基于SWMM的老城区LID布设比例优化研究

王婷+刁秀媚+刘俊+栾慕+丁楠

摘要：老城区因建筑密度高等特点，是内涝的高发地带。针对这一问题，基于SWMM模型中的LID（低影响开发Low Impact Development）模块，研究选取渗渠、渗透铺装、雨水桶和生物滞留网格4种措施，在不同重现期设计暴雨情景下，对不同布设比例（0.1%～15%）的LID措施进行模拟分析，寻找最佳布设比例。最后将几种最佳比例组合，对组合优化进行初步探索。模拟结果表明，几种LID措施布设在达到某一比例后，对不同重现期设计暴雨的削减作用会减缓，此时的布设比例即为所求最佳比例；而组合方案由于受到措施间的相互作用等因素影响，不能直接套用单项措施最佳比例，其优化仍有待研究。

关键词：SWMM模型；老城区；低影响开发；布设比例；优化模拟

中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0039-05

Abstract：[JP+3]The urban water logging takes place in the old city area frequently because of its high density of buildings and other characteristics of construction.Responding to this problem，this study used the LID module in SWMM model and chose Infiltration Trench，Permeable Pavement，Rain Barrel，and Bio-Retention Cell for simulation and analysis.We placed different proportions of LID measures （0.1%～15%）on the study area in design storm conditions with different return periods，so as to find the optimal proportions.At last，we combined these proportions to tentatively explore combination optimization.The results showed that the LID measures′ effect on design storms would diminish after their layout reached a certain proportion，which should be the optimal proportion.But the optimal proportions of individual measures cannot be directly applied to the combination scheme because of the interaction between individual measures.The combination optimization still needs further study.

Key words：SWMM model；old city area；LID；layout proportion；optimization simulation

隨着近年来城市的快速扩张，城市内涝频发、水资源短缺以及水环境恶化等现象不断加剧[1]。为此基于美国、英国、澳大利亚等西方发达国家先进雨洪管理经验[2-3]的“海绵城市”理念应运而生，而主张进行雨水源头控制从而降[HJ2.27mm]低内涝风险的低影响开发理念则是海绵城市建设的重要内容[4]。应用低影响开发措施构建城市小海绵体，是当前海绵城市建设的热点，杭州、上海等地[5-6]都在进行低影响开发模式的探索，无论是从规划层面到后期的政策制度保障，还是对国外低影响开发技术的学习，这些探索在海绵城市建设的优化实践中并没有明确的指导作用。LID措施如今虽已广泛用于具体的模拟应用[7-8]当中，但已有应用只是根据经验选择LID措施的布设比例，简单得出LID措施能够削减降雨径流的结论，并未提出布设比例的优化方法。目前仍然缺少LID布设比例优化方面的研究。

老城区普遍具有建筑密度高、地表透水性差、绿化面积小、水面率不高以及管道排水标准低等特点，是发生城市内涝的高危地区。加上在老城区进行大规模的水系拓浚或管网改造较为困难，所以在海绵城市建设中应给以老城区足够的重视。

鉴于低影响开发措施应用中存在的上述问题，研究首先模拟老城区现状情况下的降雨径流，设置不同比例的LID措施后再进行模拟比较，通过对LID布设比例与降雨径流削减效果的关系进行分析，寻找最佳布设比例，以期为低影响开发措施的优化布设提供依据与方法思路。

1 研究区模型构建

1.1 研究区概化

研究区域位于长江三角洲地区某市，该市所处地区属亚热带季风气候区，降雨充沛。境内地势平坦，起伏不大，又河网密布，是典型的平原河网地区。研究区属于该市的老城区，小区建筑较为密集且顶部承受荷载的能力变得相对较低。道路广场等透水性差；城市绿化面积小，产生的大部分地表径流只能通过管网排出，增大了内涝发生的可能性。

为避免水闸、泵站等工程措施的影响以及各汇水区之间产汇流过程的相互影响，选取该市中心城区的一独立汇水区域作为本次的研究区域。研究区域面积4.84 km2，共划分为146个子汇水区。利用研究区雨水管网资料和水系河道资料，共概化雨水管道104条，河道24段和126个节点。结合其土地利用情况，采用ENVI软件对遥感图像进行监督分类，确定各子汇水区的不透水面积比例，并利用面积加权法确定研究区不透水面积约为20%。研究区概化图见图1。

1.2 LID措施及相关参数的选取

1.2.1 LID措施及主要参数选择

本次模拟采用SWMM模型。SWMM模型中的LID模块提供了生物滞留网格、雨水桶、渗渠、渗透铺装、绿色屋顶、植被浅沟、雨水花园等低影响开发措施的模拟。

老城区建筑密度高，屋顶面积比例大，但考虑到老旧建筑的强度和防渗排水问题，以及植被浅沟和雨水花园的占地问题，在此并未模拟其他三种低影响开发措施。经初步比选，选择生物滞留网格、雨水桶、渗渠和渗透铺装4种最适用于老城区改造的低影响开发措施进行模拟分析。LID参数的选取主要根据模型用户手册及其它文献[9-11]设置。

渗渠采用砾石等渗透结构，能够捕获径流并将其渗透到地下，对透水率有一定的补偿作用 [12]。渗渠表层蓄水深度取5 mm，糙率0.15；储水层厚度150 mm，孔隙比0.4；排水层排水指数取0.5。

渗透铺装对应于传统的硬质地面铺装，一般采用多孔材料搭建排水渗透层，尽量恢复天然状态，减小地面径流，削减洪峰[13]，还有利于改善城市的生态环境。渗透铺装表层蓄水深度取2 mm，糙率0.15；铺装层厚度120 mm，孔隙率0.15；储水层厚度300 mm，孔隙比0.5。

雨水桶是一种屋面雨水的收集装置，可以有效减小地面径流。雨水收集后处理回用，能在一定程度上减小雨水集中处理的压力，缓解水资源短缺的状况。雨水桶高度设为800 mm，排水指数0.5，排水偏移高度150 mm。

生物滞留网格是利用植物、土壤和微生物滞蓄雨水、净化雨水的一种低影响开发措施。生物滞留网格规模较小、经济，适宜分散布置[14]，适用于较高密度的建筑区。生物滞留网格表层蓄水深度取150 mm；土壤层厚度300 mm，孔隙率取0.4；存储层厚300 mm，孔隙比0.5。

1.2.2 模型相关参数的选取

本次研究主要基于SWMM模型进行老城区的降雨径流模拟，根据研究区的下垫面条件，模型的降雨下渗过程选择霍顿模型，计算采用动力波演算方法。模型相關参数主要参考SWMM模型用户手册和其它文献[15-19]选取率定。

（1）子汇水区参数中的各子汇水区面积和不透水面积比例、各子汇水区坡度等需根据研究区下垫面土地利用和排水管网情况，借助于GIS确定。

（2）漫流宽度。漫流宽度是模型产汇流计算中十分重要的参数，在SWMM模型用户手册中定义为面积与最大地表漫流长度的比值，但在城市排水工程中，由于各子汇水区地形等的不均性，难以直观测量漫流长度和漫流宽度，因此难以精确计算[20]。在概化时先按照SWMM模型用户手册计算得到漫流宽度W，由排水管道在子汇水区不规则性得到形状倾斜因子r（取值0～1），进而利用（2-r）W调参[9]。

（3）下渗参数。结合研究区土壤类型，Horton下渗模型参数取土壤最大下渗率16.93 mm/h，最小下渗率1.27 mm/h。

（4）地表洼蓄及糙率。其它参数如透水地表洼蓄量取15 mm，糙率取0.15，不透水地表洼蓄量取1 mm，糙率取0.013。

（5）管渠参数和节点参数。主要由实测的管道与河道资料确定，管道糙率取0.013，河道糙率取0.02。

1.3 设计暴雨

选取研究区1965年-2015年共51年的降雨资料，采用年最大值法对不同时段的降雨资料整理分析，进行适线排频计算。选择研究区1991年6月30日22时到7月1日22时的24 h降雨过程作为典型暴雨过程，按同频率法缩放得到2年、5年和10年一遇设计暴雨过程，见图2。

2 低影响开发措施优化模拟

2.1 LID优化场景设置与分析

为分析所选LID措施对老城区降雨径流的削减作用，将选定的4种LID措施分别单独设置在各子汇水区，并通过模拟计算得到不同的LID布设比例（0.1%～15%）在不同重现期下的径流系数，绘制径流系数与布设比例的关系曲线见图3-图6。

由图3-图6分析可知，针对不同重现期的降雨，LID措施均能在一定程度上起到削减径流的效果。但LID措施对径流系数的削减并不是随着布设面积的增加呈线性增长。在研究区布设的渗渠达到一定比例时，径流系数曲线出现拐点，再继续增大布设面积，径流系数减小的速度大大降低。随着降雨重现期由2年一遇提高到10年一遇，LID措施对径流系数的削减速度有所减小，径流系数曲线出现拐点的位置向后移动。分析径流系数曲线，选择拐点处的LID措施布设比例，可以为优化LID措施的布局以及利用最小的占地得到最佳改造效果提供依据。

总结图3-图6可知，2年重现期下4种LID措施单独布设的最佳比例分别为：渗渠0.1%，渗透铺装1%，雨水桶2%，生物滞留网格2.5%；5年重现期下4种LID措施单独布设的最佳比例分别为：渗渠0.2%，渗透铺装1.5%，雨水桶3.5%，生物滞留网格5%；10年重现期下4种LID措施单独布设的最佳比例分别为：渗渠0.3%，渗透铺装2%，雨水桶4%，生物滞留网格7%。

由研究结果，虽然几种LID措施的布设比例与降雨径流的削减效果曲线具有相同的趋势，但由于LID措施参数的设置可存在差异，也会因所处地区不同而不同，因此最佳布设比例并不是定值，且同一重现期下不同措施的最佳布设比例也有所差别。文章所做研究仅为LID布设提供思路。

2.2 最佳布设比例的LID结果分析

由上小节研究结果可知，几种LID措施的布设存在最佳比例，不同重现期下的LID措施的最佳布设比例不同，因此分别就3种重现期，针对无LID的情况和最佳布设比例的几种LID方案进行模拟比较，结果见表1-表3。

由表1得出，2年一遇重现期下，研究区的径流系数达0.644，加入最佳布设比例的LID措施后，对现状降雨径流的削减作用显著，径流系数减小到0.515～0.566，减小率达12.1%～20.1%，径流量由28.3万m3减小到22.6～24.8万m3。最佳布设比例的各LID措施对5年一遇重现期降雨和10年一遇重现期降雨有类似的削减效果，在此不作赘述。

由结果可以看出，无论采取哪种最佳比例的LID措施，积水节点数基本稳定，变化不大。在较低重现期下，尤其是2年一遇的积水点数目，反映研究区排水管网存在隐患，容易成为内涝高发地。以最佳布设比例的LID降雨径流模拟结果为指导，针对低重现期积水点进行改造，有利于减轻内涝风险。

2.3 组合方案初探

完成单项LID措施的布设比例优化研究后，将几种措施的单独最佳布设比例进行组合（参数与单独设置时保持相同），对基于最佳比例的LID组合进行初步探索。模拟结果见表4。

将各种措施的最佳比例组合，将得到更小的径流系数，径流系数削减的效果并不理想，究其原因主要为：在各种LID措施以最佳比例单独布设时，径流系数已接近其能得到的最小值，并且受到研究区不透水面积的限制，组合后，部分LID措施实际上并没有发挥作用。

在制定组合方案时，并没有考虑到组合后各个LID措施间的相互影响，仅仅利用单项LID措施的最佳布设比例并不能取得组合方案的最佳效果。因此，在组合方案的优化方面尚需进行深入的研究，考虑多种因素以实现最佳布设。

3 结论

（1）文章基于SWMM模型中的LID模块对一老城区进行了LID布设比例的优化模拟。经过对老城区建筑特点的分析，选择了4种LID措施。经模拟发现，各种LID措施的布设达到一定比例（记为最佳布设比例）后对降雨径流的削减效果减缓，这种关系可用于指导LID措施的布设优化。

（2） 在较低重现期下，以最佳比例布设不同 LID措施后，模拟降雨径流得到稳定积水点，可用于指导城市排水管网的改造，缓解城市内涝。

（3）由于受到不透水面积的限制和各LID措施间的相互影响等因素，并不能简单的将各个单项措施进行组合以取得最佳效果，组合优化方法尚有待深入研究。

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