基于SWMM的海綿城市LID設(shè)施規(guī)劃與布局——以萍鄉(xiāng)市為例

張 瑤，陳莫源，魏緒英，李梓恒，黃偉豪，游 欣，黃 婷，蔡軍火*

基于SWMM的海綿城市LID設(shè)施規(guī)劃與布局——以萍鄉(xiāng)市為例

張 瑤1，陳莫源1，魏緒英2，李梓恒1，黃偉豪1，游 欣1，黃 婷1，蔡軍火1*

（1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330045；2. 江西財經(jīng)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032）

【目的】萍鄉(xiāng)市是我國第一批海綿城市的試點城市，大尺度范圍的雨水設(shè)施格局規(guī)劃或布控研究需要進一步研究，旨在為萍鄉(xiāng)市和其他南方多雨型城市的海綿城市建設(shè)提供技術(shù)參考與案例借鑒?！痉椒ā恳云监l(xiāng)市主城區(qū)的年徑流總量控制率為海綿城市建設(shè)目標(biāo)，借助GIS技術(shù)，利用排水管網(wǎng)、降雨量、用地現(xiàn)狀等基礎(chǔ)資料，建立研究區(qū)域的SWMM模型，再利用AHP法和容積法計算得出LID設(shè)施布設(shè)方案，并通過不同降雨事件模擬其徑流控制效果?！窘Y(jié)果】在該目標(biāo)下綠色屋頂率、滲透鋪裝率和生物滯留設(shè)施率分別需要達到44.51%，22.80%和14.10%；該方案對重現(xiàn)期p=1a、p=2a、p=5a、p=10a、p=20a的降雨徑流削減比例分別為47.25%，44.23%，42.51%，40.67%和37.76%。【結(jié)論】海綿城市LID設(shè)施布設(shè)后能夠滿足要求并有效緩解城市內(nèi)澇現(xiàn)象，但面對大雨、暴雨仍需要結(jié)合傳統(tǒng)排水系統(tǒng)共同發(fā)揮作用。

低影響開發(fā)；綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施；SWMM雨洪模型；年徑流總量；GIS技術(shù)

【研究意義】中國城市化快速推進的同時，環(huán)境問題也日益嚴重（如城市內(nèi)澇屢屢發(fā)生）[1-2]。為有效治理城市內(nèi)澇，2014年住建部及時組織編制了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)（low impact development，LID）雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（下稱《指南》），倡導(dǎo)并推行LID雨洪管理體系?！厩叭搜芯窟M展】海綿城市的建設(shè)應(yīng)根據(jù)地域氣候、土地性質(zhì)和建設(shè)需求等因素因地制宜地制定合理的指標(biāo)[3]、配套的策略[4-10]和評估體系[11-13]。SWMM（storm water management model）的模擬能力全面、擬合性強[14-17]且技術(shù)成熟，是被廣泛應(yīng)用的雨洪管理模型[18-19]。SWMM不僅能夠模擬城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)[16,20-21]和下墊面污染物累積和沖刷過程[22-24]，還能兼顧城市排水與防洪，用于模擬河道水情和澇情[25-27]，也可模擬綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（green stormwater infrastructure，GSI，下簡稱為雨水設(shè)施）的徑流控制效果[28-33]。目前，國內(nèi)相關(guān)的應(yīng)用研究多限于中、小尺度（如小區(qū)域、居住區(qū)、校園等）的規(guī)劃設(shè)計[34-41]及其雨水設(shè)施的設(shè)計與應(yīng)用[42-56]等方面，較少涉及大尺度范圍（如城市的全市、大河流域）的雨水設(shè)施格局規(guī)劃或布控研究?！颈狙芯壳腥朦c】為此，本文以我國第一批海綿城市的試點城市——萍鄉(xiāng)市為例，將《萍鄉(xiāng)市主城區(qū)海綿城市控制性規(guī)劃》的覆蓋區(qū)域作為研究范圍，結(jié)合現(xiàn)存的排水系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)及海綿城市的規(guī)劃目標(biāo)，提出雨水設(shè)施的布設(shè)方案，并通過構(gòu)建SWMM雨洪模型對該方案的效果進行模擬評估?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為萍鄉(xiāng)市和其他南方多雨型城市的海綿城市建設(shè)提供技術(shù)參考與案例借鑒。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

萍鄉(xiāng)市（27°20′~28°0′N，113°35′~114°17′E）位于贛、湘兩省交界處，全市土地面積3 823.99 km2，人口185.16萬，主城區(qū)面積120.38 km2。萍鄉(xiāng)市屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，降水充沛，時空分布不均勻。年均降雨量1 600 mm，夏季多暴雨，僅4~6月降雨量可達700 mm（占全年44%）；市區(qū)恰處丘陵低洼地帶，遇強降雨天氣極易發(fā)生城市內(nèi)澇。為應(yīng)對特殊的區(qū)域氣候和復(fù)雜的地理條件，萍鄉(xiāng)市在2018年制定了《落實海綿城市建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)》方案，明確提出年徑流總量的具體控制目標(biāo)。

1.2 研究方法

1.2.1 SWMM模型構(gòu)建 （1）研究區(qū)概化。將用地現(xiàn)狀、排水管網(wǎng)和CAD文件等資料轉(zhuǎn)化為ArcGIS中的數(shù)據(jù)文件，再基于DEM數(shù)據(jù)、水文資料及實況分析劃分子匯水區(qū)。

（2）模型參數(shù)設(shè)定。參考相關(guān)文獻、SWMM手冊和當(dāng)?shù)貙嶋H狀況，將透水區(qū)的洼蓄量和曼寧系數(shù)分別初設(shè)為6.2 mm、0.032；不透水區(qū)的洼蓄量和曼寧系數(shù)分別初設(shè)為3.4 mm、0.012；管道曼寧系數(shù)的取值為0.013~0.015，其他參數(shù)均使用模型手冊推薦值。

1.2.2 雨水設(shè)施布設(shè) （1）重建子匯水區(qū)管控目標(biāo)。根據(jù)海綿城市控制總目標(biāo)，按面積加權(quán)法計算得出每個子匯水區(qū)的年徑流總量目標(biāo)控制率。然后以2014—2018年的逐日降雨資料為基礎(chǔ)，通過繪制降雨量——年徑流總量控制率曲線求出各子匯水區(qū)管控目標(biāo)所對應(yīng)的設(shè)計降雨量。

（3）雨水設(shè)施選擇。因SWMM中內(nèi)置的雨水設(shè)施分類與《指南》不完全一致，本文將雨水花園、植草溝、下沉式綠地一并歸列為生物滯留設(shè)施，僅選擇綠色屋頂、滲透鋪裝和生物滯留設(shè)施3大類雨水設(shè)施應(yīng)用于研究區(qū)域（用地性質(zhì)不變）。

（4）雨水設(shè)施比例確定。結(jié)合海綿城市實際現(xiàn)狀、文獻資料、業(yè)內(nèi)專家意見選取評價指標(biāo)，并利用AHP法進行權(quán)重比計算，構(gòu)建雨水設(shè)施比重計算模型，從而確立各子匯水區(qū)的雨水設(shè)施的雨水控制總體積分解比例。再通過SWMM模擬來進行調(diào)整，以最終確定設(shè)施的種類和規(guī)模，使其達到徑流量管控目標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 SWMM模型

經(jīng)模型測算，研究范圍內(nèi)陸地總面積為107.20 km2，其中建筑、道路（含廣場）、綠地（含其他非硬質(zhì)地面）的面積分別為27.41 km2、14.24 km2和65.55 km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

圖2 研究區(qū)域計算單元與子匯水區(qū)劃分

將研究區(qū)劃分為6個計算單元（A、B、C、D、E、F），面積分別為2 805.59，1 980.53，1 466.41，1 315.44，2 057.27，1 094.84 hm2，共360個子匯水區(qū)（編號0～359，面積為0.40~806.88 hm2），其中，A區(qū)和B區(qū)為新城區(qū)，處于待開發(fā)階段，有少量工業(yè)廠房集中于各區(qū)的南部；C區(qū)為萍鄉(xiāng)市老城區(qū)，建筑、人口密度大，用地緊張；D區(qū)分布有較多商住小區(qū)，生態(tài)涵養(yǎng)綠地約占該區(qū)面積的1/3；E區(qū)則主要由橫龍公園和其他綠地及未開發(fā)的備用地組成，F(xiàn)區(qū)除約1/3的工業(yè)用地外均為生態(tài)涵養(yǎng)綠地（圖2）。結(jié)合本地氣候特征與資料查閱，將降雨雨峰系數(shù)（）取值0.4，間隔時長為1 min，計算得出重現(xiàn)期=1 a、2 a、5 a、10 a、20 a在降雨歷時t=3 h的降雨量分別為58.37，72.08，90.20，103.91，117.61 mm。

2.2 雨水設(shè)施布設(shè)方案與校驗

2.2.1 雨水設(shè)施調(diào)蓄容積 依據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿辦提供的主城區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)等資料（圖3），經(jīng)加權(quán)計算得到A、B、C、D、E、F共6個片區(qū)各子匯水區(qū)的平均目標(biāo)控制率分別為80.16%、79.00%、72.82%、76.99%、82.45%和77.92%（圖4）。

圖3 萍鄉(xiāng)市主城區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)

（圖片來源：萍鄉(xiāng)市規(guī)劃局）

圖4 各子匯水區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)

（圖片來源：萍鄉(xiāng)市規(guī)劃局）

以2014—2018年的逐日降雨資料為基礎(chǔ)，得出年徑流總量控制率（）、降雨量（）關(guān)系式為=1.528 9e0.037 1x，分別計算各子匯水區(qū)管控目標(biāo)所對應(yīng)的設(shè)計降雨量（圖5）。但考慮到綠化種植、施工工藝等不確定性因素，有可能會使雨水設(shè)施有效容積減少，故在容積法計算結(jié)果的基礎(chǔ)上額外增加5%余量，以此作為每個子匯水區(qū)所需的調(diào)蓄容積（圖6）。

圖5 子匯水區(qū)設(shè)計降雨量

（圖片來源：萍鄉(xiāng)市規(guī)劃局）

圖6 子匯水區(qū)調(diào)蓄容積

（圖片來源：萍鄉(xiāng)市規(guī)劃局）

2.2.2 雨水設(shè)施參數(shù) 雨水設(shè)施參數(shù)均參照SWMM用戶手冊及《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2014年版）并參考實際工程參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定研究區(qū)雨水設(shè)施的主要參數(shù)（表1）。

表1 SWMM模型雨水設(shè)施主要參數(shù)

經(jīng)計算，在研究區(qū)域內(nèi)，綠色屋頂率、滲透鋪裝率和生物滯留設(shè)施率為44.51%、22.80%和14.10%。這說明，主城區(qū)LID海綿設(shè)施的布設(shè)或改造應(yīng)以綠色屋頂為主，其次為滲透鋪裝率，輔以生物滯留。從圖7~9可知，3大典型類型的雨水設(shè)施的預(yù)計布設(shè)密度均以C區(qū)（老城區(qū)）最高，其次為D區(qū)和B區(qū)，最少的為F區(qū)（新城區(qū)）。

其中，在萍鄉(xiāng)市主城區(qū)的六大片區(qū)內(nèi)，以C區(qū)（老城區(qū)，建筑密集，人口密度大）的綠色屋頂預(yù)算配置率最高（高達59.1%），其次為B區(qū)（46.8%）和D區(qū)（42.7%），最少的為E區(qū)（24.4%）和F區(qū)（24.8%），見圖7。另外，而滲透鋪裝配置率以D區(qū)最高（30.7%），其次為B區(qū)（28.6%）和C區(qū)（28.1%），最低的為F區(qū)（16.2%），見圖8；生物滯留設(shè)施配置率最高的是C區(qū)（達27.7%），其次為D區(qū)（16.1），最少的為F區(qū)（8.7%），見圖9。這說明，在萍鄉(xiāng)市的老城區(qū)（C區(qū)），建筑和鋪裝過多，不透水率和徑流系數(shù)均較高，應(yīng)集中布設(shè)或升級改造綠色屋頂、滲透鋪裝、生物滯留3種綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，從而有效減少地面徑流量。

圖7 綠色屋頂率

圖8 滲透鋪裝率

圖9 生物滯留設(shè)施率

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 年徑流總量模擬分析 以2014—2018年的降雨量數(shù)據(jù)對雨水設(shè)施的布設(shè)方案進行SWMM模擬，計算得出各年的徑流總量控制率分別為79.22%，78.84%，79.11%，79.14%和78.99%，均高于設(shè)定值（78.83%），模擬結(jié)果達標(biāo)率為100%（圖10）。這表明，雨水設(shè)施的規(guī)劃方案能夠較好地達到海綿城市的徑流總量管控目標(biāo)，模擬結(jié)果比較接近實際情況。文中采用逐日降雨的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模擬，不僅能夠較為精準(zhǔn)地模擬雨水徑流的產(chǎn)流過程和雨水設(shè)施作用的發(fā)揮過程，還能夠考慮到降雨分布不均及極端降雨事件的情況。

圖10 2014—2018各年徑流總量控制率

2.3.2 不同重現(xiàn)期徑流總量控制分析 為了校驗在年徑流總量控制達標(biāo)情況下雨水設(shè)施的布設(shè)對不同重現(xiàn)降雨事件的徑流總量控制效果，本文以降雨歷時為3 h重現(xiàn)期分別為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a的設(shè)計降雨量對雨水設(shè)施布設(shè)前、后進行徑流總量模擬比較，結(jié)果見圖11。

圖11 不同重現(xiàn)期降雨下雨水設(shè)施徑流控制效果

重現(xiàn)期為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a的降雨量分別為58.37，72.08，90.20，103.91，117.61 mm。在雨水設(shè)施建設(shè)前雨量徑流系數(shù)分別為0.442 4，0.444 7，0.446 1，0.447 3和0.449 8，與使用典型用地下墊面構(gòu)成計算得到的綜合徑流系數(shù)0.441 4接近，表明SWMM模擬精確可信。

圖11表明，在雨水設(shè)施布設(shè)后，不同降雨重現(xiàn)期的徑流總量隨著重現(xiàn)期雨量的提高而提高；而雨水設(shè)施對不同重現(xiàn)期降雨的徑流總量削減率會隨著降雨重現(xiàn)期（=1 a、2 a、5 a、10 a、20 a）的增大而下降，分別為47.25%，44.23%，42.51%，40.67%和37.76%。這表明雨水設(shè)施對小、中型或重現(xiàn)期小的降雨事件效果較好，在應(yīng)對大雨、暴雨等降雨事件時仍需與傳統(tǒng)灰色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合[57-60]。即要遵循低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)、城市雨水管渠系統(tǒng)及超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)三者相互補充、相互依存的原則。

3 討 論

海綿城市建設(shè)是一項長期的、循序漸進的巨大工程。從資源利用角度講，通過對雨水的蓄存和釋放，調(diào)節(jié)城市水的循環(huán)[61]，提高水資源的利用[62]，進行低影響開發(fā)[63]，能夠有效減少或減輕城市內(nèi)澇的發(fā)生。海綿城市是由“工程治水”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧鷳B(tài)治水”[64]，是順應(yīng)自然的體現(xiàn)[65]，也是建設(shè)生態(tài)文明城市的必經(jīng)之路[66-67]。本文通過構(gòu)建SWMM模型，依據(jù)管控目標(biāo)，經(jīng)AHP法和容積法計算與分解，得到基于年徑流總量控制目標(biāo)的萍鄉(xiāng)市主城區(qū)雨水設(shè)施配置方案，并對該方案進行了效果校驗。結(jié)果如下。

（1）在2014—2018年，每個子匯水區(qū)的平均年徑流總量管控率的偏差介于-4.242%～4.234%?；谀陱搅骺偭靠刂频淖訁R水區(qū)管控目標(biāo)設(shè)定是較準(zhǔn)確的，與其對應(yīng)的雨水設(shè)施布設(shè)方案也是可行的。偏差產(chǎn)生的原因有：①降雨初期，雨水設(shè)施能夠較好的控制地表徑流。但隨著降雨歷時的延長，地表土壤接近田間持水量，雨水設(shè)施“吸水”趨于飽和，失去雨水徑流調(diào)蓄作用，其截留水量占降雨量的比例小，計算結(jié)果會偏低；②在計算調(diào)蓄容積時，人為地增加膨脹系數(shù)，會使理論調(diào)蓄容積大于實際需要調(diào)蓄的容積，即計算結(jié)果會高于目標(biāo)值。

（2）在萍鄉(xiāng)市的老城區(qū)（如C區(qū)）不僅人口集中，建筑密度大，而且部分建筑的年代久遠。根據(jù)SWMM模型設(shè)計方案，應(yīng)在老城區(qū)重點加大布設(shè)綠色屋頂和滲透鋪裝的配置比率。為避免盲目推行上述雨水設(shè)施的建設(shè)造成的較大負面影響，建議采取“灰、綠”結(jié)合的方式，以改造地下管網(wǎng)或通過增設(shè)蓄水池等工程性措施為主，減少地表徑流量。其次，對于部分極難進行雨水設(shè)施建設(shè)的地塊，可以將調(diào)蓄容積分配至臨近區(qū)塊的方法。

（3）目前，國內(nèi)對城市非點源污染的管控和關(guān)注還不夠[68-69]。筆者僅以年徑流總量控制為目標(biāo)，尚未涉及徑流污染控制和偶發(fā)性暴雨或極端降雨事件。有待將綜合控制徑流量和削減污染量共同作為管控目標(biāo)指導(dǎo)LID布設(shè)方案，有效促進生態(tài)效益的提高[70-71]。此外，不同的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施因其結(jié)構(gòu)和材料不同，功能也各有側(cè)重。后續(xù)研究還應(yīng)著力研究不同雨水設(shè)施的植物材料選擇與配置。

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Research on Planning and Layout of LID Facilities in Sponge Cities Based on SWMM: A Case Study in Pingxiang City

ZHANG Yao1, CHEN Moyuan1, WEI Xuying2, LI Zhiheng1, HUANG Weihao1,YOU Xin1, HUANG Ting1, CAI Junhuo1*

(1. College of Landscape Architecture, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. College of Art, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China)

Pingxiang City is one of pilot cities for the first batch of sponge cities in China. The large-scaled pattern planning or distribution control research of rain water facilities needs further study, aiming to provide technical references and case studies for the construction of a sponge city in Pingxiang City and other southern China’s rainy cities.Taking the annual runoff control rates of a sponge city in the urban areas of Pingxiang City as the target, based on GIS technology, using the basic data of pipe networks, rainfalls and status quo of land use, etc., SWMM model of the study area was established. The planning of green stormwater infrastructures was calculated by AHP and volumetric method. The runoff control effect was then simulated by different rainfall events.The results showed: under this respective target, the green roof rate, osmotic pavement rate and bioretention facility rate need to reach 44.51%, 22.80% and 14.10%, respectively; For the return periods, p=1a, p=2a, p=5a, p=10a, and p=20a, the rainfall runoff reduction ratios were 47.25%, 44.23%, 42.51%, 40.67%, and 37.76%, respectively.LID facilities in sponge cities could meet the requirements and effectively alleviate the urban waterlogging, but in face of heavy rains, the combination with the traditional drainage system still needed.

LID; green stormwater infrastructure; SWMM; total annual runoff; GIS

TU985

A

2095-3704（2021）02-0219-09

2020-10-18

2021-01-11

萍鄉(xiāng)市海綿城市建設(shè)重大科技專項（JXPX-2016011）和國家自然科學(xué)基金項目（31560226）

張瑤（1994—），碩士生，主要從事園林植物栽培與繁育研究，2729396106@qq.com；*通信作者：蔡軍火，教授，碩導(dǎo)，Cjhuo7692@163.com。

張瑤, 陳莫源, 魏緒英, 等. 基于SWMM的海綿城市LID設(shè)施規(guī)劃與布局——以萍鄉(xiāng)市為例[J]. 生物災(zāi)害科學(xué), 2021, 44(2): 219-227.