基于SWMM的老舊小區(qū)雨水系統(tǒng)模擬研究

劉卿瑞

【摘? 要】隨著我國城市化水平不斷提高，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市洪澇問題日益突出。論文選取東北地區(qū)某老舊小區(qū)，利用暴雨管理軟件SWMM構(gòu)建了該區(qū)域降雨徑流模型，模擬了不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)下的雨水管網(wǎng)運(yùn)行狀況。在此基礎(chǔ)上，模擬了低影響開發(fā)（LID）措施組合布設(shè)的徑流控制效果。研究得出，采用LID措施后可以有效控制區(qū)域徑流總量、削低流量峰值、改善節(jié)點(diǎn)溢流情況。

【Abstract】With the continuous improvement of urbanization and the expansion of city scale in China， the problem of urban flood is becoming more and more serious. This paper selects an old community in the Northeast region， uses the storm management software SWMM to construct a rainfall runoff model in this area， and simulates the operating conditions of the rainwater pipe network under different return period designs. On this basis， the runoff control effect of a combination of low-impact development （LID） measures was simulated. The paper concluded that the use of LID measures can effectively control the total regional runoff， reduce the peak flow rate， and improve node overflow.

【關(guān)鍵詞】SWMM;城市內(nèi)澇;雨水系統(tǒng);LID

【Keywords】SWMM; urban waterlogging; rainwater system; LID

【中圖分類號(hào)】TU992? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）03-0174-04

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市洪澇造成的危害和影響揭示了市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與安全保障之間的矛盾。在遭遇高強(qiáng)度降雨時(shí)，地面降雨能夠短時(shí)間內(nèi)在該區(qū)域內(nèi)形成地表徑流，增加管網(wǎng)排水壓力，極易形成城市內(nèi)澇[1]。低影響開發(fā)LID以分散式小規(guī)模措施對雨水徑流進(jìn)行源頭控制，以達(dá)到緩解城市內(nèi)澇，改善城市生態(tài)環(huán)境的目的。暴雨管理模型SWMM是由美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的基于水動(dòng)力學(xué)的降雨徑流模擬模型[2]，該模型集成了降雨、徑流等多種模塊，能夠?qū)螆黾斑B續(xù)降雨的徑流和排水情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，LID模塊能夠模擬LID設(shè)施影響下的徑流量、峰值流量和蓄水量等參數(shù)的變化情況[3]。朱培元、蔡慶擬等[4，5]在不同降雨情景的條件下，對不同LID設(shè)施對雨洪徑流的控制效果作了分析研究。王峰等[6]從城市規(guī)劃方面出發(fā)作出了相應(yīng)的研究，基于對不同LID設(shè)施的分析，制定了在建設(shè)工程過程中的不同LID措施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并對中山市中心城區(qū)作出了低影響開發(fā)技術(shù)規(guī)劃。論文以東北地區(qū)某區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，通過建立SWMM模型，對不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的降雨徑流進(jìn)行模擬計(jì)算，為該地區(qū)暴雨洪水控制研究提供技術(shù)支持。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于128°12′30″E～128°50′30″E，47°45′56″N～47°48′30″N，屬中溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季嚴(yán)寒、干燥而漫長，夏季溫?zé)岫虝?。降雨集中在夏季，年平均降水量?50～820mm，降雨量隨時(shí)空分布不均，這種氣候特點(diǎn)決定了地區(qū)夏季洪澇情況頻繁發(fā)生。研究區(qū)域總面積約為12.38ha，其中建筑用地3.76ha，道路占地0.61ha，硬化鋪裝3.22ha，綠地面積4.79ha，研究區(qū)域不透水面積占比為61.31%（見圖1）。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型概化

根據(jù)研究區(qū)域管線數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進(jìn)行處理和提取分析，構(gòu)建管網(wǎng)空間拓?fù)潢P(guān)系，簡化管網(wǎng)結(jié)構(gòu);根據(jù)地形、街道、測算所得用地布局及屬性等特點(diǎn)劃分子匯水區(qū)域。研究區(qū)域概化如下：共劃分子匯水區(qū)域91個(gè)，管段65條，計(jì)算節(jié)點(diǎn)56個(gè)，出水口1處。雨水管網(wǎng)概化圖如圖2所示。

3.2 模型參數(shù)

SWMM模型的水文模塊主要有Horton模型、格林—安普特模型和徑流曲線數(shù)模型三種入滲模型。其中Horton模型通常適用于較小流域的模擬研究，模型應(yīng)用容易，參數(shù)需求少，入滲率和降雨條件的相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系能夠準(zhǔn)確反映出來，應(yīng)用范圍較廣，因此本文選用Horton模型。

SWMM模型中的地表匯流過程通常采用非線性水庫模型，包含透水區(qū)、不透水區(qū)和管道的曼寧系數(shù)為關(guān)鍵性參數(shù)，參考SWMM用戶手冊并結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況確定最終取值。SWMM模型中將子匯水區(qū)概化為有洼蓄量不透水地表、無洼蓄量不透水表面及透水地表三部分。透水地表和不透水地表的洼蓄量與土地利用實(shí)際情況相關(guān)性較強(qiáng)，通過參考SWMM用戶手冊，確定無洼蓄量不透水面積百分比為即時(shí)徑流表征參數(shù)，變量缺省數(shù)值為25%，蓄水反映時(shí)段集中于洼地蓄水前至降雨后，隨子匯水面積不同而改變。參考SWMM用戶手冊附錄，確定該模型地表坡度及子匯水面積寬度和子匯水區(qū)不透水面積百分比等取值需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。由于研究區(qū)域日蒸發(fā)量較小，對模型模擬幾乎無影響，故不作為測試指標(biāo)。具體參數(shù)如表1所示。

3.3 設(shè)計(jì)雨型和雨量

1957年凱弗（Keifer）和丘（Chu）基于暴雨強(qiáng)度公式提出了芝加哥雨型，1975年澳大利亞的Pilgrim和Cordery研究了一種無級(jí)序平均法推求設(shè)計(jì)雨型，目前國內(nèi)外常用的短歷時(shí)雨型主要是這兩種。根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)測降雨資料，芝加哥雨型基于大量實(shí)測降水資料且得到的設(shè)計(jì)雨型更接近于實(shí)際降雨雨型，因此本文采用芝加哥雨型法2h設(shè)計(jì)暴雨雨型。

研究區(qū)域暴雨強(qiáng)度計(jì)算采用黑龍江省規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度公式：

式中：p表示重現(xiàn)期，a;t表示降雨歷時(shí)，min;g表示地面綜合徑流系數(shù)。

根據(jù)公式（1）分別推求重現(xiàn)期為5a、10a、20a時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，并利用芝加哥雨型法2h設(shè)計(jì)暴雨雨型推求t=2h、時(shí)間間隔為15min的設(shè)計(jì)降雨過程線。不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)降水過程線如圖3所示。

3.4 LID措施布設(shè)

3.4.1 LID措施選擇

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，低影響開發(fā)措施中共有透水鋪裝、滲井、綠色屋頂、滲透塘、植被緩沖帶、生物滯留池等22種設(shè)施可進(jìn)行選擇。根據(jù)研究區(qū)域地理因素和氣候特點(diǎn)，LID措施選擇如下：綠化用地主要以雨水花園和下凹式綠地為主;廣場和人行道主要以透水鋪裝為主;城市道路綠化帶、小區(qū)道路、建筑周圍綠地以生物滯留池為主，且需分散布置;接收屋面雨水以蓄水池為主，此外部分區(qū)域根據(jù)實(shí)際條件和需要添加雨水桶和滲透渠。本文在未改變管網(wǎng)現(xiàn)狀的情況下對研究區(qū)域進(jìn)行LID改造，不僅可以改善生態(tài)環(huán)境，又能降低因大規(guī)模改造而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本。

研究區(qū)域內(nèi)停車帶原有的磚鋪砌下墊面改造成滲透下墊面及換鋪抗凍融生態(tài)陶瓷磚，改造面積為15354m2，改造率為47.6%。綠地按照不透水面積與雨水花園面積5：1的比例來建造雨水花園，改造面積為19621m2，改造率為41%。

3.4.2 LID參數(shù)設(shè)置

在借鑒國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，將多種措施添加至研究地區(qū)范圍內(nèi)，研究該地區(qū)雨水系統(tǒng)受其影響規(guī)律，各項(xiàng)參數(shù)的取值范圍如表2所示。

根據(jù)研究區(qū)域用地劃分，綜合考慮子匯水區(qū)的實(shí)際狀況，采用SWMM中的LID模塊，向研究地區(qū)內(nèi)添加多種措施，添加各項(xiàng)措施后的子匯水區(qū)概化圖如圖4所示。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)狀管網(wǎng)防澇能力評估

在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，將歷時(shí)2h的降雨數(shù)據(jù)導(dǎo)入InfoWorks水力模型，由水力模型的模擬結(jié)果分析，研究區(qū)域現(xiàn)有雨水管道中，雨水排放能力滿足1年一遇的管道約3.5km，排放能力滿足2年一遇的管道約2km，排放能力小于1年一遇的管道約121.88km。由此可見，研究區(qū)域城市雨水管道不僅覆蓋率低，且現(xiàn)有管道管徑普遍偏小，在1年一遇的降雨強(qiáng)度下，達(dá)到97.2%的管網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)溢水積水現(xiàn)象，滿足2年一遇的管道更是少之又少，缺乏對大雨暴雨的排泄能力。

4.2 LID措施前后徑流總量對比分析

將降雨時(shí)間為2h，不同重現(xiàn)期下的雨量時(shí)間序列輸入SWMM雨量計(jì)屬性中，作為研究區(qū)域模擬的降雨數(shù)據(jù)，不同重現(xiàn)期的徑流模擬結(jié)果列入所得數(shù)據(jù)表4中?？梢钥闯?，隨著降雨強(qiáng)度不斷增大，地表徑流也隨之增加，雨水系統(tǒng)所需要承受的排水壓力也越來越大。研究區(qū)域加入LID措施后，區(qū)域內(nèi)的地表徑流總量減小。

4.3 LID措施前后流量峰值對比分析

將出水口節(jié)點(diǎn)峰值流量列入表5中，對于研究地塊雨水干線出水口節(jié)點(diǎn)，加入LID措施前后峰值流量進(jìn)行對比，加入LID后峰值流量減少50%左右。

4.4 LID措施前后節(jié)點(diǎn)溢流情況對比分析

在降雨重現(xiàn)期為5、10和20年的條件下，將添加LID建設(shè)的研究部分進(jìn)行SWMM模擬，并將改造前后管網(wǎng)超載情況對比列入表4中。根據(jù)表6可知，LID改造可顯著降低超載節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，并可有效減緩管網(wǎng)承載過量等問題。出水口節(jié)點(diǎn)在暴雨重現(xiàn)期為5年、10年和20年，積水深度5年為5.2cm、10年為16.3cm、20年為18.5cm。對比可見，通過LID改造建設(shè)比現(xiàn)狀管網(wǎng)發(fā)生內(nèi)澇的幾率減少近40%，降雨重現(xiàn)期為5年時(shí)，降低了積水量并可達(dá)到良好的內(nèi)澇防治效果。

5 結(jié)論

①降雨強(qiáng)度越大，傳統(tǒng)雨水管渠系統(tǒng)超載越嚴(yán)重，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)超載溢流，導(dǎo)致溢流總量增加，積水時(shí)間延長，提高了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

②通過SWMM模擬，對比分析研究區(qū)域LID改造前后雨水徑流控制效果，可知研究區(qū)域加入LID措施后，區(qū)域內(nèi)的地表徑流總量約減少67%、峰值流量削減50%左右、發(fā)生內(nèi)澇的幾率降低近40%。

③本文著重探討低影響開發(fā)理論在解決城市內(nèi)澇問題的可行性，對建設(shè)海綿城市具有一定的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行城市排水系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，因地制宜，對地塊進(jìn)行LID改造，可以有效控制徑流總量、削低流量峰值、改善節(jié)點(diǎn)溢流情況。

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