基于SWMM的城市道路低影响开发研究

相洪旭，郭 林，刘 利，孟祥宇，曹玉烛

（青岛市市政工程设计研究院，山东 青岛 266101）

0 引言

城市道路雨水排水系统是城市排水系统的重要组成部分，在城市发展和生态建设过程中具有举足轻重的作用。市政排水设施设计以城市道路为主要载体，目的在于快速排除降落在道路界限范围内的雨水径流，以防止道路路基损坏，同时避免形成城市内涝等灾害[1]。

传统开发理念中，道路排水系统主要以“快排”为主要目标，采用“道路汇水面积—雨水口—市政管线—河湖水系”的排水方式，导致路面径流污染严重、雨水资源流失等问题，对城市水环境和水生态等构成了严重威胁。

2014年10月，《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建（试行）》发布，国家提出了基于低影响开发（Low Impace Development，LID）的可持续绿色道路排水理念，其核心是采用源头消减、过程控制等技术措施，通过模拟自然水文过程，实现雨水入渗滞留、径流污染控制、消减峰值流量和径流总量的目的，为缓解我国道路径流水质污染、城市内涝、环境污染的问题提供政策引导[2]。

暴雨雨洪管理模型（Stormwater Management Model，SWMM）是由美国环保署开发的一个动态模型，主要用来模拟城市在某一单一或者长期降水条件下的降水-径流过程。目前，给排水设计人员多采用暴雨强度公式转化为芝加哥雨型法来模拟短历时降雨-径流过程，结合年径流总量控制率来确定LID设施规模。本文利用SWMM软件结合水利部门的长历时典型设计雨型，模拟城市道路的长历时降雨-径流过程，着重研究评价短历时和长历时降雨条件下LID设施对城市道路范围内地面径流产生的影响[3-4]。

1 研究区域概况

结合青岛市1981～2010年降雨蒸发数据，该市多年平均降雨量为664 mm/a，如图1所示。

图1 青岛市多年降雨量统计图

青岛市多年平均蒸发量为1 189.4 mm/a（2004和 2005年数据不完整，予以剔除），如图2所示。

本案研究设计道路位于青岛市李沧区西部，规划为城市主干路，排水管道设计重现期5 a一遇，道路宽60 m，双向八车道，采用9.25 m（绿化带）+2.5 m（人行道）+1.5 m（侧分带）+15 m（车行道）+3.5 m（中央分隔带）的断面型式，道路标准横断面示意图见图3。

图2 青岛市多年蒸发量统计图

图3 道路标准横断面示意图

结合《青岛市海绵城市专项规划（2016～2030年）》提出的指标要求，设计范围内年径流总量控制率为75%，对应控制降雨量为27.4 mm。年径流总量控制率与设计降雨量关系见图4。

图4 年径流总量控制率与设计降雨量关系图

根据《青岛市海绵城市道路建设技术指南》，本次设计采用的海绵技术路线如图5所示：侧分带设置下凹绿篱自然下渗，无法入渗的雨水经溢流口进入市政雨水管；人行道设置透水铺装，无法入渗的雨水进入绿化带；中央分隔带雨水自然入渗，无法入渗的雨水散排进入车行道，车行道雨水经横向排水沟进入绿化带；在绿化带内设置浅凹植草沟转输雨水，生物滞留设施消纳雨水，绿化带内雨水经溢流口进入市政雨水管排放。

图5 道路海绵措施技术路线图

2 子流域概化

研究区域道路总面积为44 906 m2，范围内各子流域面积如表1所示。

表1 道路各分区面积比例表

结合道路各子流域面积分界线和道路竖向，划分汇水区域，在SWMM5.1中文版模型软件中绘制雨水系统拓扑结构，将研究区域进行概化，共设置4个排出口，如图6所示。

图6 道路子流域雨水系统拓扑结构图

3 设计雨型

3.1 芝加哥雨型

Keifer和Chu提出了用于短历时的合成雨量过程线，其芝加哥模式雨型计算方法见式（1）、式（2）。

峰前暴雨强度ia（mm/min）为：

峰后暴雨强度ib(mm/min)为：

青岛市设计暴雨强度q（L/（s·hm2））可用下式计算:

上述式中：r为雨峰位置参数，可取0.3～0.4，本次设计取 0.4；t为降雨历时，min，取 120 min；A、C、b、n均为参数，根据统计方法计算确定为：A=1 919.009，C=0.997，b=10.74，n=0.738；P为设计重现期，a。

当时间间隔为1 min时，得到青岛市在不同重现期下的芝加哥雨型降雨过程线，如图7所示。

图7 青岛市芝加哥雨型降雨过程线

3.2 胶东地区1 h雨型

根据《山东省中小河流治理工程初步设计洪水计算指导意见》，得到胶东地区常用1 h雨型（适用雨量100 mm），如图8所示。

图8 胶东地区常用1 h雨型图

4 概化模型参数选择

结合地质勘查报告，设计范围内土壤表层为素填土，以回填粗砾砂、黏性土及碎石为主，原地面高程3.5～4.2 m，地下水位高程1.3～2.27 m，设计路面高程4.34～5.81 m。道路填方处理方式为：车行道及两侧各1 m范围内，清表30 cm后采用风化砂回填至路床底面；人行道部位采用风化砂回填；绿化带区域采用素土回填，顶部采用种植土回填。区域内渗透系数取2.8×10-5m/s，渗入模型采用HORTON模型，不受地下水的影响[5-6]。

子汇水区域中设置LID设施：

侧分带内全部设置下凹植草沟：表层蓄水100mm，种植土层500 mm。

人行道全部设置透水铺装：透水铺装120 mm,级配碎石垫层150 mm。

绿化带设置转输型植草沟和生物滞留设施消纳雨水。生物滞留设施：表层蓄水250 mm，土壤层500 mm，级配碎石层 300 mm[7]。

5 模拟计算

5.1 短历时模拟

道路子流域内侧分带、人行道LID设施规模不变，绿化带内生物滞留设置的规模直接影响到控制降雨量。在相同的设计重现期（P）下，生物滞留设施规模与控制降雨量之间的关系如表2所示。

表2 控制降雨量与生物滞留设施规模和重现期关系表

在设计重现期P=5时，当达到年径流总量控制率对应的设计降雨量时，生物滞留设施占绿化带的比例不应小于20%；但在同样的生物滞留设施条件下，当重现期P较小时，却达不到海绵城市控制降雨量为27.4 mm的要求，比如，在设计重现期P=1时，生物滞留设施占绿化带面积需增大至约40%时方可达到要求。

径流系数与生物滞留设施规模和重现期关系见表3。

表3 径流系数与生物滞留设施规模和重现期关系表

由表3可知，径流系数随重现期减小及生物滞留设施比例的提高而减小。

生物滞留设施规模确定后，模型其他参数不变，由上述计算可知，控制降雨量和径流系数的不同主要受不同重现期下的降雨强度影响。

5.2 长历时模拟

选取2010年全年日降雨、日蒸发数据为基础，日降雨量按图8胶东地区常用1 h雨型进行时程分配，用于长历时模拟，得到年控制降雨量与生物滞留设施规模的关系，如表4所示。

表4 控制降雨量与生物滞留设施规模关系表

由模拟结果可知，随着生物滞留设施规模增大，蒸发量增大、地面产生的径流量减小，年控制降雨量逐渐增大。

2010年日降雨量大于2 mm的降雨统计图见图9。

结合2010年日降雨数据，由设计范围内年径流总量控制率为75%，控制降雨量为27.4 mm可知，2010年全年需控制的降雨量为541.6 mm。同理，对青岛市1981～2010年30年降雨资料进行统计，得到年径流总量控制率为75%时，年平均控制降雨量为490.66 mm。由表4模拟结果可知，绿化带内生物滞留设施规模占比达到40%时，仍无法满足年平均控制降雨量490.66 mm的要求。

长历时模拟时，在相同生物滞留设施规模条件下，无法达到年径流总量控制率下平均控制降雨量的要求，主要受实际降雨为某一时段的连续降雨（如2010年8月22日至2010年8月28日），生物滞留设施无法连续消纳雨水的影响。

图9 2010年日降雨量大于2 mm的降雨统计图

6 结语

（1）由短历时芝加哥雨型模拟结果可知，为达到相同的径流总量控制率，在下垫面相同条件下，道路海绵LID的规模主要受降雨强度、重现期的影响。道路海绵设计时，可忽略排水管道设计重现期的影响，按P=1的条件进行模拟计算，确定生物滞留设施的规模。

（2）当LID设施规模不变时，结合胶东地区常用1 h雨型分配进行全年模拟，生物滞留设施受连续降雨无法持续消纳雨水的影响，造成实际能够消纳的雨水量比理论计算量小。

（3）长历时模型模拟时，应以水力部门的雨型分配为基础，得到LID设施实际能够控制的雨水量，指导工程实践。

（4）城市主干道路海绵LID设施设计时，侧分带、人行道LID设施规模不变，受车行道面积占比远远大于绿化带面积占比影响，为达到海绵城市规划年径流总量控制率要求，绿化带内需设置较大规模的生物滞留设施。建议在进行前期城市道路海绵城市规划时，应适当降低指标，给出道路设计范围内径流总量控制率，不应严格遵守整个城市的年径流总量控制率，以免造成LID设施规模过大，投资浪费。