基于SWMM模型的低影響開(kāi)發(fā)模式在城市雨洪控制中的研究

王 雷，楊鳳閣，王誠(chéng)杰，崔建軍，徐 艷，趙國(guó)良，霍樹(shù)義，金坎輝，路 維

(河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001)

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，越來(lái)越多的綠地被灰色混凝土建筑以及不透水鋪裝取代，這種變化破壞了原有的自然水文生態(tài)，在遭遇高強(qiáng)度降雨時(shí)，地面降雨能夠短時(shí)間內(nèi)在該區(qū)域內(nèi)形成地表徑流，增加管網(wǎng)排水壓力，極易形成城市內(nèi)澇[1]。2015年8月31日～9月1日該地區(qū)普降特大暴雨，最大降雨強(qiáng)度達(dá)到41.6 mm/h，最大降雨量達(dá)143.1 mm，造成該地大范圍內(nèi)澇，嚴(yán)重區(qū)域水深達(dá)到1 m。

低影響開(kāi)發(fā)LID以分散式小規(guī)模措施對(duì)雨水徑流進(jìn)行源頭控制，以達(dá)到緩解城市內(nèi)澇，改善城市生態(tài)環(huán)境的目的。暴雨管理模型SWMM[2]是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開(kāi)發(fā)的基于水動(dòng)力學(xué)的降雨徑流模擬模型，該模型集成了降雨、徑流等多種模塊，能夠?qū)螆?chǎng)及連續(xù)降雨的徑流和排水情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，LID模塊能夠模擬LID設(shè)施影響下的徑流量、峰值流量和蓄水量等參數(shù)的變化情況。文章以華北地區(qū)某區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)建立SWMM模型，對(duì)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的降雨徑流進(jìn)行模擬計(jì)算，為該地區(qū)暴雨洪水控制研究提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域自然氣候特征

研究區(qū)域介于北緯38°16′～38°18′、東經(jīng)116°46′～116°48′。該區(qū)域?qū)贉貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，年平均降雨量約600 mm，且分布極不均勻，7、8月份降雨量占到了全年的70%～80%，夏季受太平洋副熱帶高壓影響，極易形成強(qiáng)降雨，具有“降水量大、歷時(shí)長(zhǎng)、降水集中、強(qiáng)度大”的特點(diǎn)，在這種氣候特征下易形成地表徑流和洪澇災(zāi)害。

2 研究區(qū)域SWMM模型構(gòu)建及參數(shù)確定

2.1 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域城市化進(jìn)程快，硬化比例高，用地類型主要為居住用地、教育用地、行政辦公用地、公共文化設(shè)施用地以及較少的耕地和綠化用地[3]，利用ArcGIS對(duì)該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該區(qū)域地勢(shì)較為平坦，高程7～11 m，坡度0.2°～1.8°。排水為雨污分流制，雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5～1 a。區(qū)域內(nèi)有小流津河、景觀河、景觀湖，承擔(dān)研究區(qū)域內(nèi)雨水排澇任務(wù)。

2.2 研究區(qū)域模型概化

研究區(qū)域總面積約651.5 hm2，平均不透水面積率為50.7%，依據(jù)該地區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，研究區(qū)域概化如下：共劃分子匯水區(qū)域109個(gè)，面積1.89～9.8 hm2，管段142條，節(jié)點(diǎn)143個(gè)，出水口16個(gè)。研究平面概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域平面概化圖Fig.1 study area plan generalization

2.3 設(shè)計(jì)雨型及雨量

根據(jù)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[4]，中小城市中心城區(qū)的重要地區(qū)，暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3～5 a，人口密集、內(nèi)澇易發(fā)的城鎮(zhèn)宜采用上限。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)重現(xiàn)期設(shè)定為1、2、3和5 a 4種；降雨歷時(shí)設(shè)定為2h；降雨量根據(jù)該地暴雨強(qiáng)度公式(1)計(jì)算確定；設(shè)計(jì)雨型采用芝加哥雨型，雨峰相對(duì)位置r在0.3～0.5之間[5]，本研究取r值為0.4。

(1)

式中：P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min；q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)。

2.4 產(chǎn)匯流模型選取及參數(shù)率定

地表匯流模型選用非線性水庫(kù)模型，產(chǎn)流模型采用Horton入滲模型，水力演算模擬動(dòng)力波模型。子匯水面積、節(jié)點(diǎn)高程等參數(shù)通過(guò)GIS分析、市政管網(wǎng)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘獲得。曼寧系數(shù)、入滲率等參數(shù)在參考模型手冊(cè)或文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行率定，文章參考劉興坡[6]提出的基于綜合徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型方法，通過(guò)反復(fù)迭代試算得到最優(yōu)參數(shù)，再分別以重現(xiàn)期為1 a和2 a的合成降雨檢驗(yàn)參數(shù)率定結(jié)果的穩(wěn)定性。

根據(jù)計(jì)算得到的該區(qū)域不透水面積率，查詢《城市排水手冊(cè)》查得綜合徑流系數(shù)參考值(表1)，可知該區(qū)屬于建筑較密的居住區(qū)，根據(jù)率定結(jié)果，得到模型重現(xiàn)期1 a和2 a的綜合徑流系數(shù)分別為0.55和0.62，滿足建筑較密的居住區(qū)綜合徑流系數(shù)0.5～0.7的要求[7]。率定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 綜合徑流系數(shù)參考值Tab.1 Comprehensive runoff coefficient reference

表2 率定參數(shù)表Tab.2 Rate parameter table

3 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀能力評(píng)估

分別采用1、2、3、5 a 4種設(shè)計(jì)重現(xiàn)期來(lái)對(duì)研究區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，溢流情況詳見(jiàn)表3。

表3 溢流情況表Tab.3 Overflow table

從模擬結(jié)果可以看出隨著降雨強(qiáng)度的增大，管網(wǎng)的溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增多，節(jié)點(diǎn)溢流量也不斷增大。P=1 a時(shí)，積水節(jié)點(diǎn)為18個(gè)，溢流量均不超過(guò)50 m3，基本滿足雨水管道設(shè)計(jì)規(guī)劃要求；P=2 a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量為61個(gè)，占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的42.7%，其中溢流量大于500 m3的節(jié)點(diǎn)有2處；P=3 a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量為77個(gè)，占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的53.8%，其中溢流量大于500 m3的節(jié)點(diǎn)有6處；P=5 a時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量為89個(gè)，占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的62.2%，其中溢流量大于500 m3的節(jié)點(diǎn)有11處。可見(jiàn)，除P=1 a外，在2、3和5 a的設(shè)計(jì)降雨下，研究區(qū)域的現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)均出現(xiàn)了多處溢流，且溢流情況嚴(yán)重。

4 LID模擬結(jié)果及分析

4.1 LID措施參數(shù)設(shè)置

在借鑒國(guó)內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，將研究區(qū)域內(nèi)50%的綠地改造為下沉式綠地，50%的硬化廣場(chǎng)及道路改造為透水鋪裝，考慮到綠色屋頂對(duì)原屋面承載及防水能力有較高要求，故綠色屋頂?shù)母脑毂壤O(shè)為30%，雨水桶按所處理屋面面積的1%的比例計(jì)算[8]，設(shè)置桶高2 000 mm，排水系數(shù)25.4 mm/h，排水指數(shù)0.5。LID設(shè)施主要參數(shù)詳見(jiàn)表4。

表4 LID設(shè)施主要參數(shù)Tab.4 LID facility main parameters

4.2 模擬分析

分別模擬單獨(dú)布設(shè)雨水桶、單獨(dú)布設(shè)下凹式綠地、單獨(dú)布設(shè)透水鋪裝、單獨(dú)布設(shè)綠色屋頂以及四種LID設(shè)施組合布設(shè)這五種方案在不同暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下整個(gè)研究區(qū)域的降雨徑流過(guò)程，如圖2所示。五種方案下不同暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期徑流總量與洪峰流量削減率如圖3所示。

這5種LID布設(shè)方案在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下對(duì)徑流均有一定的削減作用，在徑流總量削減方面，組合布設(shè)LID措施的削減效果顯著，削減率達(dá)到76.3%，其后依次是下凹式綠地、透水鋪裝和雨水桶，綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p效果最差，僅為8.8%；在洪峰流量削減方面，組合布設(shè)LID效果顯著，削減率達(dá)到75.9%，其后依次是雨水桶、透水鋪裝、下凹式綠地，綠色屋頂最差，僅為6.4%。在延遲峰現(xiàn)時(shí)間方面，各方案均能不同程度的推遲了峰現(xiàn)時(shí)間，其中單獨(dú)布設(shè)雨水桶的效果最好。

當(dāng)暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期由1 a一遇增大到5 a一遇是，透水鋪裝保持20%左右穩(wěn)定的徑流削減率，這是由于透水鋪裝入滲率較大所致，其他方案徑流總量、洪峰流量的削減率均逐漸下降，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度降雨條件下土壤迅速飽和，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)LID設(shè)施的下滲和儲(chǔ)蓄能力時(shí)，徑流削減效果進(jìn)一步降低，但仍具有遲滯徑流的作用。

圖2 5種方案在不同暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的降雨徑流曲線Fig.2 Rainfall runoff curves of five different scenarios during recurrence periods of different rainstorm designs

圖3 不同暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期徑流總量與洪峰流量削減率Fig.3 Total runoff volume and peak flood flow reduction rate during recurrence of different storm designs

5 結(jié) 論

(1)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力不足，僅能滿足1 a暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期水平，一旦該地出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)重現(xiàn)期強(qiáng)度的暴雨，極易發(fā)生城市內(nèi)澇。

(2)5種LID措施布設(shè)方案均能不同程度增強(qiáng)雨水系統(tǒng)對(duì)徑流的滯留調(diào)蓄能力，減少總徑流量并削減洪峰。在徑流總量削減效果上，組合布設(shè)LID方案最佳，其后依次是下凹式綠地、透水鋪裝、雨水桶，綠色屋頂最差；在洪峰流量削減效果上，組合布設(shè)LID方案最佳，其后依次是雨水桶、透水鋪裝、下凹式綠地，綠色屋頂最差。因此，在進(jìn)行LID設(shè)施布置規(guī)劃中，建議采用多種LID措施組合布設(shè)，以取得最佳效果。

(3)LID設(shè)施在低重現(xiàn)期下徑流削減效果更為顯著，隨著暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大，在高強(qiáng)度降雨作用下，LID設(shè)施的徑流削減效果降低，但仍可以起到徑流遲滯作用。

(4)文章著重從技術(shù)層面探討低影響開(kāi)發(fā)理論在解決城市內(nèi)澇問(wèn)題的可行性，對(duì)建設(shè)海綿城市具有一定的指導(dǎo)作用，但在進(jìn)行LID改造時(shí)，除考慮LID技術(shù)因素外，還需考慮自然因素和成本因素，因地制宜，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)綜合比選方案，避免一味追求多LID設(shè)施的堆砌。