基于SWMM 模型對(duì)工業(yè)園區(qū)的LID 方案設(shè)計(jì)研究

李順

（1、安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽合肥 230601 2、水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230601）

2012 年,“海綿城市”概念首次在中國(guó)被提出。在之后的研究探討與實(shí)踐中，我國(guó)從最開(kāi)始借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的LID-低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)，到形成屬于自己的一套海綿城市建設(shè)理論與指導(dǎo)方案，取得了一定的成果[1]。但由于我國(guó)地域跨度大，地形地貌復(fù)雜，2012 年前城市化已經(jīng)得到快速發(fā)展，城市中不透水面積不斷加大，這導(dǎo)致海綿城市理念提出后，需要面對(duì)一個(gè)棘手的問(wèn)題：已建成區(qū)如何按照海綿城市理念進(jìn)行科學(xué)改造。

1 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域位于安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的一個(gè)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15.5℃，年平均降雨量1120mm，地下基巖埋深10-15m，無(wú)明顯地下河道，無(wú)地質(zhì)斷層[2]。區(qū)域總占地125 公頃，坡度0.3%～0.4%。區(qū)域?qū)嵭杏晡鄯至髦?，雨水總體沿著北→南走向流入玉屏路排水干管，隨后流向下游的派河。

2 模型構(gòu)建

2.1 SWMM 子匯水區(qū)劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的管網(wǎng)布置圖，再利用衛(wèi)星影像和區(qū)域高程把研究區(qū)域劃分為41 個(gè)子匯水區(qū)，57 個(gè)節(jié)點(diǎn)，68 個(gè)管段。雨水干管與支管根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求為鋼筋混凝土管，曼寧系數(shù)取0.013[3]。詳細(xì)劃分見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域SWMM 概化平面

2.2 設(shè)計(jì)降雨序列

芝加哥雨型是以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)，引入暴雨雨峰位置參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)雨強(qiáng)過(guò)程線，適用于城市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間分配[4]。本次模擬結(jié)合合肥暴雨強(qiáng)度公式[5],運(yùn)用芝加哥雨型模擬重現(xiàn)期為5a、10a 的降雨過(guò)程曲線，雨型中峰值比例為0.5，降雨歷時(shí)180min，降雨過(guò)程曲線如圖2 所示。

圖2 不同重現(xiàn)期暴雨的降雨過(guò)程線

合肥市降雨強(qiáng)度公式（1）

式中，Q 為合肥市設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（1/s.ha）；P 為重現(xiàn)期（a）；t 為降雨歷時(shí)（min）。

3 現(xiàn)狀模擬以及原因分析

SWMM 演算選用動(dòng)態(tài)波模型，改造前對(duì)區(qū)域分別進(jìn)行5a、10a,時(shí)長(zhǎng)為6H 的模擬。節(jié)點(diǎn)的溢流等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 節(jié)點(diǎn)溢流水位等級(jí)

2020 年6 月底的強(qiáng)降雨導(dǎo)致玉屏路與方興大道交口以南350m 處路段積水嚴(yán)重，在本次模擬對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)1-4 和1-4+2 產(chǎn)生的積水。主要原因有：a.節(jié)點(diǎn)所在的子匯水區(qū)不滲透面積占比過(guò)大;b. 玉屏路主管道所預(yù)留的側(cè)邊支管管徑偏小。

4 LID 方案設(shè)計(jì)

LID 廣義上指在城市開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中采用源頭消減，中途傳輸，末端調(diào)蓄等手段通過(guò)滲、滯、蓄、凈、用、排來(lái)降低強(qiáng)降雨帶來(lái)的不利影響。相比于傳統(tǒng)排水，低影響開(kāi)發(fā)更注重源頭與中間的雨水徑流處理[6]。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行LID 設(shè)計(jì)并且尋找出最佳的參數(shù)設(shè)計(jì)范圍。

綠色屋頂與下沉式綠地:

對(duì)研究區(qū)域分析得到不同子匯水區(qū)可實(shí)施的綠色屋頂面積占比，最高75%，最低為30%，集中為40%～45%。本研究采用狹義的下沉式綠地，其指低于周邊鋪砌地面或道路在200mm 以內(nèi)的綠地[7]。

4.1 參數(shù)設(shè)定

綠色屋頂和下沉式綠地參數(shù)取值范圍由SWMM 手冊(cè)確定，部分參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)值，經(jīng)驗(yàn)值確定不了的敏感性低的參數(shù)直接采用SWMM 默認(rèn)值，參數(shù)敏感性由相關(guān)文獻(xiàn)確定[8]，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 綠色屋頂和下沉式綠地參數(shù)分析表

4.2 綠色屋頂?shù)耐寥缹雍穸?/h3>

綠色屋頂土壤層厚度為中度敏感參數(shù)，在取值范圍內(nèi)設(shè)置為變量，研究變量對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流的影響。以可改造綠色屋頂，面積占比較大，具有代表性的子匯水區(qū)1-21 為例，模擬P=5a、P=10a，綠色屋頂面積在該子匯水區(qū)占比為45%，75%時(shí)節(jié)點(diǎn)1-4+2（最大深度1.5m）溢流情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)P=5a 溢流不明顯，P=10a 溢流水位的最高值和平均值如圖3 所示。

由圖3 可得：綠色屋頂占比45%，土壤層厚度105～135mm 時(shí)曲線非常平緩且無(wú)限接近，這說(shuō)明變量在該范圍內(nèi)取值時(shí)接近最優(yōu)消洪效果。占比75%，土壤層厚度=105mm 時(shí)，節(jié)點(diǎn)已無(wú)溢流，達(dá)到最優(yōu)消洪效果。

圖3 綠色屋頂占比、土壤厚度與節(jié)點(diǎn)水位關(guān)系（a b 分別表示綠色屋頂占比為45%、75%時(shí)節(jié)點(diǎn)水位的最高值和平均值）

4.3 下沉式綠地變量取值影響

下沉式綠地的消洪效果與表面層、土壤層的厚度有密切聯(lián)系[9,10]。對(duì)多個(gè)子匯水區(qū)模擬發(fā)現(xiàn)下沉式綠地在表面蓄水深=110mm 和土壤層厚度=290mm 時(shí)節(jié)點(diǎn)水位不再下降。這說(shuō)明該地區(qū)在進(jìn)行下沉式綠地改造時(shí)表面蓄水層和土壤層厚度分別不應(yīng)超過(guò)110mm、290mm，否則水位再降低的幅度很小。

4.4 上游LID 對(duì)相對(duì)下游LID 的影響

為了研究上游的子匯水區(qū)LID 措施對(duì)下游的子匯水區(qū)排水節(jié)點(diǎn)溢流的影響程度。選取上游的子匯水區(qū)1-19 和下游的子匯水區(qū)1-18，節(jié)點(diǎn)1-4+2 為研究對(duì)象。具體步驟：在P=2a，子匯水1-19 先后設(shè)置為有和無(wú)下沉式綠地（最優(yōu)參數(shù)），子匯水區(qū)1-18 先后設(shè)置變量為最小和最優(yōu)的下沉式綠地，最后模擬節(jié)點(diǎn)溢流水位（最優(yōu)變量和最小變量是指在表2 中的參數(shù)，非變量直接取概定值，變量最優(yōu)由4.1.3 節(jié)確定，變量最小為取值范圍內(nèi)最小值），帶入P=5a，P=10a 重復(fù)上述步驟記錄溢流水位。P=5a，P=10a 溢流水位見(jiàn)圖4。

由圖4 得：上游無(wú)LID 措施，相對(duì)下游LID 的優(yōu)化在時(shí)間為2:24 后對(duì)降低節(jié)點(diǎn)水位起的作用越來(lái)越??；上游有LID措施，相對(duì)下游LID 的優(yōu)化則對(duì)降低節(jié)點(diǎn)水位一直有可觀的效果。

圖4 上下游LID 之間聯(lián)系

5 改造結(jié)果分析

將綠色屋頂，下沉式綠地對(duì)個(gè)別子匯水區(qū)域研究應(yīng)用到所有可設(shè)置LID 的子匯水區(qū)域中，得到重要節(jié)點(diǎn)的溢流水位見(jiàn)表3。

對(duì)比表3 可以看出，幾個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)溢流水位有顯著的降低且不再有重度積水現(xiàn)象，有近50%的節(jié)點(diǎn)在P=10a 時(shí)溢流水位<0.15m。

表3 P=10a，改造前后主要節(jié)點(diǎn)溢流水位對(duì)比

6 結(jié)論

6.1 在海綿城市建設(shè)改造中，不同地區(qū)綠色屋頂和下沉式綠地的敏感參數(shù)變量并不是在《指南》和相關(guān)規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)取值越高越好，要因地制宜，選擇適當(dāng)?shù)耐寥篮托钏畬雍穸炔粌H能夠起到接近最優(yōu)消洪效果，還能降低后期維護(hù)的困難。

6.2 對(duì)于整個(gè)區(qū)域排水系統(tǒng)，LID 措施加入子匯水區(qū)后會(huì)對(duì)該區(qū)域排水節(jié)點(diǎn)起到顯著的消峰作用，對(duì)于下游節(jié)點(diǎn)也起到間接性作用，使其他各節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間降低5～15min 不等，所以在海綿城市建設(shè)中有效地對(duì)上游進(jìn)行改造起到的效果是更好的。