基于SWMM模型的西安地鐵停車(chē)場(chǎng)海綿城市建設(shè)效果模擬

彭思琪，代文江

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)階段城鎮(zhèn)化發(fā)展速度越來(lái)越快[1],城市建設(shè)快速發(fā)展使得地面硬化率迅速增大,滲透能力降低。城市降雨不能夠截留,地表蓄流量減少,自然調(diào)蓄能力被削弱[2]。加上城市熱島效應(yīng)和全球氣候變暖的大背景,超大城市變得更加容易成為暴雨中心,這無(wú)疑加劇了城市內(nèi)澇問(wèn)題的幾率[3]。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,低影響開(kāi)發(fā)（Low impact development,LID）理念在城市建設(shè)當(dāng)中開(kāi)始不斷參與實(shí)施[4]。以LID建設(shè)為核心思想的海綿城市建設(shè)理念,通過(guò)下凹式綠地、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、透水鋪裝、雨水調(diào)蓄池等設(shè)施盡可能還原雨水的自然循環(huán)過(guò)程,使雨水徑流可以從源頭被消納,進(jìn)而減少或者削弱城市內(nèi)澇的影響。

本文以陜西省西安市城市軌道交通地鐵3號(hào)線魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)園區(qū)為研究對(duì)象,通過(guò)SWMM水文模擬軟件對(duì)該園區(qū)采用低影響開(kāi)發(fā)措施和現(xiàn)狀條件下降雨過(guò)程模擬,從而分析和評(píng)價(jià)在不同重現(xiàn)期降雨條件下的徑流控制和污染負(fù)荷削減情況。

1 研究區(qū)域背景概況

西安市城市軌道交通地鐵3 號(hào)線魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)園區(qū)位于西安市主城西部,總占地面積10.58 hm2。陜西西安地處關(guān)中平原腹地,南鄰秦嶺。北至黃土高原；氣候類(lèi)型為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)型氣候,平均氣溫13.3℃,年平均降雨量為629.9 mm。6月～10 月降雨較為集中,約占全年降雨量60%,且以短歷時(shí)高強(qiáng)度前雨峰型降雨為主,易造成城市內(nèi)澇災(zāi)害[5-6]。

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概化

根據(jù)綜合管網(wǎng)布置平面圖和實(shí)際勘察數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)概化,將整個(gè)魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)園區(qū)概化為42個(gè)子匯水區(qū)域,55 個(gè)節(jié)點(diǎn),55 條管渠,設(shè)置2 處管網(wǎng)排放口,具體劃分見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)衛(wèi)星圖

圖2 魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)模型概化圖

2.2 降雨數(shù)據(jù)生成

為使降雨數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映工程不同重現(xiàn)期短歷時(shí)的降雨過(guò)程,本文采用最新的西安市暴雨強(qiáng)度公式再利用芝加哥雨型公式進(jìn)行該地區(qū)的降雨設(shè)計(jì),作為SWMM模型的雨量輸入數(shù)據(jù)。

西安市暴雨強(qiáng)度公式：

芝加哥雨型表達(dá)式：

將西安市暴雨強(qiáng)度公式轉(zhuǎn)換為芝加哥雨型表達(dá)式：

參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》《陜西省海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn),本文設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為2 a、5 a、10 a、20 a、50 a,設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)為120 min,雨峰系數(shù)為0.405。設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖3 不同重現(xiàn)期2 h設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線圖

2.3 SWMM模型參數(shù)及優(yōu)化驗(yàn)證

魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)SWMM模型參數(shù)設(shè)置主要通過(guò)兩種方式,一是根據(jù)現(xiàn)有現(xiàn)狀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及海綿建設(shè)改造方案等實(shí)際資料確定雨水管道管長(zhǎng)、管徑、坡度以及子匯水面積區(qū)域下墊面性質(zhì)、面積等參數(shù)；另一方面根據(jù)SWMM用戶手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]推薦的參考值確定透水區(qū)與不透水區(qū)曼寧系數(shù)、下滲模型等參數(shù),其中排水區(qū)域主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 排水區(qū)域主要參數(shù)表

2.4 LID設(shè)施分布及參數(shù)設(shè)置

在SWMM模型中設(shè)置有綠色屋頂、透水鋪裝、雨水桶等多種LID設(shè)施可根據(jù)不同下墊面性質(zhì)進(jìn)行敷設(shè)。本次根據(jù)魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)地情況及海綿設(shè)計(jì)方案出發(fā),主要在建筑物屋頂設(shè)置綠色屋頂；在園區(qū)道路及停車(chē)場(chǎng)設(shè)置透水鋪裝；在園區(qū)綠地設(shè)置生物滯留池（雨水花園）并在可能積水的重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置雨水桶；在線路導(dǎo)軌區(qū)域設(shè)置排水滲渠。各種LID設(shè)施參數(shù)設(shè)置參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10],見(jiàn)表2～表6。

表2 綠色屋頂LID參數(shù)設(shè)置

表6 滲渠LID參數(shù)設(shè)置

2.5 水質(zhì)模塊參數(shù)設(shè)置

通過(guò)SWMM模型模擬魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)園區(qū)COD、TN、SS三種常見(jiàn)污染物的地表匯集以及降雨沖洗過(guò)程。水質(zhì)模塊將所研究區(qū)域的土地利用概化為軟質(zhì)滲透區(qū)、可滲透區(qū)、硬質(zhì)不滲透區(qū)三種類(lèi)型,各個(gè)子匯水區(qū)根據(jù)情況分別賦予其三種土地性質(zhì)的土地面積比。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和SWMM設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)不同土地性質(zhì)選取不同函數(shù)進(jìn)行污染物的累積與沖洗計(jì)算,其參數(shù)設(shè)置[11]見(jiàn)表7。

表7 土地利用污染物模型參數(shù)設(shè)置

表3 生物滯留池LID參數(shù)設(shè)置

表4 透水鋪裝LID參數(shù)設(shè)置

表5 雨水桶LID參數(shù)設(shè)置

2.6 實(shí)測(cè)數(shù)值參數(shù)率定

為了驗(yàn)證模型參數(shù)的選取值是否準(zhǔn)確,采集兩場(chǎng)實(shí)際降雨過(guò)程數(shù)據(jù)（20210401和20210403）進(jìn)行驗(yàn)證,采用Nash-Sutcliffe納什效率系數(shù)來(lái)判斷模型的精度。圖4為2021年4月兩場(chǎng)降雨徑流量的模擬值和實(shí)測(cè)值,經(jīng)過(guò)兩場(chǎng)降雨模擬結(jié)果的納什效率系數(shù)R分別為0.93和0.90,均在0.8以上,由此可得該模型模擬效果良好,可信度高。

圖4 SWMM模型參數(shù)率定與驗(yàn)證模擬結(jié)果

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)SWMM模型分別模擬不同重現(xiàn)期降雨情形下魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)在LID改造前后的徑流過(guò)程與地表污染物質(zhì)沖刷排放過(guò)程,對(duì)比分析海綿城市建設(shè)對(duì)區(qū)域徑流及面源污染的控制效果。

3.1 徑流量模擬結(jié)果分析

圖5～圖8分別展示了5 a、10 a、20 a、50 a重現(xiàn)期2 h降雨情形下,魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)在LID改造前后降雨徑流過(guò)程線及徑流變化趨勢(shì)圖。表8 對(duì)不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域降雨徑流過(guò)程的重要因素進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)LID改造可以有效降低地表徑流峰值,縮短徑流峰值的持續(xù)時(shí)間并且有效減少降雨帶來(lái)的徑流總量。從不同重現(xiàn)期的模擬結(jié)果來(lái)看,隨著重現(xiàn)期的增大,徑流總量削減不斷增大,徑流總量削減率基本相同,呈現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì),分別是58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但隨著重現(xiàn)期不斷增大,徑流峰值削減率卻呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì),分別為56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。分析可以得出LID設(shè)施面對(duì)降雨強(qiáng)度增加的時(shí)候?qū)τ趶搅骺偭康南鳒p能力基本保持不變,但對(duì)于降雨峰值的削弱能力逐漸降低,研究區(qū)域LID減排設(shè)施存在飽和效應(yīng)。

表8 不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域降雨徑流過(guò)程要素分析表

圖7 P-10徑流變化曲線趨勢(shì)圖

圖8 P-5徑流變化曲線趨勢(shì)圖

3.2 水質(zhì)結(jié)果模擬分析

圖9為在五年一遇的降雨條件下魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)排放口三種不同污染物COD、SS、TN排放過(guò)程。由圖9可知,通過(guò)LID改造三種污染物的排放濃度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削減并延后。其中對(duì)于TN污染物排放總量的削減最為明顯,對(duì)于SS污染物的削減滯后最為突出。對(duì)比一般設(shè)計(jì),通過(guò)LID改造可以有效削減污染物隨降雨過(guò)程的排放總量,滯后污染物排放的峰值出現(xiàn),降低該區(qū)域水體的污染負(fù)荷。

圖9 五年一遇降雨污染物COD、SS、TN排放過(guò)程模擬圖

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)SWMM軟件對(duì)不同重現(xiàn)期下LID改造前后魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)降雨徑流及降雨污染物沖刷過(guò)程進(jìn)行模擬和分析,通過(guò)模擬結(jié)果對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),LID建設(shè)可以有效削減研究區(qū)域的徑流總量,控制徑流峰值,降低區(qū)域水體污染負(fù)荷,從而達(dá)到滯蓄雨水、凈化利用的海綿城市理念。

（2）通過(guò)模擬5 a、10 a、20 a、50 a重現(xiàn)期2 h降雨情形下魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)LID設(shè)施改造前后降雨徑流過(guò)程,LID改造可以有效降低降雨的徑流總量,不同重現(xiàn)期下的削減率分別為58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但隨著重現(xiàn)期增大,由于飽和效應(yīng)徑流峰值削減率卻呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì),分別為56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。

（3）通過(guò)LID的改造三種污染物的排放濃度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削減并延后,有效降低該區(qū)域水體的污染負(fù)荷。