基于SWMM的不同LID措施城市雨洪控制效果模擬研究

劉 潔，李玉瓊，張 翔，陳 華

(1.成都大學建筑與土木工程學院，成都 610106；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.中國建設(shè)集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的時期，預(yù)計在2050年左右，城市化水平可能超過60%[1]?？焖俪鞘谢M程使城市不透水地面迅速增加，城市降雨不能被截留[2]，城市洪水表現(xiàn)為洪峰流量大、峰現(xiàn)時間快的特點[3]；加上全球氣候變暖、城市熱島效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)等使城市更容易成為暴雨中心[1]，城市內(nèi)澇問題日趨嚴重。2008-2010年，全國351個城市中有62%發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇，內(nèi)澇災(zāi)害超過3次的有137個[4]。

目前國內(nèi)的排水系統(tǒng)標準偏低，且面臨著資料缺失、運行管理困難、污染受納水體等問題，難以發(fā)揮其應(yīng)有作用[5,6]，隨著低影響開發(fā)(LID)理念的提出，源頭消納、就地削減從而緩解排水管網(wǎng)壓力等雨水管理方式開始受到重視[7]。中國對LID已有10余年的研究，還沒有形成成熟的理論和技術(shù)體系，但是在北京、上海、天津、深圳等一些發(fā)達城市已經(jīng)相繼開展研究與工程應(yīng)用[8]。目前對LID的研究多集中在證明LID對地表徑流的削減能力，LID與防洪排澇關(guān)系的認識與研究還不夠深入。

本文以成都市某住宅區(qū)域為研究對象，通過SWMM模型進行該區(qū)域在現(xiàn)狀條件和采用不同低影響開發(fā)(LID)措施方案下的洪水模擬，分析和評估LID對不同頻率城市雨洪的削減效果。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于成都市某住宅區(qū)域，內(nèi)含5個小區(qū)，總面積為1.18 km2。其中，建筑用地0.36 km2，綠地面積0.41 km2，不透水路面及廣場0.39 km2，其他為未利用土地面積，研究區(qū)域總體不透水面積所占比例為63.25%，土地類型見圖1。研究區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候區(qū)，多年平均氣溫為16.2 ℃，四季分明、雨量充沛。多年平均降水量為918.2 mm，雨量主要集中在7-8月，月平均降雨量分別為225和229 mm，占全年降雨量的50%。

圖1 研究區(qū)域土地利用類型圖

2 研究方法

2.1 SWMM模型概化

SWMM是一個分布式離散時間模擬模型，其下墊面的數(shù)字化過程可分為子匯水區(qū)劃分、子匯水區(qū)信息概化、排水管網(wǎng)信息概化3個步驟。在充分利用地形和排水管網(wǎng)分布情況，將研究區(qū)域劃分為96個子匯水區(qū)，228個節(jié)點，235個管段，3個出水口。雨水管網(wǎng)概化圖見圖2。

圖2 子匯水區(qū)分區(qū)及排水管網(wǎng)概化圖

2.2 模型參數(shù)

SWMM模型參數(shù)包括子匯水區(qū)屬性參數(shù)、土壤下滲參數(shù)及管網(wǎng)參數(shù)三大類。這些參數(shù)中有部分如寬度、坡度、面積、不透水面積等可以通過提取下墊面的信息并做相關(guān)技術(shù)處理得到；而另一部分如粗糙系數(shù)、洼地蓄水深度、下滲參數(shù)、管道曼寧粗糙系數(shù)等取值是不確定的，可以通過借鑒類似區(qū)域研究成果及實踐經(jīng)驗，或者對研究區(qū)域?qū)崪y數(shù)據(jù)進行率定等方式獲取。本文主要采取前種方法取值不確定性參數(shù)。查閱參考手冊[9,10]，具體取值見表1。

粗糙系數(shù)反映了地表漫流通過子匯水面積表面時遇到的阻力。研究區(qū)域不透水廣場和路面多為光滑水泥表面，透水區(qū)域多為光滑裸露的土壤。根據(jù)參考手冊[11]的建議，粗糙系數(shù)、洼蓄量取值見表1。

表1 SWMM模型參數(shù)取值

修正Horton模型適用于小流域低降雨強度，因此本文采用Horton模型。根據(jù)第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)判斷研究區(qū)域為壤土。查閱文獻[12]中的推薦值，模型需要的下滲能力、衰減系數(shù)等取值見表1。

文本缺乏降雨徑流實測資料，未對模型參數(shù)進行驗證率定，由于參數(shù)的偏差可能會對模擬結(jié)果帶來一些影響。例如，徑流量隨著粗糙系數(shù)的增加而增加、洼蓄量的增加而減?。缓榉辶髁侩S著粗糙系數(shù)、洼蓄量的增加而減小。但由于本文側(cè)重對比不同LID措施對徑流削減效果，模擬結(jié)果的偏差不會對對比結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

2.3 LID布設(shè)方案

根據(jù)LID適建性區(qū)域研究成果[13](見表2)，結(jié)合研究區(qū)域土壤排水性能弱(C類型)等特點，初選出適應(yīng)于該區(qū)域的LID措施有綠色屋頂、植草溝、生物滯留池、人工濕地。又考慮到人工濕地占用面積大，且紅線距離要求高，且只適用于居住區(qū)和開發(fā)區(qū)，適用范圍窄。故本研究中最終采納的LID組合措施方案(方案1)為：采用綠屋頂、植草溝、生物滯留池分別對雨水進行攔截、輸送和存儲。

表2 LID措施適建區(qū)域特征

為更好的比較各種措施的徑流控制效果，突出組合方案的優(yōu)勢，我們選取整個區(qū)域左下角的3個子匯水區(qū)S1S2S3為研究對象，分別采用不同的單措施方案對其進行模擬。

方案2：綠色屋頂。綠色屋頂是指在建筑物的屋頂、露臺或天臺上覆蓋一層植被，通過植被截留、植物吸收、微生物降解、土壤滲透等作用，達到減少徑流和污染的效果。綠色屋頂表面層蓄水深度75 mm，植被覆蓋度20%；土壤層厚度100 mm，孔隙率0.437；排水墊層厚度15 mm，孔隙率0.5，粗糙系數(shù)0.1。

方案3：植草溝。植草溝是指種有植被的地表溝渠，可收集、輸送和排放徑流雨水，防止土壤沖蝕，起到水土保持的作用。它具有較長距離傳輸雨水徑流的功能，也具有一定的雨水凈化作用。植草溝表面層蓄水深度75mm，植被覆蓋度20%，曼寧系數(shù)0.1，表面坡度0.1；土壤層厚度200 mm，孔隙率0.5；蓄水層厚度200 mm，孔隙率0.5，導水率15 mm/h，阻礙因子0。

方案4：生物滯留池(雨水花園)。生物滯留池設(shè)置在地勢較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)滲蓄、凈化徑流雨水，從而達到水量和水質(zhì)調(diào)控目的。生物滯留池表面層蓄水深度100 mm，曼寧系數(shù)0.1，表面坡度0.1；土壤層厚度750 mm，孔隙率0.437；蓄水層高度200 mm，孔隙率0.437，下滲率500 mm/h，阻礙因子275。

各方案的布設(shè)情況見表3所示。

表3 各LID措施布設(shè)面積及占區(qū)域總面積的百分比 m2

2.4 設(shè)計暴雨

不同暴雨重現(xiàn)期的降雨過程線一般結(jié)合當?shù)氐貐^(qū)暴雨強度公式和所選雨型綜合確定[14,15]。國內(nèi)外目前常用的雨型主要有以下5種：均勻雨型、不均勻三角形雨型、芝加哥雨型、Pilgrim 和Cordery雨型、Huff雨型。其中均勻雨型的計算結(jié)果常偏?。徊痪鶆蛉切陀晷秃虷uff雨型受歷時影響非常顯著；Pilgrim 和Cordery雨型對當?shù)亟涤赀^程資料有較強的依賴性。芝加哥雨型不僅受歷時影響小且“尖瘦”的特點更適用于工程，因此，本文采用芝加哥雨型。

若暴雨強度公式為：

(1)

則芝加哥雨型公式為：

峰前上升階段：

(2)

峰后下降階段：

(3)

式中：ia、ib分別為峰前和峰后的降雨強度，mm/min；t1、t2分別為峰前、峰后歷時，min；r為雨峰系數(shù)(降雨峰值發(fā)生前的歷時與總歷時之比)，根據(jù)我國實際情況，暴雨強度最大時多發(fā)生在r=0.4處；a、b、c分別為暴雨強度公式中的地方統(tǒng)計參數(shù)。

成都市中心城區(qū)暴雨強度公式如下：

(4)

式中：i表示降雨強度，mm/min；t表示降雨歷時，min；P表示重現(xiàn)期，a。

該公式通過30年暴雨資料統(tǒng)計，由成都市水務(wù)局與成都市氣象局在2015年發(fā)布，資料系列長，代表性較好，滿足相關(guān)規(guī)范要求，已廣泛應(yīng)用于各類市政工程規(guī)劃設(shè)計中[16-18]；設(shè)計暴雨計算成果與四川省暴雨圖集查圖成果對比，結(jié)果一致說明公式較合理。

為了研究暴雨雨強對LID措施徑流控制效果的影響，本文利用公式(4)、(2)、(3)生成2、5、10、20、50、100a不同重現(xiàn)期的設(shè)計暴雨過程，如圖3所示。

圖3 設(shè)計暴雨過程線圖

3 結(jié)果與分析

3.1 不同LID措施城市雨洪控制效果對比分析

3.1.1 徑流總量

不同降雨重現(xiàn)期下，各LID布設(shè)方案的徑流總量削減情況見表4。從表4中可得出以下結(jié)論：

表4 不同降雨重現(xiàn)期下各LID布設(shè)方案徑流削減情況

(1)4種低影響開發(fā)措施方案都不同程度的起到削減徑流量的作用，各種措施通過對雨水的攔截、吸收、滲蓄等過程，達到海綿城市的自然存積、自然滲透等功能。

(2)對比4種LID布設(shè)方案，組合方案由于措施面積最大，并采用了就地攔截、過程處理和區(qū)域存儲等綜合措施，達到了最佳徑流控制效果。單措施方案中，徑流削減率從大到小依次是生物滯留池、植草溝、綠色屋頂。生物滯留池土壤層、蓄水層厚度最大，能達到最佳的滯蓄效果，徑流削減率最高；綠色屋頂由于沒有蓄水層，水流滲入土壤層后直接通過排水墊層進入排水管道，其蓄水能力最弱，徑流削減率最低。

(3)由于重現(xiàn)期的不斷增大，降雨雨量增大，逐漸達到各措施方案的最大滯蓄能力，4種措施方案的徑流削減率都隨之減少。

3.1.2 流量峰值

不同降雨重現(xiàn)期下，各LID布設(shè)方案的洪峰流量削減情況見表5。從表5中可得出以下結(jié)論。

表5 不同降雨重現(xiàn)期下各LID布設(shè)方案洪峰流量削減情況

(1)與現(xiàn)狀土地利用情況相比，四種低影響開發(fā)措施方案都通過人工強化的滲透、儲存、蒸發(fā)(騰)等方式，不同程度的起到削減洪峰流量，和延遲峰現(xiàn)時間的作用。

(2)不同重現(xiàn)期降雨的縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著重現(xiàn)期的不斷增加，洪峰流量的削減率先增加后減小。綠色屋頂和植草溝兩種措施方案的洪峰流量削減率在重現(xiàn)期達到20 a的時候發(fā)生斷崖式減少，同樣的情況發(fā)生在生物滯留池措施方案中的50年一遇的降雨情景中。這說明降雨量大于LID措施的蓄水能力時，其削減洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時間的效果大大減弱。

(3)不同LID布設(shè)方案橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，組合措施削減洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時間的效果最明顯，而且隨著降雨的不斷增大，優(yōu)勢越明顯。這說明在削減洪峰流量方面，就地攔截、過程處理和區(qū)域存儲等綜合措施的采用更有效。單措施方案中，生物滯留池的削減和延遲能力最強，綠色屋頂和植草溝的削減和延遲能力相對較弱。

3.2 LID組合措施效果評估

通過對3個子匯水區(qū)S1S2S3內(nèi)布設(shè)不同LID措施進行模擬分析，LID組合措施在削減徑流總量、洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時間方面都有明顯的優(yōu)勢。因此，我們將相同的組合布設(shè)方案應(yīng)用于整個研究區(qū)域(見圖1)。各LID措施布設(shè)面積情況如表6所示。

表6 LID組合措施布設(shè)情況

3.2.1 徑流控制效果

采用SWMM模型模擬該區(qū)域在不同降雨強度下有無LID措施兩種情境下的雨洪過程，模擬結(jié)果顯示(見表7)：①隨著降雨量的增大，該區(qū)域的徑流量及洪峰流量在兩種情境下均逐漸增大； ②通過有無LID措施兩種情境下下滲量的對比發(fā)現(xiàn)，區(qū)域在遭遇兩年一遇強度暴雨時，土壤已接近飽和，其調(diào)蓄能力較弱。采用LID措施后，增加了區(qū)域下滲量，且流量峰值較無LID措施條件下也顯著減小。由此可見，對于中小降雨事件，LID措施能夠有效的控制降雨徑流，削減洪峰，一定程度上降低區(qū)域排水壓力。

表7 不同暴雨重現(xiàn)期情況下，研究區(qū)域徑流模擬結(jié)果

圖4為不同降雨強度下給出了各降雨強度下，區(qū)域排水口出流總量過程線?？梢姡诮涤瓿跗?，LID措施通過下滲截留，推遲了排水口排水過程線的起漲時刻，峰值流量也大幅削減。尤其是小降雨事件(2 a，5 a，10 a)，LID措施對區(qū)域雨洪過程具有明顯的坦化作用[19]。

圖4 不同暴雨重現(xiàn)期情況下，區(qū)域洪水排放口總流量過程圖

3.2.2 節(jié)點積水與管道超載

不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下LID組合措施方案的節(jié)點超載情況見表8。節(jié)點超載，是指當節(jié)點水位超過管道頂部的時候，節(jié)點發(fā)生溢流。從表8中可以看出：①對比現(xiàn)狀用地，LID組合措施可以減少超載節(jié)點數(shù)量，減緩市政管網(wǎng)排水壓力。重現(xiàn)期為兩年的時候，節(jié)點沒有出現(xiàn)積水現(xiàn)象，說明使用LID措施后提高了管網(wǎng)的防洪標準至兩年一遇。②隨著重現(xiàn)期增加，市政管網(wǎng)排水壓力不斷增大，與現(xiàn)狀用地相比，LID組合措施方案都能有效的減少超載節(jié)點數(shù)量、最大積水容量和縮短最大超載小時，但仍會出現(xiàn)超載節(jié)點數(shù)量不斷增多的情況。當重現(xiàn)期增加到100 a時，超載節(jié)點數(shù)量達到38，未能完全解決城市內(nèi)澇問題。

表8 不同降雨情景下LID組合措施布設(shè)方案節(jié)點超載情況

4 結(jié) 語

本文以成都市某住宅區(qū)域為研究對象，結(jié)合實際管網(wǎng)、下墊面等資料，建立SWMM模型。模型模擬了該區(qū)域在現(xiàn)狀條件和采用不同低影響開發(fā)(LID)措施方案下，遭遇不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨時的徑流總量和洪峰流量控制效果；模擬了組合措施方案排水管道出口斷面徑流過程及管網(wǎng)節(jié)水超載情況，分析和評估了LID組合措施方案對城市雨洪的削減效果。結(jié)果表明：

(1)4種措施通過對雨水的攔截、吸收、滲蓄等過程，達到海綿城市的自然存積、自然滲透等功能，都不同程度的起到削減徑流量、洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時間的作用，從而緩解市政管網(wǎng)排水壓力，較經(jīng)濟有效的解決城市內(nèi)澇問題。其中，組合方案由于措施面積最大，并采用了就地攔截、過程處理和區(qū)域存儲等綜合措施，達到了最佳徑流控制效果，尤其在削減洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時間方面效果顯著，而且隨著降雨的不斷增大，優(yōu)勢越明顯；生物滯留池的徑流控制效果最強，綠色屋頂和植草溝的徑流控制效果相對較弱。

(2)當暴雨重現(xiàn)期較小時，LID組合措施與單措施方案相比，其雨洪控制效果最為顯著，然而隨著暴雨重現(xiàn)期的不斷增加，LID組合措施的徑流和洪峰削減率都不斷下降?？梢?，對于重現(xiàn)期較小的降雨，LID措施的采用，可以幫助城市排水系統(tǒng)消納更多的降雨徑流，有效地提高城市的防洪能力。