基于SWMM的透水性路面水文效应分析

梁春娣 孙艳伟

（1.太原理工大学山西太原 030024；2.山西省水利水电科学研究院 山西太原030002；3.华北水利水电学院河南郑州 450011）

随着城市化进程的加速，伴随而来的一系列问题也给现代人的生活带来了困扰。其中最主要的是对城市水系及其所属的流域水源造成了一定程度的破坏。对天然水体的水循环造成一定程度的干扰。尤其近年来不断出现的淡水资源供需矛盾、洪涝灾害频繁发生以及河流生态环境恶化等问题。传统混凝土路面在暴雨季节，路面积水严重，而采用透水性较好的多孔性混凝土等铺设的透水性路面，能使暴雨径流在很短的时间内入渗到更深层的土壤中，对城市中的人行道或者停车场等交通量不大的路面来说，能有效地避免雨天积水。LID（Low Impact Development）是以维持或者复制区域天然状态下的水文机制为目标，通过采取一系列措施创造与天然状态下效果相当的水文条件及土体情况，取得对生态环境产生最低负面影响的设计策略。其中，透水性路面是一种典型的LID措施，并在西方国家得到了广泛和深入的研究，因此，探讨透水性路面的水文调控性能，对于解决城市的雨洪问题具有重要的理论和实践指导意义。

1 透水性路面及其调控机理

从调控机理的角度来讲，透水性路面是一种典型的通过降低城市产流面积进而实现径流调控的LID雨洪调控措施。具备适宜面积的透水性路面，在快速入渗自身降水的同时，也可入渗来自邻近区域的降水径流，从而降低产流区域的面积。此外，对排水不便的道路或者区域来说，透水性路面是最为理想的雨洪调控方式。

2 模型的建立

2.1 SWMM模型

SWMM是美国环境保护署（EPA）开发的一个基于单个降水事件或者长期降水序列的降水—径流模拟软件，主要用于对城市发展区域的水量或水质进行动态模拟。SWMM通过一系列能够接收降水的子区域作为径流或者污染物的来源，并通过传输系统，如管道、渠道、储存/处理设施、泵及调节器等来实现水文、水力以及水质方面的模拟，并能以多种形式对结果进行输出。在一次模拟过程中，SWMM可以实时记录每个子区域以及管道系统的径流流量、径流速度、径流深度和污染物产量。现在，SWMM已在世界范围内被广泛用于城市暴雨径流、流域规划、排水管道系统等的模拟、分析和设计中，并逐渐在非城市区域得到应用。本文利用SWMM，通过一个城市小区的停车场所修建的不透水性路面，分析其水文效应。

2.2 应用区域

该停车场面积为0.017 km2，由于该区面积不大，且所处位置地形较低，可认为该小区径流均流向停车场，并经透水性路面调控。该区城市化发展前（即天然状态下）不透水性面积比例为5%，城市化后（普通混凝土路面条件）利用地理信息系统软件—ArcGIS的统计功能获得其不透水性面积比例为86%。利用重现期分别为2年、10年以及100年的设计暴雨分析透水性路面的洪峰消减效应，如图1所示。

图1 重现期为2年、10年及100年设计降水分布图

2.3 基于SWMM的透水性路面模拟

SWMM通过各分区域来模拟区域的汇流、产流及入渗过程，通过雨量站模拟不同的降雨过程。其中，透水性路面在SWMM中可由一个100%透水性的区域来模拟实现，径流形成采用非线性水库模型，入渗采用Horton入渗模型。修建透水性路面所用透水性混凝土的厚度为20.32 cm，其孔隙度为0.18；储存区域的厚度为30.48 cm，其孔隙度为0.40，则透水性路面实际的储水深度为15.8 cm。其中，透水性材料的曼宁系数为0.03。经校核后，透水性路面在SWMM中的主要特征参数如表1所示。

表1 透水性路面的主要特征参数

2.4 模型的主要输入参数

区域宽度、平均坡度、区域面积、区域不透水性面积比例等利用地理信息系统软件—ArcGIS的统计功能获得，通过实测资料获得Horton入渗方程的参数。再根据实测的流量和降水资料对模型各参数进行校核。得出SWMM模型区域的各参数如表2。

表2 SWMM模型区域主要输入参数

3 模型运行结果及透水性路面水文效应分析

本文对如下三种情况进行模拟：（1）城市发展前（天然状态下），（2）城市发展后无调控措施（普通混凝土路面条件下），（3）城市发展后有调控措施（透水性路面条件下），并分别模拟2年、10年、100年设计降雨下透水性路面的水文效应，并采用洪峰流量和洪量两个指标分析透水性路面的水文调控性能，其结果如表3和图2至图4所示。

表3 不同设计降水下透水性路面的洪峰流量和洪量消减比例

由表3可以看出，城市化显著增加了一场降水中的洪峰流量和洪量。对于2年、10年和100年设计降水来讲，城市化后的洪峰流量是发展前的8.7、6.5和5.1倍，同样地，城市化对洪量的改变也是非常显著的。而经由透水性路面进行调控后，其洪峰流量和洪量甚至小于区域发展前的值，表明透水性路面几乎能够吸收区域产生的绝大部分径流。

图2 2年降水时不同情景下的径流过程线

图3 10年降水时不同情景下的径流过程线

图4 100年降水时不同情景下的径流过程线

图2至图4揭示了不同设计降水条件下无调控措施和经透水性路面调控后的径流过程曲线。与表3所对应，其径流过程曲线同时也反映了透水性路面显著的调控性能。透水性路面具备显著的径流调控性能的主要原因除了其本身渗透快的特性外，另外一个主要的原因是透水性路面将原本低透水的区域转化为高透水性的区域。在本研究中，透水性路面的修建将原有的区域不透水性系数由86%降低为35%，可有效地降低区域不透水性面积上的产流量。

4 结论

城市化进程对路面造成的最直接影响是路面由透水性向不透水性转化，进而导致了一系列水文环境的变化和下游河道径流态势的改变。本文利用SWMM模型，采用不同重现期的降水事件模拟了透水性路面的水文效应。模拟结果表明作为典型的低影响发展的雨洪调控措施，透水性路面具有显著的洪峰和洪量消减功能，并能有效地入渗补给地下水。但是，修建透水性路面的成本是比较高的，其透水性混凝土的原材料价格要远高于修建入渗带和生物滞留池等。这也是透水性路面没有普及的原因之一。随着价格低廉的透水性材料的问世，透水性路面将会越来越普及，这样就会减轻城市化对水环境的危害，实现人与自然的和谐发展。