基于SWMM的场地绿色雨水基础设施水文效应评估—以同济大学校园为例

刘颂 毛家怡 沈洁

LIU Song, MAO Jia-yi, SHEN Jie

基于SWMM的场地绿色雨水基础设施水文效应评估—以同济大学校园为例

刘颂 毛家怡 沈洁

LIU Song, MAO Jia-yi, SHEN Jie

随着城市化的快速发展，城市面临的洪涝灾害和水资源匮乏等共性问题日益严重。本文采用暴雨管理模型SWMM对研究场地水文效应进行评估，模拟了不同绿色雨水基础设施GSI单独布置和组合布局对削减场地暴雨径流的影响。研究表明，在场地尺度上，GSI对降低地表径流，缓解峰值流量均有一定的作用，但受到用地规模等因素的限制，GSI虽然能起到一定的控制雨水径流作用，但对径流量的削减能力随着设计降雨重现期的增大而减小，需要同雨水管网等灰色基础设施统筹协调。经过参数率定建立的场地SWMM模型可辅助进行不同GSI布局方案水文效应的评估比选，从而为场地空间的布局优化提供依据。

风景园林；SWMM；绿色雨水基础设施；水文效应；评估；布局优化

快速城镇化带来的显著特征是城市不透水地表面积不断扩大，导致地表径流增大，雨水汇流速度加快，给城市排水管网造成的压力加大，暴雨时节城市地区严重积水和洪水事件频繁发生。传统的雨水管理方法是采取“快排”模式，即通过与不透水地表直接相连的沟渠或市政管网系统实时地将雨水排走。这不但造成了雨水资源的浪费，也忽视了城市绿色基础设施对雨水的资源化利用和水质净化作用。

绿色雨水基础设施(Green Stormwater Infrastructure，简称GSI)是指在不同空间尺度上具有雨洪调蓄、水源涵养、水质净化、回补地下水等功能的生态技术措施、自然生态系统及其所构成的整体[1]。在场地尺度上，GSI表现为屋顶绿化、下凹式绿地、雨水花园、雨水桶、植被浅沟和透水铺装等[2]。自引入城市雨洪管理、建设海绵城市的理念以来，GSI作为低影响开发(Low Impact Development，简称LID)的主要措施在海绵城市建设中发挥的作用受到广泛重视[3]。定量评估绿色雨水基础设施的水文效应，客观认识其在雨洪管理的作用对指导GSI的合理布局和指标控制意义重大。

目前采用暴雨管理模型(Storm Water Management Model，简称SWMM)进行定量评估绿色雨水基础设施的水文效应已有相关研究成果，如王雯雯构建了深圳光明新区的SWMM模型，以测试各类LID单元和组合在不同空间布局下的水文效应和雨洪控制效果，最终得出最优化配置[4]，刘一瑶等借助模型模拟，设计了清华大学学堂路区域的LID措施[5]，胡爱兵等研究了深圳某低影响开发示范区LID设施的布局和优化[6]等。本文选取同济大学校园为研究场地，采用SWMM评估GSI对场地径流量、峰值流量的影响，通过情境模拟分析为场地GSI空间布局提供依据。

1 SWMM评估水文效应的原理和方法

1.1 SWMM模型原理

城市降雨水文过程包含了降雨、填洼、下渗、植物截流、蒸发、地表径流、地下径流以及管网汇流等过程[7]。而地表径流过程是从降雨事件开始至地表产生径流并汇集至集水节点的水文过程，它包含了地表产流过程和地表汇流过程。SWMM模型用产流和汇流模型模拟地表径流情况。模型通过把研究区域划分为一系列小的子汇水区，每个子汇水区被赋予不同的透水性能(分为透水/不透水区域，不透水区域又分可蓄水区域/不可蓄水区域)，通过对降雨径流进行模拟，得到场地内系统和子汇水区雨水入渗、蒸发和径流量，以及雨水管网出水口水量等变化情况，从而了解LID措施在该系统下的水文效应。与此同时，SWMM还包含了能对地表径流和排水输送系统中的径流进行水力模拟的元素，如管道、渠道、储存/处理措施以及分流设施等。

在SWMM中，LID技术措施一般由表层、土壤层和蓄水层组成，每一层都有蓄水功能[8]，表层直接接收降雨或地表径流，土壤层可以蓄水、过滤，并提供植物根系生长的空间，蓄水层主要为砾石填料，起到蓄水和形成地下径流的作用。在模拟过程中SWMM跟踪水在每一LID措施层之间的移动和存储，从而反映LID措施的效力。

1.2 模型构建方法

模型的构建是将复杂且具体的实际问题抽象简化的过程。场地低影响开发雨水系统模型主要由产汇流模块、降雨模块和收集输送模块组成，旨在通过对降雨径流进行模拟，得到场地内系统和各汇水区雨水入渗、蒸发和径流量，以及雨水管网出水口水量等变化情况。模型构建主要包括两部分内容，一是研究区概化为子汇水区和排水系统，二是设置水文、水力和水质参数。

子汇水区应当最大限度地反映现状特征，通常以雨水管网系统和地形坡度为基础进行划分。地势平坦的地区，一般采取就近排放原则，根据等分角线法或梯形法进行子汇水区的划分；地形坡度较大的地区，则按地面雨水径流水流方向进行划分。按雨水管段划分子汇水区需首先整理简化雨水管段和检查井，再采用泰森(Theissen)多边形工具自动划分管段或检查井的服务范围，对地形坡度较大、地形复杂的区域还需进行人工修正。

模型参数包括水文参数、水力参数和水质参数。汇水面积、不透水率、管道长度、管径、坡度等参数一般可以通过测定获得较为准确的数值，不需要在模型参数率定中进一步调整。而像地表和管道的曼宁系数、透水地表和不透水地表的洼蓄量、污染物的累积与冲刷参数等参数一般只能根据应用经验确定一个取值范围，为了使模型模拟结果尽可能地接近实际结果，需要进行模型参数识别和率定，适当调整参数取值。

2 基于SWMM的GSI水文效应评估

2.1 研究区概况

本研究以同济大学四平路校园为例(图1)，校园占地约61.5hm2，其中建筑用地面积18.5hm2，绿地面积23.6hm2，水系面积0.6hm2，绿地率为38.6%，不透水率58.6%。校园地势南高北低，西高东低，主要由建筑、道路和广场等不透水下垫面和绿地、透水铺装等透水下垫面组成。场地内绿地面积虽然较大，但多数高于路面或地表铺装，几处面积较大的组团绿地均为坡地景观。

校园位于上海市杨浦区，属于北亚热带季风性气候，全年气候温暖湿润，四季分明，日照充分，雨量充沛。降水主要受梅雨和台风过境的影响，季节分配不均。主要降雨集中在春雨期、梅雨期和秋雨期。年均降雨量1 149mm，年均蒸发量1 008mm。

本研究的目的是通过对典型降雨过程的模拟，调整模型参数，建立适合本校园场地的雨洪模型，并分析评估绿色屋顶、下凹式绿地、雨水花园等GSI在不同雨量下对研究区径流量和峰值流量的削减效果。在雨水管网设施排水能力不变的前提下，通过对不同GSI单独布置和组合布局的情境模拟，评估和比较水文效应的影响和变化。

2.2 SWMM模型概化

研究区域概化是整个模拟过程的基础部分，应在现场踏勘和分析研究区域管网资料的基础上，根据汇水区的用地类型、汇水走向及雨水管网的布置情况，确定子汇水区的边界，各子汇水区径流按就近原则排入雨水管网的节点。在建立模型前，做如下假设：

1)雨水管网支管不进行水力计算，仅将研究区域的主干管列入概化的雨水管网系统；

2)假定降雨在研究区域的各个子汇水面积上是均匀分布的，即各子汇水面积内各点上的降雨强度均相同；

3)本研究模型不考虑由于校园外侧道路高差带来的雨水倒灌导致的径流量。

在上述前提下，根据研究区平面图、实际空间汇流情况和管网图，将整个研究区域概化为75个子汇水区、94个管段、95个节点和3个出水口(图2)。

1研究区域用地现状Existing landuse condition of research area

2研究区子汇水区概化图Generalized figure of sub-catchment area

2.3 参数选择与率定

在本模型中，子汇水区的面积与坡度通过DEM数据在ArcGIS中计算得到，管道长度、管径和管道起点与终点、管道埋深及检查井地面高程通过管网数据获取，不透水比例通过汇水区的土地利用和实地考察确定。并参考SWMM模型手册和相关文献[8-10]设定研究区其他地面特征参数：透水区和不透水区的曼宁系数取值分别为0.15和0.013，填洼量分别取10mm和2mm；土壤入渗选择Horton模式，初始下渗速率fc取65mm/h，稳定下渗速率f0取10mm/h，衰减常数k取2。模型过程采用动力波法进行流量计算。

将构建好的研究区排水管网模型对2016年8月7日降雨进行模拟，模拟结果与研究区出水口水量检测结果进行对比，监测点各时刻流量绝对误差在0.6%～12%，峰值流量误差为9.2%，误差在允许范围内，可以在该条件下进行模拟。

2.4 设计雨频和雨量

根据研究区夏季暴雨期间雨量较大、降雨时间长的特点，降雨强度设定为2年一遇，5年一遇和10年一遇3种；降雨历时设定为2h；降雨量根据蒋明研究的上海市短历时暴雨强度公式[11]；设计雨型采用芝加哥雨型，雨峰系数取r=0.4，时间间隔为1min。根据不同情景输入降雨参数，获得对应模拟结果。

q=1645.1(1+0.846lgT)/(t+70)0.656(1)

式中：

T—设计重现期，a；

t—降雨历时，min；

q—暴雨强度，L/(s·hm2)。

2.5 多情境的GSI空间布局

本研究选取GSI中较为常见的绿色屋顶、下凹式绿地和雨水花园作为场地雨洪优化的途径。综合考虑研究区域的土地利用现状、汇水范围、景观效果及实际可改造潜力等因素，在SWMM现状模型的基础上设计以下4种布局方案(图3)：

3 GSI 改造的多情境方案4 Scenarios plan of GSI

1)情境1：绿色屋顶改造。经过实地调研，校园内有59幢建筑具备屋顶绿化条件，考虑到经济投资、建筑承载力等实际因素，设定总可绿化屋顶面积的50%为草坪式屋顶绿化，其余保留现状或其他用途，总改造面积约为8.77hm2。改造建筑分布在校园各个位置，以办公楼和教学楼为主。

2)情境2：下凹式绿地改造。校园绿地率较高具有良好的改造条件，通过绿地下沉改造，增加绿地对雨水的吸纳量，从而缓解校园的积水问题。将下凹式绿地布置在办公楼教学楼等绿地景观区域，或作为水景布局于校园游园内部。总改造面积约为6.36hm2，占绿地总面积的27%。

3)情境3：雨水花园改造。将雨水花园作为末端控制措施，结合较大组团绿地进行景观改造设计。总改造面积1.47hm2，占绿地总面积的6.3%。

4)情境4：上述3种情境的组合方案。综合布局上述3种设施提升校园吸纳雨洪的能力，合计改造面积为18.95hm2。

表1 四种情境的水文效应Tab.1 Hydrology of 4 scenarios

2.6 四种方案水文效应评估结果

用验证的模型分别模拟4种情境下的径流量和流量峰值，场地现状以及4种GSI改造情境的暴雨径流消减效率见表1。可以看出，随着降雨量的增大，无论是否设置GSI，研究区域的地表径流量和峰值流量均会增加，但是，采取GSI的地表径流量和峰值流量明显小于设施设置之前。其中，GSI的组合设置的削减效果最好，随着降雨量的增大，其削减量也逐步增大；雨水花园仅靠自然下渗排水，且设置面积较小，对径流总量和峰值流量的消减较小，不同降雨量条件下的径流削减量差别不大；不同GSI的径流量和峰值消减比均随着降雨量的增大而减少。

3 结论与讨论

1)本研究评估了绿色屋顶、下凹式绿地和雨水花园三种GSI及其组合方案的水文效应，结果表明：GSI具有削减径流量、降低峰值流量、减小径流系数、增加雨水下渗及储存雨水的作用。组合方案的雨洪控制效果优于单一设施的作用效果，所以，场地LID应根据场地区位条件、地形、用地现状及投资预算综合选择各类GSI进行组合应用。

2)从模拟结果来看，在场地尺度上，GSI能起到一定的控制雨水径流作用，但无论是单独布置还是组合布置GSI，对径流量的削减能力随着设计降雨重现期的增大而减小，这就意味着，GSI发挥作用范围以中小雨为主，对大到暴雨情境下径流控制的作用有限。这一结论也与其他文献[12]一致，但对径流的控制能力还受到土壤性质、深度等其他条件的影响，这一结论还需通过更多的实例验证。但在实际工程中，一味地增加GSI也不可行，如屋顶绿化受到屋面承重和防水能力和建筑物高度以及经济投入的限制，难以大规模推广；城市中绿地的面积本就有限，一般只占1/3，让全部绿地通过下凹吸纳雨水并不现实。有研究表明下凹式绿地的土壤渗透性能会随着蓄水次数的增加而变差，土壤密度逐渐增大，土壤总孔隙度逐渐变小，绿地渗透性能下降[13]，在使用上也存在诸多问题，尤其对植物种植设计提出了耐旱、耐淹、耐寒、耐盐碱、抗污等更苛刻的要求。同样雨水花园设置过多也存在类似问题。因此，城市的雨洪问题不可能仅依靠GSI解决，应因地制宜制定灰绿系统方案，抓住主要问题与矛盾：灰色基础设施较完善的地区可主要侧重绿色设施系统的构建和灰色系统完善；灰色基础设施建设较差的城市应同步统筹考虑绿灰结合，在弥补欠账的同时，注重提升绿色雨水基础设施的建设水平。

3)雨洪管理模型可以为景观空间的合理规划布局提供技术支持和量化依据。通过建立场地的SWMM雨洪管理模型，分析现状及不同GSI单独和组合布局前后的水文变化，直观地反映出GSI面对短时间降雨时在削减地表径流、降低峰值流量和收集利用雨水的能力，辅助考量诸如景观效果、技术经济指标、海绵城市建设目标等其他因素进行方案比选，对指导景观空间的合理规划布局及优化、进而为分解和明确各地块或场地的下沉式绿地率及下沉深度、绿色屋顶率、透水铺装率等详细规划控制指标和竖向设计提供依据。该方法也可用于对场地开发方案的水文效应预评估，促进低影响开发目标的实现。可见，雨洪管理模型可以成为风景园林师认识城市水文运行规律、制定雨洪控制生态策略的有效工具，也是对传统以定性经验为主的风景园林设计过程的有效补充。值得注意的是，因场地所在区位、水文地质条件、土壤特性、市政管网排水能力等的差异，SWMM模型选取的参数不同，分析重点和评估结果也会不同。

4)本研究也有一定的局限性。只分析了模型对暴雨径流的控制能力，模型的径流污染控制分析没有体现；情境设计中只设置了绿色屋顶、下凹式绿地和雨水花园，GSI的其他设施如透水路面、雨水桶等也可根据实际情况进行综合运用。

4 结语

随着城市化的快速发展，城市面临的洪涝灾害和水资源匮乏等共性问题日益严重。如何科学和可持续地调控管理城市雨洪是城市规划和管理者面临的亟待解决的问题和挑战。本文通过建立研究场地—同济大学校园的SWMM暴雨管理模型对GSI布局4种情境的水文效应进行评估，在模型验证的基础上，模拟了不同GSI单独布置和组合布局对削减场地暴雨径流的影响。研究表明，在场地尺度上，GSI对降低地表径流，缓解峰值流量均有一定的作用，GSI的组合应用是理想的途径。但也发现GSI对径流量的削减能力随着设计降雨量的增大而减小，在实际工程中GSI的开发也受到一定的限制。风景园林师在场地GSI设计时应客观地评估其在雨洪管理中的作用和局限，同雨水管网等灰色基础设施统筹协调，并可通过参数率定建立的场地SWMM模型辅助进行不同GSI布局方案水文效应的评估比选，从而为场地空间的布局优化提供依据。

致谢：

感谢上海市气象局、上海同济城市规划研究院和同济大学资产处提供研究场地的基础数据。

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(编辑/刘昱霏)

Hydrology Evaluation of Green Stormwater Infrastructure Based on SWMM—Case Study on Tongji University Campus

Flooding and short of water resources is becoming more and more serious problem because of fast urbanization. In situational analysis, four layout of Green Stormwater Infrastructure(GSI) were put forward by evaluating their hydrology using Storm Water Management Model(SWMM). It is proved that GSI such as green roof and water garden can be used to reduce runoff of stormwater and increase storage capacity of rain. But their performance is still limit so that should be combined with drainage system. Also SWMM can help to optimize the layout of GSI.

landscape architecture; storm water management model; green stormwater infrastructure; hydrology; evaluation; layout optimization

TU986

A

1673-1530(2017)01-0060-06

10.14085/j.fjyl.2017.01.0060.06

2016-12-24

国家自然科学基金 “转型期城乡绿地系统优化方法研究—以长江三角洲区域为例” (项目批准号：51378364)；上海市青年科技英才扬帆计划 “基于GIS和SWMM低影响开发模式的上海公共开放空间雨洪过程模拟评价与空间优化” (项目批准号：16YF1412000)；住房城乡建设部2016年科学技术项目 “基于GIS和SWMM低影响开发评价的“海绵城市”景观空间优化—以上海市为例” (项目批准号：2016-K2-001)

Fund Items: Supported The National Natural Science Foundation of China(NO.51378364)"Study on Optimization Approach of Urban-rural Green Space System in Transitional Period--Case Study of Yangze River Delta Region "; Shanghai Sailing Program( 16YF1412000):LID Storm-water Control Effect Simulation and Space Optimization of Shanghai Public Open Space Based on SWMM and GIS; Science and Technology Program of Ministry of Housing and Urban-Rural Development(2016-K2-001):LID Storm-water Control Effect Simulation and Space Optimization of "Sponge City" Based on SWMM and GIS: A Case Study in Shanghai.

刘颂/1968年生/女/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系,生态智慧与实践研究中心，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室教授,博士生导师/研究方向为景观规划设计及其技术方法，城乡绿地系统规划(上海200092)

LIU Song was born in Shandong Province in 1968. She is an professor and doctoral supervisor in the College of Architecture and Urban Planning (CAUP), Tongji University. As a research member of the Center for Ecological Wisdom and Practice Research (CAUP) and the Key Laboratory of Ecology and Energy-saving Study of Dense Habitat (Tongji University), her research focuses on the urban green space and ecological planning and technology(Shanghai 200092).毛家怡/1992年生/女/同济大学建筑与城市规划学院在读硕士研究生(上海 200092)

MAO Jia-yi was born in Zhejiang Province in 1992. She is a master student in the College of Architecture and Urban Planning(CAUP), Tongji University (Shanghai 200092).沈洁/1985年生/女/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系助理教授，硕士生导师/研究方向为风景园林规划设计与理论(上海 200092)

SHEN Jie, who was born in 1985, is an Assistant Professor and Master students supervisor in the Department of Landscape Studies, College of

Architecture and Urban Planning, Tongji University. She majors in the Theories and Practices of Landscape Architecture(Shanghai 200092).

修回日期：2017-02-07