基于SWMM模型的海綿城市小區(qū)建設雨洪過程模擬
----以咸陽市某小區(qū)為例

席 璐, 石麗忠,1b , 周慶芳

(1. 沈陽大學 a. 建筑工程學院; b. 污染環(huán)境治理與區(qū)域生態(tài)安全重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;2. 朝陽市水利規(guī)劃勘測設計院, 遼寧 朝陽 122000)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴大,城市水資源短缺,水質污染嚴重,再加上城市硬化面積逐漸擴大,我國城市的防洪排澇設施建設相對滯后,城市洪澇災害造成的損失慘重.近年來,暴雨災害頻頻發(fā)生,引起業(yè)內人士的廣泛關注,2012年習近平總書記提出的“海綿城市”一詞成為熱詞,海綿城市[1]簡單來說就是城市像海綿一樣能夠蓄水、滲水、凈水,在必要的時候將存儲的水加以釋放并且利用.海綿城市是新一代城市雨洪管理概念,指城市能夠像海綿一樣,在遇到雨洪等自然災害時能夠將這種災害在短時間內減弱,并且在適應環(huán)境的變化時具有良好的處理效果.海綿城市以從源頭到末端的全過程控制和循環(huán)利用為目標,對雨水的利用率明顯提高.海綿城市的建設不僅起到排洪減災的作用,并且起到綠化城市、改善生態(tài)環(huán)境的作用,提高了城市的觀賞性.海綿城市建設是一項極其復雜的工程,涉及到城市的用地規(guī)劃、園林景觀、建筑類型等各個方面的研究.為了實現(xiàn)對暴雨的管理,經(jīng)常利用暴雨管理模型(SWMM)對水質水量進行動態(tài)模擬預測.本文以典型小區(qū)作為實例來驗證SWMM模型模擬的能力.

1 海綿設施分類及作用

1.1 綠色屋頂

綠色屋頂是指在小區(qū)各種建筑物的屋頂、天臺、陽臺等種植花草等一系列綠化設施.采用屋頂綠化(屋頂花園)不但可以美化環(huán)境、凈化空氣、改善城市雨水屋面溢流、減少排水壓力、節(jié)約能耗、還補償了建筑物占地的綠化面積.提高了城市的綠化覆蓋率.

1.2 植草溝

植草溝指的是有植被的地表溝渠,植草溝代替了硬化溝渠,傳輸?shù)乇韽搅?在降低雨水地表流速、延長匯流時間的同時,利用溝內的植物和土壤截流、凈化雨水,具有一定的污染控制功能,不僅能夠提高場地景觀環(huán)境質量,并且具有一定的生態(tài)效益.

1.3 雨水花園

城市小區(qū)建設的雨水花園也屬于城市小區(qū)綠地的一種類型,雨水花園的作用是收集來自建筑屋頂?shù)挠晁虻孛娴膹搅饔晁?經(jīng)過花園內種植的植物、松散的土壤等的過濾凈化作用,使暫時滯留在花園內的雨水滲入地下,對地下水資源進行補充,進而促進雨水蒸騰蒸發(fā),使得空氣濕度降低,減少了城市熱島效應.

1.4 道路透水鋪裝設

城市道路一般有人行道、車行道、園林道路、停車場、廣場等, 針對不同的道路可以采用不同材料的透水設施. 例如:一般采用透水磚對人行道進行鋪設, 而車行道則可以采用透水混凝土、透水瀝青等進行鋪設, 園林道路可以采用鵝卵石、碎石鋪裝, 停車場則可以采用植草磚等. 徑流雨水透過透水設施滲入土壤, 從而可以達到避免路面積水的作用, 對道路表面的溫度和濕度具有一定的調節(jié)功能、還可以起到涵養(yǎng)地下水水分的目的.

2 設計工藝

本次設計分區(qū)域采用多樣化的設施,以及反映不同的設施對雨水的處理效果.

2.1 透水鋪裝

透水鋪裝減小路面徑流,多余雨水經(jīng)過路面排水系統(tǒng)進入管網(wǎng).

主要工藝:透水鋪裝區(qū)域雨水→透水磚入滲→路面排水系統(tǒng)→市政雨水管道.

2.2 道路

設計道路均為不透水鋪裝.

主要工藝:路面雨水→開孔路緣石→碎石等消能設施→植草溝→雨水花園→(溢流)市政雨水系統(tǒng).

2.3 停車位

主要工藝:停車場雨水→透水磚入滲→雨水花園→(溢流)市政雨水系統(tǒng)

3 海綿方案

3.1 小區(qū)概況

本文模擬的小區(qū)地處咸陽市, 位于灃渭大道西側, 灃西新城管委會西南方向. 總占地面積23 135.6 m2, 綠化面積約為4 765.1 m2, 屋頂約為7 462 m2, 鋪裝面積約為10 908.5 m2(見圖1).

圖1 小區(qū)布置大樣圖Fig.1 Layout diagram of the residential district

3.2 雨水設計參數(shù)

暴雨強度公式:

式中:q為設計暴雨強度,L/(ha·s);p為設計重現(xiàn)期,取p=2a;t為降雨歷時,min,取值(5,10,15,20,30,45,60,90,120).

3.3 匯水分區(qū)設計

整體地勢較為平緩, 北高南低, 東高西低, 設計坡度介于0.3%～2.3%之間. 綜合分析本小區(qū)地形, 市政雨水管接口等, 根據(jù)各分區(qū)設施布局圖, 計算各類設施的服務面積, 明確設施進水口及溢水口位置, 保證服務面積內雨水均可經(jīng)進水口進入設施, 且溢流雨水可由溢水口有組織流出, 依據(jù)設計標高及地塊類型將區(qū)域詳細劃分了3個子匯水面, 分區(qū)域進行控制(見表1,圖2).

表1 各分區(qū)下墊面統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of surface of each subdivision m2

圖2 項目匯水分區(qū)圖Fig.2 Partition map of catchment of the project

3.4 海綿設施參數(shù)

本設計根據(jù)地下車庫頂板高度、室外管網(wǎng)的埋深,通過調整種植土厚度及排水層厚度確定雨水花園等設施的深度.蓄水層厚度取200 mm,種植土厚度取500 mm,排水層厚度取250 mm(圖3).

雨水花園等參與調蓄量計算的實際控制容積可參考表2.

圖3 海綿布置大樣圖Fig.2 Layout diagram of sponge

匯水分區(qū)匯水面積m2綠色屋頂m2雨水花園m2植草溝m2透水鋪裝m2總調蓄量m3雨量綜合徑流系數(shù)φ可控制降雨量mm年徑流總量控制率%1101680370202700136.00.6919.4685.27238047001157212042.260.5719.4385.2339163.6700304167521111.720.6319.4985.30合計23135.614007894411341289.98均值0.6319.4685.26

式中:A為設施面積,m2;V為設施可控制容量,m3;種植土孔隙率一般取0.3～0.5,礫石層孔隙率取0.5;容積折減系數(shù),雨水花園取0.7,下凹式綠地取0.8.根據(jù)《海綿城市建設技術指南》,采用加權平均法計算小區(qū)綜合雨量徑流系數(shù).各類下墊面雨量徑流系數(shù)為:硬質屋面0.85、綠化屋面0.35、不透水鋪裝0.85、透水鋪裝0.30、綠地0.15.

4 模型構建

SWMM模型主要是一個動態(tài)的降雨-徑流模擬模型,通過降雨、產(chǎn)流、匯流計算,SWMM可以得到任一時刻每一個子流域所產(chǎn)生徑流的水質和水量;每一個管道、河道中水的流量、水深及水質等情況[2].

4.1 SWMM模型介紹

SWMM(Storm Water Management Model)模型是由美國環(huán)境保護局為了解決城市排水防澇問題而開發(fā)的暴雨管理模型,是一種綜合性的數(shù)學模型.暴雨管理模型是排水系統(tǒng)設計、運行和管理的基本依據(jù)和重要工具.該模型主要用模擬動態(tài)的降雨-徑流過程,用于城市區(qū)域徑流水質和水量的單一事件或者長期(連續(xù))模擬,能夠完整地模擬城市降雨徑流過程和污染物傳輸過程. SWMM最早開發(fā)于1971年,后來經(jīng)過幾次改進升級,一直在世界范圍內被廣泛應用于城市地區(qū)雨水徑流、合流管道、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設計.目前已經(jīng)被升級為SWMM 5版本,提供了編輯研究區(qū)域輸入數(shù)據(jù),執(zhí)行水文、水力和水質模擬,并且以各種格式瀏覽結果的集成環(huán)境,此版本在之前的基礎上經(jīng)過多次完善使其功能更加豐富,應用更為廣泛.

SWMM模型主要用于處理城市區(qū)域徑流產(chǎn)生的水文過程,包括了時變降雨量、地表水的蒸發(fā)、降雪累積與融化、洼地蓄水的降雨截留、不飽和土壤的降雨下滲、滲入水向地下含水層的穿透、地下水與排水管道的交換水量、非線性水庫法計算坡面匯流量、利用各種類型的低影響開發(fā)(LID)設施布置捕獲和滯留降雨徑流.

4.2 排水系統(tǒng)概化及設計降雨

SWMM模型建立需要現(xiàn)有的管網(wǎng)資料、當?shù)氐慕涤曩Y料、土壤滲透率以及LID設施的布置情況及各參數(shù).根據(jù)所給的地形及管網(wǎng)現(xiàn)狀資料,本文將研究區(qū)域劃分為3個子匯水面積(s1,s2,s3),2個排放口(PFK1,PFK2)、23個節(jié)點及22根管道(如圖4所示).場地內雨水管線設計重現(xiàn)期為5 a,設計雨型選用芝加哥雨型生成器設計降雨,降雨歷時選取2 h,雨峰系數(shù)選取0.18,總降雨量為49.88 mm,最大降雨強度為110.8 mm·h-1,其余參數(shù)依據(jù)當?shù)乇┯陱姸裙蕉?如圖5所示).

圖4排水區(qū)域管網(wǎng)摡化圖
Fig.4 Pipe network of drainage area

圖5 5年重現(xiàn)期降雨量Fig.5 Rainfall of five-year recurrence interval

4.3 模型參數(shù)率定

目前,國內一般采用的是Horton作為滲透模型,管網(wǎng)的匯流模型采用動力波法,匯水區(qū)的水全部通過排水節(jié)點,通過節(jié)點在管道中匯流,其滲透模型的最大入滲率為67.2 mm·h-1,最小入滲率為12.0 mm·h-1,入滲衰減系數(shù)為4 h-1[3].

4.4 模擬結果分析

研究區(qū)域管道超載狀況以及節(jié)點溢流,模型結果時間序列為每分鐘讀取一次,設置模擬時間為2 h.根據(jù)現(xiàn)有的雨水管網(wǎng)資料等數(shù)據(jù)進行SWMM模型模擬[4-5].SWMM軟件模擬具有查詢功能,可以查詢每一時刻小區(qū)匯水面、管道和節(jié)點處各項參數(shù)和計算結果.

(1) 原有場地雨水排水系統(tǒng)設計重現(xiàn)期P=2 a,綜合徑流系數(shù)為0.6.本次模擬設計雨型采取5年一遇降雨模型,圖6為最不利情況下排水管道縱面圖,從管道水力線可以看出小區(qū)管線標準高于設計標準,下游管線仍有一定的調蓄容積,連接18、19節(jié)點以及連接20、41處的管段在此情況下雖然滿足設計要求,如遇更大暴雨時依然會出現(xiàn)管道超載狀況,因此,可以采取增設調蓄池來預防此現(xiàn)象的發(fā)生.原有雨水管網(wǎng)資料的設計重現(xiàn)期為2 a,在此采取5年一遇降雨進行場地模擬,雖然布置了海綿設施,但是也可能出現(xiàn)極少管道超載,屬于正常現(xiàn)象.

(2) 在此類降雨情景下,總共2個排放口,選擇靠近排放口處的子匯水區(qū)域的峰值流量和峰現(xiàn)時間進行比較,圖7中顯示徑流峰值流量比為:未加海綿設施(0.27 m3·s-1)>加入海綿設施(0.15 m3·s-1).從比較的數(shù)據(jù)可以看出,傳統(tǒng)的雨水管網(wǎng)使雨水徑流迅速達到峰值,且峰值流量為加入海綿設施的1.8倍;說明海綿設施提高了排水系統(tǒng)的雨洪調控能力,并且在一定程度上減少了城市“看?！钡那闆r.

圖6 管段水深Fig.6 Water depth of the pipeline

圖7流量過程線
Fig.7 Discharge curve

(3) 根據(jù)模擬的結果,有6個節(jié)點可能發(fā)生溢流現(xiàn)象,導致整個小區(qū)發(fā)生內澇,但是從模擬的結果可知(表3),在5年一遇的雨型設計下,此類節(jié)點滿足設計要求,18和20節(jié)點處最大積水深度臨近節(jié)點深度,因此這2點處可以設置導流設施,在可能出現(xiàn)最大降雨時及時將雨水順利排到其他地方(綠地、雨水花園等具有調蓄功能的場地),預防節(jié)點溢流狀況的發(fā)生.

表3 節(jié)點積水深度情況Table 3 Water depth of nodes

5 總 結

(1) SWMM模型在模擬過程中能夠有效地模擬城市排水管網(wǎng)的工作狀態(tài),可以用來作為對管網(wǎng)設計的校核和指導海綿設施的合理布置.根據(jù)模擬顯示的結果,可以采取相應的措施預防管道超載狀況,進而能夠延長管道的使用壽命.

(2) 從模擬的結果可知,海綿設施對雨水徑流具有一定的削減能力,對內澇的防治起到一定的作用,并且可以提高雨水的利用率.

(3) 節(jié)點溢流容易造成場地積水,進而引起區(qū)域內澇的風險,因此利用SWMM模型對各節(jié)點溢流狀況進行模擬分析,對容易發(fā)生溢流的節(jié)點采取防治措施,減少洪水災害的發(fā)生.

參考文獻:

[1] 住房城鄉(xiāng)建設部. 海綿城市建設技術指南:低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建[S]. 2014.

Ministry of Housing Construction. Sponge city construction technology guide[S]. 2014.

[2] 趙冬泉,佟慶遠,王浩正,等. SWMM模型在城市雨水排除系統(tǒng)分析中的應用[J]. 給水排水, 2009,35(5):198-201.

ZHAO D Q,TONG Q Y,WANG H Z,et al. Application of SWMM in urban storm drainage network modeling[J]. Water & Wastewater Engineering, 2009,35(5):198-201.

[3] 王祥,張行南,張文婷,等. 基于SWMM的城市雨水管網(wǎng)排水能力分析[J]. 三峽大學學報(自然科學版), 2011,33(1):5-8.

WANG X,ZHANG X N,ZHANG W T,et al. Analysis of drainage capacity of urban conduits based on SWMM[J]. Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences), 2011,33(1):5-8.

[4] 王文亮,李俊奇,宮永偉,等. 基于SWMM模型的低影響開發(fā)雨洪控制效果模擬[J]. 中國給水排水, 2012,28(21):42-44.

WANG W L,LI J Q,GONG Y W,et al. LID stormwater control effect simulation based on SWMM[J]. China Water & Wastewater, 2012,28(21):42-44.

[5] 吳曉瑜,黃維,周密. 基于SWMM的某工業(yè)園區(qū)LID方案及模擬評估[J]. 中國給水排水, 2017(11):139-142.

WU X Y,HUANG W,ZHOU M. LID scheme and simulation evaluation of an industrial park based on SWMM[J]. China Water & Wastewater, 2017(11):139-142.