基于SWMM模型的居住区景观雨水系统径流削减效果评价

蔡家珍

(漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)

雨水作为大自然水循环中的一个重要环节，具有调节和补给地下水资源的作用，然而在当前城市建设中，由于不透水下垫面的大量存在，雨水不仅得不到有效利用反而易引起洪涝灾害。居住区是目前海绵城市建设的重要场所，结合居住区各种场地景观要素，合理布设渗透铺装、生物滞留带、植被浅沟、绿色屋顶等景观雨水设施，解决传统排水系统所产生的水资源问题[1]。另一方面，雨洪管理模型(SWMM)中的5种雨水处置设施能实现对雨水径流过程的模拟，从而能有效评价景观雨水系统对居住区径流调控效果[2]。本研究以漳州市某居住区为研究对象，采用SWMM模型模拟不同降雨条件下，研究区景观雨水系统构建前后的径流变化，探讨基于闽南地区的降雨特征及土壤特性条件下，景观雨水系统在居住区中的水文效应，评价其对居住区的径流调控效果。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区为闽南地区漳州市某居住区，该区域年平均降雨量为1 500～1 700 mm，夏季多台风暴雨，土壤特性为砖红壤性红壤土，渗透系数约为5.0×10-4m/s，面积为1.238 hm2，共有5栋高层建筑，其中道路广场和停车场面积为4 057.5 m2,屋面面积2 481.7 m2,整研究区不透水面积率为52.8%，绿地率为47.2%，整体设计坡度为0.4%～2.5%，排水方式采用雨污分流。

1.2 研究方法

依据现状地形图和基础资料，构建研究区的SWMM模型，并通过3场实测降雨径流事件对模型参数进行率定和验证。研究借助合成降雨模拟法，模拟研究区域布设一定规模比例的绿色屋顶、高位花坛、透水铺装、植草沟、雨水花园等景观雨水设施前后的水文过程，研究在闽南降雨强度大，土壤渗透较差的环境下，景观雨水系统对居住区的径流削减效果。

1.3 景观雨水系统调控下的居住区径流路径

雨水经绿色屋顶蓄渗净化后，由建筑雨落管流入层叠错落的高位种植池，通过台层式的高位种植池滞留过滤后，顺着道路一边的植草沟汇入景观绿地中的雨水花园或下凹绿地等生物滞留带。当这些生物滞留带达到饱和状态时，过量的经过景观雨水设施处理后的雨水将由溢流口排入周边的市政管网[3-4]。在此过程中，景观雨水系统能促进雨水滞蓄下渗，起到削减径流流量、减缓径流速度的作用。(见图1)。

图1 雨水设施布局及径流路径

2 模型构建

2.1 研究区域概化

依据研究区域地形标高、地块类型、雨水管网分布情况与下垫面类型，遵循概化原则，将整个研究区概化成12个子汇水区(S1-S12)、10条雨水管(C1-C10)、10个检查井节点(J1-J10)和1个排放口(O1)，概化结果(见图2)。

2.2 模型参数及产汇流模型选取

模型参数是根据课题组前期研究成果、当地土壤及降雨特性资料、参考SWMM模型用户手册及相关文献预设的，并通过反复调试参数使得相对偏差最小化。[5]本研究采用Horton模型进行地表径流入渗过程的模拟演算，汇流过程采用非线性水库模型[6-12]，水力演算模拟采用运动波方程，Horton模型参数、洼蓄量、曼宁系数等不确定参数通过3场实测降雨径流事件进行率定。景观雨水设施的模型参数来源于设计规格(见表1)，通过SWMM模型中LID控制器设定后，再应用到子汇水区内。

图2 研究区域概化

表1 景观雨水设施规模及用地分配比例

2.3 模型参数率定

选取研究区出水口作为监测点，采用流速面积法监测流量，采用2017年5月8日(总降雨量72.8 mm)和2017年5月26日(总降雨量42.3 mm)的降雨监测数据对构建的SWMM模型参数进行率定。根据参数的局部灵敏度不同，采用人工试错法，在一定范围内不断调整参数数值，使模拟结果接近于实测数据。从图3可以看出，模拟的降雨径流过程与实测降雨水量过程基本拟合，说明流量参数率定结果较精确。率定模型参数结果为居住区绿地、雨水管道、道路路面的曼宁系数分别为0.15、0.013、0.012，按照砖红壤性红壤土的土壤质地及率定结果，最小、最大入渗率为2.524 mm/h和69.5 mm/h，衰减系数为4 h-1，透水面和不透水面中洼地储蓄水深度为5 mm和 1.5 mm。

图3 两场降雨事件模型率定结果

2.4 模型参数验证

模型验证采用2017年6月的一场降雨实测数据，对比模拟结果与研究区域排放口节点(O1)监测结果(见图4)，得出径流总量和峰值流量相对误差分别为5.6%、4.9%。两种误差均在允许范围内，说明模型精度满足工程应用要求，可用来进行居住区景观雨水系统调控效果模拟。

图4 模型流量验证结果

3 结果与分析

3.1 降雨事件选择

研究是基于SWMM模型，对比不同降雨强度下居住区传统开发模式和景观雨水系统调控模式下的径流总量和峰值流量。设计降雨选用芝加哥降雨过程线合成，该方法基于当地暴雨强度公式及雨峰系数合成降雨情景，能综合反映区域的典型降雨特性，设计降雨历时为2 h，通过研究资料显示，各地区雨峰系数选取多数在0.3～0.5之间，本研究采用0.4，得出重现期研究区域2年、5年、10年、20年一遇的降雨量为70.064 0 mm、83.588 2 mm、93.818 8 mm、104.049 4 mm。

3.2 景观雨水设施规模与用地比例

结合研究区实际水文情况，充分利用设施的蓄渗能力延长径流路径和径流时间，并综合考虑建造成本，确定研究区景观雨水设施的布局和规模比例。研究区土质特征为砖红壤性红壤土，渗透性较差，并常发生高强度降雨，为了避免雨水花园、下凹绿地、植草沟等设施的植物长期淹水危害生长，蓄水深度设计<10 cm。总体上除透水铺装外，各类型的景观雨水设施面积均不超过其所在下垫面面积的50%，所有景观雨水设施的面积总和约占研究区域面积的42.24%(见表1)。

3.3 结果与讨论

分别以漳州市2年、5年、10年、20年一遇的2 h典型设计降雨作为模拟的水量边界条件，研究区景观雨水系统调控前后排放口节点(O1)的模拟结果及径流变化(见图5，表2)。

图5 不同重现期2 h降雨径流过程曲线

LID设施种类重现期/a径流总量/m3径流削减量/m3径流削减率/%峰值流量/(m3/s)峰值流量削减量/(m3/s)峰值削减率/%传统开发模式2550.127 65670.153 610760.172 820860.192 0景观雨水系统调控模式2243156.40.101 179.25303755.20.118 677.210344253.90.129 875.120394753.40.14273.9

在景观雨水系统调控下，研究区出水口2年、5年、10年、20年的径流总量分别减少了56.4%、55.2%、53.9%、53.4%，峰值流量分别减少了79.2%、77.2%、75.1%、73.9%。这表明针对闽南多雨和土壤渗透性较差的环境下多种景观雨水设施联合应用能对降雨径流起到明显的削峰减排作用，因此在绿化率较高的居住区具有很好的应用潜力。但随着重现期及降雨强度的增大，景观雨水系统对径流削减率呈现出减小趋势，这是由于重现期及降雨强度越大，各类景观雨水设施的滞留蓄渗量达到饱和的时间越快，设施综合削峰减排功效越弱。另外当设计暴雨强度超过景观雨水设施的滞蓄和下渗能力时，系统只具有延长漫流路径的功能，径流削减效果降低。

根据图5径流过程模拟结果显示，虽然径流总量和峰值流量削减效果显著，但径流集中产生在降雨后的1 h内，导致这阶段的径流量仍然较大。这主要是因为透水路面所占比例较大，生物滞留设施难以迅速展现其蓄渗优势，致使降雨径流入渗速度下降。

4 结 论

(1)居住区的景观雨水系统能有效调控雨水径流，尤其是应对低强度短历时降雨效果显著，但随重现期及降雨强度的增大，削减效果呈现出减小趋势。当各类景观雨水设施设置面积比例接近小区总面积的50%时，在2年一遇至20年一遇的降雨条件下，景观雨水系统对居住区雨水径流总量的削减率均在50%以上，起到了减少总径流量的作用，而对峰值流量的削减率为75%左右，发挥了削减洪峰的显著功效。

(2)综合考虑雨水径流调控效果和经济性设置各类景观雨水设施规模大小，不同建设项目其景观雨水系统所占比例亦不相同。居住区植物绿化景观需求量大，景观雨水设施应用空间受限小，具有较大的应用潜力。本研究仅对闽南地区居住区内景观雨水系统设置面积比例接近50%的效果模拟，还可以针对不同土壤及降雨特性的区域进行其它比例下的设置效果模拟，从而更全面地评估景观雨水系统对居住区的径流削减效果。