基于SWMM的暴雨模擬與LID效果評(píng)價(jià)
——以西南石油大學(xué)為例

周 易，戴佳宏，李小龍，李 帆

(西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)步入城市化發(fā)展道路。但隨著城市的不斷增多，城市中面臨的問題也越來越多。城市路面硬化，綠化面積減少，原始地貌過度開發(fā)，使得城市不透水區(qū)域面積的比例大幅增加，地表匯流量增大。另外城市排水系統(tǒng)陳舊，加上極端天氣頻發(fā)，導(dǎo)致城市防洪壓力越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年來，我國(guó)平均每年有185座城市受到城市內(nèi)澇的威脅?？梢姵鞘蟹篮榕c內(nèi)澇已成為城市發(fā)展的主要障礙。因此，在城市建設(shè)中急需一種新的城市水系統(tǒng)管理理念。

“海綿城市”是指以低影響開發(fā)技術(shù)為核心的新一代城市雨洪管理理念。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年10月出臺(tái)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，對(duì)海綿城市所下的定義為：城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”：下雨時(shí)吸水、存水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用，提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

然而，我國(guó)建設(shè)海綿城市所取得的效果并不理想。據(jù)新聞報(bào)道顯示，2016年全國(guó)30個(gè)海綿城市試點(diǎn)中，有19個(gè)城市出現(xiàn)了內(nèi)澇。究其原因，主要是試點(diǎn)城市在海綿城市的建設(shè)過程中缺少一個(gè)科學(xué)、有效的方法來預(yù)測(cè)海綿城市改造建設(shè)對(duì)不同的暴雨產(chǎn)生徑流量的削減情況，從而系統(tǒng)評(píng)估海綿城市的建設(shè)效果。

1 數(shù)據(jù)收集及研究方法

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局研究開發(fā)的一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬計(jì)算機(jī)程序，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長(zhǎng)期(連續(xù))模擬。

1.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)建立SWMM模型的需求，前期需要收集一些數(shù)據(jù)，例如研究區(qū)域的降水?dāng)?shù)據(jù)、地形及管網(wǎng)數(shù)據(jù)等。本次實(shí)驗(yàn)的地形及管網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過學(xué)?；ㄌ帿@得。降雨數(shù)據(jù)選用表示降雨的強(qiáng)度-歷時(shí)-頻率關(guān)系得到的芝加哥雨型和成都市暴雨強(qiáng)度公式推導(dǎo)計(jì)算得出，成都市暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中，i—降雨強(qiáng)度，mm/min；t—降雨歷時(shí)，min；P—暴雨重現(xiàn)期，年。設(shè)計(jì)2、5、20、50年重現(xiàn)期，降雨歷時(shí)2h，降水量分別為49.93、63.1251、87.2449、104.1758mm雨峰相對(duì)系數(shù)取0.4，得到不同重現(xiàn)期降雨過程線如圖1所示。

圖1 不同重現(xiàn)期降雨過程線

1.2 研究方法

SWMM模型模擬主要有3部分：水文模擬、水力模擬和水質(zhì)模擬(此次研究不涉及)。水文模擬是在考慮研究區(qū)域產(chǎn)生徑流的各種水文過程的情況下對(duì)地表徑流量進(jìn)行演算；水力模擬則是對(duì)水流在管網(wǎng)系統(tǒng)中流動(dòng)的整個(gè)過程進(jìn)行演算。

(1)對(duì)于水文模擬，當(dāng)產(chǎn)生降水時(shí)，雨水落到地面后，一部分蒸發(fā)，一部分下滲到土壤，其余的水沿著斜坡形成徑流。SWMM中徑流量通過曼寧公式給出，下滲模擬有三種方式：Horton模型、Green-Ampt模型、SCS曲線數(shù)法。其中Horton模型主要描述下滲率隨降雨時(shí)間變化的關(guān)系，基于此特性本文采用Horton模型。

(2)對(duì)于水力模擬，水流在管渠管段的流量演算，SWMM也提供了三種方式：恒定流演算、運(yùn)動(dòng)波演算、動(dòng)態(tài)波演算。本次模型采用動(dòng)態(tài)波演算，該方法能夠?qū)崟r(shí)模擬水流在管段的流動(dòng)情況，通過對(duì)整個(gè)管道傳輸系統(tǒng)構(gòu)建連續(xù)性方程、動(dòng)量方程，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

徑流產(chǎn)生原理如圖2所示。

圖2 徑流產(chǎn)生原理

2 SWMM模型構(gòu)建

本文以西南石油大學(xué)成都校區(qū)為研究對(duì)象，建立SWMM模型。首先將研究區(qū)域劃分為若干子匯水區(qū)，區(qū)域排水系統(tǒng)進(jìn)行合理概化，再根據(jù)實(shí)際情況、查閱文獻(xiàn)和SWMM模型軟件的操作手冊(cè)確定相關(guān)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)SWMM模型的構(gòu)建。

2.1 子匯水區(qū)劃分

大致來說，子匯水區(qū)的劃分有三種方法。一是通過泰森多邊形法直接得到子匯水區(qū)，二是根據(jù)管網(wǎng)分布、地形地貌，人工劃分子匯水區(qū)，三是先由泰森多邊形劃分較大的子匯水區(qū)，再由人工細(xì)分為較小的子匯水區(qū)。此次SWMM模型構(gòu)建，采用第一種方法。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)兩個(gè)月的校園實(shí)地勘探，結(jié)合學(xué)校雨水排水管網(wǎng)圖紙以及小組討論和老師指導(dǎo)，我們將研究區(qū)域劃分為45個(gè)子匯水區(qū)。

2.2 排水系統(tǒng)概化

西南石油大學(xué)成都校區(qū)位于成都市新都區(qū)，本次研究區(qū)域?yàn)橐黄?、二期工程，占?050畝。在實(shí)際研究中，研究區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)往往較為復(fù)雜，若完全照搬到SWMM中去，不僅會(huì)增加人員造成工作量失誤，而且會(huì)使得SWMM模型的計(jì)算量增大從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，排水系統(tǒng)的概化必不可少。本次建模以校園建筑及道路分布為基準(zhǔn)，選取主要管道，從而簡(jiǎn)化排水系統(tǒng)。研究區(qū)域SWMM模型概化圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域SWMM模型概化圖

2.3 SWMM模型參數(shù)確定

SWMM模型運(yùn)行還需要一些后期數(shù)據(jù)，按模擬類型可以分為兩類：水文模塊參數(shù)、水利模塊參數(shù)。水文模塊的參數(shù)主要包括:漫流寬度、地表坡度、非滲透面積百分比、曼寧糙率系數(shù)，洼地貯存深度和地表滲透率；水力模塊的參數(shù)主要包括管道的長(zhǎng)度，管徑和曼寧糙率系數(shù)。

研究區(qū)域參數(shù)及確定方式詳見表1。

表1 研究區(qū)域參數(shù)及確定方式

3 LID模擬分析

LID(Low Impact Development)即為低影響開發(fā)設(shè)計(jì)，是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起的暴雨管理和面源污染處理技術(shù)，旨在通過分散的、小規(guī)模的源頭控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制，使開發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)。低影響開發(fā)水文原理示意圖如圖4所示。

低影響開發(fā)的措施主要包含：生物滯留網(wǎng)格、雨水花園，綠色屋頂、下滲溝、透水路面、雨水桶、植草溝等。

圖4 低影響開發(fā)水文原理示意圖

3.1 LID設(shè)置

考慮到學(xué)校建筑已經(jīng)建成，綠化設(shè)施基本設(shè)置完成，以及LID措施的實(shí)施成本和難易程度，此次模型主要選擇三種LID措施：綠色屋頂、雨水花園和透水路面。綠色屋頂——又稱屋頂綠化，通過在特殊排水墊材料頂部鋪設(shè)土壤層，土壤層種植綠色植物，從而達(dá)到輸送屋頂穿透的過量降雨的目的；雨水花園——人工或自然形成的下凹綠地，利用土壤和植被對(duì)降水起到滯留和儲(chǔ)存的作用；透水路面——一種新型的環(huán)保、生態(tài)的道路材料，路面具有透水性，降水時(shí)能較快消除道路、廣場(chǎng)的積水現(xiàn)象。

由于學(xué)校建筑、綠地和道路分布相對(duì)復(fù)雜，我們將學(xué)校按功能劃分為生活區(qū)、教育區(qū)、公共建筑區(qū)和其他區(qū)四個(gè)區(qū)域，然后對(duì)各個(gè)部分添加LID措施，具體情況見表2。

表2 不同區(qū)域LID措施

參考SWMM操作手冊(cè)和《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》以及閱讀文獻(xiàn)，結(jié)合校園實(shí)際情況確定出每種LID措施的主要參數(shù)，見表3。

表3 LID參數(shù)

3.2 LID結(jié)果分析

通過SWMM模擬不同重現(xiàn)期暴雨下3種LID措施添加到各子匯水區(qū)后研究區(qū)域徑流量變化。在不同重現(xiàn)期下LID措施對(duì)徑流量的削減效果如圖5所示。

圖5 LID措施在不同重現(xiàn)期下對(duì)徑流量影響

由圖5可以看出，暴雨重現(xiàn)期2年、5年時(shí)，LID措施對(duì)洪峰削減率分別高達(dá)73.95%、74.83%；對(duì)于洪峰推遲并不明顯。暴雨重現(xiàn)期20年、50年時(shí)LID措施對(duì)洪峰推遲可達(dá)到25min以上；但對(duì)洪峰的削減作用并不明顯，分別為25.84%、21.93%。

4 結(jié)語

本文通過建立SWMM模型以及進(jìn)行LID效果分析，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于一般小型暴雨，采用的LID措施(透水路面、綠色屋頂以及雨水花園的綜合改造)對(duì)流量的削減十分有效，可高達(dá)70%以上，但對(duì)洪峰的推遲并不明顯。

(2)對(duì)于大型暴雨，LID措施對(duì)徑流量的削減并不理想，只起到很小的作用，但對(duì)洪峰的延遲效果較為理想。

(3)通過SWMM模型對(duì)海綿城市改造效果進(jìn)行模擬分析，可以科學(xué)的預(yù)測(cè)改造后徑流控制效果，有助于海綿城市的有效推廣。

由于本次實(shí)驗(yàn)的降雨數(shù)據(jù)主要通過設(shè)定不同重現(xiàn)期進(jìn)行模擬，與實(shí)際降雨數(shù)據(jù)相比，難免有不同之處，因此在今后的研究中，可以通過優(yōu)化降雨數(shù)據(jù)的選取，得到更為精確的模擬結(jié)果。