LID 組合措施在杭州低影響開發(fā)區(qū)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究
——基于SWMM 模型

潘若平

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司， 上海 200092）

SWMM 軟件是美國(guó)環(huán)保局1971 開發(fā)的雨洪管理模型軟件， 該軟件已多次更新， 現(xiàn)已發(fā)展至SWMM Version5， 目前該軟件包含4 個(gè)模型： 水文模型、 水力模型、 水質(zhì)模型和低影響開發(fā)（LID）模型［1-4］。 其中LID 模型可以模擬7 種海綿城市設(shè)施模塊， 包括生物滯留網(wǎng)格、 雨水花園（下凹綠地）、綠色屋頂、 滲渠、 連續(xù)多孔路面系統(tǒng)（透水鋪裝）、雨桶（或者水槽）、 草洼［4-6］。 近年來， 由于SWMM模型具有代碼開源、 可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)， 現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪水模擬、 海綿城市設(shè)施模擬等過程中。 官奕宏等［5］運(yùn)用SWMM 模型模擬LID 措施對(duì)場(chǎng)地水量及水質(zhì)的控制效果； 張宇等［4］構(gòu)建SWMM 模型， 模擬透水鋪裝和蓄水池等LID 措施對(duì)住宅小區(qū)年徑流總量控制率的影響； 林辰松等［7］基于SWMM 情境， 模擬外源雨水型公園綠地雨洪控制效果。

本文以杭州低影響開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域， 運(yùn)用SWMM 模型模擬采用下凹綠地、 透水鋪裝的組合LID 措施來消減雨水徑流， 并于管網(wǎng)末端設(shè)置調(diào)蓄池， 以達(dá)到徑流總量控制的目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 研究區(qū)概況

杭州市低影響開發(fā)區(qū)地勢(shì)西南高， 東北低， 雨水徑流由西南的丘陵地區(qū)流向東北河網(wǎng)密集地區(qū)。研究地塊位于杭州市低影響開發(fā)區(qū)的未來科技城東北片區(qū)， 南臨文一西路， 西臨高教路， 北側(cè)為新建規(guī)劃道路， 東側(cè)為已建住宅區(qū)， 項(xiàng)目總用地面積為265 669 m2， 開發(fā)后綠地率僅為20%， 地塊內(nèi)排出管設(shè)置5 根， 本研究對(duì)其中1 根排出管匯水區(qū)域進(jìn)行SWMM 建模分析， 研究區(qū)域總面積為71 224 m2。

1.2 低影響開發(fā)的要求

根據(jù)《浙江杭州未來科技城（海創(chuàng)園）低影響開發(fā)管理實(shí)施細(xì)則（試行）》及《杭州未來科技城低影響開發(fā)（LID）管理技術(shù)指南》的要求， 由于本區(qū)域在高強(qiáng)度降雨條件下周邊河流水位升高較大， 為保障下游水位在大暴雨的情況下不超過安全水位， 特制定較為嚴(yán)格的雨水控制要求。 位于低影響開發(fā)區(qū)的新建項(xiàng)目， 需滿足以下控制目標(biāo)：

（1） 低影響開發(fā)以滯留型和滲透性為主， 設(shè)施總占地面積或處理匯水面積不得小于開發(fā)區(qū)域總面積的40%。

（2） 按本區(qū)域100 a 一遇降雨重現(xiàn)期， 即24 h降雨量276 mm， 須滿足雨水收集調(diào)蓄比例不低于場(chǎng)地徑流量的50%。

經(jīng)計(jì)算， 研究區(qū)域雨量徑流系數(shù)ψzc為0.509，故需控制雨水厚度為h ＝（1－ψzc＋50%ψzc）×276 ＝205.7 mm， 總控制率為74.5%。

1.3 低影響開發(fā)措施

本研究包括3 種模式下場(chǎng)地徑流情況， 分別為①傳統(tǒng)模式， ②組合LID， ③組合LID ＋蓄水池，此3 種模式也是構(gòu)建本項(xiàng)目LID 的3 個(gè)步驟； ①傳統(tǒng)模式： 場(chǎng)地僅計(jì)算綠地（20%）及透水鋪裝（31%）對(duì)徑流系數(shù)的影響， 未計(jì)算透水鋪裝的滲透量及下凹綠地的蓄水量； 研究目標(biāo)為排出管徑流量。 ②組合LID： 為每個(gè)子匯水面積賦予31% 的透水鋪裝及9%的下凹綠地， 并計(jì)算透水鋪裝在降雨時(shí)滲透雨水量及下凹綠地的蓄水量（200 mm）， 此項(xiàng)設(shè)計(jì)用于滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的第1 個(gè)目標(biāo)， 即設(shè)置滯留型和滲透性LID 設(shè)施至少40%； 研究目標(biāo)為排出管徑流量。 ③組合LID＋蓄水池： 在第②項(xiàng)的基礎(chǔ)上， 在排出管GQ8 后增設(shè)有效容積為3 700 m3的蓄水池， 此項(xiàng)設(shè)計(jì)用于滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的第2 個(gè)目標(biāo)， 即對(duì)100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨（276 mm）徑流量收集調(diào)蓄比例不低于50%； 研究目標(biāo)為蓄水池的溢流量。

2 SWMM 模型構(gòu)建

2.1 場(chǎng)地雨水系統(tǒng)概化及參數(shù)率定

提取項(xiàng)目用地中獨(dú)立的一處區(qū)域進(jìn)行概化處理， 并運(yùn)行SWMM 軟件模擬， 雨水系統(tǒng)概化模型如圖1 所示。

圖1 場(chǎng)地管網(wǎng)概化模型Fig. 1 Generalized model of site pipe network

本區(qū)域總面積為71 224 m2， 共分為6 個(gè)子匯水面積， 為簡(jiǎn)化管網(wǎng)計(jì)算， 每個(gè)匯水面積賦予一個(gè)出水節(jié)點(diǎn)， 最終匯合后通過雨水管道GQ8（DN 1 000 mm）流至排放口。 為每個(gè)子匯水面積賦予31%的透水鋪裝、 9%的下凹綠地， 并在管網(wǎng)末端設(shè)置3 700 m3 蓄水池。

各子匯水面積、 管線長(zhǎng)度均通過CAD 精確統(tǒng)計(jì)， 其中管道及匯水面積的其他參數(shù)均按照《雨水管理模型SWMMH（5.0 版）使用手冊(cè)》取值， 并根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況及經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行調(diào)整［7-11］， 參數(shù)設(shè)置見表1、 表2。

2.2 暴雨強(qiáng)度公式及雨型

研究采用杭州市暴雨強(qiáng)度公式， 暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中： i 為暴雨強(qiáng)度， mm／h； P 為重現(xiàn)期， a；t 為降雨歷時(shí)， min。

采用芝加哥雨型模擬短歷時(shí)暴雨過程， 雨峰系數(shù)參照DB31／T 1043—2017《暴雨強(qiáng)度公式與設(shè)計(jì)雨型標(biāo)準(zhǔn)》［12］取值r ＝0.4， 降雨時(shí)間間隔t ＝5 min，降雨歷時(shí)2 h。 杭州市不同重現(xiàn)期下2 h 降雨強(qiáng)度分布， 如圖2 所示。

表1 水文水力參數(shù)值Tab. 1 Hydrological hydraulic parameters

表2 LID 設(shè)施設(shè)置參數(shù)Tab. 2 Design parameters of LID Facilities

圖2 不同重現(xiàn)期下2 h 降雨強(qiáng)度分布Fig. 2 Distribution of 2 h rainfall intensity in different recurrence periods

5 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為72.5 mm， 10 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為84.8 mm， 20 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為97.1 mm， 30 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為104.3 mm， 50 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為113.3 mm， 100 a重現(xiàn)期2 h 總降雨量為125.6 mm。 降雨高峰發(fā)生在第48 min 位置。

3 SWMM 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》要求， 本項(xiàng)目的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取5 a，場(chǎng)地綜合流量徑流系數(shù)經(jīng)計(jì)算為ψzm＝0.62（各類下墊面ψm值取上限）， 集水時(shí)間t ＝15 min， 經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為q5＝330.8 L／（s·ha）， 本次研究的排水區(qū)域總面積為71 224 m2， 故設(shè)計(jì)排出管（GQ8）設(shè)計(jì)流量為Q8＝1 457.8 L／s。 選用管徑DN 1 000 mm 的塑料排水管（n ＝0.01）， 敷設(shè)坡度i ＝0.003， 則此DN 1 000 mm 排水管最大排水能力為1 706.4 L／s，滿足規(guī)范要求。

通過SWMM 模擬結(jié)果顯示， 在5 a 重現(xiàn)期降雨條件下， 場(chǎng)地排水高峰流量為1 461 L／s， 稍微超過推理公式法的計(jì)算值（1 457.8 L／s）， 管網(wǎng)排水順暢， 各排水管段無超載現(xiàn)象， 設(shè)計(jì)滿足要求。

3.1 組合式LID ＋蓄水池控制徑流效果與分析

本研究通過SWMM 模型模擬了3 種模式在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流控制情況， 模擬結(jié)果如圖3及表3 所示， 其中模式③中， 增加了蓄水池， 僅僅降低了排出口的流量， 對(duì)蓄水池前各管段、 節(jié)點(diǎn)均無影響， 故表3 中模式②同模式③。

通過圖3、 表3 可知， 組合LID 可以減少高峰徑流， 并隨著降雨量的增加， 對(duì)高峰徑流的削減作用逐漸減小， 5、 10、 20、 30、 50、 100 a 重現(xiàn)期降雨時(shí)， LID 組合對(duì)高峰徑流削減率分別為30.9%、30.4%、 23.3%、 18.2%、 10.4%、 3.9%； 另外， 增設(shè)LID 設(shè)施后， 場(chǎng)地溢流區(qū)域及溢流時(shí)間極大減少， 在小于50 a 重現(xiàn)期降雨情況時(shí)， 場(chǎng)地?zé)o節(jié)點(diǎn)溢流； 在50 a 重現(xiàn)期時(shí)排出管（GQ8）基本可以滿足場(chǎng)地排水， 并且僅1 處節(jié)點(diǎn)（J4）產(chǎn)生溢流， 且溢流時(shí)間僅3 min。 100 a 重現(xiàn)期時(shí)排出管（GQ8）短時(shí)超過排水能力， 并且僅4 處節(jié)點(diǎn)（J1、 J3、 J4、 J5）產(chǎn)生溢流， 但溢流時(shí)間僅3 min。

增加蓄水池后， 在5 ～30 a 重現(xiàn)期降雨條件下， 蓄水池沒有產(chǎn)生溢流， 場(chǎng)地降雨全部控制于場(chǎng)地內(nèi)； 而50 a 重現(xiàn)期降雨時(shí)， 在2 h 降雨時(shí)間內(nèi)蓄水池?zé)o溢流， 蓄水池開始產(chǎn)生溢流的時(shí)間為降雨停止后的20 min， 最大流量不及20 L／s。 100 年重現(xiàn)期降雨時(shí)， 由圖3（f）所示， 蓄水池在100 min 時(shí)產(chǎn)生溢流， 最大溢流量為300 L／s， 與傳統(tǒng)模式相比高峰徑流量減少84.5%。

圖 3 3 種開發(fā)模式下排出管流量Fig. 3 Flow of rainwater networks at three modes

表3 管網(wǎng)溢流節(jié)點(diǎn)及排出管高峰流量對(duì)比Tab. 3 Comparison of peak flow rates of pipe network overflow nodse and discharge pipe

在100 a 重現(xiàn)期2 h 短歷時(shí)降雨情況下， 根據(jù)SWMM 模型， 組合LID 下滲雨水44.5 mm、 滯留雨水22.0 mm（含少量地面積水及下凹綠地存水）、 蓄水池貯存雨水51.9 mm（3 700 m3）， 場(chǎng)地總控制雨水量約為118.4 mm， 占2 h 總降雨量的94.3%。

3.2 組合式LID ＋蓄水池在24 h 降雨條件下的滲透量及控制率

由于低影響開發(fā)區(qū)控制目標(biāo)為24 h 降雨量，通過上述分析， 短歷時(shí)降雨情況下下凹綠地及蓄水池已達(dá)到蓄水容量， 如增加控制雨水量， 只能通過綠地、 透水鋪裝在24 h 的下滲解決。 本研究采用的芝加哥雨型為短歷時(shí)降雨模型， 對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)降雨不適用， 且無杭州市100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨分布資料，故考察透水鋪裝及綠地下滲量時(shí)， 賦予SWMM 模型的降雨模式為均勻降水， 即將總降水量276 mm 平均分配至每小時(shí)， 為11.5 mm／h。 根據(jù)熊向隕等［13］使用SWMM 模擬深圳市光明新區(qū)海綿城市措施的結(jié)果顯示， 低強(qiáng)度降雨有利于海綿設(shè)施的雨水下滲， 故采用均勻降水， 可以充分發(fā)揮綠地及透水鋪裝的滲透作用， SWMM 模型運(yùn)行結(jié)果顯示， 整個(gè)場(chǎng)地下滲量為119.5 mm。

針對(duì)100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨， 下滲雨水119.5 mm、 滯留雨水22.0 mm、 蓄水池貯存雨水51.9 mm，總控制雨水量為193.4 mm， 控制率為70%， 略低于74.5%的控制目標(biāo)。

模擬結(jié)果低于理論計(jì)算值的原因是， 在理論計(jì)算時(shí)， 場(chǎng)地雨量徑流系數(shù)ψzc（0.509）取值較低， 即每次降雨均有49.1% 在場(chǎng)地內(nèi)下滲， 但實(shí)際情況是在低強(qiáng)度降雨時(shí)可以達(dá)到49.1%， 但高強(qiáng)度降雨很難實(shí)現(xiàn)， 見表3 所示傳統(tǒng)模式下的場(chǎng)地徑流。 另外， 根據(jù)趙康乾等［14］對(duì)SWMM 模型12 種參數(shù)的靈敏度研究， 降雨雨型、 子匯水面積、 子匯水面積滿流寬度、 不透水比例等參數(shù)均對(duì)下滲雨水量有不同程度的影響， 故本次模擬結(jié)果， 控制率達(dá)到70%， 基本滿足LID 的要求。

4 結(jié)論

（1） 組合LID 設(shè)施可以降低場(chǎng)地徑流及高峰流量， 針對(duì)5、 10、 20、 30、 50、 100 a 重現(xiàn)期的2 h 短歷時(shí)降雨情況， 高峰流量削減率分別為30.9%、 30.4%、 23.3%、 18.2%、 10.4%、 3.9%， 場(chǎng)地雨水徑流系數(shù)降至0.50 以下， 顯著低于傳統(tǒng)模式。 場(chǎng)地內(nèi)溢流節(jié)點(diǎn)在50 a 重現(xiàn)期僅1 處， 100 a重現(xiàn)期4 處。

（2） 組合LID＋蓄水池， 在2 h 短歷時(shí)降雨情況下， 100 a 重現(xiàn)期以下場(chǎng)地基本無外排雨水， 100 a 重現(xiàn)期時(shí)高峰流量削減84.5%， 對(duì)125.6 mm 的降雨厚度， 滯留地塊內(nèi)118.4 mm， 場(chǎng)地雨水徑流量率僅5.3%； 但對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)降雨， 在缺乏降雨資料的情況下， 通過將276 mm 降水均勻分布后， 模擬場(chǎng)地總滲透量， 結(jié)果顯示， 可以控制24 h 降雨量的70%， 基本滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的要求。