基于SWMM模型的小区低影响开发措施组合模式的效果模拟评估

张译心 于富鑫 黄晨霞 王森

摘 要：文章以江苏宿迁恒力·水木清华小区一期为例，运用SWMM模型模拟了该区域传统开发模式下及由四种LID措施组合布设后的LID模式下，在重现期为10年一遇的180min短历时设计暴雨下的径流过程，评估了相比于传统开发模式，LID措施组合的雨洪控制效果。结果表明，LID措施在减小排放口的径流洪峰流量、提高地面蓄水量方面有较明显效果，能够有效地恢复大自然原有的对雨洪的调蓄能力。LID模式能够优化该小区的防洪排涝功能，减轻市政排水管网的运行压力，缓解城市内涝，对海绵城市的建设有着重要的意义。

关键词：SWMM模型；低影响开发；雨洪控制；海绵城市

中图分类号：S276.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）13-0050-03

Abstract： This article takes the first-stage project of Hengli Shuimuqinghua community in Suqian city， Jiangsu province as an example， by using the SWMM model to simulate runoff process of 10 years recurrence period， 180 minutes short-time design storm under the circumstances of the traditional mode of this area and LID mode that made of 4 kinds of LID facilities. The effect of storm control by LID measure combinations is also assessed comparing with traditional mode. The result indicates that LID measures have obvious effect on reducing the runoff flood peak flux of discharge outlet and on increasing surface storage. It can effectively restore the regulation and storage capacity that the nature originally has. LID mode is able to optimize the flood control and drainage functions of the community， reduce the operating pressure of municipal drainage network， relieve urban waterlogging and has significant meaning to the construction of sponge city.

Keywords： SWMM model （storm water management model）； low impact development （LID）； rain flood control； Sponge City

隨着我国城市化进程的加快，城市不透水路面积不断增加，降水难以入渗，城市雨水控制系统滞后于城市发展[1]，导致城市内涝频发，对人民群众的生命财产安全构成严重威胁[2]。近年来研究表明，应用SWMM模型对排水管道网进行模拟，可对排水系统运行的瓶颈问题进行有效的识别；在对城市雨水控制的研究中，LID的理念和技术体系作为一种可持续城市雨水控制方法，既能有效收集雨水利用雨水资源，缓解城市水资源短缺危机，还能显著减少城市地表径流，提高城市排水安全性[3]。鉴此，本文以江苏省宿迁市恒力·水木清华一期小区为例，设计了由四种LID措施构成的组合方案，运用SWMM模型模拟评估了传统开发模式下和LID措施组合下的雨洪控制效果，为城市小区域开发措施的优化提供了参考。

1 研究区概况

恒力·水木清华择居江苏省宿迁市宿城新区核心，年降水量919mm，但分布不均，6─8月雨量占年降水量近六成，易形成春旱、夏涝、秋冬干燥天气[4]。

研究区总用地面积11415m2。透水面积主要由小区绿化组成，绿化率35%。

2 SWMM模型及其LID模块

SWMM是美国环保署研制的模拟城雨洪过程和水质的综合数学模型，能实现水文、水力以及水质方面的模拟，并能以多种形式输出结果。

LID低影响开发是一种可轻松实现城市雨水收集利用的生态技术体系，其关键在于原位收集、自然净化、就近利用或回补地下水[5]。主要包含：生态植草沟、下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶、地下蓄渗、透水路面等[6]。

运用SWMM的LID模块，通过对场降雨事件及连续降雨事件的模拟，可实现 LID设施对雨水径流量、峰值流量的模拟和评估[7]，从而指导城市开发建设过程中LID设施的布局及优化。

3 LID布设方案

LID的布设原则主要有以下几条：

（1）以原有的自然生态系统和水文循环系统为土地开发利用的综合框架，尊重原有的自然条件，减少对自然环境的影响。

（2）控制雨水径流，增加可渗透铺装的面积，设计绿色屋顶和雨水收集系统，并将屋顶的雨水引入可渗透的区域。

（3）尽量维持原有的自然的径流路径，减少排水坡度，延长径流路径，使净流面积最大化。

（4）创造多功能的景观，通过景观设计减少雨水径流和城市热岛效应并提升场地美学价值[8]。

SWMM模型中可以考虑的LID措施主要类型有以下几类：植草沟、屋面雨水断接、雨水桶、透水铺装、下渗沟、绿色屋顶、雨水花园、生物滞留网络[9]。本次研究结合恒力·水木清华一期现有开发建设情况，遵循LID布设原则，提出以下几种LID布设方案，将它们组合后成为LID措施组合方案：

（1）绿色屋顶：绿色屋顶作为LID技术中一个重要的组成部分，对于城市的降雨径流控制效果明显，由于LID就是分散、小规模的源头控制技术，通过城市分散，大量的绿色屋顶建设必然能够有效提高城市雨水的处理能力[10]。改造小区内的24栋楼的屋顶为绿色屋顶，布设土壤厚度为300mm，导水率100mm/h，孔隙率0.5，排水材料厚度20mm，粗糙度为0.1。

（2）雨水桶：用雨水桶捕获屋顶径流，并用于灌溉绿地。每栋楼配备30m2的雨水桶，设置蓄水层厚度1000mm，排水滞后6h。

（3）透水路面：透水混凝土路面具有透水性，下雨时能较快消除道路、广场的积水现象[11]；当集中降雨时能减轻城市排水设施的负担，防止河流泛滥和水体污染[12]。这里将所有路面换为透水路面，设置蓄水层孔隙率为0.45，路面层孔隙率为0.31，表面坡度为0.4%，表面粗糙系数为0.1。

（4）下凹式绿地：下凹式绿地能够有效地利用小区内绿化带积蓄雨水，根据因地制宜的原则，改造部分绿地为下凹式绿地。设置蓄水层厚度500mm，孔隙率0.5，土壤渗透能力200mm/h，表面粗糙系数0.1。

4 径流过程模拟

4.1 研究区概化

为了便于使用SWMM进行径流模拟，结合恒力·水木清华一期管网资料，将研究区域的排水系统概化为汇接点21个、管渠21条、排放口1个（位于小区东门）。结合排水规划、地形，将研究区域划分为13个子集水区。

4.2 項目数据及参数的选择

研究区域的子集水区面积的大小由SWMM自动测量。漫流宽度初始估计通过子集水区面积除以平均最大地表漫流长度给出。平均坡度、管道形状、管道大小、管长、汇接点标高、区域不透水面积比例等可由下垫面信息和管网信息得到。

选用宿迁闸站1981-2016年降雨资料，使用皮尔逊Ⅲ型频率曲线对60min、120min和180min年最大降雨量目估适线，设计暴雨重现期为10年，在配好的频率曲线上查得，X60min，10%=75.5mm，X120min，10%=94.4mm，X180min，10%=108.3mm。最长取到180min作为短历时设计暴雨历时，选取典型暴雨过程，使用同频率法缩放典型暴雨过程得到降水过程。

查阅相关资料，蒸发量取1.02mm/d。

其他模型参数的取值主要是根据研究区域的实际情况，参考SWMM模型用户手册中推荐的值及相关的资料、文献。降雨入渗模型采用Horton入渗模型进行模拟，依照SWMM手册，采用如下参数值：最大入渗率f∞=76.2mm/h，最小入渗率f0=12.7mm/h，衰减系数α=4h-1。地表径流的汇流计算采用非线性水库模型，模拟排水系统流量演算的水力模型选用动力波模型。其他模型参数取值见表1。

4.3 模拟结果及分析

运用SWMM模型计算传统开发模式和LID模式下的径流过程，模拟总时长取7h，结果时间步长取5s。排放口1的流量过程与降水过程见图1。

径流过程与雨量过程吻合较好，径流过程模拟合理，符合实际。两种模式下模拟结果及对比见表2，排放口1径流过程曲线见图2。

图2为传统开发模式与LID模式下，排放口1 的径流过程曲线。由图2可以明显的看出，在LID模式下，排放口1的径流深得到了有效的削减。在传统开发模式下，排放口1的最大流量2.01m3/s；在LID模式下，排放口1的最大流量1.38m3/s，最大流量削减达31.3%。在传统开发模式下，地表径流72.1mm，径流系数0.666；在LID模式下，地表径流25.6mm，径流系数0.236，径流系数减小幅度达0.430。同时，地表蓄水量得到了明显的提高。排放口1流量的降低、地面径流的减少和地表蓄水量的提高，说明雨水得到了有效的控制。

相比于传统开发模式，在LID模式下，汇接点积水深度和汇接点进流量均有下降。在传统开发模式下，共有9个汇接点出现了溢流，9条管渠出现了超载，占比高达42.8%。这是因为对于洪水的调蓄能力较差，需要排放的雨水量超过了排水管网的承载能力，会造成内涝积水。LID模式很好地解决了汇接点溢流、管道超载的问题。这也说明了LID模式能够治理城市化带来的内涝问题。

综上所述，相比于在传统开发模式下开发，在LID模式下开发小区，可以更好地利用大自然的雨洪调节能力，有效地增加雨洪资源的可利用量，从而减轻市政排水管网的运行压力，有效地缓解城市内涝。

5 结束语

利用SWMM模型对传统开发模式下和四种LID措施组合模式下的出水口断面径流过程进行模拟，发现LID组合措施对断面洪峰流量、径流系数控制效果较显著。因此，在城市小区域范围内可积极推行LID措施模式，对社会经济、环境起到整体改善作用。同时可通过改变不同LID措施的布局，进一步优化开发方案。

参考文献：

[1]彭晨，皮家悦.浅析雨水资源化利用的意义及途径[J].城市建设理论研究（电子版），2015，24.

[2]朱锐.城市内涝的主要成因及防治对策[J].工程建设标准化，2015，2.

[3]李霞，石宇婷，李国金.基于SWMM和低影响开发模式的老城区雨水控制模拟研究[J].给水排水，2015，41（5）：152-155.

[4]中国天气网.宿迁城市介绍[EB/OL].http：//www.weather.com.cn/cityintro/101191301.shtml.

[5]徐韬.浅析广州国际金融城园林排水措施[J].科技创业家，2013，1.

[6]徐进.浅析低冲击开发（LID）模式[J].甘肃科技，2015，9：53-56.

[7]胡爱兵，任心欣，丁年，等.基于SWMM的某区域低影响开发设施布局与优化[C].海南海口.2014中国城市规划年会.

[8]UACDC. LID Low Impact Development a design manual for urban areas[M]. State of Arkansas：UNIVERSITY OF ARKANSAS PRESS.

[9]宋奔奔，高成，寇传和，等.基于SWMM的生物滞留池布置水文时空效应[J].水资源保护，2017，33（3）：25-30.

[10]郭晋伟，詹微昊.基于LID技术的绿色屋顶雨水回收技术推广探讨[J].城市建筑，2015，9：201-201.

[11]刘志刚.市政路面透水混凝土施工方法的探析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，36.

[12]楠玎.海绵城市在风景园林设计中的应用[J].建筑工程技术与设计，2016，22：3125.