基于SWMM模型的海绵城市措施效果模拟研究——南京市高淳区为例

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院 北京 100048；2.中骏集团 上海 201100)

一、引言

伴随城市发展，不透水地面的增加带来对原有水循环的破坏，城市区域的降水-径流-蒸发-入渗比例失调，城市水系功能退化等问题亟待解决。而基于绿地系统的海绵城市规划则通过低影响开发(LID)技术充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化。国内已有诸多学者借助城市暴雨管理(SWMM)模型对研究区域降雨进行模拟，进而对LID措施效果进行模拟及评价，其中不乏城市规划行业从业者对海绵城市改造效果进行评价[1-3]。

本文以南京市高淳区为研究区，基于SWMM模型对城区海绵模型、单一片区海绵模型进行不同开发模式下的模拟，以期为之后南京市建设海绵城市提供建议。

二、研究区概况

南京市高淳区位于南京市西南部，周边丘陵环绕，区内水库、湖泊众多，共有荆塘水库、大山水库、马耳山水库、龙墩湖水库等16座水库，分布在东部山区，多为小型水库，且区内有诸多小湖泊分布。该区域春夏两季的降水和暴雨城区东部多西部少，秋季则东少西多。受季风影响梅雨季雨量集中，平均占常年总降水量22.3%，年均降水量在1100mm以上。

三、SWMM模型构建

(一)降雨数据模拟

选用芝加哥降雨过程线模型合成降雨情景，取雨峰系数0.57，降雨历时2h，时间间隔5min，根据南京市暴雨强度公式(L/S,ha)，生成5个重现期下的设计降雨，分别是0.5年、1年、2年、5年、10年。

表1 不同重现期下的设计降雨量(mm)

(二)模型构建

根据规划，将研究区进行概化，得到79个子汇水分区，61个汇接点，10个排放口，60段管渠。并结合实地现场调研，对现状进行建模分析。

图1 高淳区SWMM模型构建图

(三)参数设定

为便于分析，将研究区概化为5个子研究区，如图2所示，分别标号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其不透水面积根据计算以及经验参数值，分别确定，如表2所示，综合径流系数则是根据经验值确定，通过模型调参，确定最优组合，如表3所示。

图2 子汇水分区概化

区域概况区域代号不透水面积百分比综合径流系数建筑密集区Ⅰ≥75%0.6-0.8山区有植被区Ⅱ60%-75%0.5-0.7山区无植被区Ⅲ50%-60%0.4-0.6建筑稀疏区Ⅳ30%-50%0.3-0.5农田自然保护区Ⅴ<30%0.2-0.4

表3 概化区域最优组合

(四)径流模型构建

为比较传统常规开发和LID开发下的径流过程，对研究区构建自然状态、传统开发、LID开发3种不同情境下的径流模型。

1.自然状态下的模型

以1995年的下垫面作为研究区的自然状态模型，使用Landsat 4-5 TM/ETM影像，进行不透水层面提取，按照提取的值及经验参数可知，村镇区域为8%，城镇区域为25%，构建研究区自然状态下的模型。

2.传统开发模型

对高淳城区进行传统模式开发，使用“快排”形式进行排水，且土地下垫面被改变，该开发模式适用于城市化区域，模拟在常规开发状态下的径流过程。

3.LID开发模型

LID主要措施选取下沉式绿地、绿色屋顶、透水铺装三种，确定指标如表4。

表4 LID指标比例

四、模拟结果与分析

(一)高淳城区在三种情境下的径流状态

因要考量不同开发模式对于径流的影响，则主要针对城市区域，故选择高淳城区为研究区，比较其在三种情境下的径流状态，如表5-7所示。

表5 不同重现期下高淳城区自然状态下的径流模拟值

表6 不同重现期下高淳城区常规开发的径流模拟值

表7 不同重现期下高淳城区的LID模拟值

由表5可知，自然状态下，径流系数在重现期为0.5年的情况下，只有26.64%，负荷正常值，由表6可知，在不同重现期下，常规开发径流系数均超过了55%，其中，当研究区遭遇十年一遇的暴雨时，径流系数更是达到67.67%，地表水流失严重，而下渗量都较低，是因为研究区的土壤类型均由砂质壤土分布，整体蓄水量不高，而由于研究区的水库较多、水系发达，地表蓄水量均在25%以上。

a.不同开发模式下的径流百分比

b.不同开发模式下的入渗百分比

c.不同开发模式下的地表蓄水量百分比对比

由图3可知，在高淳城区，常规开发下的径流系数远大于自然状态下，地表水流失严重，而LID开发模式下，城区的径流系数相较于常规开发降低36%，可在最大程度上转近自然开发状态下的径流系数，维持地表水的稳定，使得地表水可以被吸收、利用，防止内涝灾害的发生；但在入渗能力的改善方面，LID开发模式对此的改善有限，和常规开发模式均远低于自然状态下的降雨入渗能力，这源于城市区域建筑用地过多，LID开发模式对下垫面的改善有限；同时实行LID开发后，地表蓄水量大量增加，远高于自然状态下和常规开发，这是因为常规开发重点在于“快排”，以快排的形式将降水排放至江河湖泊，而LID开发重在实施蓄水设施，诸如雨水花园、绿色屋顶等，将降水蓄存下以便再次利用，深入落实贯彻可持续发展观。

(二)单一片区下的海绵布设

通过径流深度选择单一片区进行模拟，以径流系数作为主要评价指标，选择径流系数降低最优区域，以重现期p=0.5a为例，由图4可知，编号为48的子汇水分区(图5)的总径流量最大，径流量最多，故选择其作为片区LID实施点。

图4 高淳区城区各片区径流深度

图5 48号地块所处区位示意图

项目自然状态传统开发LID开发总降水量/mm33.9833.9833.98总入渗量/mm20.91413.72015.533总径流量/mm13.06220.24513.143峰值流量/(m3·s-1)12.77927.90414.938径流系数0.3800.5960.387

结合表8，传统开发的入渗量远低于自然状态下，实行LID开发后，其入渗量虽有少幅提升，但也远低于自然状态下，表明下垫面的改变在很大程度上影响城市的下渗；在LID开发模型中，48号地块的年综合径流系数与现状值相差无几，且自然状态下为0.38，是由于在两小时设计暴雨强度内，即便是重现期为0.5，但是研究区面积过小，仅为3.25平方公里，蓄满产流，导致径流量过大；峰值流量接近现状值，表明通过对不同的下垫面综合应用多种LID设施，可以有效的使研究区的水文状态接近于自然状态，达至海绵城市的初步目标；其次，LID开发模型中，总径流降低率相较于传统开发模型达到35%，峰值流量削减率相较于传统开模型达到46.5%。

由图6可知，48号地块共包含12种土地利用类型，分别是一类居住用地(5.95ha)、二类居住用地(55.06ha)、公园绿地(27.91ha)、商业设施用地(24.79ha)、安全设施用地(4.82ha)、广场用地(0.49ha)、待建用地(32.86ha)、文化设施用地(11.83ha)、河流(30.79ha)、行政办公用地(2.53ha)、道路(91.13ha)、防护绿地(37.35ha)，研究区总面积325.51ha。

a.48号地块下垫面属性图

b.48号地块LID设施布局方案

根据48号地块的最终布局LID实施方案(图6)，研究区可概化为屋面(138.33ha)、绿地(65.26ha)、硬质铺装(91.13ha)、水体(30.79ha)4类下垫面，结合，LID具体设施布局面积见表9。据此可知，考虑到经济指标和实施可操作性、可利用性，针对于某一类下垫面，只需建设一定比例的LID开发，便可满足研究区建设海绵区的基本目标；针对于屋面，对于已开发区，小范围的绿色屋顶耗费经济、人力指标，故本研究区的绿色屋顶均选择大范围的建设用地和待建用地，将地块的16.7%的屋面建设成绿色屋顶，这样既符合经济适用性原则，也可避免LID设施与其他设施建设的冲突；对于绿地，主要通过在公园绿地建设雨水花园和下沉式绿地，对防护绿地建设下沉式绿地，共约占绿地类型的22.5%；对于铺装，主要集中在可替换的硬质铺装以及小区周围的人行道，透水铺装共占硬质铺装的20.81%。就整个研究区而言，LID的设施布局约占全部下垫面的26%。

五、结论

通过采用SWMM模拟自然状态模型、常规开发模型、LID开发模型，将其进行对比分析，结果表明，LID开发能在一定程度上降低研究区的径流系数，削减峰值流量，使其接近于自然状态，在对城区进行LID设施后，能在一定程度上降低全区的径流系数，对单一片区进行LID布局落实方案研究，表明LID设施占总面积的30%即可达到片区LID目标。