基于SWMM 模型對居住區(qū)的低影響開發(fā)改造研究

胡金輝 孫穎娜 申智鵬 張麗娜 龐傲璇

(黑龍江大學水利電力學院、中俄寒區(qū)水文水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概述

目前海綿城市建設作為我國現(xiàn)代城市水管理的重大戰(zhàn)略，而當前隨著社會快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的加快，土地利用變化劇烈、植被覆蓋率較先前迅速減少，不透水面增加，這些均對城市暴雨洪水、徑流等產(chǎn)生了很大的影響[1]。為了解決居住區(qū)發(fā)展與水資源之間的矛盾，市政基礎(chǔ)設施建設與安全保障之間的矛盾，需要采用低影響開發(fā)(low impact development，以下簡稱LID)措施，提升居住區(qū)應對極端惡劣天氣的能力[2]。低影響開發(fā)是指提升海綿城市的對水資源利用能力，并且改善城市的內(nèi)澇現(xiàn)象，降低洪水災害發(fā)生的頻次[3]。使用LID 是為了使城區(qū)的水循環(huán)更加接近于自然狀態(tài)下的水循環(huán)，主要是通過在多個點進行源頭控制從而實現(xiàn)降低徑流和污染。SWMM暴雨管理模型是美國環(huán)境保護代理機構(gòu)研制出的一款軟件[4]。SWMM也是目前被認為是在城市雨水徑流模擬中最廣泛使用的一款軟件[4]。在該模型中，用戶主要通過輸入降水資料、下墊面條件等來模擬產(chǎn)匯流過程，因此在城市雨洪管理中得到了廣泛應用[5]。當前研究大多基于大尺度，因而十分有必要進行小尺度的低影響開發(fā)研究。本文采用模型模擬方法，評估單獨和組合低影響開發(fā)應對降水事件的徑流調(diào)控能力，為居住區(qū)低影響開發(fā)建設提供有益的參考。

2 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域?qū)僦袦貛Ъ撅L氣候區(qū)，地處黑龍江省哈爾濱市，降雨量隨時空分布不均，年平均降水量為530mm 左右。通過獲取該研究區(qū)域的高程和影像數(shù)據(jù)，在ArcGIS 中對研究區(qū)域進行坡度坡向分析，得出結(jié)論該小區(qū)總體地勢平坦，平均坡度為0.679%。研究區(qū)域總面積約為6.17hm2，研究區(qū)域不透水面積約占總研究區(qū)域的70%。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

構(gòu)建研究區(qū)域的SWMM模型主要需使用以下兩類數(shù)據(jù)：

3.1 該老舊小區(qū)得排水管網(wǎng)圖及其他CAD 文件，通過衛(wèi)星地圖下載的研究區(qū)域的遙感影像、給排水等設計資料。SWMM模型水文、水力模塊中大部分數(shù)據(jù)的初值來自于收集的管網(wǎng)資料和CAD 文件，對于其他的必要參數(shù)，通過查閱SWMM模型操作手冊，以及其他的相關(guān)文獻參考資料，最后使用徑流系數(shù)法率定模型參數(shù)獲得符合該老舊小區(qū)的經(jīng)驗參數(shù)值。

3.2 參考黑龍江省城市規(guī)劃設計院利用圖解法編制的暴雨強度公式，從而獲得該研究區(qū)域的暴雨強度公式，再結(jié)合芝加哥暴雨模型，據(jù)此進行降雨情境的確定。

4 模型構(gòu)建

4.1 雨水管網(wǎng)及匯水區(qū)域概化

根據(jù)研究區(qū)CAD 給排水施工圖得到小區(qū)下墊面特征、排水管道布置走向、雨水井位置、檢查井位置，再概化研究區(qū)的布設，如設置節(jié)點、管道、子匯水面等元件，使模型最大可能接近原設計圖紙，另外增設雨量計作為模型的降雨參數(shù)輸入口。研究區(qū)的排水管道皆為圓管，設置管道參數(shù)時需要輸入每個管道的進水和出水節(jié)點高程，管徑，以及斷面形狀參數(shù)等。設置節(jié)點參數(shù)時需要輸入節(jié)點的地面高程，以及井底高程。設置子匯水面時需要輸入該子匯水面的出口、寬度(可根據(jù)經(jīng)驗公式求得)、透水(不透水)面積比等參數(shù)。最終在根據(jù)現(xiàn)有的研究區(qū)域資料將研究區(qū)域概化為19 個節(jié)點，19 條管線。根據(jù)該老舊小區(qū)的管網(wǎng)圖以及現(xiàn)場的建筑物位置、坐標，將老舊小區(qū)劃分為11個子匯水區(qū)域，結(jié)果見圖1。

圖1 子匯水面概化圖

4.2 降雨情景確定

要實現(xiàn)降雨時管段水流運行過程，需通過設計降雨強度的時間序列，從而為SWMM模型提供連續(xù)性降雨過程情景。根據(jù)黑龍江省城市規(guī)劃設計院利用圖解法編制的暴雨強度公式，結(jié)合芝加哥暴雨模型生成降雨歷時為2h，降雨重現(xiàn)期為2a、5a、10a、50a 的降雨過程，繪制降雨過程曲線，不同重現(xiàn)期下的降雨強度過程線如圖2 所示。研究區(qū)域采用的暴雨強度公式(1)

圖2 不同重現(xiàn)期降雨過程線

式中，i 為降雨強度，mm/h；P 為降雨重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時，min。

4.3 模型參數(shù)輸入及其率定

研究區(qū)域的子匯水面積、不透水面積比例等，通過CAD 圖紙進行測量獲取，坡度采用研究區(qū)域的平均坡度。其余初始的參數(shù)通過查閱國內(nèi)外文獻以及SWMM用戶手冊獲取。子面積寬度采用經(jīng)驗公式(2)：

式中：w為寬度，m；k 為常數(shù)，取值一般為0.2～5.0；A 為子匯水區(qū)面積，m2。

因無實測降雨數(shù)據(jù)進行率定，本文考慮使用徑流系數(shù)法對經(jīng)驗參數(shù)進行率定。徑流系數(shù)法指的是使城市綜合徑流系數(shù)與模擬的地表徑流系數(shù)進行對比，從而對SWMM模型的經(jīng)驗參數(shù)進行率定[5]。劉興坡[6]等認為徑流系數(shù)法可以滿足模型參數(shù)預校準的要求。張倩等[7]在低影響開發(fā)方面的研究也證明了劉興坡的關(guān)于徑流系數(shù)法的觀點，在一定程度上也表明徑流系數(shù)法的可行性。

針對研究區(qū)這一工程項目，采用加權(quán)平均法對不同土地利用類型所占的面積比例進行計算，從而得到該老舊小區(qū)的綜合徑流系數(shù)。計算出該老舊小區(qū)的的綜合徑流系數(shù)為0.617～0.718，暫取中間值為0.668。

選取重現(xiàn)期為10 年一遇和50 年一遇的2 小時降雨雨型進行模擬，通過人為的調(diào)整經(jīng)驗參數(shù)并反復進行試算，使研究區(qū)綜合徑流系數(shù)盡可能的接近0.668。由此得到SWMM模型經(jīng)驗參數(shù)率定結(jié)果，如表1 所示。

表1 率定結(jié)果

5 LID 參數(shù)設置及結(jié)果分析

5.1 LID 設施參數(shù)值的設定

SWMM模型中一般的LID 設施主要為：植草溝、滲渠、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)?。本文研究本文的主要研究對象為透水鋪裝、綠色屋頂。LID 措施的參數(shù)主要來源于SWMM用戶手冊和其他文獻，其他數(shù)據(jù)使用SWMM默認值。

5.2 LID 方案模擬結(jié)果與分析

本文根據(jù)所研究的老舊小區(qū)現(xiàn)場勘測資料、CAD 圖紙文件及不同下墊面的分布情況，選取綠色屋頂和透水鋪裝兩種LID措施。在10a 和50a 降雨重現(xiàn)期下使用單一綠色屋頂改造措施、單一透水鋪裝改造措施、綠色屋頂和透水鋪裝結(jié)合的改造措施，三種方案進行比選分析。

研究結(jié)果顯示單獨的透水鋪裝、綠色屋頂?shù)暮檎{(diào)控性能存在差異，不同的LID 方案均能使徑流減小，洪峰流量得到削減。此外，部分措施可以起到延緩峰值流量出現(xiàn)的時間。表2 顯示在10a 重現(xiàn)期下，單獨的透水鋪裝措施與未做低影響改造相比，在峰值流量削減率均＞30%，綠色屋頂?shù)南鳒p率＞20%；在50高重現(xiàn)期下，透水鋪裝削減率均＞27%，綠色屋頂＞20%；單獨的透水鋪裝措施效果好于單獨使用綠色屋頂?shù)拇胧?，可能是透水鋪裝相比綠色屋頂有更高的下滲率，能更顯著的降低不透水面積。組合方案融合了單獨措施的性能優(yōu)勢，峰、量的削減效果優(yōu)于單獨措施。兩種類型LID 開發(fā)組合措施比單一LID 措施控制效果好，組合方案可以極大的改善研究區(qū)域的排水現(xiàn)狀。從總體上來看，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，兩種單一的LID 措施和組合措施仍有著顯著的效果但是削峰減流的效果與低重現(xiàn)期相比略有減弱，即說明對于極端降雨來說LID 的改造效果仍然受限。研究結(jié)果在一定程度上證明了低影響開發(fā)是傳統(tǒng)建設模式的有效替代方法，并保證了改造區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的多樣性。

表2 匯總結(jié)果

6 結(jié)論

6.1 通過SWMM 模型多次模擬，證明該模型(城市暴雨洪水管理)具有相當完善的功能，可以為未來的海綿城市建設提供豐富的數(shù)據(jù)資料和模型模擬，為城市內(nèi)澇，水資源短缺提供更多的解決方案。

6.2 本文在模擬時選擇使用芝加哥雨型，盡管該雨型使用廣泛，但由于研究區(qū)域有自身的特點，難免會產(chǎn)生小幅度誤差，因而如果有研究區(qū)域的實測將與數(shù)據(jù)，可以與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合進行修正，提高模型的準確性。此外，模型的部分參數(shù)采用經(jīng)驗公式，一些參數(shù)僅僅通過查閱文獻進行選定，因而模擬結(jié)果對實際情況只具有一定的參考意義。