基于SWMM模型的萍鄉(xiāng)城市道路LID措施組合模式研究

李 浩 裘鴻菲 馬薛騎 李婭琪

在城市化及氣候變化過程中，世界上許多城市出現(xiàn)了洪澇災(zāi)害頻發(fā)，徑流污染加重、水體環(huán)境惡化等問題，針對這些問題，不同國家采取了不同的應(yīng)對措施。我國在借鑒西方經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，采用一些過程、末端措施來改善的同時，已經(jīng)開始嘗試采用基于源頭控制的低影響開發(fā)（LID）技術(shù)并做了大量相關(guān)基礎(chǔ)研究[1]。2019年4月11日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51345—2018），對規(guī)范海綿城市建設(shè)，完善考核評價標(biāo)準(zhǔn)提供了準(zhǔn)則。經(jīng)過近些年的研究及發(fā)展，海綿城市的研究視角和格局更加多元和系統(tǒng)[2]，但由于各地區(qū)氣候、土壤、水文等基礎(chǔ)情況不同，建立不同地區(qū)和不同尺度的雨洪管理實踐數(shù)據(jù)庫就非常有必要[3]。

目前國內(nèi)關(guān)于海綿城市道路的研究，胡愛兵[4]以深圳光明新區(qū)LID道路為例，介紹了SWMM模型構(gòu)建方法，設(shè)置對照組對比分析了LID設(shè)施道路在削減徑流峰值和徑流總量的作用；許萍[5]、張碩[6]利用SWMM模型深入分析了影響LID控制效果的參數(shù)取值范圍并進行了優(yōu)化及敏感度分析，為LID設(shè)施在道路的應(yīng)用上提供了參數(shù)率定借鑒。Chuanhui Gu[7]通過建立一種水文模型模擬了LID對流域的雨水徑流及道路鹽污染，結(jié)果表明LID設(shè)施可以降低徑流和道路鹽污染濃度，同時LID可以通過加強地下水補給來稀釋河流中的鹽污染。Yuning Cheng[8]在考慮美學(xué)偏好、垃圾管理和節(jié)水方面的功能要求之上提出了一種新型雨水管理系統(tǒng)設(shè)計，以適應(yīng)實際項目的自然和社會因素要求。

國內(nèi)相關(guān)研究對象多集中于北京、上海、深圳等地，但由于每個地區(qū)城市水文環(huán)境以及城市下墊面等相關(guān)情況的特殊性，因地制宜運用低影響開發(fā)技術(shù)就顯得尤為必要。為此，本文在借鑒前人研究成果之上，運用SWMM模型對江西萍鄉(xiāng)地區(qū)城市道路的低影響開發(fā)的效益及參數(shù)優(yōu)化進行研究，篩選對雨水控制效果較好的方案組合，更好地發(fā)揮低影響開發(fā)技術(shù)效益，為萍鄉(xiāng)市海綿城市建設(shè)提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

本文選擇江西省萍鄉(xiāng)市新建設(shè)的G320國道武功山大道段作為研究對象。萍鄉(xiāng)市位于江西省西部，全年雨量充沛，市區(qū)多年平均降水量為1586m m，降雨集中于汛期4—6月。武功山大道主要分為兩期，全長10.4km，道路路幅寬度60m，其中一期工程（硤石橋至通久路段即一期工程）位于萍鄉(xiāng)市中心城區(qū)，全長約6.7km，是萍鄉(xiāng)市東西向交通的中心軸線。二期工程（上柳源與青山交界處至硤石橋）全長3.7km，道路路幅寬度為60m，主路為雙向6車道，輔路為雙向4車道，綠化率為15%。根據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿城市辦2015年試點建設(shè)任務(wù)要求，此工程年徑流控制率需達(dá)到65%～85%。根據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿城市辦2015年試點建設(shè)任務(wù)要求及《海綿城市建設(shè)指南》中的要求，將年徑流控制率保持在70%～85%。在控制目標(biāo)為70%時，設(shè)計降雨量為19.5mm；在控制目標(biāo)為85%時，設(shè)計降雨量為33mm（表1）。

表1 萍鄉(xiāng)市年徑流總量控制率及對應(yīng)降雨量關(guān)系一覽表

2 LID場景布設(shè)方案

低影響開發(fā)模式布設(shè)的原則為：以當(dāng)?shù)氐乃囊貥?gòu)思整體設(shè)計框架，從微觀角度采用便捷的設(shè)計方法進行設(shè)計，盡量減少不透水面積[9]，延長徑流路徑，充分利用入滲能力以延長徑流時間，構(gòu)建多功能的土地景觀[10]。本文結(jié)合萍鄉(xiāng)市G312國道現(xiàn)有開發(fā)建設(shè)情況，遵循LID布設(shè)原則，提出建立植草溝、下沉式綠地、雨水花園3種LID布設(shè)方案（圖1），然后將其分別與透水鋪裝進行組合?？紤]到后期維護便捷以及道路承重要求，透水鋪裝主要布設(shè)在非機動車道和人行道，而機動車道依然采用常規(guī)材料鋪設(shè)（表2）。

圖1 海綿城市道路LID場景布設(shè)方案

表2 道路LID 措施運用

3 模型構(gòu)建

3.1 SWMM模型簡介

暴雨雨洪管理模型SWMM是在US EPA（Environmental Protection Agency）資助下于1971年開發(fā)的一款用于模擬降雨徑流的暴雨洪水管理模型，包括水文、水力、水質(zhì)三個模塊，可實現(xiàn)對水量、水力、水質(zhì)過程的模擬。新版SWMM5.1模型中添加了LID措施模塊，可模擬透水鋪裝、下凹綠地、植草溝、生物滯留區(qū)等典型低影響措施，并在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[11]。本研究主要利用水文模塊、水力模塊水質(zhì)模塊和LID模塊進行模擬，涉及的過程包括地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)匯流。

3.2 研究區(qū)域概化

（1）道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理（表3）

表3 模型基本數(shù)據(jù)及獲取途徑

選取武功山大道為研究對象，基于SWMM軟件構(gòu)建城市暴雨計算模型。首先做好相關(guān)資料收集工作，主要包括降雨歷時、下墊面數(shù)據(jù)等；其次對道路CAD底圖進行數(shù)據(jù)篩選整合處理，保留工業(yè)路檢查井?dāng)?shù)量、檢查井地面高程標(biāo)注[12]；管道數(shù)量、管道上下游管底標(biāo)高、管道標(biāo)注等基本圖元屬性數(shù)據(jù)。為后期處理背景圖片，繪制相應(yīng)的管段、節(jié)點、匯水面積等圖元信息做好準(zhǔn)備工作。

（2）子匯水區(qū)劃分

根據(jù)道路功能的不同及雨水管網(wǎng)的分布現(xiàn)狀，對研究區(qū)域進行概化。LID城市道路子匯水區(qū)具體劃分原則如下：道路路面、各個綠化帶（包括中央綠化帶和兩側(cè)綠化帶）、人行道非機動車道、輔道自成獨立的匯水區(qū)；縱坡坡度變化處；在十字路口、丁字路口處，依據(jù)各側(cè)道路的坡向來劃分匯水區(qū)；其他設(shè)施，例如公交車站等，根據(jù)其實際徑流流向來劃分匯水區(qū)。依據(jù)以上原則及方法，對該道路進行子匯水區(qū)劃分。

模擬對象選定為武功山大道一期工程已建部分道路，截取典型路段長進行研究，紅線寬度為60m，其雨水系統(tǒng)概化基于以下兩點假設(shè)：①降雨在整個道路上是均勻的，即各點降雨強度相等。②將整個區(qū)域劃分為若干個子匯水區(qū)，每個子匯水區(qū)雨水就近匯入管網(wǎng)節(jié)點[13]，然后基于SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合研究區(qū)域管網(wǎng)資料與LID城市道路子匯水區(qū)具體劃分原則，將研究區(qū)域劃分為95個子匯水區(qū)，雨水管網(wǎng)概化為37個節(jié)點和57段管道，雨水管道最大直徑設(shè)置為600mm，共設(shè)置4個排出口（圖2）。

圖2 萍鄉(xiāng)市G320國道某段道路SWMM模型概化

3.3 參數(shù)選擇

模型參數(shù)的取值主要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r并參考SWMM模型用戶手冊[14]中的推薦值及相關(guān)文獻(xiàn)[15]。降雨入滲過程采用Horton入滲模型進行模擬, 模型需要輸入的最大入滲率f∞、最小入滲率f0、衰減系數(shù)α分別取76.2mm/h、10mm/h、3h-1。地表徑流的匯流計算采用非線性水庫模型，模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動力波模型。對TNTPCOD三種主要污染物進行水質(zhì)模擬，選用飽和函數(shù)、指數(shù)函數(shù)分別模擬污染物的累積和沖刷過程[16]。其他模型參數(shù)見表4[10]、表5[16]。

表4 SWMM模型基本參數(shù)的取值

表5 不同土地利用方式地表污染物累計及沖刷模擬參數(shù)

3.4 設(shè)計雨型

芝加哥雨型是由Keifer等根據(jù)降雨記錄的統(tǒng)計平均值得出的，復(fù)合IDF曲線（強度-歷時-頻率曲線）關(guān)系生成[17]，得到了國內(nèi)諸多學(xué)者的認(rèn)可[18-19]，目前已成為我國《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》（2014）版推薦雨型。因此運用采用芝加哥雨型作為降雨設(shè)計模型，按照萍鄉(xiāng)市暴雨強度公式，可分別計算出設(shè)計重現(xiàn)期為1年、3年、5年、10年的降雨量，峰值出現(xiàn)時間約為降雨后的95分鐘前后，得到降雨總量結(jié)果分別為44.8065mm、61.481mm、69.234mm、79.755mm以及不同重現(xiàn)期下萍鄉(xiāng)市3小時降雨時程分布情況（圖3）。萍鄉(xiāng)市暴雨強度公式如式所示：

圖3 不同重現(xiàn)期下的降雨分布情況示意圖

式中：q 為設(shè)計暴雨強度（L/s·ha）

P 為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期（年）

T 為降雨歷時（分鐘）

4 模擬結(jié)果與分析

本研究基于前期研究基礎(chǔ)[20-22]之上主要分析各組合LID設(shè)施在不同下凹深度下，其對雨水徑流控制以及污染負(fù)荷控制的效益。

4.1 LID組合措施雨洪控制效益分析

經(jīng)過模型的運算及計算，得到不同參數(shù)下LID設(shè)施組合模式徑流控制結(jié)果（表6）。通過對表中數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)。

表6 不同參數(shù)下LID措施組合模式徑流控制效果

①L I D 組合模式能夠起到削減和滯后洪峰的作用，各重現(xiàn)期下L I D組合模式徑流峰值有所減少，峰現(xiàn)時間滯后，這是優(yōu)于個LID措施能在一定程度上提高城市“滲”“滯”“蓄”的能力。

②對于不同下凹深度下，隨著下凹深度的增加，滲透鋪裝+下凹式綠地與滲透鋪裝+雨水花園組合模式的雨水徑流控制效果差異性明顯。而且二者在小重現(xiàn)期下對于雨水徑流削減效果接近，可以替換使用。隨著重現(xiàn)期增大，二者組合模式差異性凸顯，滲透鋪裝+雨水花園組合能夠發(fā)揮更好的調(diào)蓄效益。

③三種組合模式均可以有效延緩峰值，同時部分參數(shù)下，LID組合模式出現(xiàn)徑流峰值先增大后減小的情況，這是由于組合模式徑流控制效果在開始尚未達(dá)到飽和，在某一重現(xiàn)期下達(dá)到分界值，隨著重現(xiàn)期增大，效果逐漸減小。

在最優(yōu)參數(shù)下，滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園模式?jīng)]有發(fā)生溢流，滲透鋪裝+植草溝發(fā)生溢流。因此，通過模型對滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園模式進行目標(biāo)控制評價。

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中對年徑流總量控制率的要求，確定江西地區(qū)徑流控制目標(biāo)為70%≤α≤85%。城市年徑流總量控制率70%對應(yīng)的設(shè)計降雨量值約為24.5mm。年徑流總量控制率85%對應(yīng)的設(shè)計降雨量值約為43.3mm。根據(jù)暴雨強度公式將重現(xiàn)期和控制目標(biāo)70%～85%，分別將重現(xiàn)期調(diào)整為p=0.56和p=1.09，并得出其降雨分布示意圖（圖4）。

圖4 P=0.56a和1.09a不同設(shè)計重現(xiàn)期下的降雨分布情況示意圖

通過模型驗證在p=0.56和p=1.09年時（即徑流控制目標(biāo)為70%和85%時），不同LID措施組合的雨水在一定范圍內(nèi)是否發(fā)生溢流。

由表7可知，在不同參數(shù)下，為滿足控制率為70%的目標(biāo)即p=0.56時，滲透鋪裝+下沉式綠地組合模式和滲透鋪裝+雨水花園組合模式在下凹深度為100～200mm時都能達(dá)到控制率要求，在p=1.09時，滲透鋪裝+下沉式綠地組合模式和滲透鋪裝+雨水花園組合模式在下凹深度為200mm時可以滿足指南85%的控制目標(biāo)。

表7 不同參數(shù)下雨水徑流控制目標(biāo)評價

4.2 LID組合措施控污效益分析

通過前期模型運算發(fā)現(xiàn)，各LID設(shè)施的下凹深度對污染物負(fù)荷的控制效果差異不大，因此，僅研究在下凹深度為200mm時各LID組合模式控污效果（表8）。水質(zhì)模擬結(jié)果分析如下。

表8 不同參數(shù)下LID措施組合模式控污效果

①由表8可知，在不同暴雨強度下，含有LID措施的城市道路污染負(fù)荷總量均低于不含有LID設(shè)施的城市道路污染符合總量，說明LID設(shè)施對雨水徑流中的污染物具有一定的凈化作用。

②在相同重現(xiàn)期下，各LID組合模式的削減效果依次為：雨水花園+滲透鋪裝＞下沉式綠地+滲透鋪裝＞植草溝+滲透鋪裝。在一年重現(xiàn)期時，雨水花園+滲透鋪裝比植草溝+滲透鋪裝對污染物削減率高約25%，且隨著重現(xiàn)期的增大，差異逐漸縮小，在10年重現(xiàn)期時，差異縮小到約5%。

③隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，各LID設(shè)施對各項污染物負(fù)荷總量的削減率逐漸下降，當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到10時，各LID設(shè)施對各項污染物負(fù)荷總量的削減率下降到50%左右，這是因為隨著降雨強度的增加，徑流中的污染物也相應(yīng)增多，但LID設(shè)施的凈化能力與滯蓄有限，使得超標(biāo)暴雨無法進入設(shè)施內(nèi)部凈化，隨著溢流設(shè)施進入雨水管網(wǎng)流出。

④當(dāng)滿足徑流控制目標(biāo)為70%和85%時，即暴雨重現(xiàn)期P=0.56，P=1.09時，其所對應(yīng)的滲透鋪裝下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園的污染物負(fù)荷總量削減率如表9所示。

表9 不同參數(shù)下雨水控制目標(biāo)評價

通過表9可以發(fā)現(xiàn)，滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園兩種組合模式均能有效降低CODTNTP三種污染物，削減率均高于70%，且兩種組合方式的在暴雨小重現(xiàn)期下凈化能力相當(dāng)。

結(jié)語

利用SWMM模型對萍鄉(xiāng)市G320國道3種LID設(shè)施組合模式出口的斷面徑流及污染物負(fù)荷進行模擬，表明：①利用SWMM模型對萍鄉(xiāng)市G320國道3種LID設(shè)施組合模式出口的斷面徑流及污染物負(fù)荷進行模擬，發(fā)現(xiàn)不同組合方案的雨洪控制效果與控污效果不同，降雨重現(xiàn)期越大，各組合方案的雨洪控制效果與控污效果越小，而各組合方案之間的雨洪控制效果與控污效果的差異越顯著。②為了滿足國家城市年徑流總量控制率，可以在滿足要求的方案里選擇LID設(shè)施下凹深度最低的方案，既節(jié)約建設(shè)成本，又保證了LID設(shè)施的綜合效益。③綜合考慮經(jīng)濟性等因素，對于萍鄉(xiāng)市而言，為了達(dá)到徑流總量控制率70%的要求，下沉式綠地+透水鋪裝組合、雨水花園+透水鋪裝組合中下沉式綠地與雨水花園的下凹深度分別到達(dá)200mm、150mm即可。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪或改繪。