基于SWMM的暴雨模拟与LID效果评价——以西南石油大学为例

周 易，戴佳宏，李小龙，李 帆

(西南石油大学 土木工程与建筑学院，四川 成都 610500)

随着国民经济不断发展，我国已经步入城市化发展道路。但随着城市的不断增多，城市中面临的问题也越来越多。城市路面硬化，绿化面积减少，原始地貌过度开发，使得城市不透水区域面积的比例大幅增加，地表汇流量增大。另外城市排水系统陈旧，加上极端天气频发，导致城市防洪压力越来越大。据统计，自2010年来，我国平均每年有185座城市受到城市内涝的威胁。可见城市防洪与内涝已成为城市发展的主要障碍。因此，在城市建设中急需一种新的城市水系统管理理念。

“海绵城市”是指以低影响开发技术为核心的新一代城市雨洪管理理念。住房城乡建设部于2014年10月出台《海绵城市建设技术指南》，对海绵城市所下的定义为：城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”：下雨时吸水、存水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。

然而，我国建设海绵城市所取得的效果并不理想。据新闻报道显示，2016年全国30个海绵城市试点中，有19个城市出现了内涝。究其原因，主要是试点城市在海绵城市的建设过程中缺少一个科学、有效的方法来预测海绵城市改造建设对不同的暴雨产生径流量的削减情况，从而系统评估海绵城市的建设效果。

1 数据收集及研究方法

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)是美国环境保护局研究开发的一个动态降雨-径流模拟计算机程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟。

1.1 数据收集

根据建立SWMM模型的需求，前期需要收集一些数据，例如研究区域的降水数据、地形及管网数据等。本次实验的地形及管网数据，通过学校基建处获得。降雨数据选用表示降雨的强度-历时-频率关系得到的芝加哥雨型和成都市暴雨强度公式推导计算得出，成都市暴雨强度计算公式为：

式中，i—降雨强度，mm/min；t—降雨历时，min；P—暴雨重现期，年。设计2、5、20、50年重现期，降雨历时2h，降水量分别为49.93、63.1251、87.2449、104.1758mm雨峰相对系数取0.4，得到不同重现期降雨过程线如图1所示。

图1 不同重现期降雨过程线

1.2 研究方法

SWMM模型模拟主要有3部分：水文模拟、水力模拟和水质模拟(此次研究不涉及)。水文模拟是在考虑研究区域产生径流的各种水文过程的情况下对地表径流量进行演算；水力模拟则是对水流在管网系统中流动的整个过程进行演算。

(1)对于水文模拟，当产生降水时，雨水落到地面后，一部分蒸发，一部分下渗到土壤，其余的水沿着斜坡形成径流。SWMM中径流量通过曼宁公式给出，下渗模拟有三种方式：Horton模型、Green-Ampt模型、SCS曲线数法。其中Horton模型主要描述下渗率随降雨时间变化的关系，基于此特性本文采用Horton模型。

(2)对于水力模拟，水流在管渠管段的流量演算，SWMM也提供了三种方式：恒定流演算、运动波演算、动态波演算。本次模型采用动态波演算，该方法能够实时模拟水流在管段的流动情况，通过对整个管道传输系统构建连续性方程、动量方程，得到较为准确的结果。

径流产生原理如图2所示。

图2 径流产生原理

2 SWMM模型构建

本文以西南石油大学成都校区为研究对象，建立SWMM模型。首先将研究区域划分为若干子汇水区，区域排水系统进行合理概化，再根据实际情况、查阅文献和SWMM模型软件的操作手册确定相关数据，最终实现SWMM模型的构建。

2.1 子汇水区划分

大致来说，子汇水区的划分有三种方法。一是通过泰森多边形法直接得到子汇水区，二是根据管网分布、地形地貌，人工划分子汇水区，三是先由泰森多边形划分较大的子汇水区，再由人工细分为较小的子汇水区。此次SWMM模型构建，采用第一种方法。经过团队两个月的校园实地勘探，结合学校雨水排水管网图纸以及小组讨论和老师指导，我们将研究区域划分为45个子汇水区。

2.2 排水系统概化

西南石油大学成都校区位于成都市新都区，本次研究区域为一期、二期工程，占地2050亩。在实际研究中，研究区域的管网系统往往较为复杂，若完全照搬到SWMM中去，不仅会增加人员造成工作量失误，而且会使得SWMM模型的计算量增大从而影响结果的准确性。因此，排水系统的概化必不可少。本次建模以校园建筑及道路分布为基准，选取主要管道，从而简化排水系统。研究区域SWMM模型概化图如图3所示。

图3 研究区域SWMM模型概化图

2.3 SWMM模型参数确定

SWMM模型运行还需要一些后期数据，按模拟类型可以分为两类：水文模块参数、水利模块参数。水文模块的参数主要包括:漫流宽度、地表坡度、非渗透面积百分比、曼宁糙率系数，洼地贮存深度和地表渗透率；水力模块的参数主要包括管道的长度，管径和曼宁糙率系数。

研究区域参数及确定方式详见表1。

表1 研究区域参数及确定方式

3 LID模拟分析

LID(Low Impact Development)即为低影响开发设计，是20世纪90年代末发展起的暴雨管理和面源污染处理技术，旨在通过分散的、小规模的源头控制，实现对暴雨所产生的径流和污染的控制，使开发地区尽量接近于自然的水文循环。低影响开发水文原理示意图如图4所示。

低影响开发的措施主要包含：生物滞留网格、雨水花园，绿色屋顶、下渗沟、透水路面、雨水桶、植草沟等。

图4 低影响开发水文原理示意图

3.1 LID设置

考虑到学校建筑已经建成，绿化设施基本设置完成，以及LID措施的实施成本和难易程度，此次模型主要选择三种LID措施：绿色屋顶、雨水花园和透水路面。绿色屋顶——又称屋顶绿化，通过在特殊排水垫材料顶部铺设土壤层，土壤层种植绿色植物，从而达到输送屋顶穿透的过量降雨的目的；雨水花园——人工或自然形成的下凹绿地，利用土壤和植被对降水起到滞留和储存的作用；透水路面——一种新型的环保、生态的道路材料，路面具有透水性，降水时能较快消除道路、广场的积水现象。

由于学校建筑、绿地和道路分布相对复杂，我们将学校按功能划分为生活区、教育区、公共建筑区和其他区四个区域，然后对各个部分添加LID措施，具体情况见表2。

表2 不同区域LID措施

参考SWMM操作手册和《海绵城市建设技术指南》以及阅读文献，结合校园实际情况确定出每种LID措施的主要参数，见表3。

表3 LID参数

3.2 LID结果分析

通过SWMM模拟不同重现期暴雨下3种LID措施添加到各子汇水区后研究区域径流量变化。在不同重现期下LID措施对径流量的削减效果如图5所示。

图5 LID措施在不同重现期下对径流量影响

由图5可以看出，暴雨重现期2年、5年时，LID措施对洪峰削减率分别高达73.95%、74.83%；对于洪峰推迟并不明显。暴雨重现期20年、50年时LID措施对洪峰推迟可达到25min以上；但对洪峰的削减作用并不明显，分别为25.84%、21.93%。

4 结语

本文通过建立SWMM模型以及进行LID效果分析，得到如下结论：

(1)对于一般小型暴雨，采用的LID措施(透水路面、绿色屋顶以及雨水花园的综合改造)对流量的削减十分有效，可高达70%以上，但对洪峰的推迟并不明显。

(2)对于大型暴雨，LID措施对径流量的削减并不理想，只起到很小的作用，但对洪峰的延迟效果较为理想。

(3)通过SWMM模型对海绵城市改造效果进行模拟分析，可以科学的预测改造后径流控制效果，有助于海绵城市的有效推广。

由于本次实验的降雨数据主要通过设定不同重现期进行模拟，与实际降雨数据相比，难免有不同之处，因此在今后的研究中，可以通过优化降雨数据的选取，得到更为精确的模拟结果。