基于SWMM模型的不同LID設(shè)施對雨洪控制效果模擬分析

朱 梅，何君濤，黎江少，馮志挺，高芳嘉，方 勉

(1.海南省三亞市氣象局，海南 三亞 572000；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570203；3.海南華科博創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司，海南 三亞 572000；4.海南省屯昌縣氣象局，海南 屯昌 571600)

0 引 言

我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，使得下墊面類型發(fā)生改變，不透水面積的增加，改變了自然的水循環(huán)機(jī)制：一方面，城市不透水面積的增加城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)[1]；另一方面，城市采用傳統(tǒng)的雨洪管理方法是將雨水盡快排出去，從而造成雨水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[2]。于是，如何有效利用雨水資源，成為水資源匱乏、內(nèi)澇頻發(fā)地區(qū)亟待解決的問題。為此，我國提出了改善城市水環(huán)境問題的新一代雨洪管理概念-海綿城市，其核心是低影響開發(fā)(Low Impact Development， LID)[3]。目前，美國、英國、澳大利亞、日本等國家均采取不同的措施對雨水資源進(jìn)行合理利用，這些方法都達(dá)到殊途同歸的結(jié)果。即，以維持或者復(fù)制區(qū)域天然狀態(tài)下的水文機(jī)制為目標(biāo)[4]。通過合理的方式模擬自然水文條件，并采取綜合性措施，從源頭上降低城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)所導(dǎo)致的水文條件的顯著變化和雨水徑流對生態(tài)環(huán)境的影響。我國LID措施的研究起步較晚，LID技術(shù)發(fā)展相對落后，相應(yīng)的理論規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還處在探索階段；加之LID措施的地域局限性，再借鑒國外先進(jìn)工程技術(shù)的同時(shí)，還需因地制宜，摸索適合本地區(qū)的工程技術(shù)[5]。當(dāng)前，國內(nèi)海綿城低影響的研究中，有針對城市、社區(qū)尺度進(jìn)行SWMM建模研究，也有針對海綿城市控制指標(biāo)進(jìn)行研究。如，李婉婷等[6]以天津市中心城市及環(huán)城四區(qū)為例，通過生物滯留區(qū)與透水鋪裝等LID措施來控制研究區(qū)洪峰及徑流總量，其在一定程度上起到減峰的作用；韓金鳳等[7]通過構(gòu)建SWMM雨雪徑流模型對北方城市夏季降雨徑流量和春季融雪徑流量進(jìn)行模擬，再加入簡單式綠化屋頂、雨雪收集雙用裝置和下凹式綠地等組合綠色生態(tài)措施后，雨季的峰值流量和春季融雪徑流均得到有效的控制；趙冬泉等[8]以澳門半島雅廉訪實(shí)驗(yàn)小學(xué)為例，采用GLUE方法對SWMM模型參數(shù)的不確定性進(jìn)行模擬分析，并指出不透水區(qū)比例和不透水區(qū)洼地蓄積量有較強(qiáng)的確定性，對模型輸出結(jié)果有較大影響，在參數(shù)率定過程中應(yīng)仔細(xì)甄別；李俊奇等[9]對年徑流總量控制率的計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)并結(jié)合海綿城市試點(diǎn)建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指出年徑流總量的控制是實(shí)現(xiàn)年徑流污染控制這一效果目標(biāo)的有效途徑和方法之一。本文以三亞市某采用低影響開發(fā)建設(shè)小區(qū)為例，通過SWMM分析不同LID對雨洪的削減效果，以期為三亞市海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2016年三亞市入選第二批全國海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市，這與三亞市打造全國生態(tài)文明示范城市相輔相成，也為保護(hù)三亞市的綠水青山、生態(tài)環(huán)境助力。三亞市屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均降雨量為1 392.2 mm，降雨主要集中在5月～10月，占全年降雨量90%。6月～11月受熱帶氣旋影響較多，易出現(xiàn)強(qiáng)降水并造成城市內(nèi)澇。研究區(qū)是三亞市海綿城市試點(diǎn)區(qū)域，位于三亞市中心城區(qū)，具有較好的代表性。該新建小區(qū)總用地面積為39 811.5 m2，建筑面積8 630.17 m2，停車場面積2 314.66 m2，鋪裝及道路面積12 237.43 m2，綠地面積16 629.24 m2。

1.2 SWMM模型

SWMM是美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)于20世紀(jì)70年代開發(fā)用于城市暴雨水量水質(zhì)預(yù)測和管理模型，可根據(jù)輸入的降雨數(shù)據(jù)(雨量過程線)模擬完整的城市降雨徑流過程，包括地表徑流和排水系統(tǒng)中的水流、雨洪調(diào)蓄處理，以及收納水體模式和水質(zhì)影響評價(jià)[10]。其不僅用于模擬自然河道、各種形狀的封閉式管道和明渠管道中的水流運(yùn)動(dòng)過程，還用來模擬城市地表徑流污染的產(chǎn)生過程以及排水管網(wǎng)和自然排水系統(tǒng)的水質(zhì)模擬。近年來，SWMM還用在模擬和評估低影響措施對城市地表徑流水質(zhì)水量的調(diào)控效果[11]。趙磊等[12]對昆明市明通河流域降雨徑流水量水質(zhì)模擬表明水量水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合。陳曉燕等[13]利用SWMM模擬分析了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6個(gè)雨量級對北京北護(hù)城河7個(gè)控制斷面的地表徑流深度研究，發(fā)現(xiàn)地表徑流深度隨降雨量的增加顯著線性增加。因此SWMM也成為城市地表徑流、城市非點(diǎn)源污染等方向的代表性模型。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型區(qū)域概化

利用SWMM模型對研究區(qū)域模擬前，需要結(jié)合室外排水官網(wǎng)圖，并綜合考慮屋面、綠地、室外硬質(zhì)路面等下墊面徑流特征，將研究區(qū)域進(jìn)行概化，最終將研究區(qū)域概化為242個(gè)匯水子區(qū)域，45個(gè)節(jié)點(diǎn)，45個(gè)管段和5個(gè)排放口(見圖1)。

圖1 研究區(qū)域概化示意

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

模型相關(guān)參數(shù)的取值主要結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，并參考SWMM模型用戶手冊中的推薦值及文獻(xiàn)[14]。其中，降雨入滲過程采用Horton入滲模型進(jìn)行模擬(見表1)，地表徑流的匯流計(jì)算采用非線性水庫模型，排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動(dòng)力波模型。

表1 模型參數(shù)取值

2.3 模擬雨型

根據(jù)三亞市暴雨強(qiáng)度公式與芝加哥雨型對不同重現(xiàn)期短歷時(shí)暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)，該短歷時(shí)降雨作為模型所需降雨資料[12]。三亞市暴雨強(qiáng)度公式

q=1 325.105(1+0.568logP)(t+7.641)0.535

(1)

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

為了研究不同暴雨強(qiáng)度下LID設(shè)施對雨洪的削減作用，根據(jù)式(1)計(jì)算重現(xiàn)期(1、3、5、10 a)1 h的設(shè)計(jì)暴雨，并采用國內(nèi)外常用的芝加哥雨型生成時(shí)間步長為1 min的暴雨過程，不同重現(xiàn)期下暴雨過程線如圖2所示。

圖2 三亞市不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過程線

2.4 LID設(shè)施選取

SWMM將LID設(shè)施概化為一個(gè)蓄水池，不同的LID設(shè)施結(jié)構(gòu)組成有所不同[15]。為了研究不同LID設(shè)施對雨洪削減效果，以編號S219的子匯水區(qū)域?yàn)槔?。結(jié)合該子匯水區(qū)域面積、土壤特性及坡度，并參考各LID設(shè)施的適建范圍，初步確定S219子匯水區(qū)適合建設(shè)的LID設(shè)施為：下凹式綠地、透水鋪裝和植草格。其中，下凹式綠地主要通過調(diào)整綠地結(jié)構(gòu)和雨水口的布置，將客地雨水徑流流入下凹式綠地，經(jīng)下凹式綠地的調(diào)蓄入滲后，超標(biāo)雨水溢流排入雨水口，再經(jīng)過雨水管道排出。透水鋪裝能夠使雨水快速下滲，減少雨水的外排并能補(bǔ)充地下水，維持土壤生態(tài)平衡。植草格同樣能夠加大雨水的下滲量，同時(shí)草地的植入又可以對地表污水起到過濾作用。本例中下凹式綠地的下凹深度設(shè)置為200 mm；透水鋪裝的路面厚度為150 mm，孔隙比0.2，蓄水層厚度200 mm，孔隙比0.5；植草格表面厚度10 mm，曼寧系數(shù)0.24，路面厚度150 mm，孔隙比0.2，蓄水層厚度200 mm，孔隙比0.5。

3 結(jié)果分析

在SWMM模型中分別對上述三種LID設(shè)施在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流過程進(jìn)行模擬分析，其中，各LID設(shè)施的規(guī)模保持一致，以確保對比分析的可靠性。

圖3為S219子匯水區(qū)域采取三種不同LID設(shè)施，不同降雨過程線下的徑流量變化情況。從圖3可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，三種LID設(shè)施的徑流量也在不斷增加；并且在不同降雨重現(xiàn)期下，這三種LID設(shè)施的徑流量大小均表現(xiàn)為：透水鋪裝>植草格>下凹式綠地。從圖4不同重現(xiàn)期下三種LID設(shè)施的峰值變化來看，降雨重現(xiàn)期3年一遇以下時(shí)，峰值流量大小變化與徑流量變化情況相同，當(dāng)降雨重現(xiàn)期高于3年一遇時(shí)，下凹式綠地的峰值流量高過植草格的峰值流量。這主要是由于下凹式綠地已將其調(diào)蓄功能發(fā)揮至最大程度，其對峰值的削減效果已經(jīng)開始降低，當(dāng)然下凹式綠地的深度對降雨徑流的控制也有不同影響[16]。

圖3 不同重現(xiàn)期暴雨條件下，S219子匯水區(qū)域徑流量變化

圖4 不同重現(xiàn)期暴雨條件下，S219子匯水區(qū)域高峰徑流變化

圖5 不同降雨重現(xiàn)期下S219子匯水區(qū)域徑流過程

圖5為不同降雨過程線下的S219子匯水區(qū)域徑流量過程線，可以發(fā)現(xiàn)，降雨重現(xiàn)期為1年一遇時(shí)，設(shè)置下凹式綠地后的徑流峰值明顯低于其他兩種LID設(shè)施，且峰值出現(xiàn)時(shí)間也有所滯后；超過3年一遇降雨時(shí)，三種調(diào)蓄設(shè)施中植草格對峰值的削減效果略佳，但是徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間相當(dāng)，且都集中在降雨發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)，這會造成積水隱患。

以上結(jié)果表明，單一LID設(shè)施對徑流控制效果存在較大差異，在實(shí)際海綿城市設(shè)計(jì)中，需尋求適當(dāng)?shù)腖ID組合方案，充分發(fā)揮LID設(shè)施在滲透、滯留和調(diào)蓄雨水方面的優(yōu)勢，確保降雨徑流得到有效控制；同時(shí)涵養(yǎng)地下水源，美化環(huán)境。

4 結(jié) 論

利用SWMM模型對研究區(qū)域的S219子匯水區(qū)域在采用不同LID設(shè)施條件下的徑流過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)不同LID設(shè)施對示例區(qū)域雨洪削減、滯留作用不同，從徑流量來看，下凹式綠地在不同重現(xiàn)期下的徑流量均優(yōu)于其他兩種LID設(shè)施。從高峰徑流量開看，降雨重現(xiàn)期在3年一遇以下時(shí)，下凹式綠地對徑流峰值的削減作用更為有效；當(dāng)重現(xiàn)期超過3年時(shí)，植草格對峰值削減效果略好于另外兩種LID設(shè)施。因此，在今后海綿城市設(shè)計(jì)中，綜合考慮各LID設(shè)施的優(yōu)劣勢，選取合適的LID設(shè)施以滿足有關(guān)降雨徑流控制要求，同時(shí)又兼顧經(jīng)濟(jì)、美觀等方面要求，保證小區(qū)排水系統(tǒng)安全可靠。