基于LID的SWMM模型在雨洪控制中的应用

2020-06-03杨艳娜冯文凯魏昌利

太原理工大学学报 2020年3期

梁芊，杨艳娜，冯文凯，魏昌利

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，环境与土木工程学院，成都 610059；2.四川省地质调查院，成都 610081)

受城镇化影响，城市建设改变了自然排水格局，河湖水系被侵占，城市下垫面以硬质铺装为主，产流量和汇流速度增加，雨洪调蓄能力降低。[1]目前，我国普遍采用的传统开发理念是“以排为主”，单纯的依靠修建雨水排水管道来解决城市雨水问题；未充分考虑雨水系统与生态系统维持、土地利用、地下水补充、雨洪控制利用、城市景观美化和污染控制等方面的关系，远不能适应现代新型雨水系统发展的要求。[2]为提高城市“弹性适应”环境变化与自然灾害的能力[3]，20世纪末，美国提出低影响开发(LID)理念，LID即通过综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等方式，达到减少径流量并减少雨水污染负荷的目的，使开发后城市的水文功能尽可能接近开发之前的状况。[4]这一理念将城市规划与自然景观设计相结合，通过增加城市下垫面的透水性和布设雨水利用等措施，实现从源头蓄水、渗水和净水，以此来消除和减少城市内涝。

基于LID理念，我国于2014年提出了“海绵城市建设”的方案[5]，并迅速推广。暴雨管理模型(SWMM)，是由美国环境保护(EPA)于1971年开发研究的一种动态的降雨-径流模型，主要用于模拟城市某一单一降雨时间或长期的水量和水质变化[6-7]，可实现城市水资源管网的信息化[8]。近年来，不少学者对SWMM模型中的LID模块进行了深入研究，利用SWMM模型评估了LID建设前后对研究区降雨径流的调控效果[9-10]，反映出SWMM模型具有较好的适用性和准确性。也有不少学者利用SWMM模拟不同LID措施组合对城市径流与洪峰削减的效果[11-15]，以提供最优的LID布设方案。例如，王雷等[16]用SWMM模型构建了华北某地区降雨径流模型，模拟了5种LID措施布设组合的径流控制效果，为该区域海绵城市建设提供依据。朱寒松[15]以重庆市渝北区花朝工业园为研究对象，分别设计单一及组合式LID控制方案，构建SWMM模型，模拟了不同设计方案对区域雨洪的控制效果。

在利用SWMM模型模拟LID措施对城市径流调控效果时，往往忽略了前期降雨事件对模拟结果的影响，使得模拟结果与实际情况不符。在经历了一系列降雨事件后，城市下垫面及LID措施的初始含水状态发生改变，包括下垫面表层的洼地蓄水量、土壤平均含水量和LID措施内的滞水量。降雨降落到地表率先经过地表填洼而后发生产流，地表洼地对初期地表径流的影响较大，但随着雨强增大，该影响可忽略不计。[17]土壤含水量影响其相关物理力学性质[18]，诸多水文模拟已证实，土壤含水量尤指降雨前期含水量，是影响下渗过程与径流形成的重要因素[19-20]；土壤的渗透性由其微观结构特征决定，如孔隙率、孔隙连通等[21]；土壤下渗率随含水量的升高而降低，从而影响径流的产生[22]。LID措施内的初始滞水量影响后期雨水的存蓄能力，且内部土壤层的下渗能力受初期含水量影响。

以上不同区域尺度的研究模型在不同含水状态对城市雨洪控制影响的方面鲜有涉及。因此，本文以四川遂宁河东新区体育中心为研究对象，基于研究区实测水文气象资料及管网资料，构建体育中心尺度上的SWMM模型，模拟分析传统开发模式和LID模式下不同初始含水状态对径流控制与峰值削减率的影响，以此来为西南地区海绵城市建设方案及管理运营提供技术支持。

1 研究区概况

1.1 研究区特征

遂宁市位于四川省东部四川盆地，属扬子准地台[23]。遂宁市河东新区位于涪江主要支流左岸，地貌表现为河谷冲积平坝地貌，上覆第四系冲积层为低粉性土粉[24]、粉-细砂含少量的砂卵砾石，下部为砂卵砾石层，基岩为上侏罗统遂宁组的粉砂质泥岩。河东新区靠河一侧虽受河流冲刷，河床基底有所起伏，但总体上较为平坦。根据遂宁市气象局提供的河东新区近10年的降水监测数据统计，河东新区多年平均降雨量约968.59 mm，各月份降雨量见图1所示。其中不同颜色线段表示不同年份，根据2010-2017年各月份降雨量显示，河东新区降雨多集中在5-9月。

图1 遂宁市河东新区2010-2017年各月份降雨量Fig.1 Rainfall in Hedong new area of Suining city from 2010 to 2017

本研究区为遂宁河东新区市体育中心，该中心作为全国海绵城市建设试点工程项目，位于我国四川省遂宁市河东新区东南侧，地理坐标为东经105°36′13.91″，北纬30°31′03.07″，总占地面积约0.18 km2.体育中心位置示意图见图2所示。研究区浅

图2 遂宁市体育中心位置示意图Fig.2 Location diagram of Suining Sports Center

层岩性组成为棕黄色砂质黏土夹砾石层，砾石成分以灰白色石英岩为主，磨圆度好，分选差，粒径大小悬殊，改造前该层渗透性较低；下部为砂砾卵石层，砾石成分为花岗岩、石英岩、砂岩和灰岩等，磨圆度较好，粒径呈3～10 cm，具有较好的渗透特性。该研究区潜水位埋深一般为3～7 m，但丰、枯期略有差异，一般变幅为1 m.

研究区地表硬化比例较高，体育中心的建设对道路下垫面干扰较大，具体表现为：具有较大比例的硬质铺装，未对径流污染进行控制；屋面虹吸排水，雨水直排市政管道；绿地面积大，无雨水利用系统，绿化灌溉消耗大量自来水。

1.2 体育中心LID措施布设

该研究区LID措施主要有透水铺装、雨水花园和植草沟。根据下垫面状况和LID措施分布，将研究区域划分为房屋、道路、绿地、透水铺装、植草沟和雨水花园6种土地利用类型。研究区土地利用类型占地面积与占比见表1所示。

表1 土地利用类型及占比Table 1 Type and study area proportion of land use

透水铺装是一种集入渗—储水—排水为一体的海绵城市构筑物，是指由多孔沥青混合料、多孔水泥混合土、透水面砖等多孔隙材料铺筑的路面。路面结构内采用强渗透性碎石或者蓄水模块等作为存水媒介，并在媒介中做溢流处理，存水媒介下覆为原始土基。在体育中心骑行道位置设置透水铺装设施，集中消纳大面积硬化场地的雨水径流。小雨时可以通过渗透结构下渗，大雨时可以通过溢流管进入雨水管网，透水铺装流程图见图3所示。

图3 体育中心透水铺装Fig.3 Permeable pavement of the sports center

当初始含水率较高时，透水铺装的铺装层和土壤内的空隙被前期降雨的雨水占据，无法为后来的降雨提供有效的存蓄空间和入渗能力，因此其产流量较大，入渗量较小，对透水铺装的效果有一定的不利影响，且蓄水层快速达到饱和，多余的雨水从溢流管流入市政管网，增大了城市管网压力。

植草沟与雨水花园(图4和图5)作为常见的低影响开发措施，主要依靠重力流收集雨水，并通过截留、入渗、过滤和植物吸收等作用，达到雨水径流削减和污染控制的目的。在体育中心道路沿线布置植草沟，植草沟末端与雨水收集管网衔接,用于将雨水径流输送和排放至雨水花园，在雨水花园的天然蓄水层—碎石层暂时储存并缓慢下渗，雨水花园自身接纳地表周边雨水，通过下沉式绿地缓慢下渗至蓄水层，多余水量通过溢流管进入雨水管网。

图4 体育中心植草沟Fig.4 Grassed swales of the sports center

图5 体育中心雨水花园Fig.5 Rain gardens of the sports center

植草沟与雨水花园内部结构相似，分层填料由上至下分别为种植土层、碎石层和自然素土层，将土层视为固-液两相介质。[25]雨水花园和植草沟滞留降雨径流的空间主要是顶部20～35 cm的蓄水空间与内部及可贮存重力水和可排水空隙，在经历前期降雨事件后，内部介质的含水量增大，雨水花园和植草沟顶部的蓄水空间减少，用来贮存雨水径流的内部有效孔隙体积减小，此时LID措施的调蓄能力受到影响。

2 研究区SWMM模型建立

2.1 体育中心概化

研究区域总面积为0.18 km2，平均不透水面积为约75%。依据现场勘察及SWMM模型的应用要求，结合研究区域雨水管网资料，将研究区概化如下：共划分子汇水区178个，设置雨水管线162条，检查井节点175个，排放口11个，平面概化图见图6所示。

图6 研究区SWMM模型平面概化图Fig.6 Schematic diagram of SWMM model in study area

2.2 SWMM模型参数的取值及率定

SWMM模型运行所需参数可大致分为三类[26]：水文模块参数、水力模块参数和管网模块参数，参数取值可分为实际测量的确定参数和通过率定的不确定参数。研究区汇水区面积、特征宽度、研究区坡度、不透水面积比例等可通过实测数据得到。管网资料来源于遂宁市河东新区管委会，降雨数据来源于河东新区体育中心气象站实测降雨数据。类似透水区、不透水区洼地蓄水量、粗糙曼宁系数及下渗率等不确定参数，则需要经过参数率定方可使用。根据住房和城乡建设部《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》对参数进行初步取值，并选择河东体育中心2017年4月25日、2017年7月6日等两场降雨对参数进行率定，以2018年5月22日暴雨进行验证。考虑研究区范围较小，且坡度变化不大，各子汇水区的坡度按平均坡度1%取值，主要参数率定结果见表2所示。

表2 SWMM模型水文参数率定值Table 2 Hydrological parameter calibration of SWMM model

2.3 SWMM模型验证

自2014年该体育中心建成之后，下垫面状况几乎无变化。选取纳什效率系数法(ENS)和相关系数(R2)对在该研究区建立的模型参数进行率定，应用遗传算法，选择河东体育中心2017年4月25日、2017年7月6日等两场降雨进行率定，以2018年5月22日暴雨进行验证。ENS和R2的表达式为：

(1)

(2)

式中：Qsim为i时刻的流量模拟值；Qobs为i时刻的流量实测值；Qav为实测流量数据的平均值；Qavs为模拟量数据的平均值。

ENS和R2可反映模型模拟过程和实测过程的拟合程度，ENS与R2的值越接近1，说明模拟过程与实测过程的拟合程度越高。以ENS，R2≥0.5作为模型率定的最低标准，二者在0.65～0.75的模拟结果较好，0.75以上的模拟结果为非常好[27]。模型验证结果见表3所示。

表3 SWMM模型验证结果Table 3 Parameters calibration results of model of SWMM model

三场降雨的ENS和R2均大于0.7，显示出较好的拟合度，可以认为该模型参数取值合理，可用于遂宁市体育中心城市雨水控制与利用的模拟计算。

3 SWMM模拟情景设置

3.1 设计暴雨

2016年遂宁市市气象局编制了《遂宁市主城区暴雨强度公式报告》，本文根据遂宁市主城区暴雨强度公式分别推求重现期为1，2，5，10，20 a，降雨历时2 h的设计暴雨，公式见式(3)；采用P&C法[28]设计暴雨雨型。根据实测降雨资料，遂宁市不同重现期设计暴雨过程见图7所示。

图7 不同重现期下设计降雨过程曲线Fig.7 Rainfall process curves at different recurrence interval

(3)

式中：i为t时间内的平均暴雨强度，mm/min；t为降水历时，min；p为设计降雨重现期。

3.2 不同初始含水状态及参数设定

体育中心表层土壤为砂壤土夹砾石，根据朱元骏[29]的研究，土壤中砾石的存在导致土壤水分饱和度增加。在遇到极端天气时，密集暴雨过后，一定深度下的土壤水量饱和度可迅速达到100%，称之为饱和状态，此时地表洼地全部积水，LID设施如植草沟和雨水花园顶部的凹槽蓄满水。若遇中小雨降雨事件，雨强较小且持续时间较短，则土壤缓慢达至半饱和，称之为半饱和状态，此时土壤水量饱和度为50%，LID设施中有部分滞水，下垫面与LID的下渗能力与蓄水空间减少。在初期无降雨事件干扰的情况下，地表洼地无积水，下垫面土壤初始水量饱和度为0，LID设施完全干燥无滞水，称之为自然状态。

传统开发模式指未布设LID措施的径流调控情况。根据遂宁市河东新区20年降雨资料、市体育中心下垫面与LID措施特性，分别设定天然状态、水量半饱和状态与水量饱和状态等三种代表性初始含水状态。自然状态下下垫面与LID各项参数均按照规范与率定后的结果取值。根据薛凯喜等[30]的研究，饱和状态下土壤的下渗能力为天然状态的10%，土壤渗透率取自然状态的0.1倍。考虑研究区LID措施土壤层特性与该区域表层土壤相似，故LID措施内的土壤层下渗率也取自然状态的0.1倍。半饱和状态下土壤下渗能力为天然状态下的50%，下垫面土壤与LID土壤层的渗透率取自然状态的0.5倍。土壤稳定下渗率受初始含水率、土壤孔隙率及土壤中植被根系这三种因素影响。

模型主要参数值见表4和表5.

表4 不同初始含水状态下模型下垫面主要参数设置Table 4 Calibration of the model parameters in different initial moisture states

表5 不同初始含水状态下模型LID措施主要参数设置Table 5 Calibration of the LID parameters in different initial moisture states

4 结果与讨论

通过模拟分析发现，在重现期分别为1，2，5，10，20年一遇的降雨条件下，较传统开发模式，LID措施在三种状态下的径流控制效果更加显著。由图8可知，传统开发模式在天然、半饱和与饱和初始条件下的径流控制率分别为26%～47.5%，22%～38.1%，12.4%～26.7%；结果显示LID径流控制率分别为36%～76.3%，25.4%～56.8%，16.9%～38.1%.LID自然状态下的径流控制率最高，且随着重现期由小增大，径流控制率逐渐减小。

施加LID措施后在自然状态、半饱和与饱和状态不同重现期降雨条件下的径流控制率削减率见图9所示。对比传统开发模式，LID的径流控制率分别削减了6.5%～61%，3.2%～50.8%，2.1%～49.3%.随降雨重现期增大，径流控制削减率迅速降低，在降雨重现期为20年一遇时，削减率达到最小，低影响开发模式与传统开发模式径流控制率相差不大。当重现期较小时，降雨损失主要为地表填洼及地表入渗，此时地表产流较慢，土壤的下渗能力及LID设施前期累计储水量对重现期较小的降雨条件影响较大；当重现期较大时，产流较快，此时径流量主要受LID措施初始储水量的控制，在自然状态、半饱和与饱和状态下LID措施下渗能力相差较大，但随降雨总量增大，三者下渗能力逐渐趋于一致，径流控制率差异逐渐减小。

传统开发模式与LID在不同初始水量饱和度下各重现期径流峰值控制率见图10所示。LID整体较传统开发模式的峰值流量较小，LID措施自然状态、半饱和与饱和状态在不同重现期降雨条件下径流峰值分别为10.1～208.4，22.3～221.8，39.2～240.7 L/s.随着前期土壤下渗能力的降低、LID初始蓄水量的增加，峰值流量逐渐增加；随着重现期由小到大变化，所有状态下的峰值流量逐渐增加，在降雨重现期为20 a时，峰值流量趋于一致，即各状态对峰值流量的削减水平接近一致。

图10 不同初始含水状态下各重现期的峰值流量Fig.10 Peak flow in different initial moisture states and different recurrence interval

在低重现期降雨条件下，土壤的下渗能力与洼地蓄水起主要作用；在高重现期降雨条件下，LID措施的入渗起主要作用。随着总降雨量增加，土壤处于半饱和或饱和状态不能将降雨及时的消纳，尤其是在暴雨状态下，此时汇流量远大于下渗量，径流峰值量过大，表明LID措施对较低重现期降雨峰值控制效果比对高重现期效果要好。LID措施在半饱和或饱和状态下的效果远不如在自然状态下的效果。

传统开发模式与LID在不同初始含水状态下5个重现期的径流过程模拟见图11所示。LID在各不同初始含水状态下的峰值流量随着降雨重现期的增大皆呈增大趋势，径流峰值削减率逐渐降低。在自然状态、半饱和状态与饱和状态下的峰值削减率分别为10.8～58%，5.3%～28.6%，1.2%～25.3%.随着重现期增大，LID饱和状态下的峰现时间逐渐提前。

图11 不同初始含水状态下各重现期径流过程Fig.11 Runoff process in different initial moisture conditions and different recurrence interval

高重现期降雨强度较大，雨水迅速汇流，饱和状态下的LID措施中安装有溢流井，LID措施土壤层与表面层的下渗与管网溢流同时存在于整个降雨过程；但由于饱和状态下LID措施蓄水能力已达最大值，进入到LID措施中的雨水绝大部分经溢流井迅速流入市政管网排出，传统模式饱和状态的雨水则需穿越低渗透高阻力的下垫面后才可进入市政管网，因此，LID饱和状态径流过程增长较快，峰现时间较为提前。