基于SWMM 情境模擬的沿海淺山區(qū)低影響的適宜性技術(shù)與集成優(yōu)化研究
——以惠州市為例

陳 哲，蔡仕謙

（惠州學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

城市化等因素導(dǎo)致城市開發(fā)用地前后下墊面由原先的下滲、蓄水較好的藍(lán)綠空間轉(zhuǎn)變?yōu)橥杆圆畹幕疑A(chǔ)設(shè)施，城市頻繁出現(xiàn)內(nèi)澇的同時又極度缺水。為應(yīng)對這一系列矛盾，不同國家在結(jié)合本國國情的基礎(chǔ)上提出了各自的雨水資源化利用管理體系：美國在1970年代頒布第一個雨洪管理法案，提出最佳管理措施（Stormwater Best Management Practices，BMPs），1990年代提出低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）；英國提出可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（Sustanable Urban Drainage Systems，SUDS）；澳大利亞提出水敏性城市設(shè)計（Water Sensitive Urban Design，WSUD）［1］。在此基礎(chǔ)上，中國提出海綿城市（Sponge City）建設(shè)理念。截止2019年，中國常住人口城鎮(zhèn)化率60.6%，已經(jīng)步入城鎮(zhèn)化較快發(fā)展的中后期，城市發(fā)展進(jìn)入城市更新的重要時期［2］。城市開發(fā)建設(shè)前，70%～80%的降雨可通過自然滯滲進(jìn)入地下，但城市化進(jìn)程改變了城市下墊面類型，建成區(qū)無法自主消納開發(fā)前自然下滲部分的降雨，須通過人工設(shè)施增加雨水“滲、滯、蓄、凈、用”的量，減少傳統(tǒng)市政管網(wǎng)外排量。以惠州市為例，《惠州市海綿城市專項規(guī)劃》中規(guī)定：惠州市海綿城市建設(shè)總體目標(biāo)為降雨的70%以上按“滲、滯、蓄、凈、用”的先后順序消納和利用，到2020 年城市建成區(qū)20%以上達(dá)標(biāo)，2030年城市建成區(qū)80%以上達(dá)標(biāo)，對于惠城區(qū)一些老舊街區(qū)需系統(tǒng)考慮［3］，充分利用多種低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計，實現(xiàn)消納指標(biāo)。

采用SWMM模型（Storm Water Management Model，SWMM）對惠州市境內(nèi)的沿海丘陵地帶進(jìn)行雨洪定量研究。該模型具備水文、水力及水質(zhì)3種模擬功能，廣泛應(yīng)用于城市排水管網(wǎng)的設(shè)計、低影響開發(fā)具體設(shè)施的組合設(shè)計等領(lǐng)域［4］。目前采用SWMM在各類型各尺度進(jìn)行定量評估低影響開發(fā)（LID）的水文效應(yīng)已有相關(guān)研究成果：李懷民等［5］以濟(jì)南市某坡地小區(qū)為例，將小區(qū)內(nèi)“馬路行洪”主道路概化為不規(guī)則明渠，基于SWMM模型研究海綿城市改造方案對不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨水文過程影響；張曼等［6］以天津市薊州區(qū)某小區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)既有規(guī)劃設(shè)計方案，在透水鋪裝物理實驗基礎(chǔ)上，建立SWMM模型，模擬不同降雨事件中7種規(guī)劃方案的徑流控制效果，分析在一定區(qū)域內(nèi)采用自然排水系統(tǒng)代替雨水管網(wǎng)的可行性；丁鍶湲等［7］選取廈門市杏林灣地區(qū)作為研究對象，運(yùn)用SWMM技術(shù)構(gòu)建降雨—徑流模型，分別對低影響開發(fā)前后的地塊進(jìn)行不同暴雨重現(xiàn)期情景的模擬，確定地塊內(nèi)澇易發(fā)區(qū)域積水節(jié)點，根據(jù)節(jié)點位置布設(shè)低影響開發(fā)（LID）措施；盧奕蕓等［8］以第二屆河北省園林博覽會（秦皇島）園區(qū)作為研究區(qū)域，利用SWMM軟件模擬對比分析場地開發(fā)前后雨洪調(diào)蓄能力，提出基于水安全目標(biāo)的城市綠地水體設(shè)計方法。

本研究以惠州市沿海淺山區(qū)惠東縣稔山鎮(zhèn)亞婆角某小區(qū)為研究區(qū)域，利用SWMM建模分析該區(qū)域下的居住區(qū)采用不同低影響開發(fā)設(shè)施進(jìn)行雨洪調(diào)節(jié)的作用情況，通過橫向?qū)Ρ饶M實驗得出合適的低影響開發(fā)設(shè)施比例，通過多情境模擬分析為惠州沿海淺山區(qū)類型地區(qū)LID集成優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 SWMM模型構(gòu)建方法

SWMM 模型的構(gòu)建分2 步進(jìn)行：第一步是SWMM模型概化，第二步是設(shè)置雨量計及模型參數(shù)。

第一步：SWMM 模型概化包括子匯水區(qū)和排水系統(tǒng)2部分，本研究區(qū)域由于地形復(fù)雜，采用人工繪制的方式繪制匯水分區(qū)。

第二步：模型內(nèi)參數(shù)設(shè)置包括水文參數(shù)、水力參數(shù)，不考慮水質(zhì)影響。參數(shù)設(shè)置包括子流域面積、特征寬度、平均坡度、匯流長度、不透水面積率、洼蓄量、地表曼寧系數(shù)等［9-10］。其中，子流域面積、平均坡度、匯流長度、管線長度、不透水面積率均通過規(guī)劃圖紙獲取，子流域?qū)挾炔捎脜R水面積除以匯流長度的方式計算［11］。洼蓄量、地表曼寧系數(shù)等參數(shù)參考SWMM用戶手冊的建議值及相關(guān)類似研究的經(jīng)驗值。地表產(chǎn)流計算選用Horton入滲模型。

2 基于SWMM的低影響開發(fā)研究

2.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于廣東省惠州市惠陽區(qū)與惠東縣交界處的稔山鎮(zhèn)亞婆角某小區(qū)，行政上屬惠東縣管轄。研究對象為居住區(qū)，用地面積為313 165.68 m2，主要為沿海山地，場地內(nèi)海拔最高點為139 m，最低點4 m，最大高差達(dá)135 m（圖1）。場地中部和南部有少量地區(qū)坡度在10%以下，大部分地區(qū)的坡度處于30%～60%區(qū)間，少數(shù)地區(qū)坡度在60%以上（圖2）。

圖1 研究區(qū)域高程分析

圖2 研究區(qū)域坡度分析

2.2 SWMM模型概化

由于場地內(nèi)坡度較大，充分考慮場地條件中的居住組團(tuán)分布、雨水管網(wǎng)分布、地塊坡向，采取人工劃分匯水分區(qū)的方法，進(jìn)行SWMM模型概化，圖3將研究區(qū)域劃分為13 個子匯水區(qū)、1 個排放口、137 個節(jié)點、137段管渠。

圖3 研究區(qū)域概化圖

2.3 SWMM模型參數(shù)選擇與率定

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果報告（表1），研究區(qū)域的表層土以素填土與粉質(zhì)黏土為主，垂直滲透系數(shù)為5～250 mm/d，土壤的滲透率變化較大，局部粉質(zhì)黏土層所在的地方透水性較差，大部分地方透水性較好。

2.4 雨型設(shè)計

利用芝加哥雨型生成器生成1、5、10、50 a 共4 種重現(xiàn)期條件下的設(shè)計暴雨過程線，雨峰系數(shù)r取0.4，降雨歷時取120 min，合成降雨時程分布見表2。

表2 不同暴雨重現(xiàn)期下的2 h降雨時程分布

（續(xù)表2）

采用芝加哥雨型作為SWMM 模型雨量計的輸入數(shù)據(jù)。具體暴雨強(qiáng)度公式參考邵堯明、邵丹娜編著《中國城市新一代暴雨強(qiáng)度公式》。［12］

惠州市暴雨強(qiáng)度公式：

芝加哥雨型表達(dá)公式：

惠州市芝加哥雨型表達(dá)公式：

本文將在SWMM 模型中導(dǎo)入不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨數(shù)據(jù)對惠東縣沿海淺山區(qū)用地類型適宜性低影響開發(fā)設(shè)施展開分析研究。

2.5 低影響開發(fā)適宜性技術(shù)分析

研究區(qū)域為典型的沿海淺山區(qū)，場地中部和南部有少量地區(qū)坡度在10%以下，大部分地區(qū)的坡度處于30%～60%區(qū)間，少數(shù)地區(qū)坡度在60%以上。研究區(qū)域綠地與住宅為臺地組團(tuán)式布局，以臺地組團(tuán)+邊坡組合形成匯水單元，產(chǎn)流點多而分散。

針對以上研究區(qū)域特點及SWMM模型中的LID模塊的特性，為方便運(yùn)用SWMM模型對研究區(qū)域進(jìn)行模擬分析，現(xiàn)將LID設(shè)施概化為以下5類：透水鋪裝、綠色屋頂、下凹式綠地、雨水花園、生態(tài)滯留池。運(yùn)用SWMM模型對5種類型分別進(jìn)行單項水文模擬分析及組合水文模擬分析，得出5 種LID 設(shè)施的適宜度，并根據(jù)模擬實驗結(jié)果形成適應(yīng)沿海淺山區(qū)用地類型的LID集成優(yōu)化設(shè)施組合（圖4）。

圖4 研究區(qū)域LID組合實驗方案

2.6 低影響開發(fā)雨洪控制效果分析

2.6.1 低影響開發(fā)設(shè)施選擇

研究區(qū)域共選用了5種SWMM模型中的低影響開發(fā)設(shè)施，根據(jù)SWMM用戶手冊及相關(guān)文獻(xiàn)［13］，完成LID設(shè)施主要參數(shù)設(shè)計（表3）。

表3 LID設(shè)施參數(shù)設(shè)計

（續(xù)表3）

2.6.2 SWMM模型模擬方案設(shè)計

本研究SWMM模型模擬共設(shè)計8個實驗組（表4），實驗組1 為常規(guī)雨水管網(wǎng)開發(fā)，作為重要的對照實驗組。實驗組2方案在實驗組1的基礎(chǔ)上增加5種LID組合設(shè)施，實驗組1和2對比分析組合設(shè)計方案的雨洪控制效果。實驗組3 在實驗組2 的基礎(chǔ)上將雨水管網(wǎng)等灰色雨水設(shè)施替換成為植草溝、生物滯留池等綠色雨洪設(shè)施，對比分析綠色雨洪設(shè)施和灰色雨水設(shè)施的優(yōu)缺點。實驗組4～8為組合方案中單一LID設(shè)施變量實驗，用于分析組合方案中各LID設(shè)施的作用情況。

表4 SWMM情境模擬方案設(shè)計

2.6.3 模擬實驗結(jié)果與分析

通過SWMM模型對以上8組實驗進(jìn)行情境模擬得出相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制表5，得到以下模擬結(jié)果：

（1）在不同降雨重現(xiàn)期條件下，選取的不同情境2、3、4、5、6、7、8模擬實驗組中的徑流總量的削減效果按照削減率從高到低的排序依次為：

50 a：情境3；情境2；情境6；情境7、情境8；情境4、情境5；

10 a：情境3；情境2；情境6；情境7、情境5；情境8、情境4；

5 a：情境3；情境2；情境6、情境5；情境7、情境8、情境4；

1 a：情境3；情境2；情境6、情境5；情境7；情境8、情境4。

（2）模擬得出out1 在不同情境下洪峰流量及LID組合設(shè)施消減洪峰情況。由表5數(shù)據(jù)分析可得出各情境LID設(shè)施組合均具備一定的削減洪峰的作用。

表5 out1不同情境下洪峰流量及削減率

在不同暴雨重現(xiàn)期下，LID 組合設(shè)施方案削減洪峰的作用均最為明顯，單獨(dú)布設(shè)的LID 設(shè)施中10 a 和50 a 暴雨重現(xiàn)期的模擬中下凹式綠地和雨水花園對out1末端的削減效果最好，生物滯留池次之，透水鋪裝效果最差，綠色屋頂在雨洪控制方面受不同暴雨重現(xiàn)期的影響較大，超過10 a 暴雨重現(xiàn)期的降雨綠色屋頂?shù)南鳒p效果最差，10 a 以內(nèi)的暴雨強(qiáng)度綠色屋頂?shù)南鳒p效果較好，可以考慮綠色屋頂?shù)氖褂?。LID 組合設(shè)施的削減作用不是各LID 設(shè)施單獨(dú)布置的簡單疊加，不同LID設(shè)施之間的耦合關(guān)系需進(jìn)一步進(jìn)行研究。此外，在情境3 模擬中采用占道路寬度（12 m）1/4 寬度（3 m）的植草溝取代雨水管網(wǎng)進(jìn)行雨水輸導(dǎo)得出在各降雨重現(xiàn)期洪峰被完全削減，從模擬的角度說明在50 a范圍以內(nèi)的降雨事件中，綠色雨水設(shè)施對其洪峰的消納比灰色設(shè)施更好。

3 基于SWMM的低影響開發(fā)設(shè)計策略

在以上實驗?zāi)M的結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合考慮各類型LID設(shè)施的造價，具體參數(shù)見表6。

表6 實驗LID設(shè)施單價

得出研究區(qū)域惠東縣居住區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計策略：

（1）考慮采用植草溝替代居住區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)，污水管網(wǎng)采取灰色管網(wǎng)的形式，做到雨污分流，居住區(qū)景觀設(shè)計中充分考慮雨水收集與水體景觀之間的水補(bǔ)給關(guān)系。

（2）相同面積下的綠色屋頂對雨洪徑流的消減效果優(yōu)于透水鋪裝，可以考慮居住區(qū)設(shè)計平屋頂，利用綠色屋頂技術(shù)收集居住區(qū)屋頂雨水。

（3）下凹式綠地造價最低，但需結(jié)合種植設(shè)計綜合考慮綠地整體下凹方案，利用好沿海淺山區(qū)地形條件形成排、匯水方案，同時結(jié)合不同耐水濕植物。

由于居住區(qū)設(shè)計是由多目標(biāo)驅(qū)動的結(jié)果，在對該地區(qū)的設(shè)計策略進(jìn)行總結(jié)的時候還需要考慮本實驗研究之外的一些因素。比如通過實驗?zāi)M發(fā)現(xiàn)綠色屋頂技術(shù)比透水鋪裝技術(shù)消納雨水的能力好，但綠色屋頂較透水鋪裝而言需要較好的后期維護(hù)，同時需要考慮沿海高鹽高濕氣候特征條件下的植物適應(yīng)性，植物的抗性也是一個重要的研究問題，因此，實際的設(shè)計策略不應(yīng)只考慮造價和實驗結(jié)果，還需要將后期運(yùn)維階段考慮進(jìn)來。

居住區(qū)低影響開發(fā)設(shè)施組合參照《廣東省綠色建筑設(shè)計規(guī)范》中對星級標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行LID 設(shè)施配套設(shè)置：基本級LID、1星LID、2星LID、3星LID。

（1）基本級LID 開發(fā)綜合考慮經(jīng)濟(jì)與消納效果。優(yōu)先選擇下凹式綠地、生物滯留池、透水鋪裝3 種LID設(shè)施的基本組合結(jié)合傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)布置。其中：下凹式綠地應(yīng)占綠地的30%，生物滯留池應(yīng)占綠地總面積的10%，透水鋪裝占比應(yīng)該達(dá)到硬質(zhì)鋪裝占比的50%。

（2）1 星LID 開發(fā)考慮消納效果適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)因素。優(yōu)先選擇雨水花園、生物滯留池、下凹式綠地、透水鋪裝4 種LID 設(shè)施的基本組合結(jié)合一半植草溝替換傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)。其中：雨水花園應(yīng)占綠地的10%，生物滯留池應(yīng)占綠地的10%，下凹式綠地應(yīng)占綠地的20%，透水鋪裝占硬質(zhì)鋪裝總量的60%。

（3）2 星LID 開發(fā)考慮消納效果及生態(tài)效益。LID設(shè)施布置的優(yōu)先順序為：綠色屋頂、雨水花園、生物滯留池、下凹式綠地、透水鋪裝5種的組合方式結(jié)合全部的植草溝輸導(dǎo)雨洪，做到全綠色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施。具體指標(biāo)設(shè)計：居住區(qū)內(nèi)80%以上的建筑屋頂應(yīng)進(jìn)行屋頂綠化設(shè)計，雨水花園占綠地的20%生物滯留池占綠地的10%，下凹式綠地占綠地的10%，透水鋪裝占硬質(zhì)鋪裝總量的70%。并且需考慮LID設(shè)施在干濕兩季的景觀需要，不可只考慮雨水收集的作用。

（4）3星LID開發(fā)考慮雨洪消納的生態(tài)效益及科普教育。在2 星的基礎(chǔ)上完善雨洪教育的展示系統(tǒng)設(shè)計，需要將雨洪收集、轉(zhuǎn)化及利用的全過程通過可視化的方式展現(xiàn)在場地設(shè)計中。引導(dǎo)普通民眾對雨洪管理的日常關(guān)注。

綜上所述，基于SWMM模型構(gòu)建了研究區(qū)水文模型，較好的分析各種LID 設(shè)施對不同重現(xiàn)期的降雨的單一影響與組合影響。但是，在后續(xù)研究中將深化研究水文水質(zhì)耦合模型以及單一LID設(shè)施間進(jìn)行耦合產(chǎn)生的綜合影響比簡單的疊加多出多少效益。