基于SWMM和InfoWorks的低影响开发技术研究

寇殿良，覃 芹，刘 非

(1.广西交通规划勘察设计研究院有限公司，南宁 530029；2.武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

0 引 言

城市化过程中原有自然水文循环过程遭到破坏，天然地表对雨水的消纳和滞蓄能力减弱，使得雨水资源大量流失、径流污染严重以及内涝频发等问题显著，仅靠传统的城市雨水排水系统很难应对复杂的城市雨水问题。发达国家多年来的城市雨水管理经验表明，应建立由源头滞蓄减排、传统城市排水系统及开放空间调蓄等方式共同组成的多层次多目标的雨洪管理体系。目前，世界范围内，具有代表性的城市雨水管理模式主要以美国的低影响开发(Low Impact Development, LID)技术为主。

低影响开发(LID)是20世纪90年代初由美国马里兰州乔治王子城县率先提出并在州内的几个项目中实施，其目的是通过维持流域水文情势，使受纳水体的生态完整性得到最大限度的保护。通过合理的场地开发，低影响开发将水文功能集成到场地设计中，恢复其自然水文状况，并采用综合性措施从源头上降低因开发导致的水文条件的变化和雨水径流对生态环境的影响。

对该技术的研究主要分为模型研究和实验研究2类。

在应用模型研究低影响开发技术方面，D. Joksimovic等人利用SWMM对LID设施的成本效益作了研究，得出对于削减径流，在特定情形下，渗滤沟和绿色屋顶的组合是最经济的方式[1]；Justyna Czemiel Berndtsson等人对影响绿色屋顶径流削减能力的因素以及对污染物转移能力的影响因素进行了详细的论述[2]；Villarreal等人对LID措施在不同降雨重现期下的效能进行了人工模拟[3]；Huber利用SWMM模型对LID措施的城市径流污染控制能力进行了模拟总结[4]；Hayes等人利用IDEAL模型对开发后的区域进行了LID措施效能模拟[5]；Alfredo等人利用SWMM研究了不同基质厚度对绿色屋顶径流削减的影响[6]；Brown等人利用DRAINMOD模型对LID措施的水文特性进行了模拟[7]；澳大利亚的Boughton对利用水文模型长期模拟结果设计洪灾的方法进行了总结[8]。

在试验研究上，Yilmaz等人通过6组试验，其中2组添加了生长介质，3组覆盖了不同植物以及1组表面裸露，在法国南特观测了2 a时间并与另一组碎石平屋顶试验进行比较，结论是在暴雨径流削减以及有利于蒸发方面，基质越厚并且植被覆盖最密集的试验组效果最好[9]；Rodriguez-Hernandez J.等人在实验室对4种渗透铺装的暴雨径流削减能力进行了研究[10]；Wuguang Lin等人用2组加速加载路面试验对渗透砖路面的承载力以及水文效益作了研究，发现试验的结果会根据道路基础的类型和路面交通量的变化而改变，并且证明了渗透铺装路面适用于机动车道和人行道，而且能提高城市水循环系统的效率[11]。

我国在城市雨水管理上，主要是学习和借鉴国外经验，实际应用还处于初级阶段，缺乏相关的模拟和模拟研究，例如各种低影响开发设施单元在不同规格、不同降雨强度下的径流控制效果和相关水文参数缺少研究，难以对实际工程提供明确有效的指导。本文以武汉市易受水灾的沙湖附近道路和小区作为研究区域，利用Infoworks ICM软件和美国EPA开发的SWMM模型对该区域应用低影响开发措施的前后渍水情况进行对比，并总结了绿色屋顶、渗透铺装和下凹绿地在不同降雨强度下的径流系数。

1 研究区域概况

沙湖位于武汉市武昌区的东北部，东至中北路，南邻小龟山，西抵武昌大冶铁路，北达徐东路。在100 a前，东湖(现武汉最大湖泊)属沙湖水系。东湖、沙湖及白洋湖原本相通，与长江相连，清末修筑武昌至青山的大堤后3者才分开。晚清时期，张之洞为减轻水患，修建武丰闸、武泰闸、万年闸等闸坝，湖泊面积有所减少，但仍达466.7 hm2；抗战期间，沿湖居民骤增，大量进行围湖造田、建房，湖泊开始大面积缩小；到20世纪80年代，沙湖面积减少到400 hm2以上。

近年来，随着城市化的迅猛发展，湖周边建造了很多学校和民商建筑。出于各种目的，填湖现象时有发生，沙湖水面缩小了66.7 hm2，加上城市垃圾和生活污水的污染，湖泊自然生态受到严重破坏，沙湖正在失去其作为湿地的生态特征和价值。20世纪80年代开始，沙湖就一直在填，20 a几乎没有间断过。20世纪90年代，为了修建长江二桥而拓宽中北路、徐东路，部分沙湖水面被填。1996年，填湖开发房地产，2000年动工修建的友谊大道从中山路到湖北大学这一段就是填占沙湖所建，友谊大道建成通车后，沙湖一带就成为开发热土。2006年，根据武汉市有关部门的环境状况公报显示，沙湖污染严重，成为非人体接触的劣五类水体，不适合水产养殖，直到2007年，沙湖被禁止养鱼。

本课题所取研究区是以建筑为主的主城区，研究面积约为48 hm2，区域内包括各类建筑、道路、草地，还包括武汉长江隧道武昌段的入口，见图1。

图1 研究区域Fig.1 Study area

2 InfoWorks ICM模型构建

InfoWorks ICM软件是由英国Wallingford公司开发的一款2 D排水模型软件，其一维管网模型采用完全求解圣维南方程模拟管道水流和明渠流，地面二维漫流采用求解浅水方程的方式计算地面积水量。该软件能较好地用于模拟和分析排水管网和地面洪水的动态变化过程，因此选用该软件作为城市雨洪模拟的工具。

2.1 排水系统、汇水区及地表

根据研究区域的雨水排水管网CAD图，提取该区域的雨水管网数据和下垫面信息，包括检查井和管道的埋深、地面标高、检查井的高程，雨水管道的管径、流向、坡度、管长以及糙率等。研究区域的管网信息可以概化为115条管道，其中18条干管(管径大于等于1 000 mm)，78个节点和3个出水口。由于研究区内地面比较平坦，故采用ICM软件根据泰森多边形法则自动划分汇水区，共有49个子汇水区，研究区内地表类型有3种，分别是屋面、道路和绿地。研究区具体概化情况见图2。

图2 汇水区、管网及出水口Fig.2 Catchments, sewer pipe system and outlets

对于研究区内的不透水区域，其产流模型选用Fixed产流模型，即固定径流系数法：依照室外排水设计规范和相关文献中的参考值对研究区内的不透水区径流系数进行选取，其中不透水路面和不透水屋面为0.8～0.9，城市广场类的混凝土路面为0.8，相应的不透水表面的初损值取2.5 mm。对于诸如草地类的透水地表，产流模型如前所述需要考虑初损、蒸发和下渗。武汉地区的多年平均蒸发量为1 494.0 mm，其中6-9月的蒸发量约为718.6 mm，而武汉市的降雨也主要集中在6-9月，并且蒸发量对降雨径流模型的模拟影响很小，因此，蒸发量可取固定值4 mm/d。透水下垫面的初损值为蒸发、植被截留、初期湿润、填洼等，与其他渗透产流模型相比，Horton模型能更好地描述城市绿地土壤的入渗性能。故在本研究中，对于此类透水面，即传统绿地，选用Horton模型进行模拟，初损值为5 mm，初渗率为76.2 mm/h，稳渗率为3.18 mm/h，衰减系数为7 h-1。本研究采用非线性水库方法，即SWMM汇流模型，使用运动波方程计算坡面汇流。对各类下垫面定义曼宁系数。其中，不透水面曼宁系数为0.013，绿地为0.3。对城市排水系统的模拟，主要是对排水管道内水流的模拟。本研究中管道的管壁粗糙系数采用InfoWorks ICM模型的推荐值。

2.2 模型验证

根据武汉市水务局提供的监测数据显示，2013年7月5日下午5时至7日下午10时，武汉市遭遇持续强降雨，部分地区降雨达到特大暴雨级别，中心城区最大降雨量达到337.5 mm，武昌地区最大小时降雨量约50 mm，约为5 a一遇水平，武汉长江隧道武昌段多个匝道发生严重渍水。本研究将通过模拟重现此次水灾，从积水点分布和积水量2个角度对模型进行验证。

(1)隧道及周边区域积水情况对比。图3显示了该区域积水情况，从模型模拟结果与实际积水情况对比看来该模型能准确反映此次隧道积水点的分布情况。

图3 积水点分布Fig.3 Distribution of water logging

(2)隧道内积水量的对比。模型能准确地模拟隧道内的积水量变化对验证模型是否可靠十分重要。图4显示了隧道内积水量随时间的变化情况。从图4可以看出隧道积水量最大值达到了1 900 m3，而根据隧道部门事后出具的渍水报告中的记录，东线江中泵房积水约1 600 m3，此外，武昌工作井地下3层也有部分积水，故实际积水总量约为1 850 m3，与模型模拟结果十分接近。

图4 隧道内积水量Fig.4 Flood volume in tunnel

通过以上2方面的对比分析可以得出该模型能够反映隧道当天的渍水情况。说明所建立的模型具有一定的可靠性，可以运用到城市区域的雨水模拟分析方面。

2.3 不同降雨重现期下的渍水情况分析

开发前该区域的下垫面主要为土壤和绿地，这类下垫面对雨水有着很好的渗蓄效果，径流系数小。在本研究中，为模拟开发前该区域降雨水文特征，将该区域整个当作传统绿地，产流在初损值取3 mm的基础上采用Horton渗透模型，最大下渗速率为76.2 mm/h，最小下渗率取3.18 mm/h，衰减系数取2.16 h-1。对开发前该区域进行降雨重现期为1、5、10、20、30、50 a模拟。

开发前该区域1、5、10、20、30和50 a 6个重现期下的峰值积水量模拟结果汇总见表1。与开发后该区域的积水量相比，开发前该地块在50 a一遇降雨情景下，友谊大道的积水量峰值也只与开发后10 a一遇降雨情景时接近。对于隧道主通道入口及周边的积水量峰值，5 a一遇时，开发后的值为开发前的24倍；10 a一遇时，开发后的值为开发前的8倍；20 a一遇时，开发后的值为开发前的4倍；30 a一遇时，开发后的值为开发前的3.5倍；50 a一遇时，开发后的值为开发前的2.4倍。说明自 然地表能极大地削减积水量，但是随着降雨重现期的增大，自然地表的削减积水量峰值的能力在逐渐降低。

表1 开发前后地块各重现期的积水量峰值 m3

对比开发后和开发前部分降雨重现期下出水管No.5.1、No.54.1、No.83.1的流量峰值见表2。从表2中可以看出，随着降雨重现期的增大，各出水管开发前和开发后的流量峰值均呈现出增大并且逐渐接近的趋势。

表2 开发前后出水管流量峰值对比 m3/s

开发前和开发后该地块的径流系数分别见表3和表4。开发前该地块的径流系数相对于同样降雨重现期下开发后该地块的径流系数明显偏小，开发前即使降雨重现期到了50 a一遇，径流系数也没有开发后1 a一遇大。

3 应用绿色屋顶、渗透铺装和下凹绿地后研究区域渍水分析

对于低影响开发设施的模拟，本文选用的是美国环保署开发的暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)，该模型经过不断完善，得到了广泛的使用和认可。该模型可分为降雨径流模型和管网汇流模型2部分。SWMM模型中的低影响开发模块，提供了生物滞留、渗透铺装、渗透沟渠、雨水罐、植被浅沟5种分散的雨水处置技术，通过对调蓄、渗透、蒸发等水文过程的模拟，结合SWMM模型的水力和水质模块实现低影响开发措施对场地径流量、峰值流量以及径流污染的模拟。其他措施如过滤带、下凹式绿地、绿色屋顶等技术都可以经过相应的参数变换处理后进行模拟。

表3 开发前该地块径流系数汇总 m3

表4 开发后该地块径流系数汇总 m3

3.1 低影响开发技术选择

低影响开发技术强调径流控制设施的使用应贯穿于整个规划设计之中，尽可能保持地块开发后的水文状态与开发前的自然状态一致。其包含的技术措施非常广泛，不仅包括结构性的基础设施，也包括非结构性的工程措施。

对于低影响开发技术措施的选择，应当因地制宜地遵循最佳技术选择过程。如果优先技术由于客观条件不允许，如场地限制等，就应依照顺序选择下一项技术。对于不同的地区，要根据不同的设计目的，兼顾成本来具体考虑。作为一门新兴的雨洪管理措施，低影响开发的内涵已超出了传统土木市政领域，涉及到了城市规划、景观设计和土地利用等各个方面。因此，低影响开发技术的设计和实施需要城市各部门的充分协调。本文的研究区域地处沙湖周边，毗邻长江，地下水位较高，且地处城市中心，考虑到城市风貌、交通影响以及房产开发等因素，拟选定的方案是应用绿色屋顶、渗透铺装和下凹式绿地对区域内原有的部分传统屋顶、新建房屋屋顶、部分原始道路以及绿地进行替换。

3.2 低影响开发措施径流系数的确定

利用SWMM 5.1版本LID模块，分别对绿色屋顶、渗透铺装和下凹绿地在不同降雨强度下的径流系数进行模拟计算。在研究区域将原有绿地替换成下凹式绿地后(见图5红色区域替换为下凹式绿地)，选择面积最大(编号40)的子汇水区进行开发后和应用下凹式绿地之后的水文效果比较，在研究区域将原有道路替换成渗透路面后(见图6红色区域为渗透路面)，选择编号58的子汇水区进行开发后和应用渗透路面之后的水文效果比较，在研究区域将原有50%屋顶替换成绿色屋顶(见图7红色区域为绿色屋顶)，选择编号27的子汇水区进行开发后和应用渗透路面之后的水文效果比较。

图5 红色区域为下凹绿地Fig.5 Sunken green space(red area)

图6 红色区域为渗透路面Fig.6 Permeable pavement(red area)

图7 红色区域为绿色屋顶Fig.7 Green roof(red area)

模拟结果见表5。下凹式绿地、渗透路面和绿色屋顶在一定程度上都能减缓汇水区的积水，使洪峰流量减少、径流系数减小、径流峰值出现的时间延迟。3种措施对径流系数和径流峰值的削减以及对径流峰值的延迟都跟降雨强度有一定关系，当降雨强度很小时，削减效果明显，当降雨强度逐渐增大时，削减效果逐渐减弱。

3.3 低影响开发后研究区域渍水

将下垫面的预设改造面积输入到雨水径流模型中，并对其在不同降雨重现期下的水文控制效果进行评估，各子汇水区在不同降雨重现期下的综合径流系数见表6。可以看到，经过优化的LID措施应用之后，同降雨重现期下，虽然径流系数与开发前的状态相比还存在一定的差距，但是对比现状区域(即开发后)情况，已有很大的改善。

表5 LID后各下垫面径流系数Tab.5 Runoff coefficients of grass, road and roof after applyingLLID under different rainfall return periods

表6 开发前和LID优化后综合径流系数对比Tab.6 Runoff coefficients before urbanization andafter applying LID under different rainfall return periods

将低影响开发措施在不同降雨重现期下的径流系数代入到Infoworks ICM模型中，即可得到LID优化方案应用之后友谊大道及隧道主通道入口各重现期下的积水情况，见图8～图13，积水量值见表7。可以看出，应用LID措施之后，整个友谊大道和隧道入口及周边区域的积水情况得到了明显的改善，虽然与开发前的自然地表状态相比，积水量略高，但是与开发后的情形相比，积水量已经得到了明显的控制和降低，说明LID措施的优化和改造是有效的。

图8 LID后1 a时最不利时刻Fig.8 The worst time in 1 a (after applying LID)

图9 LID后5 a时最不利时刻Fig.9 The worst time in 5 a (after applying LID)

图11 LID后20 a时最不利时刻Fig.11 The worst time in 20 a (after applying LID)

图12 LID后30 a时最不利时刻Fig.12 The worst time in 30 a (after applying LID)

4 结 语

本文结合Infoworks ICM和SWMM模型各自的优势，以武汉市沙湖及周边小区道路为研究区域，建立了雨水径流模型，并对模型的可靠性进行了验证，得到了该区域不同降雨强度下的渍水情况。而后利用SWMM模型的低影响开发模块对采用绿色屋顶、渗透铺装及下凹绿地后研究区域的径流系数进行了模拟总结。最后，对应用低影响开发措施后的研究区域再次进行了模拟，对比了开发前、开发后和应用低影响开发措施后的 渍水情况，说明研究区域应用绿色屋顶、渗透铺装及下凹绿地极大地提高了抵御雨洪灾害的能力。本文中的部分数据和研究方法可作为低影响开发技术使用和工程建设的参考。

图13 LID后50 a时最不利时刻Fig.13 The worst time in 50 a (after applying LID)

□

[1] D Joksimovic, Z ALam. Cost efficiency of low impact development (LID) stormwater management practices[J]. Procedia Engineering, 2014,89:734-741.

[2] Justyna Czemiel Berndtsson. Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: a review[J]. Ecological Engineering, 2010,36:351-360.

[3] Villarreal E L, Annette S D. Inner city stormwater control using a combination of best management practices[J]. Ecological Engineering, 2004,22(4):279-298.

[4] Huber W C. Wet-weather treatment process simulation using SWMM[C]∥ Proceedings of the watershed management symposium, watershed management, Proceedings of the Third International Conference. 2004,3:253-264.

[5] Hayes J C, Barfield B J, Harp S L, et al. Modeling impacts of post development water quality BMPs[C]∥ American society of agricultural and biological engineers——conference on 21st century watershed technology: improving water quality and environment. 2008:38-45.

[6] Katherine A, Franco M, Alisha G. Observed and modeled performances of prototype greenRoof test plots subjected to simulated low- and high-intensity precipitations in a laboratory experiment[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2010,15(6):448-461.

[7] Chang C L, Lo S L, Huang S M. Optimal strategies for best management practice placement in a synthetic watershed[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2009,153(3):359-364.

[8] Boughton W, Droop O. Continuous simulation for design flood estimation - a review[J]. Environmental Modelling & Software, 2003,18:309-318.

[9] Yilmaz D, Sabre M, Lassabatere L, et al. Storm water retention and actual evapotranspiration performances of experimental green roofs in French oceanic climate[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2016,20:344-362.

[10] Rodriguez-Hernandez J, Andres-Valeri V C, Ascorbe-Salcedo A, et al. Laboratory study on the stormwater retention and runoff attenuation capacity of four permeable pavements[J]. Journal of Environmental Engineering, 2016,2(142):1 061-1 070.

[11] Lin W, Ryu S, Cho Y. Performance of permeable block pavements in accelerated pavement test and rainfall simulation[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2016, 1(30):686-696.