基于SWMM模型的呼和浩特市金五路海綿化設(shè)計分析研究

易沛媛

(北方工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144)

1 引言

目前，“海綿城市”理念在我國的城市建設(shè)當中越來越被人們所重視。北方缺水地區(qū)的雨水利用率亟需提高，“海綿城市”建設(shè)便是普遍接受度較高的提高雨水利用率的方式。呼和浩特市的道路建設(shè)大多仍處于道路綠化階段，路面大多是硬質(zhì)鋪裝，缺乏管理設(shè)施，導(dǎo)致道路雨水利用率較低?，F(xiàn)階段呼和浩特市海綿城市的研究多集中在城市整體與建筑改造方面，還未細化到對城市道路海綿化設(shè)施的研究。

本研究旨在通過SWMM模型對道路地表徑流進行模擬，將呼和浩特海綿城市研究繼續(xù)細化至道路海綿化設(shè)計策略部分。旨在通過量化呼和浩特市道路地表徑流強度對比不同開發(fā)模式下LID(低影響開發(fā)LID: LowImpact Development)設(shè)施對減少道路內(nèi)澇具有可行性。利用SWMM模型對呼和浩特市金川片區(qū)金五路北側(cè)路段進行地表徑流模擬，降雨模型采用芝加哥雨型和呼和浩特市降雨模型模擬5年重現(xiàn)期的降雨量，對該路段采用控制變量法，分別對未開發(fā)狀態(tài)、傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)和LID開發(fā)狀態(tài)進行地表徑流的模擬，其中LID開發(fā)選取多孔路面和生物滯留池兩種海綿城市措施進行計算。

研究結(jié)果將會定量地反應(yīng)LID措施對于某一路段的地表徑流減少情況。對于北方缺水地區(qū)城市道路海綿化設(shè)計研究進行量化參考，模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果將會證明相同條件下低影響開發(fā)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的開發(fā)模式更加有利于道路地表徑流的減少和城市內(nèi)澇的減弱。明確地表徑流的減少程度，量化低影響開發(fā)的優(yōu)勢所在。對呼和浩特市這樣的北方典型缺水城市以及周邊地區(qū)道路設(shè)計的LID設(shè)施選擇提供參考。

2 呼和浩特市水環(huán)境分析

2.1 水環(huán)境現(xiàn)狀

呼和浩特市作為北方地區(qū)典型的缺水城市，可利用水資源總量不足，并且用水效率整體偏低。市區(qū)河道水體黑臭現(xiàn)象多，水環(huán)境質(zhì)量不高。河段水體處理以及重復(fù)利用難度極大，黑臭水體不僅影響城市市容市貌，也對城市居民日常生活帶來巨大的影響。2016年呼和浩特全面啟動海綿城市建設(shè)，實施雨水自然積存、滲透、凈化項目，高效合理利用水資源。

海綿化道路的建設(shè)應(yīng)當遵循低影響開發(fā)的理念，做到在建設(shè)過程中不改變原有道路的交通功能、屬性，不改變其道路等級、道路寬度、道路紅線以及交通出入口等的基本原則。并且改造措施要符合道路建設(shè)的標準和規(guī)范。可適當拓寬道路整體占地面積以滿足海綿設(shè)施的加入，使其有充足的空間施展存蓄、凈化和利用。解決道路平面低于路邊綠化帶池標高出現(xiàn)雨洪在路面匯集的現(xiàn)狀問題，通過改變綠道樹池的標高來實現(xiàn)雨水就近向樹池等具有滲透能力以及利用能力的功能板塊調(diào)節(jié)。

2.2 呼和浩特市水環(huán)境建設(shè)的必要性

我國是一個淡水資源相對短缺的國家，淡水資源對于一個城市乃至國家的建設(shè)和發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用。隨著城市建設(shè)力度的不斷加大，道路系統(tǒng)在城市中所占比例越來越大。呼和浩特中心城區(qū)出現(xiàn)的城市水問題，涉及范圍較廣，問題突出。路面積水的現(xiàn)象時有發(fā)生，給城市的日常生產(chǎn)生活造成了不便。原因有遭遇突發(fā)性強降水、不透水硬質(zhì)路面所占比例過高、瞬時降雨量過大超出城市排水能力、排水速度過慢、排水管道管徑過小等。有必要通過海綿城市的建設(shè)，從水資源、水環(huán)境、水安全、水生態(tài)等層面入手，解決呼和浩特市面臨的核心水問題，保障城市水安全戰(zhàn)略順利實施[1]。

3 地表徑流模型模擬

3.1 研究方法與目的

主要采用文獻資料查詢、基于SWMM雨洪模型的數(shù)據(jù)分析來進行研究以及使用控制變量的方法進行地表徑流情況的對比分析。雨水管理模型SWMM是美國環(huán)境保護局軟件EPA SWMM(United States Environmental Protection Agency Storm Water Management Model)的簡稱，是一個動態(tài)降雨-徑流模擬計算機程序，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期(連續(xù))模擬[2]。用SWMM模型模擬呼和浩特市金川片區(qū)北側(cè)路段未開發(fā)時、傳統(tǒng)開發(fā)后和低影響開發(fā)后這3種情況下的路面徑流情況，雨水環(huán)境選用5年重現(xiàn)期的降雨量進行降雨模擬。

模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果將會定量的證明相同條件下低影響開發(fā)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的開發(fā)模式更加有利于道路地表徑流的減少和城市內(nèi)澇的減弱。明確地表徑流的減少程度，量化低影響開發(fā)的優(yōu)勢所在。對呼和浩特市這樣的北方典型缺水城市以及周邊地區(qū)道路設(shè)計的LID設(shè)施選擇提供參考。

3.2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選在呼和浩特經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)金川北區(qū)金五路北段，地處呼和浩特市西北邊緣地處大青山南麓土默特平原。金五路整條道路為呼和浩特市城市主干道，主要用于車輛交通通行。研究選取其中北部一段，道路長度約950 m，場地總面積約14972 m2。具體場地如圖1研究區(qū)域位置圖所示。

圖1 研究區(qū)域位置

3.3 降雨數(shù)據(jù)

模型中模擬的降雨數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)界普遍認可的芝加哥雨型以及呼和浩特市暴雨強度公式[3]進行計算，如式(1)所示。對不同重現(xiàn)期的降雨強度進行模擬。

暴雨強度公式：

(1)

式(1)中：i為降雨強度，mm/min;P為重現(xiàn)期,a;t為降雨時間,min。峰值比例選為0.4[4]。

根據(jù)公式計算5年重現(xiàn)期120 min的設(shè)計暴雨，并采用芝加哥雨型生成時間步長為 1 min 的暴雨過程，不同重現(xiàn)期下暴雨過程線如圖2中數(shù)據(jù)所示[5]。

圖2 芝加哥雨型生成器生成降雨數(shù)據(jù)

3.4 SWMM模型構(gòu)建

此次模型構(gòu)建將針對呼市金川片區(qū)金五路北側(cè)路段在五年重現(xiàn)期的雨水狀況下進行模擬，并且定量地分析不同路面狀況下的徑流情況。模型中，子匯水區(qū)的劃分參照雨水管網(wǎng)的排布進行劃分，將研究路段劃分為3個子匯水區(qū)、3個排放口節(jié)點與2條雨水管線[6]。最終的分區(qū)情況如圖3研究區(qū)域概化圖所示。

圖3 研究區(qū)域概化圖

模型相關(guān)參數(shù)的值主要是結(jié)合區(qū)域的實際情況，并參照SWMM模型用戶手冊的推薦值和文獻。坡度為0.3%。

金五路排水系統(tǒng)由排水管道、管網(wǎng)節(jié)點和排水口組成。沿城市主干道和周邊建筑的排布進行設(shè)置，匯水區(qū)匯集的雨水經(jīng)由排水管道至排水點排出場地內(nèi)，同時起著解除城市洪澇災(zāi)害的作用。

子匯水模型的劃分根據(jù)SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合呼和浩特市金五路研究區(qū)域地形、土地利用類型等情況，將研究區(qū)概化為3個子匯水區(qū)，面積約為3000 m2。研究區(qū)平均坡度為0.3%。

3.5 地表徑流模擬

3.5.1 開發(fā)前場地模擬

場地開發(fā)前即模擬場地沒有經(jīng)過人工處理，地面按照原始的砂石土坡以及植被的滲透率計算。沒有瀝青路面以及經(jīng)過規(guī)劃的雨水管排放系統(tǒng)。

據(jù)自然排水最小坡度將場地坡度取值為0.3%；場地在開發(fā)前不透水性取值為5%；滲透性粗糙系數(shù)N值(曼寧值)介于輕型灌木與密實灌木之間，取為0.62；滲透性洼地蓄水深度取為7 cm[7](表1)。

表1 研究區(qū)域開發(fā)前參數(shù)取值及數(shù)值來源

將組件的各項屬性及參數(shù)輸入模型，執(zhí)行成功后發(fā)現(xiàn)地表徑流誤差為-0.25%，流量演算誤差為-0.20%，皆在允許范圍內(nèi)[8]。

3.5.2 傳統(tǒng)開發(fā)后場地模擬

傳統(tǒng)開發(fā)形式即使用現(xiàn)狀城市中使用最廣泛的瀝青路面，普通人行鋪裝，沒有經(jīng)過任何下滲處理的地面裝飾材料。因為地面不透水面積增加，雨水下滲率非常低，所以有著加劇地表雨洪泛濫的效果。

根據(jù)現(xiàn)狀傳統(tǒng)開發(fā)后場地坡度0.3%，場地路面不滲透性為100，不透水性粗糙系數(shù)取值0.013，不透水性洼地蓄水深度為2 mm。滲透性粗糙系數(shù)N值(曼寧值)取光滑瀝青的曼寧值0.011(表2)。

表2 研究區(qū)域傳統(tǒng)開發(fā)后參數(shù)取值及數(shù)值來源

3.5.3 LID開發(fā)后場地模擬

本文中使用的案例場地中LID開發(fā)設(shè)施有透水鋪裝(多孔路面)和生物滯留池(生物滯留網(wǎng)格)[9]。

按LID開發(fā)后的區(qū)域中，根據(jù)道路斷面設(shè)計方案，多孔路面占整個子匯水區(qū)面積的25%；生態(tài)滯留帶共設(shè)置4個，布置于路側(cè)綠地中，共占整個子匯水區(qū)面積的6.7%。其中LID設(shè)施具體參數(shù)如表3所示[10]。

在城市中，機動車道與非機動車道的功能在于交通運輸，因此道路海綿化改造不能對道路的基本功能產(chǎn)生影響。所以，在機動車道上使用透水鋪磚需要格外注意。但在車速較低的人行道上則相對適宜，其中人行道的鋪裝材質(zhì)選擇可以通過色彩選擇和鋪裝方式的改變，增加道路的趣味性和識別性[11]。

表3 研究區(qū)域LID開發(fā)后參數(shù)取值

4 模擬結(jié)果

將組件的各項屬性及參數(shù)輸入模型后執(zhí)行成功，模型導(dǎo)出結(jié)果如圖4模型模擬結(jié)果圖所示。地表徑流誤差為-0.25%，流量演算誤差為-0.20%，兩者皆在誤差允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果真實可信。

圖4 模型模擬結(jié)果圖

結(jié)果顯示，在相同條件下，傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)地表徑流大幅度高于未開發(fā)狀態(tài)，傳統(tǒng)的瀝青路面地表徑流峰值是未開發(fā)狀態(tài)的4倍。LID開發(fā)狀態(tài)地表徑流峰值是未開發(fā)狀態(tài)的3倍，但是比傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)的徑流峰值減少了約1/3的量。從圖中可以看出，在降雨1.5 h過后，LID開發(fā)狀態(tài)和傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)地表徑流的減少速率基本相同，可見LID措施的優(yōu)勢重點體現(xiàn)在減小徑流的峰值。降低突發(fā)暴雨過程中因瞬時雨量過大而造成的損失。

5 結(jié)語

模型中LID開發(fā)措施選用了多孔路面及生物滯留池兩種LID開發(fā)措施，模擬結(jié)果顯示對減少地表徑流

峰值有著顯著的效果。由此可見LID措施相對于傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)來說有著較強的優(yōu)勢。

綜上所述，呼和浩特金川片區(qū)的道路海綿化建設(shè)對整個城市是非常有利的一件事情。通過對多孔路面及生物滯留池這兩種措施進行合理布設(shè)，充分發(fā)揮其特點，保證LID措施基本功能的實現(xiàn)，可以有效增加雨水下滲率，減少城市地表徑流，緩解城市內(nèi)澇。對中國其他城市也有一定的示范作用。