基于暴雨管理模型（SWMM）的水生态小区低影响开发（LID）技术效果模拟及评估

段明印，李传奇，韩典乘，肖 学

（山东大学土建与水利学院，山东济南 250061）

城市化是我国经济持续发展的引擎，我国在快速城市化的同时，也面临着城市雨洪灾害、水质污染以及水资源短缺等问题［1］。为应对城市雨洪灾害和水资源短缺问题，我国大力推行海绵城市建设，采取低影响开发措施在源头控制径流、净化水质［2］。基于低影响开发措施的水生态小区，既是海绵城市的重要组成部分，同时也是生态文明的基础内容。

目前，针对低影响开发措施的控制效果已进行了大量的研究，王红武等［3］研究了各项LID措施及其效果，论述了各项LID措施的功能及适用范围；王文亮等［4］利用SWMM模拟了LID措施雨洪控制效果，证明LID措施能够有效缓解城市内涝；沈珍瑶等［5］研究了LID措施对城市非点源污染的控制效果。但针对各分项LID措施控制能力的研究较少，鉴此，本文以山东大学千佛山校区南院为研究区域，构建水生态小区低影响开发暴雨模型，模拟分析4种LID布设方案在不同暴雨重现期下水量水质控制效果，量化评估各分项LID措施及组合LID措施的控制效果，同时为水生态小区建设提供参考。

1 SWMM模型原理介绍

1.1 产流原理

地表产流是指降雨除去损失变成净雨的过程，主要机制有超渗产流机制和超蓄产流原理。根据城市下垫面属性，超蓄产流较少，超渗产流是城市径流形成的主要原因。超渗产流是指降水量扣除蒸发、填洼以及下渗等损失，多余出来的水量形成径流［6］。本文采用著名水文学家霍顿基于超渗产流原理提出的Horton下渗模型，根据该模型确定地表径流如式（1）。

其中：Rt—地表径流率，mm／h；

I—降雨强度，mm／h；

fp—下渗率，mm／h。

Horton下渗模型如式（2）。

其中：fp—下渗率，mm／h；

fc—稳定下渗率，mm／h；

f0—初始下渗率，mm／h；

α—下渗衰减系数，h－1；

t—降雨历时，h。

1.2 汇流原理

汇流是指汇水分区的净雨汇集到出水口或进入河道的过程。本文采用非线性水库法，将汇水分区概化为水深很浅的水库，根据水量平衡方程和曼宁公式联立求解［7］。连续性方程如式（3），曼宁公式如式（4）。

其中：V—汇水区总水量，m3；

H—地表水深，m；

A—汇水区面积，m2；

t—降雨历时，s；

Rt—地表径流率，m／s；

Q0—径流量，m3／s；

W—汇水区特征宽度，m；

N—曼宁系数；

hp—滞蓄水深，m；

S—地表坡地。

将式（4）带入式（3）得到一个非线性常微分方程，同时利用有限差分法求解该非线性微分方程得式（5）。

利用Newotn-Rpahosn迭代法可求解式（5）中的h2，再将h2带入式（4）中求解对应的流量Q0。

其中：hi——不同时刻水深，m；

Δt——时间步长，s。

1.3 管道传输原理

传输阶段是指汇水分区出水口的雨水进入管道或河道，在管道或河道中传输的过程。本文将管道水流视为动力波，采用圣维南方程组求解水流的传输，将连续方程和动量方程联立得到求解管道非恒定流的有限差分形式［8］，如式（6）。

其中：Q—流量，m3／s；

A—过水断面面积，m2；

G—重力加速度，m2／s；

R—水力半径，m；

V—断面平均流速，m／s；

N—管道糙率；

L—管道长度，m；

Δt—时段平均值。

管道节点控制方程为连续性方程，其有限差分形式如式（7）。

其中：H—节点水头，m；

Qi—节点流量，m3／s；

i—管道节点；

Ask—自由水面面积，m2。

将式（6）和式（7）联立即可求解管道流量和水头。

1.4 低影响开发原理

SWMM模型中设有LID模块，在构建LID措施时，将其分为面层、路面、土壤层、蓄水层和暗渠层五个结构层，根据实际情况对这五个结构层进行取舍，根据各个结构层之间含湿量平衡，确定水在每一LID结构层之间的截留和移动［9］。

2 研究区SWMM模型构建

2.1 研究区域概化

选取山东大学千佛山校区南院作为研究区域，研究区域占地总面积为79 887.53 m2，其中建筑用地面积为11 300.07 m2，绿地面积为12 890.00 m2，道路面积为 12 656.03 m2，运动场地面积为43 041.43 m2。根据研究区地形、管网、土地利用类型、教学楼分布等资料，可将其划分为24个子汇水区，30条雨水管道，24个铰点，3个排水口，概化结果如图1所示。

图1 研究区域排水系统概化图Fig.1 Schematic Diagram of Drainage System in Survey Region

2.2 水文模块参数设置

水文模块包括地表产流和地表汇流。根据研究区域实际情况，入渗模型采用Horton模型，参数选取：最大渗入速率为75 mm／h，最小渗入速率为3.81 mm／h，衰减系数为 4.4 h－1。透水地表和不透水地表的洼蓄量分别取5.0 mm、1.27 mm。根据研究区的特点，透水地表、不透水地表、管道的曼宁系数分别取 0.130、0.011、0.013。

2.3 水质模块参数设置

水质模块包括污染物累积和冲刷。根据研究区实际情况，将子汇水区内土地利用类型分为屋面、道路、绿地和运动场地。选择TSS、COD、TN、TP四种污染物作为指标因子［10］。根据研究区实际情况，污染物累计模型采用饱和函数增长模型，污染物冲刷模型采用指数函数模型。其中运动场地污染物累计冲刷情况和道路一致，不同地表类型上的污染物累计冲刷模型参数如表1所示。另外，结合校区物业情况和相关研究［11］，模型中道路以及运动场地清扫间隔为1 d一次，地表污染物去除率取70%。

表1 不同地表的污染物累积冲刷模型参数Tab.1 Parameters of Wash-Off Model for Pollutants Accumulation on Different Ground Surfaces

2.4 LID模型参数设置

（1）绿色屋顶。绿色屋顶能够通过植物的滞留吸收和土壤的吸附下渗达到削减径流和净化水质的目的。根据山东大学千佛山校区海绵城市改造工程以及SWMM使用手册，绿色屋顶的参数选为：表层植被覆盖率为80%，植被糙率为0.67；土壤层厚度为150 mm，孔隙比为 0.43；蓄排水层厚度为100 mm，孔隙比为0.55。绿色屋顶铺设面积设置为总屋顶面积的65%。

（2）透水铺装。透水铺装通过下渗和结构层的滞留吸附作用达到削减径流和净化水质的目的。根据山东大学千佛山校区透水路面改造工程以及SWMM使用手册，透水铺装的参数选为：面层厚度为150 mm，孔隙比为0.34，曼宁系数为0.12；蓄排水层为300 mm，孔隙比为0.6。透水铺装包括透水路面和透水运动场，透水路面铺设面积设置为路面总面积的60%，透水运动场铺设面积设置为运动场总面积的60%。

（3）下沉式绿地。下沉式绿地通过下沉空间和植物的滞蓄以及结构层的下渗吸附作用达到削减径流和净化水质的目的。根据山东大学千佛山校区的下沉式绿地改造工程，确定下沉式绿地的参数为：表层滞蓄水深为200 mm，植被覆盖率为90%，曼宁系数为0.62；土壤层厚度为500 mm，孔隙比为0.4。下沉式绿地改造面积设置为总绿地面积的85%。

2.5 设计降雨

依据2014年最新的济南市暴雨强度公式求取济南市的设计降雨强度，降雨历时为2 h，雨峰系数为 0.4，降雨重现期分别为 1、3、5 a 和 10 a，采用芝加哥降雨模型［12］推求时间间隔为5 min的2 h降雨过程线，济南市降雨强度如式（8），不同重现期下的降雨强度过程如图2所示。

其中：q——平均暴雨强度，mm／min 或 L ／（s·ha）；

P——设计降雨重现期，a；

t——暴雨历时，min。

图2 不同重现期下的设计降雨过程线Fig.2 Designed Rainfall Hydrograph under Different Recurrence Periods

3 不同LID布设方案模拟评估

3.1 LID措施布设方案

根据研究区域实际情况以及源头控制的理念，提出四种LID措施布设方案。方案一：单独布设绿色屋顶，铺设面积占总屋顶面积的65%；方案二：单独布设透水铺装，其中透水路面铺装面积占总路面的60%，透水运动场占运动场地总面积的60%；方案三：单独布设下沉式绿地，铺设面积占总绿地面积的85%；方案四：在研究区布设组合LID措施，将绿色屋顶、透水铺装及下沉式绿地有机的结合，布设面积和单独布设时一致。

3.2 水量模拟及评估

利用前面构建的SWMM模型，对原状态和四种LID方案下的示范区产汇流情况进行模拟，得到不同重现期下系统出口处径流流量变化过程线，如图3所示。

图3 不同方案下系统出口处流量变化过程Fig.3 Outlet Flow's Change Process under Different Schemes

由图3可知：①4种LID布设方案在不同重现期下对降雨径流均有一定的削减作用，在研究区内，组合布设LID措施对径流的削减最为明显，其次是透水铺装，接下来是下沉式绿地，效果最弱的是绿色屋顶；② 组合LID措施在一定程度上推迟了峰现时刻并很好地削减流量峰值，当3种LID措施单独布设时，透水铺装既较好地削减了洪峰，又推迟了峰现时刻，而绿色屋顶和下沉式绿地对洪峰的削减相对较小，推迟峰现时刻效果较小；③LID措施的功能随着降雨重现期的增大而减弱。

由模拟分析可知：①不同重现期下，不同开发方案的平均地表蓄水量：原状态为0.291 mm，透水铺装为0.773 mm，绿色屋顶为4.924 mm，下沉式绿地为9.682 mm，组合LID措施为13.172 mm；② 不同重现期下，不同开发方案的平均地表渗入损失量：原状态为4.073 mm，绿色屋顶为7.622 mm，下沉式绿地为 10.370 mm，透水铺装为10.083 mm，组合LID措施为65.473 mm；③ 不同重现期下，不同方案的平均径流总量控制率：原状态为8.73%，单独布设绿色屋顶为18.83%，单独布设下沉式绿地为26.94%，单独布设透水铺装时径流总量控制率为38.168%，布设组合LID措施时径流总量控制率为85.13%。

3.3 水质模拟及评估

利用前面构建的SWMM模型，对原状态和四种LID方案下的示范区污染物累计和冲刷情况进行模拟，得到不同重现期下系统出口处污染物 TSS、COD、TN、TP浓度变化过程曲线，其中污染物TSS浓度变化过程如图4所示。

图4 不同重现期时系统出口处TSS浓度变化过程Fig.4 TSS Concentration's Change Process of Different Recurrence Periods

由图4可知：①4种LID布设方案在降雨初期对TSS浓度均有一定的削减作用，在研究区内，组合布设LID措施削减最为明显，其次是透水铺装，接下来是下沉式绿地，效果最弱的是绿色屋顶；②从延迟TSS浓度峰值效果来看，组合LID措施最为有效，其次是透水铺装系统，下沉式绿地和绿色屋顶延迟效果几乎可以忽略；③从削减TSS浓度峰值来看，组合LID措施最为有效，其次是透水铺装系统，较弱的是下沉式绿地系统，绿色屋顶的削峰作用几乎可以忽略。

由模拟分析可知：①系统对不同重现期下TSS排放总量的平均控制率：绿色屋顶为16.53%，透水铺装为37.23%，下沉式绿地为31.45%，组合LID措施为87.56%；② 四种方案中，控制TSS排放总量能力由大到小依次为：组合LID措施＞透水铺装系统＞下沉式绿地系统＞绿色屋顶系统；③ 不同LID布设方案对污染物COD、TN和TP的控制效果和TSS的情况类似，其中组合LID方案在不同重现期下对污染物排放总量平均削减率分别为：COD为85.68%，TN为88.13%，TP为83.61%。

因山东大学千佛山校区海绵改造工程还未完成，因此目前还没有该区域实测资料与SWMM模型模拟结果进行对比验证，但本文构建模型所用参数大多来自实测参数以及采用已有的相似研究［4，9-10］所测得的参数，因此本文模拟结果基本可靠，能够用于指导水生态小区排水系统的合理规划以及低影响开发措施的布设。马箐等［12］对各项低影响开发措施控制径流和污染物排放的能力进行了模拟和评估，本文结果与马箐等的研究成果较为一致，因此通过SWMM模拟对各项低影响开发措施削减径流总量和控制污染物排放总量的能力进行评估是可行的。

我国的海绵城市建设正处于起步阶段，在理论上和实践上都存在不足，缺乏统一的行业规范、造价规范以及建设政策。另外，在建设海绵城市之后，为保证低影响开发措施能够正常运行，还需注重低影响开发措施的维护与管理，绿色屋顶和下沉式绿地中的植物，需要浇灌、施肥、除草、除虫、修剪等管理措施；透水铺装需要强负压抽取堵塞渗透路径的颗粒以保证透水性［13］。

4 结论

（1）水生态小区中的低影响开发措施能够削减雨水径流总量，降低径流中的污染物负荷，起到控制雨洪灾害、净化水质和补充地下水的作用。

（2）四种LID方案中，削减径流总量和控制污染物排放总量能力由大到小依次为：组合LID措施，透水铺装系统，下沉式绿地系统，绿色屋顶系统。由此可知组合LID措施比单项LID措施更为有效。

（3）低影响开发措施对径流和水质的控制效果随着降雨强度的增大而减弱。

（4）低影响开发措施应该注重后期的维护与管理。

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