān)督分類，確定各子匯水區(qū)的不透水面積比例，并利用面積加權法確定研究區(qū)不透水面積約為20%。研究區(qū)概化圖見圖1。

1.2 LID措施及相關參數(shù)的選取

1.2.1 LID措施及主要參數(shù)選擇

本次模擬采用SWMM模型。SWMM模型中的LID模塊提供了生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、滲渠、滲透鋪裝、綠色屋頂、植被淺溝、雨水花園等低影響開發(fā)措施的模擬。

老城區(qū)建筑密度高，屋頂面積比例大，但考慮到老舊建筑的強度和防滲排水問題，以及植被淺溝和雨水花園的占地問題，在此并未模擬其他三種低影響開發(fā)措施。經(jīng)初步比選，選擇生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、滲渠和滲透鋪裝4種最適用于老城區(qū)改造的低影響開發(fā)措施進行模擬分析。LID參數(shù)的選取主要根據(jù)模型用戶手冊及其它文獻[9-11]設置。

滲渠采用礫石等滲透結構，能夠捕獲徑流并將其滲透到地下，對透水率有一定的補償作用 [12]。滲渠表層蓄水深度取5 mm，糙率0.15；儲水層厚度150 mm，孔隙比0.4；排水層排水指數(shù)取0.5。

滲透鋪裝對應于傳統(tǒng)的硬質(zhì)地面鋪裝，一般采用多孔材料搭建排水滲透層，盡量恢復天然狀態(tài)，減小地面徑流，削減洪峰[13]，還有利于改善城市的生態(tài)環(huán)境。滲透鋪裝表層蓄水深度取2 mm，糙率0.15；鋪裝層厚度120 mm，孔隙率0.15；儲水層厚度300 mm，孔隙比0.5。

雨水桶是一種屋面雨水的收集裝置，可以有效減小地面徑流。雨水收集后處理回用，能在一定程度上減小雨水集中處理的壓力，緩解水資源短缺的狀況。雨水桶高度設為800 mm，排水指數(shù)0.5，排水偏移高度150 mm。

生物滯留網(wǎng)格是利用植物、土壤和微生物滯蓄雨水、凈化雨水的一種低影響開發(fā)措施。生物滯留網(wǎng)格規(guī)模較小、經(jīng)濟，適宜分散布置[14]，適用于較高密度的建筑區(qū)。生物滯留網(wǎng)格表層蓄水深度取150 mm；土壤層厚度300 mm，孔隙率取0.4；存儲層厚300 mm，孔隙比0.5。

1.2.2 模型相關參數(shù)的選取

本次研究主要基于SWMM模型進行老城區(qū)的降雨徑流模擬，根據(jù)研究區(qū)的下墊面條件，模型的降雨下滲過程選擇霍頓模型，計算采用動力波演算方法。模型相關參數(shù)主要參考SWMM模型用戶手冊和其它文獻[15-19]選取率定。

（1）子匯水區(qū)參數(shù)中的各子匯水區(qū)面積和不透水面積比例、各子匯水區(qū)坡度等需根據(jù)研究區(qū)下墊面土地利用和排水管網(wǎng)情況，借助于GIS確定。

（2）漫流寬度。漫流寬度是模型產(chǎn)匯流計算中十分重要的參數(shù)，在SWMM模型用戶手冊中定義為面積與最大地表漫流長度的比值，但在城市排水工程中，由于各子匯水區(qū)地形等的不均性，難以直觀測量漫流長度和漫流寬度，因此難以精確計算[20]。在概化時先按照SWMM模型用戶手冊計算得到漫流寬度W，由排水管道在子匯水區(qū)不規(guī)則性得到形狀傾斜因子r（取值0～1），進而利用（2-r）W調(diào)參[9]。

（3）下滲參數(shù)。結合研究區(qū)土壤類型，Horton下滲模型參數(shù)取土壤最大下滲率16.93 mm/h，最小下滲率1.27 mm/h。

（4）地表洼蓄及糙率。其它參數(shù)如透水地表洼蓄量取15 mm，糙率取0.15，不透水地表洼蓄量取1 mm，糙率取0.013。

（5）管渠參數(shù)和節(jié)點參數(shù)。主要由實測的管道與河道資料確定，管道糙率取0.013，河道糙率取0.02。

1.3 設計暴雨

選取研究區(qū)1965年-2015年共51年的降雨資料，采用年最大值法對不同時段的降雨資料整理分析，進行適線排頻計算。選擇研究區(qū)1991年6月30日22時到7月1日22時的24 h降雨過程作為典型暴雨過程，按同頻率法縮放得到2年、5年和10年一遇設計暴雨過程，見圖2。

2 低影響開發(fā)措施優(yōu)化模擬

2.1 LID優(yōu)化場景設置與分析

為分析所選LID措施對老城區(qū)降雨徑流的削減作用，將選定的4種LID措施分別單獨設置在各子匯水區(qū)，并通過模擬計算得到不同的LID布設比例（0.1%～15%）在不同重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)，繪制徑流系數(shù)與布設比例的關系曲線見圖3-圖6。

由圖3-圖6分析可知，針對不同重現(xiàn)期的降雨，LID措施均能在一定程度上起到削減徑流的效果。但LID措施對徑流系數(shù)的削減并不是隨著布設面積的增加呈線性增長。在研究區(qū)布設的滲渠達到一定比例時，徑流系數(shù)曲線出現(xiàn)拐點，再繼續(xù)增大布設面積，徑流系數(shù)減小的速度大大降低。隨著降雨重現(xiàn)期由2年一遇提高到10年一遇，LID措施對徑流系數(shù)的削減速度有所減小，徑流系數(shù)曲線出現(xiàn)拐點的位置向后移動。分析徑流系數(shù)曲線，選擇拐點處的LID措施布設比例，可以為優(yōu)化LID措施的布局以及利用最小的占地得到最佳改造效果提供依據(jù)。

總結圖3-圖6可知，2年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨布設的最佳比例分別為：滲渠0.1%，滲透鋪裝1%，雨水桶2%，生物滯留網(wǎng)格2.5%；5年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨布設的最佳比例分別為：滲渠0.2%，滲透鋪裝1.5%，雨水桶3.5%，生物滯留網(wǎng)格5%；10年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨布設的最佳比例分別為：滲渠0.3%，滲透鋪裝2%，雨水桶4%，生物滯留網(wǎng)格7%。

由研究結果，雖然幾種LID措施的布設比例與降雨徑流的削減效果曲線具有相同的趨勢，但由于LID措施參數(shù)的設置可存在差異，也會因所處地區(qū)不同而不同，因此最佳布設比例并不是定值，且同一重現(xiàn)期下不同措施的最佳布設比例也有所差別。文章所做研究僅為LID布設提供思路。

2.2 最佳布設比例的LID結果分析

由上小節(jié)研究結果可知，幾種LID措施的布設存在最佳比例，不同重現(xiàn)期下的LID措施的最佳布設比例不同，因此分別就3種重現(xiàn)期，針對無LID的情況和最佳布設比例的幾種LID方案進行模擬比較，結果見表1-表3。

由表1得出，2年一遇重現(xiàn)期下，研究區(qū)的徑流系數(shù)達0.644，加入最佳布設比例的LID措施后，對現(xiàn)狀降雨徑流的削減作用顯著，徑流系數(shù)減小到0.515～0.566，減小率達12.1%～20.1%，徑流量由28.3萬m3減小到22.6～24.8萬m3。最佳布設比例的各LID措施對5年一遇重現(xiàn)期降雨和10年一遇重現(xiàn)期降雨有類似的削減效果，在此不作贅述。

由結果可以看出，無論采取哪種最佳比例的LID措施，積水節(jié)點數(shù)基本穩(wěn)定，變化不大。在較低重現(xiàn)期下，尤其是2年一遇的積水點數(shù)目，反映研究區(qū)排水管網(wǎng)存在隱患，容易成為內(nèi)澇高發(fā)地。以最佳布設比例的LID降雨徑流模擬結果為指導，針對低重現(xiàn)期積水點進行改造，有利于減輕內(nèi)澇風險。

2.3 組合方案初探

完成單項LID措施的布設比例優(yōu)化研究后，將幾種措施的單獨最佳布設比例進行組合（參數(shù)與單獨設置時保持相同），對基于最佳比例的LID組合進行初步探索。模擬結果見表4。

將各種措施的最佳比例組合，將得到更小的徑流系數(shù)，徑流系數(shù)削減的效果并不理想，究其原因主要為：在各種LID措施以最佳比例單獨布設時，徑流系數(shù)已接近其能得到的最小值，并且受到研究區(qū)不透水面積的限制，組合后，部分LID措施實際上并沒有發(fā)揮作用。

在制定組合方案時，并沒有考慮到組合后各個LID措施間的相互影響，僅僅利用單項LID措施的最佳布設比例并不能取得組合方案的最佳效果。因此，在組合方案的優(yōu)化方面尚需進行深入的研究，考慮多種因素以實現(xiàn)最佳布設。

3 結論

（1）文章基于SWMM模型中的LID模塊對一老城區(qū)進行了LID布設比例的優(yōu)化模擬。經(jīng)過對老城區(qū)建筑特點的分析，選擇了4種LID措施。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，各種LID措施的布設達到一定比例（記為最佳布設比例）后對降雨徑流的削減效果減緩，這種關系可用于指導LID措施的布設優(yōu)化。

（2） 在較低重現(xiàn)期下，以最佳比例布設不同 LID措施后，模擬降雨徑流得到穩(wěn)定積水點，可用于指導城市排水管網(wǎng)的改造，緩解城市內(nèi)澇。

（3）由于受到不透水面積的限制和各LID措施間的相互影響等因素，并不能簡單的將各個單項措施進行組合以取得最佳效果，組合優(yōu)化方法尚有待深入研究。

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