基于SWMM模型的LID設(shè)施模擬分析
——以福州某校區(qū)為例

謝凌鋒，楊邦勇

（福建工程學(xué)院 管理學(xué)院，福建 福州350118）

城市的發(fā)展加快了腳步，中國城鎮(zhèn)化最近幾年得到了空前的發(fā)展，但隨著城市人口的增長及城市排水設(shè)備老化等問題，城市排水不暢以及水污染日益嚴(yán)重的問題逐漸凸顯出來。大多數(shù)城鎮(zhèn)的建設(shè)并未充分考慮到雨水、污水排放問題，甚至部分城鎮(zhèn)區(qū)域存在雨污混合排放，不僅達(dá)不到排放的環(huán)保要求，還會造成水資源的浪費(fèi)。2014年10月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，以期能從試點(diǎn)中總結(jié)出設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并向全國推廣[1]。根據(jù)研究資料得出，暴雨洪水管理模型SWMM（Storm Water Management Model）是目前研究較為深入，在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的降雨－徑流模擬模型。SWMM模型軟件在更新成5.1版本之后，與此前的軟件相比較，新增了LID設(shè)施，可包括生物滯留池、連續(xù)多孔透水鋪裝路面、雨水桶、入滲池、植草溝等5種措施，如今SWMM模型成為國內(nèi)外最主要的低影響開發(fā)措施的計(jì)算模型之一[2]。海綿城市建設(shè)包括“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術(shù)措施。這些LID設(shè)施可以通過不同方式的組合，可組合成LID系統(tǒng)，通過組合的方式優(yōu)化，達(dá)到減排、凈水的目的，如綠地具有凈化和滯蓄雨水的功能，透水鋪裝具有滲入雨水的功能，雨水收集利用系統(tǒng)具有滯蓄和回用雨水的功能[3]。

從目前的研究情況來看，我們國內(nèi)海綿城市對于道路、新建小區(qū)以及城市規(guī)劃方面的研究較多，而對于高校的研究較少，尤其是建成已久的校區(qū)。而本文的研究區(qū)域以福州某校區(qū)為對象，并且通過SWMM模型檢驗(yàn)對比，提出較為合理的LID布置措施。

1 項(xiàng)目研究的背景情況

福州市處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年雨量較為充沛，氣候溫暖舒適，雨熱同期。年平均白天的氣溫為28℃，夜間平均氣溫為18℃，最高溫常出現(xiàn)于7月份至8月份，可達(dá)41℃，最低溫出現(xiàn)于1月份至2月份，可達(dá)-2.5℃，福州部分山區(qū)地區(qū)溫度更低。福州地區(qū)的降雨量隨著地勢從東南向西北逐漸升高，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，福州多年年平均降水量為1372.1毫米，而多年年平均的蒸發(fā)量為1624.9毫米。因處于沿海地區(qū)，受臺風(fēng)影響，暴雨情況多，局部可達(dá)2000毫米以上。降雨分布月份以5月至9月居多，占全年總降雨量的47%-83%。

本文的研究對象——福州某校區(qū)，位于福州市晉安區(qū)，東靠鼓山，西臨三環(huán)，目前校區(qū)在校生規(guī)模為4千人左右，占地面積20多萬m2。因依山而建，總體呈現(xiàn)東部高、西部低，落差可達(dá)50米左右，落差較大。研究區(qū)域內(nèi)因建筑物較為密集，尤其是學(xué)生宿舍區(qū)，不透水混泥土路面多，主出水口少，校區(qū)目前主出水口有兩處，分別位于東側(cè)校門和南側(cè)防洪溝。屋面的雨水主要是通過現(xiàn)有的排水管道排入建筑物周圍的排水溝，而地表的雨水沿著地勢分流到其他排水溝，存在的問題在于降雨量過大或者排水溝不暢時(shí)容易造成路面積水，且因地勢落差大，更容易導(dǎo)致排水溝排水不及時(shí)造成雨水流入校區(qū)主干道。

2 SWMM模型中低影響開發(fā)模塊

由美國環(huán)境保護(hù)署EPA設(shè)計(jì)提出的SWMM（Storm Water Management Model）是動態(tài)降水－徑流模擬模型，它通過不同方式來模擬城市單一降水事件或連續(xù)的水量和水質(zhì)的模型，它由3個(gè)單位聯(lián)合研制用于研究城市降雨-排水，是一款比較完善的城市暴雨雨水的水量水質(zhì)預(yù)測和管理模型[4]。目前該模型最新版本為5.1版本，最新的版本已經(jīng)增加低影響開發(fā)的相關(guān)模塊，通過這些模塊可模擬生物滯留、滲渠、滲透鋪裝、雨桶、植被淺溝等5種常見的LID開發(fā)措施，通過對滯留、蒸發(fā)、上滲等水文過程的模擬，結(jié)合SWMM模型的水力模塊，實(shí)現(xiàn)對LID措施的峰值流量等的模擬[5]。

通過將研究區(qū)域概化，分割成不同的子匯水區(qū)域，再在不同的子匯水區(qū)域使用不同的LID模塊，也可以將不同的LID模塊混合在同一個(gè)子匯水區(qū)域更好的達(dá)到徑流量控制效果。通過不同方式的整合，也可以將上層經(jīng)過LID模擬的子匯水區(qū)域的排水出口作為上層子匯水區(qū)域的排水入口，形成整體后進(jìn)行徑流量分析。

3 SWMM模型概化及LID模擬設(shè)置

3.1 SWMM模型概化

為了可以更好的區(qū)分低影響開發(fā)模擬前后的效果，本文的研究分為兩種模型情況，其中一種為未采用任何LID措施模擬，另外一種則是采用了LID建立的模型模擬。未采用LID模擬的名為原狀模型，而SWMM模型采用了LID措施的稱為LID模型。

首先是原狀模型的建立，本文根據(jù)校區(qū)的平面圖和已經(jīng)建設(shè)而成的管網(wǎng)圖將此次的研究區(qū)域和排水系統(tǒng)的構(gòu)成分為了30個(gè)子匯水區(qū)域，并設(shè)置了3個(gè)出水口，繪制了63條雨水管道。詳細(xì)情況如圖1所示，圖中可以看出一共有30塊區(qū)域的陰影面積，每一小塊陰影面積代表了1個(gè)子匯水區(qū)域，而黑色的細(xì)實(shí)線則為繪制的雨水管道、黑色的小圓點(diǎn)為鉸點(diǎn)，圖中黑色的倒三角形則為出水口。

圖1 福州某校區(qū)SWMM模型研究區(qū)域概化圖

3.2 SWMM模型數(shù)據(jù)說明

根據(jù)校區(qū)目前的調(diào)查情況，結(jié)合海綿城市建設(shè)的相關(guān)要求，通過LID設(shè)施組合布置，以求達(dá)到各子匯水區(qū)域不滲透性的參數(shù)為76%。本次研究采用了霍頓模型用于模擬雨水入滲的過程，具體設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù):設(shè)置最大的滲入率為110mm/h、最小的滲入率為15mm/h，衰減系數(shù)為3h-1，采用SWMM模型中自帶的動態(tài)波降雨-徑流模型來模擬并計(jì)算地表水流情況和管道內(nèi)單位內(nèi)的排水情況。

因本研究對象屬于老舊校區(qū)，所以其概念化的子匯水區(qū)域上墊面情況較為復(fù)雜。根據(jù)各種上墊面徑流系數(shù)取值范圍，在本方案中，小公園水池徑流系數(shù)取值1，根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中給出的各種匯水面的雨量徑流系數(shù)，φ綠地取值0.15、φ硬質(zhì)鋪裝取值0.85、φ透水鋪裝取值0.25[6]。通過分析研究區(qū)域內(nèi)上墊面的種類分析，可使用加權(quán)平均法來計(jì)算出未改造時(shí)研究區(qū)域徑流系數(shù)為0.63，公式為:（φ綠地F綠地+φ硬質(zhì)鋪裝F硬質(zhì)鋪裝+φ透水鋪裝F透水鋪裝）/（F綠地+F硬質(zhì)鋪裝+F透水鋪裝）。

3.3 設(shè)計(jì)降雨類型及降雨量

降雨類型可分為短歷時(shí)降雨，如1年一遇；2年一遇；3年一遇；5年一遇。而長歷時(shí)降雨雨型，分為10年一遇；20年一遇；30年一遇；50年一遇。短歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型本文采用芝加哥雨型，它目前在低影響開發(fā)設(shè)計(jì)模擬中運(yùn)用較為廣泛，并且模擬的數(shù)據(jù)較有參考價(jià)值。此種雨型的模擬將一定重現(xiàn)期上不同歷時(shí)最大雨強(qiáng)復(fù)合而成，是目前《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》中所推薦的短歷時(shí)雨型。

圖2 降雨過程線

本文研究的區(qū)域降雨的路面情況并不相等以及根據(jù)福州市的排水要求，所設(shè)計(jì)的雨型根據(jù)《福州市城市設(shè)計(jì)雨型編制技術(shù)報(bào)告》的要求，采用芝加哥雨型法推算不同重現(xiàn)期上60分鐘、120分鐘、180分鐘三個(gè)歷時(shí)的雨型設(shè)計(jì)，最后采用降雨量最大且對改造前影響最為不利的原則來設(shè)計(jì)。

研究區(qū)域降雨量根據(jù)福州市暴雨強(qiáng)度公式，如上:

公式中:q為所設(shè)計(jì)的暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；Te為所設(shè)計(jì)的重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時(shí)，min；雨峰系數(shù)為0.4。

4 SWMM模擬分析

4.1 未采用LID設(shè)施開發(fā)前模擬分析

由圖1可知，研究區(qū)域場地類型復(fù)雜，且東高西低，落差最大值可達(dá)50米。在未采用LID開發(fā)前通過模型概化模擬，在不考慮水域面積對研究區(qū)域?qū)搅髁繋淼挠绊懀ㄒ蛩蛎娣e占比小，且并非處于排水主要區(qū)域），采用重現(xiàn)期為10年，短歷時(shí)降雨180分鐘的雨量進(jìn)行模擬，三個(gè)排水口出水總量8355m3，徑流的峰值為2.503m3/s。

未采用LID設(shè)施開發(fā)前的模擬數(shù)據(jù)可知，降雨量的增加，研究區(qū)域的30個(gè)子匯水區(qū)域內(nèi)的徑流量總量、洪峰的到來及洪峰的流量隨著降雨量的增加而明顯變化，導(dǎo)致洪峰提前，徑流總量和洪峰流量增大。根據(jù)校區(qū)目前的排水管道情況，區(qū)域內(nèi)雨水管線管徑最小為DN300，最大的為DN1200，排水溝的尺寸有200*200、250*250、300*300、400*700、500*500等類型，雖然雨污管道較為密集，但部分位于上游的子匯水區(qū)域的雨水管道口徑大于上游的子匯水區(qū)域管道口徑，導(dǎo)致洪峰過境時(shí)上游子匯水區(qū)域排水管道排水量過大，且未能對溢出管道的雨水進(jìn)行有效截留。

通過以上分析可知，研究區(qū)域不滲透面積較大導(dǎo)致地面儲水能力的不足，雨水在地表形成徑流；部分雨水管道設(shè)計(jì)不合理，尺寸偏小，因校區(qū)處于山坡地，地勢落差大，管道洪峰會比模擬的情況更早到來，且管道徑流量會進(jìn)一步增大。所以目前校區(qū)有必要采取有效的技術(shù)措施來控制雨水管道徑流量，延遲管道洪峰的到來，同時(shí)減少排水口出水總量，實(shí)現(xiàn)校區(qū)雨水調(diào)控能力。

4.2 采用LID設(shè)施開發(fā)方式模擬分析

SWMM模型中有多種LID設(shè)施，本文研究類型僅選取以上三種:雨水花園、植草溝、透水路面，每種LID設(shè)施可選取不同的組合方式，詳細(xì)參數(shù)如圖3。

圖3 SWMM模型中LID設(shè)施

（1）上凹式綠地。上凹式綠地也可以稱為雨水花園，改造小區(qū)內(nèi)部現(xiàn)有的景觀綠地為上凹式綠地，調(diào)整路面、綠地、雨水口高程的關(guān)系，使綠地高程低于路面高程，則道路、建筑物等不透水區(qū)上的雨水徑流會先流入上凹式綠地，上凹式綠地內(nèi)水蓄滿后流入雨水口[7]。

（2）透水路面。透水路面通過改變路面鋪裝材質(zhì)，采用水容易滲透的磚塊，可以讓短時(shí)間內(nèi)的暴雨徑流通過滲透的方式，直接流入到深層的土壤當(dāng)中，從而有效降低路面的積水。

（3）植草溝。在研究區(qū)域可通過設(shè)置植被淺溝，代替雨水口和雨水管網(wǎng)進(jìn)行道路雨水的收集和輸送，既美觀又便于排水。

表1 不同重現(xiàn)期中設(shè)置不同LID設(shè)施模擬的結(jié)果

本文研究區(qū)域雨水花園面積設(shè)置在2600m2，植草溝面積1000m2，透水路面面積25000m2。

運(yùn)用SWMM模型可以方便的模擬出場地類型以及使用雨水花園、透水路面、植草溝單獨(dú)使用或者是使用不同的方式組合在2年一遇、5年一遇、10年一遇的降雨重現(xiàn)期上每個(gè)排水口的排水過程。本次模擬總時(shí)長取180分鐘，每1分鐘檢測三個(gè)排水出口的徑流量數(shù)據(jù)。通過模擬，可得表1。由表1的數(shù)據(jù)可以看出，雨水花園的模擬設(shè)計(jì)隨著降雨重現(xiàn)期的增大不斷減小，且透水路面和植草溝的設(shè)計(jì)可以讓洪峰流量的消減率上降，當(dāng)重現(xiàn)期從5年增到10年時(shí)，透水路面和植草溝的洪峰消減率基本上已經(jīng)趨于穩(wěn)定。而組合設(shè)施的方案的洪峰流量的消減效果隨著設(shè)計(jì)的重現(xiàn)期的不斷增大而增大。雨水花園的消減洪峰的作用明顯，而植草溝對于洪峰截留的效果明顯。

不管是低影響開發(fā)模塊設(shè)施單獨(dú)設(shè)置還是組合設(shè)置，都可以減少洪峰流量，并且消減洪峰百分比，延緩洪峰時(shí)刻的到來，但是通過LID設(shè)施的組合，可以更加有效的達(dá)到減少雨水積壓的效果，并且可以增加雨水資源的利用率，從而減小校區(qū)的排水壓力。

5 結(jié)束語

本文采用SWMM模型中三種LID設(shè)施布設(shè)場景，通過與原狀模型的對比，可以得出通過不同的LID設(shè)施進(jìn)行模擬，在設(shè)計(jì)不同的降雨重現(xiàn)期對洪峰流量、徑流消減率以及峰值時(shí)刻的效果不同。其中LID設(shè)施組合方式的效果要好于LID單獨(dú)設(shè)施布置。因此，在校園環(huán)境改造的時(shí)候，可以優(yōu)先采用LID設(shè)計(jì)理念，綜合考慮建設(shè)成本，環(huán)境改善、排水要求等方面，通過不同的LID設(shè)施組合方式，可以實(shí)現(xiàn)校區(qū)整體優(yōu)化。