基于SWMM和InfoWorks的低影響開發(fā)技術(shù)研究

寇殿良，覃 芹，劉 非

(1.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，南寧 530029；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

城市化過程中原有自然水文循環(huán)過程遭到破壞，天然地表對(duì)雨水的消納和滯蓄能力減弱，使得雨水資源大量流失、徑流污染嚴(yán)重以及內(nèi)澇頻發(fā)等問題顯著，僅靠傳統(tǒng)的城市雨水排水系統(tǒng)很難應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市雨水問題。發(fā)達(dá)國(guó)家多年來的城市雨水管理經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)建立由源頭滯蓄減排、傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)及開放空間調(diào)蓄等方式共同組成的多層次多目標(biāo)的雨洪管理體系。目前，世界范圍內(nèi)，具有代表性的城市雨水管理模式主要以美國(guó)的低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)技術(shù)為主。

低影響開發(fā)(LID)是20世紀(jì)90年代初由美國(guó)馬里蘭州喬治王子城縣率先提出并在州內(nèi)的幾個(gè)項(xiàng)目中實(shí)施，其目的是通過維持流域水文情勢(shì)，使受納水體的生態(tài)完整性得到最大限度的保護(hù)。通過合理的場(chǎng)地開發(fā)，低影響開發(fā)將水文功能集成到場(chǎng)地設(shè)計(jì)中，恢復(fù)其自然水文狀況，并采用綜合性措施從源頭上降低因開發(fā)導(dǎo)致的水文條件的變化和雨水徑流對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

對(duì)該技術(shù)的研究主要分為模型研究和實(shí)驗(yàn)研究2類。

在應(yīng)用模型研究低影響開發(fā)技術(shù)方面，D. Joksimovic等人利用SWMM對(duì)LID設(shè)施的成本效益作了研究，得出對(duì)于削減徑流，在特定情形下，滲濾溝和綠色屋頂?shù)慕M合是最經(jīng)濟(jì)的方式[1]；Justyna Czemiel Berndtsson等人對(duì)影響綠色屋頂徑流削減能力的因素以及對(duì)污染物轉(zhuǎn)移能力的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的論述[2]；Villarreal等人對(duì)LID措施在不同降雨重現(xiàn)期下的效能進(jìn)行了人工模擬[3]；Huber利用SWMM模型對(duì)LID措施的城市徑流污染控制能力進(jìn)行了模擬總結(jié)[4]；Hayes等人利用IDEAL模型對(duì)開發(fā)后的區(qū)域進(jìn)行了LID措施效能模擬[5]；Alfredo等人利用SWMM研究了不同基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂徑流削減的影響[6]；Brown等人利用DRAINMOD模型對(duì)LID措施的水文特性進(jìn)行了模擬[7]；澳大利亞的Boughton對(duì)利用水文模型長(zhǎng)期模擬結(jié)果設(shè)計(jì)洪災(zāi)的方法進(jìn)行了總結(jié)[8]。

在試驗(yàn)研究上，Yilmaz等人通過6組試驗(yàn)，其中2組添加了生長(zhǎng)介質(zhì)，3組覆蓋了不同植物以及1組表面裸露，在法國(guó)南特觀測(cè)了2 a時(shí)間并與另一組碎石平屋頂試驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)論是在暴雨徑流削減以及有利于蒸發(fā)方面，基質(zhì)越厚并且植被覆蓋最密集的試驗(yàn)組效果最好[9]；Rodriguez-Hernandez J.等人在實(shí)驗(yàn)室對(duì)4種滲透鋪裝的暴雨徑流削減能力進(jìn)行了研究[10]；Wuguang Lin等人用2組加速加載路面試驗(yàn)對(duì)滲透磚路面的承載力以及水文效益作了研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)根據(jù)道路基礎(chǔ)的類型和路面交通量的變化而改變，并且證明了滲透鋪裝路面適用于機(jī)動(dòng)車道和人行道，而且能提高城市水循環(huán)系統(tǒng)的效率[11]。

我國(guó)在城市雨水管理上，主要是學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用還處于初級(jí)階段，缺乏相關(guān)的模擬和模擬研究，例如各種低影響開發(fā)設(shè)施單元在不同規(guī)格、不同降雨強(qiáng)度下的徑流控制效果和相關(guān)水文參數(shù)缺少研究，難以對(duì)實(shí)際工程提供明確有效的指導(dǎo)。本文以武漢市易受水災(zāi)的沙湖附近道路和小區(qū)作為研究區(qū)域，利用Infoworks ICM軟件和美國(guó)EPA開發(fā)的SWMM模型對(duì)該區(qū)域應(yīng)用低影響開發(fā)措施的前后漬水情況進(jìn)行對(duì)比，并總結(jié)了綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地在不同降雨強(qiáng)度下的徑流系數(shù)。

1 研究區(qū)域概況

沙湖位于武漢市武昌區(qū)的東北部，東至中北路，南鄰小龜山，西抵武昌大冶鐵路，北達(dá)徐東路。在100 a前，東湖(現(xiàn)武漢最大湖泊)屬沙湖水系。東湖、沙湖及白洋湖原本相通，與長(zhǎng)江相連，清末修筑武昌至青山的大堤后3者才分開。晚清時(shí)期，張之洞為減輕水患，修建武豐閘、武泰閘、萬年閘等閘壩，湖泊面積有所減少，但仍達(dá)466.7 hm2；抗戰(zhàn)期間，沿湖居民驟增，大量進(jìn)行圍湖造田、建房，湖泊開始大面積縮小；到20世紀(jì)80年代，沙湖面積減少到400 hm2以上。

近年來，隨著城市化的迅猛發(fā)展，湖周邊建造了很多學(xué)校和民商建筑。出于各種目的，填湖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，沙湖水面縮小了66.7 hm2，加上城市垃圾和生活污水的污染，湖泊自然生態(tài)受到嚴(yán)重破壞，沙湖正在失去其作為濕地的生態(tài)特征和價(jià)值。20世紀(jì)80年代開始，沙湖就一直在填，20 a幾乎沒有間斷過。20世紀(jì)90年代，為了修建長(zhǎng)江二橋而拓寬中北路、徐東路，部分沙湖水面被填。1996年，填湖開發(fā)房地產(chǎn)，2000年動(dòng)工修建的友誼大道從中山路到湖北大學(xué)這一段就是填占沙湖所建，友誼大道建成通車后，沙湖一帶就成為開發(fā)熱土。2006年，根據(jù)武漢市有關(guān)部門的環(huán)境狀況公報(bào)顯示，沙湖污染嚴(yán)重，成為非人體接觸的劣五類水體，不適合水產(chǎn)養(yǎng)殖，直到2007年，沙湖被禁止養(yǎng)魚。

本課題所取研究區(qū)是以建筑為主的主城區(qū)，研究面積約為48 hm2，區(qū)域內(nèi)包括各類建筑、道路、草地，還包括武漢長(zhǎng)江隧道武昌段的入口，見圖1。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 InfoWorks ICM模型構(gòu)建

InfoWorks ICM軟件是由英國(guó)Wallingford公司開發(fā)的一款2 D排水模型軟件，其一維管網(wǎng)模型采用完全求解圣維南方程模擬管道水流和明渠流，地面二維漫流采用求解淺水方程的方式計(jì)算地面積水量。該軟件能較好地用于模擬和分析排水管網(wǎng)和地面洪水的動(dòng)態(tài)變化過程，因此選用該軟件作為城市雨洪模擬的工具。

2.1 排水系統(tǒng)、匯水區(qū)及地表

根據(jù)研究區(qū)域的雨水排水管網(wǎng)CAD圖，提取該區(qū)域的雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)和下墊面信息，包括檢查井和管道的埋深、地面標(biāo)高、檢查井的高程，雨水管道的管徑、流向、坡度、管長(zhǎng)以及糙率等。研究區(qū)域的管網(wǎng)信息可以概化為115條管道，其中18條干管(管徑大于等于1 000 mm)，78個(gè)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)出水口。由于研究區(qū)內(nèi)地面比較平坦，故采用ICM軟件根據(jù)泰森多邊形法則自動(dòng)劃分匯水區(qū)，共有49個(gè)子匯水區(qū)，研究區(qū)內(nèi)地表類型有3種，分別是屋面、道路和綠地。研究區(qū)具體概化情況見圖2。

圖2 匯水區(qū)、管網(wǎng)及出水口Fig.2 Catchments, sewer pipe system and outlets

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)的不透水區(qū)域，其產(chǎn)流模型選用Fixed產(chǎn)流模型，即固定徑流系數(shù)法：依照室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)中的參考值對(duì)研究區(qū)內(nèi)的不透水區(qū)徑流系數(shù)進(jìn)行選取，其中不透水路面和不透水屋面為0.8～0.9，城市廣場(chǎng)類的混凝土路面為0.8，相應(yīng)的不透水表面的初損值取2.5 mm。對(duì)于諸如草地類的透水地表，產(chǎn)流模型如前所述需要考慮初損、蒸發(fā)和下滲。武漢地區(qū)的多年平均蒸發(fā)量為1 494.0 mm，其中6-9月的蒸發(fā)量約為718.6 mm，而武漢市的降雨也主要集中在6-9月，并且蒸發(fā)量對(duì)降雨徑流模型的模擬影響很小，因此，蒸發(fā)量可取固定值4 mm/d。透水下墊面的初損值為蒸發(fā)、植被截留、初期濕潤(rùn)、填洼等，與其他滲透產(chǎn)流模型相比，Horton模型能更好地描述城市綠地土壤的入滲性能。故在本研究中，對(duì)于此類透水面，即傳統(tǒng)綠地，選用Horton模型進(jìn)行模擬，初損值為5 mm，初滲率為76.2 mm/h，穩(wěn)滲率為3.18 mm/h，衰減系數(shù)為7 h-1。本研究采用非線性水庫方法，即SWMM匯流模型，使用運(yùn)動(dòng)波方程計(jì)算坡面匯流。對(duì)各類下墊面定義曼寧系數(shù)。其中，不透水面曼寧系數(shù)為0.013，綠地為0.3。對(duì)城市排水系統(tǒng)的模擬，主要是對(duì)排水管道內(nèi)水流的模擬。本研究中管道的管壁粗糙系數(shù)采用InfoWorks ICM模型的推薦值。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)武漢市水務(wù)局提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2013年7月5日下午5時(shí)至7日下午10時(shí)，武漢市遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，部分地區(qū)降雨達(dá)到特大暴雨級(jí)別，中心城區(qū)最大降雨量達(dá)到337.5 mm，武昌地區(qū)最大小時(shí)降雨量約50 mm，約為5 a一遇水平，武漢長(zhǎng)江隧道武昌段多個(gè)匝道發(fā)生嚴(yán)重漬水。本研究將通過模擬重現(xiàn)此次水災(zāi)，從積水點(diǎn)分布和積水量2個(gè)角度對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)隧道及周邊區(qū)域積水情況對(duì)比。圖3顯示了該區(qū)域積水情況，從模型模擬結(jié)果與實(shí)際積水情況對(duì)比看來該模型能準(zhǔn)確反映此次隧道積水點(diǎn)的分布情況。

圖3 積水點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of water logging

(2)隧道內(nèi)積水量的對(duì)比。模型能準(zhǔn)確地模擬隧道內(nèi)的積水量變化對(duì)驗(yàn)證模型是否可靠十分重要。圖4顯示了隧道內(nèi)積水量隨時(shí)間的變化情況。從圖4可以看出隧道積水量最大值達(dá)到了1 900 m3，而根據(jù)隧道部門事后出具的漬水報(bào)告中的記錄，東線江中泵房積水約1 600 m3，此外，武昌工作井地下3層也有部分積水，故實(shí)際積水總量約為1 850 m3，與模型模擬結(jié)果十分接近。

圖4 隧道內(nèi)積水量Fig.4 Flood volume in tunnel

通過以上2方面的對(duì)比分析可以得出該模型能夠反映隧道當(dāng)天的漬水情況。說明所建立的模型具有一定的可靠性，可以運(yùn)用到城市區(qū)域的雨水模擬分析方面。

2.3 不同降雨重現(xiàn)期下的漬水情況分析

開發(fā)前該區(qū)域的下墊面主要為土壤和綠地，這類下墊面對(duì)雨水有著很好的滲蓄效果，徑流系數(shù)小。在本研究中，為模擬開發(fā)前該區(qū)域降雨水文特征，將該區(qū)域整個(gè)當(dāng)作傳統(tǒng)綠地，產(chǎn)流在初損值取3 mm的基礎(chǔ)上采用Horton滲透模型，最大下滲速率為76.2 mm/h，最小下滲率取3.18 mm/h，衰減系數(shù)取2.16 h-1。對(duì)開發(fā)前該區(qū)域進(jìn)行降雨重現(xiàn)期為1、5、10、20、30、50 a模擬。

開發(fā)前該區(qū)域1、5、10、20、30和50 a 6個(gè)重現(xiàn)期下的峰值積水量模擬結(jié)果匯總見表1。與開發(fā)后該區(qū)域的積水量相比，開發(fā)前該地塊在50 a一遇降雨情景下，友誼大道的積水量峰值也只與開發(fā)后10 a一遇降雨情景時(shí)接近。對(duì)于隧道主通道入口及周邊的積水量峰值，5 a一遇時(shí)，開發(fā)后的值為開發(fā)前的24倍；10 a一遇時(shí)，開發(fā)后的值為開發(fā)前的8倍；20 a一遇時(shí)，開發(fā)后的值為開發(fā)前的4倍；30 a一遇時(shí)，開發(fā)后的值為開發(fā)前的3.5倍；50 a一遇時(shí)，開發(fā)后的值為開發(fā)前的2.4倍。說明自 然地表能極大地削減積水量，但是隨著降雨重現(xiàn)期的增大，自然地表的削減積水量峰值的能力在逐漸降低。

表1 開發(fā)前后地塊各重現(xiàn)期的積水量峰值 m3

對(duì)比開發(fā)后和開發(fā)前部分降雨重現(xiàn)期下出水管No.5.1、No.54.1、No.83.1的流量峰值見表2。從表2中可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，各出水管開發(fā)前和開發(fā)后的流量峰值均呈現(xiàn)出增大并且逐漸接近的趨勢(shì)。

表2 開發(fā)前后出水管流量峰值對(duì)比 m3/s

開發(fā)前和開發(fā)后該地塊的徑流系數(shù)分別見表3和表4。開發(fā)前該地塊的徑流系數(shù)相對(duì)于同樣降雨重現(xiàn)期下開發(fā)后該地塊的徑流系數(shù)明顯偏小，開發(fā)前即使降雨重現(xiàn)期到了50 a一遇，徑流系數(shù)也沒有開發(fā)后1 a一遇大。

3 應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地后研究區(qū)域漬水分析

對(duì)于低影響開發(fā)設(shè)施的模擬，本文選用的是美國(guó)環(huán)保署開發(fā)的暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)，該模型經(jīng)過不斷完善，得到了廣泛的使用和認(rèn)可。該模型可分為降雨徑流模型和管網(wǎng)匯流模型2部分。SWMM模型中的低影響開發(fā)模塊，提供了生物滯留、滲透鋪裝、滲透溝渠、雨水罐、植被淺溝5種分散的雨水處置技術(shù)，通過對(duì)調(diào)蓄、滲透、蒸發(fā)等水文過程的模擬，結(jié)合SWMM模型的水力和水質(zhì)模塊實(shí)現(xiàn)低影響開發(fā)措施對(duì)場(chǎng)地徑流量、峰值流量以及徑流污染的模擬。其他措施如過濾帶、下凹式綠地、綠色屋頂?shù)燃夹g(shù)都可以經(jīng)過相應(yīng)的參數(shù)變換處理后進(jìn)行模擬。

表3 開發(fā)前該地塊徑流系數(shù)匯總 m3

表4 開發(fā)后該地塊徑流系數(shù)匯總 m3

3.1 低影響開發(fā)技術(shù)選擇

低影響開發(fā)技術(shù)強(qiáng)調(diào)徑流控制設(shè)施的使用應(yīng)貫穿于整個(gè)規(guī)劃設(shè)計(jì)之中，盡可能保持地塊開發(fā)后的水文狀態(tài)與開發(fā)前的自然狀態(tài)一致。其包含的技術(shù)措施非常廣泛，不僅包括結(jié)構(gòu)性的基礎(chǔ)設(shè)施，也包括非結(jié)構(gòu)性的工程措施。

對(duì)于低影響開發(fā)技術(shù)措施的選擇，應(yīng)當(dāng)因地制宜地遵循最佳技術(shù)選擇過程。如果優(yōu)先技術(shù)由于客觀條件不允許，如場(chǎng)地限制等，就應(yīng)依照順序選擇下一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于不同的地區(qū)，要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的，兼顧成本來具體考慮。作為一門新興的雨洪管理措施，低影響開發(fā)的內(nèi)涵已超出了傳統(tǒng)土木市政領(lǐng)域，涉及到了城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)和土地利用等各個(gè)方面。因此，低影響開發(fā)技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)施需要城市各部門的充分協(xié)調(diào)。本文的研究區(qū)域地處沙湖周邊，毗鄰長(zhǎng)江，地下水位較高，且地處城市中心，考慮到城市風(fēng)貌、交通影響以及房產(chǎn)開發(fā)等因素，擬選定的方案是應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹式綠地對(duì)區(qū)域內(nèi)原有的部分傳統(tǒng)屋頂、新建房屋屋頂、部分原始道路以及綠地進(jìn)行替換。

3.2 低影響開發(fā)措施徑流系數(shù)的確定

利用SWMM 5.1版本LID模塊，分別對(duì)綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地在不同降雨強(qiáng)度下的徑流系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。在研究區(qū)域?qū)⒃芯G地替換成下凹式綠地后(見圖5紅色區(qū)域替換為下凹式綠地)，選擇面積最大(編號(hào)40)的子匯水區(qū)進(jìn)行開發(fā)后和應(yīng)用下凹式綠地之后的水文效果比較，在研究區(qū)域?qū)⒃械缆诽鎿Q成滲透路面后(見圖6紅色區(qū)域?yàn)闈B透路面)，選擇編號(hào)58的子匯水區(qū)進(jìn)行開發(fā)后和應(yīng)用滲透路面之后的水文效果比較，在研究區(qū)域?qū)⒃?0%屋頂替換成綠色屋頂(見圖7紅色區(qū)域?yàn)榫G色屋頂)，選擇編號(hào)27的子匯水區(qū)進(jìn)行開發(fā)后和應(yīng)用滲透路面之后的水文效果比較。

圖5 紅色區(qū)域?yàn)橄掳季G地Fig.5 Sunken green space(red area)

圖6 紅色區(qū)域?yàn)闈B透路面Fig.6 Permeable pavement(red area)

圖7 紅色區(qū)域?yàn)榫G色屋頂Fig.7 Green roof(red area)

模擬結(jié)果見表5。下凹式綠地、滲透路面和綠色屋頂在一定程度上都能減緩匯水區(qū)的積水，使洪峰流量減少、徑流系數(shù)減小、徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間延遲。3種措施對(duì)徑流系數(shù)和徑流峰值的削減以及對(duì)徑流峰值的延遲都跟降雨強(qiáng)度有一定關(guān)系，當(dāng)降雨強(qiáng)度很小時(shí)，削減效果明顯，當(dāng)降雨強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，削減效果逐漸減弱。

3.3 低影響開發(fā)后研究區(qū)域漬水

將下墊面的預(yù)設(shè)改造面積輸入到雨水徑流模型中，并對(duì)其在不同降雨重現(xiàn)期下的水文控制效果進(jìn)行評(píng)估，各子匯水區(qū)在不同降雨重現(xiàn)期下的綜合徑流系數(shù)見表6。可以看到，經(jīng)過優(yōu)化的LID措施應(yīng)用之后，同降雨重現(xiàn)期下，雖然徑流系數(shù)與開發(fā)前的狀態(tài)相比還存在一定的差距，但是對(duì)比現(xiàn)狀區(qū)域(即開發(fā)后)情況，已有很大的改善。

表5 LID后各下墊面徑流系數(shù)Tab.5 Runoff coefficients of grass, road and roof after applyingLLID under different rainfall return periods

表6 開發(fā)前和LID優(yōu)化后綜合徑流系數(shù)對(duì)比Tab.6 Runoff coefficients before urbanization andafter applying LID under different rainfall return periods

將低影響開發(fā)措施在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)代入到Infoworks ICM模型中，即可得到LID優(yōu)化方案應(yīng)用之后友誼大道及隧道主通道入口各重現(xiàn)期下的積水情況，見圖8～圖13，積水量值見表7?？梢钥闯觯瑧?yīng)用LID措施之后，整個(gè)友誼大道和隧道入口及周邊區(qū)域的積水情況得到了明顯的改善，雖然與開發(fā)前的自然地表狀態(tài)相比，積水量略高，但是與開發(fā)后的情形相比，積水量已經(jīng)得到了明顯的控制和降低，說明LID措施的優(yōu)化和改造是有效的。

圖8 LID后1 a時(shí)最不利時(shí)刻Fig.8 The worst time in 1 a (after applying LID)

圖9 LID后5 a時(shí)最不利時(shí)刻Fig.9 The worst time in 5 a (after applying LID)

圖11 LID后20 a時(shí)最不利時(shí)刻Fig.11 The worst time in 20 a (after applying LID)

圖12 LID后30 a時(shí)最不利時(shí)刻Fig.12 The worst time in 30 a (after applying LID)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合Infoworks ICM和SWMM模型各自的優(yōu)勢(shì)，以武漢市沙湖及周邊小區(qū)道路為研究區(qū)域，建立了雨水徑流模型，并對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了該區(qū)域不同降雨強(qiáng)度下的漬水情況。而后利用SWMM模型的低影響開發(fā)模塊對(duì)采用綠色屋頂、滲透鋪裝及下凹綠地后研究區(qū)域的徑流系數(shù)進(jìn)行了模擬總結(jié)。最后，對(duì)應(yīng)用低影響開發(fā)措施后的研究區(qū)域再次進(jìn)行了模擬，對(duì)比了開發(fā)前、開發(fā)后和應(yīng)用低影響開發(fā)措施后的 漬水情況，說明研究區(qū)域應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝及下凹綠地極大地提高了抵御雨洪災(zāi)害的能力。本文中的部分?jǐn)?shù)據(jù)和研究方法可作為低影響開發(fā)技術(shù)使用和工程建設(shè)的參考。

圖13 LID后50 a時(shí)最不利時(shí)刻Fig.13 The worst time in 50 a (after applying LID)

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