SWMM模型在海綿城市建設徑流控制模擬中的應用

李 朋，賀 佳，吳朱昊，唐仕勤

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海市200080）

0 引 言

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，城市面貌日新月異，同時也有著開發(fā)強度高、硬質(zhì)下墊面增多等問題[1-2]，城市原有的生態(tài)本底和水循環(huán)特征遭到破壞，造成“大雨澇、雨后旱”的特點，帶來水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水資源等各種水問題，而“海綿城市”的理念提出正是立足于我國的水情特征和水問題[3-4]。

研究區(qū)位于東南沿海首批海綿城市試點城市廈門，研究區(qū)作為重點發(fā)展區(qū)域，重大基礎(chǔ)設施項目和產(chǎn)業(yè)布局多，目前城市建設已初具規(guī)模，也是海綿城市建設試點區(qū)域。此外，區(qū)域嚴重缺水，水環(huán)境日趨惡化，也需要開展海綿城市建設工作。

結(jié)合管控單元分區(qū)，將指標進一步分解到地塊，通過對地塊內(nèi)部建筑密度、綠化率、建筑布局、綠地分布、地形地勢、經(jīng)濟合理性等狀況，將建設工程任務按項目地塊實現(xiàn)年徑流總量控制率、年雨水利用總量等指標，最終達到單元總體指標的實現(xiàn)[5]。

水文模型模擬是城市化區(qū)域雨洪管理的有效工具，也為海綿城市建設的徑流控制提供科學的決策手段[6-8]。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于廈門市海綿建設試點區(qū)域，占地面積2.57 km2。研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，熱量充足，6 月和8 月是全年降水的高峰期，3—9 月雨量占全年雨量的83%。地勢從北往南逐漸降低，年總降水量的分布也呈現(xiàn)相同分布趨勢，多年平均降水量1259.2 mm。研究區(qū)土地規(guī)劃類型主要包括居住用地、商業(yè)用地、道路交通設施用地、綠地及水系等。

1.2 模型概化

SWMM（storm water management model）模型是美國環(huán)保署在20 世紀70 年代提出的為管理城市雨洪開發(fā)的一個綜合性數(shù)學模型。SWMM 是一個動態(tài)降水徑流模型，常被用來對某一事件中或長期持續(xù)降雨過程中城市化地區(qū)徑流的流量和水質(zhì)情況進行預測和分析。通過模擬計算，可以輸出任一節(jié)點模擬過程中的徑流過程和水質(zhì)污染過程，提供模型中各點的水力和水質(zhì)信息[9-10]。

模型主要由核心模塊和拓展模塊兩部分組成，其中核心模塊主要計算產(chǎn)匯流和水力流場等，由徑流模塊（Runoff）和輸送模塊（Transport）組成[11]。城市產(chǎn)生的污水和降雨資料作為模型的輸入，被賦值給核心模塊中的管道節(jié)點屬性（Inflow）和降雨屬性（Rain Gages），為計算模擬提供基礎(chǔ)。拓展模塊則包含擴充輸送模塊（Extended Transport）、調(diào)蓄/ 處理模塊（Storage/Treatment）和收納水體模塊（Receiving Water）等。

在應用SWMM 時，匯水分區(qū)的合理確定能夠使得模型的模擬結(jié)果更加契合實際情況。本文基于GIS 水文分析劃分功能的方法及規(guī)劃排水管網(wǎng)分區(qū)。研究區(qū)域控制單元劃分如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域控制單元分片

將研究區(qū)域控制單元繼續(xù)劃分為175 個子匯水區(qū)，概化節(jié)點159 個、管段180 個、排放口29個。研究區(qū)域模型概化圖如圖2 所示。

圖2 SWMM 模型概化圖

1.3 參數(shù)選取

在子匯水區(qū)域確定后，計算出每一子匯水區(qū)域的坡度、面積等SWMM 模型所需要的參數(shù)，為建立模型提供保障，主要參數(shù)包括子匯水區(qū)面積、坡度、出水口、降雨、曼寧糙率、透水及不透水區(qū)占比、土壤下滲參數(shù)等[12]。模型數(shù)據(jù)類型及獲取方法匯總見表1。

選 用 SWMM 模 型 的 Rainfall/Runoff、Flow Routing 模塊，入滲采用霍頓公式，采用公制單位，流量單位為m3/s。此次根據(jù)地塊的土地利用類型分布，按SWMM 模型提出的方法分析確定各子流域不透水面積比。

Horton 下滲公式包括最大下滲率、最小下滲率及衰減系數(shù)三個參數(shù)。最大下滲率（mm/h），取決于土壤類型、覆蓋植被和土壤含水量。根據(jù)區(qū)域土地類型和模型手冊，最大下滲率裸土取40 mm/h，覆蓋草皮的取70 mm/h。穩(wěn)定下滲率根據(jù)研究區(qū)土壤條件，取2.2 mm/h。

透水下墊面洼蓄：下凹式綠地取10 mm，其他區(qū)域取5 mm。不透水下墊面洼蓄：新城區(qū)取1 mm。此次無洼蓄的不透水面積百分比按經(jīng)驗采用25%。

根據(jù)模型用戶手冊并結(jié)合國內(nèi)實踐經(jīng)驗，不透水區(qū)糙率取0.015，透水區(qū)糙率城建區(qū)取0.24。子流域坡度依照地塊實際地形及規(guī)劃資料取值[13]。

相關(guān)參數(shù)取值見表2～表4。

表1 模型數(shù)據(jù)類型及獲取方法

表2 SWMM 模擬參數(shù)取值

1.4 設計降雨

根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《海綿城市建設技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》對我國近200 個城市1983～2012 年日降雨量的統(tǒng)計分析，分別得到各城市年徑流總量控制率及其對應的設計降雨量值關(guān)系。其中研究區(qū)域位于Ⅳ區(qū)，以區(qū)域年雨水徑流總量控制率不低于75%為標準，并根據(jù)當?shù)厮馁Y料，其對應的設計降雨量為32.0 mm。

表3 海綿城市建設措施參數(shù)一

表4 海綿城市建設措施參數(shù)二

分析研究區(qū)降雨規(guī)律，以芝加哥雨型對年徑流控制率對應設計降雨量進行2 h 過程分配，作為不利降雨條件進行模型模擬。其降雨過程如圖3所示。

圖3 設計降雨過程

2 結(jié)果分析

2.1 LID 措施布置方案

根據(jù)各地塊用地下墊面類型，通過有效利用設施布局，合理布置各項低影響開發(fā)措施，場地內(nèi)調(diào)蓄雨水以優(yōu)先入滲為原則，不小于開發(fā)前的地下水補給量，將雨水利用于綠地灌溉、道路澆灑等[14-15]。綜合采用綠色屋頂、雨水花園、透水鋪裝、生物滯留池、植草溝、濕塘等措施進行區(qū)域低影響開發(fā)措施布置改造。

以SWMM 模型模擬設計降雨下各子匯水區(qū)的LID 措施效果。通過比較設計降雨下片區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)流削減及排水口出流情況，分析不同片區(qū)海綿措施對該區(qū)域產(chǎn)流、峰值流量和徑流控制的影響（見表5、圖4）。

表5 不同控制單元海綿措施布置面積 hm2

圖4 模型子匯水區(qū)域的LID 措施占比

2.2 徑流控制

采取低影響開發(fā)措施后，產(chǎn)流階段的徑流總量一般會有明顯降低。根據(jù)計算結(jié)果，表6 列出各市政管道出水口徑流流量與對應雨濕塘調(diào)蓄能力關(guān)系。

表6 主要出水口出流統(tǒng)計值和對應濕塘調(diào)蓄能力對比

低影響開發(fā)措施緩解雨水管網(wǎng)排水壓力，多數(shù)出水口出水量小于對應調(diào)蓄濕塘容積，實現(xiàn)徑流控制要求。不同的控制單元作用也有所差異，通過模擬分析可以為對應控制單元的雨濕塘調(diào)蓄容積的調(diào)整提供依據(jù)。

2.3 峰值流量

海綿措施具有徑流控制和峰值削減的雙重效果，同時還對峰現(xiàn)時間延長有所貢獻。應用模型計算各子匯水面積采用海綿城市改造前后在設計降雨條件下各控制單元的出水口排放量，各控制單元的出流過程對比如圖5～圖7 所示。

圖5 控制單元a 低影響開發(fā)前后出流過程對比

對比圖5～圖7，各控制單元峰值流量均有顯著降低，其中控制單元a 峰值流量削減82.15%，峰現(xiàn)時間推遲6 min；控制單元b 峰值流量削減88.63%，峰現(xiàn)時間推遲13 min；控制單元c 峰值流量削減84.91%，峰現(xiàn)時間推遲17 min。各控制單元海綿措施有效控制單元峰值流量，有利于雨洪資源回用、補充地下水并減小區(qū)域洪澇風險。

圖6 控制單元b 低影響開發(fā)前后出流過程對比

圖7 控制單元c 低影響開發(fā)前后出流過程對比

3 結(jié) 語

本文利用SWMM 模型模擬海綿城市建設措施在徑流控制中的功效，結(jié)果顯示，低影響開發(fā)措施有效緩解雨水管網(wǎng)排水壓力，多數(shù)出水口出水量小于對應調(diào)蓄濕塘容積，實現(xiàn)徑流控制要求。模擬分析可以為對應控制單元的雨濕塘調(diào)蓄容積的調(diào)整提供依據(jù)。

各控制單元峰值流量均有顯著降低，峰值流量削減比例在82.15%～88.63%，峰現(xiàn)時間延長6～17 min，有利于研究區(qū)雨洪資源回用，補充地下水并減小區(qū)域洪澇風險。