基于SWMM的济南韩仓河流域宏观LID实践模拟

王 琳，陈 刚,2，王 晋,2

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

低影响开发(LID)实践是我国海绵城市建设的一种重要途径，LID措施通过对雨水的渗透、储存、调节、运输与截污净化等功能，实现对径流总量、径流峰值和径流污染的控制[1]。LID根据定义可以分为宏观尺度和微观尺度，目前相关实践研究主要集中在对工业园、示范小区中微观LID控制单元的水文水质模拟及LID的模拟参数率定方面，对宏观流域尺度LID组合体系的水文水质综合控制效果模拟研究较少[2-5]。

SWMM模型是美国环境保护署(ESEPA)开发的城市暴雨管理模型，能够模拟城市降雨径流、汇流过程以及多种污染物的累积、冲刷现象，具有较强的适用性和普遍性，在国内外得到了广泛的应用[6,7]。Suhyung Jang和赵磊等的研究表明为模拟城市环境而建立的SWMM模型在进行自然流域尺度下的模拟应用时也表现出了较好的适用性，且SWMM内部包含大量常用LID模块、主要产流汇流模型，具有高集成性、综合化连续模拟的特点[8,9]。因此，本研究以济南韩仓河流域为研究对象，利用SWMM技术对宏观尺度的LID组合----雨水湿地体系规划方案进行水文水质参数模拟，以期为流域单元LID组合体系措施效果的模拟研究提供参考，为济南韩仓河流域的水文、水质控制实践提供技术支持。

1 研究区概况

韩仓河属于济南小清河水系，发源于济南燕棚窝村以南的南部山区诸山谷，从南向北流，途径田庄、章灵丘，于曲家庄东入小清河，全长24.5 km。韩仓河流域位于济南历城区东南，东临济南绕城高速(京沪高速)，西侧为济南新东站核心区，流域面积约99 km2。流域南部上游为山区，土地利用现状以林地、草地为主，中游城镇化高度发展，下游分布大片耕地。根据遥感影像解译以及实地踏勘，研究区内主要土地利用类型有建筑与居民区、林地、厂房、空地、开发中、绿地、非铺砌土路面、混凝土与沥青路面、水系，面积分别为9.5×106m2、2.6×107m2、3.1×107m2、8.1×106m2、2.2×106m2、7.3×106m2、1.2×107m2、1.1×106m2、8.6×105m2、1.9×105m2，占比分别为9.6%、26.7%、31.3%、8.2%、2.3%、7.4%、12.2%、1.2%、0.9%、0.2%。韩仓河流域的多年平均降水量为651.8 mm。降雨量年内分配不均，暴雨洪水主要发生在七八月。流域多年汛期(6-9月)的平均降水量为504.5 mm，占年平均降水量的77.4%。韩仓河是自然形成的山区雨源型排洪河流，坡陡流急，雨洪破坏性较大。因此，研究提出构建宏观尺度的LID措施----雨水湿地体系，以与自然水文过程耦合的方式进行湿地布局，以求控制流域径流，涵养雨水资源，增强全流域的水生态韧性。根据流域内水系节点、源头分布，汇水区边界范围，结合洼地分布、土地利用类型，最终的湿地体系布局如图1所示。

图1 研究区湿地体系布局Fig.1 Distribution of wetland system in the study area

2 SWMM模型的构建

2.1 子流域概化

以研究区地理高程信息(DEM)数据为基础，基于ArcGIS平台的水文分析技术对研究区进行水系提取以及流域各层次单元的划分。综合研究区城市道路、雨水管网等建筑设施对水文过程的影响，对流域各层次单元划分结果进行修正，最终将研究区划分为49个汇水区。将49个水文学汇水区分别概化为SWMM中的49个汇水子区域。存在雨水管网的汇水子区域出流关联至管网排放口；没有雨水管网的汇水子区域，若与河道相邻则出流关联至位于河道的汇水区倾泻点，若不与河道不相邻时出游关联至其下游汇水子区域。河道根据高程数据和landsat8影像数据进行提取与目视矫正后于SWMM中概化为管道要素，根据河道宽度变换情况，适当设置管道连接铰点。韩仓河流域SWMM模型概化结果如图2所示。

图2 研究区模型概化示意图Fig.2 Generalized chart of research area in SWMM

本研究共构建了2种不同情景的模型：现状模型，基于现状土地利用类型的SWMM模型；宏观LID模型，即在各汇水子区域综合流域湿地体系设施的SWMM模型。

2.2 参数的选择

运用SWMM对研究区进行水文、水质模拟主要涉及地表产流、汇流模型参数和汇水子区域、河道特征参数。汇水子区域的面积、坡度参数通过ArcGIS分析DEM数据获取，宽度参数通过面积除以地表漫流长度获取。参照SWMM模型用户教程，结合小清河流域模拟有关研究[10]及研究区Landsat8影像数据，汇水子区域的不透水性比例、粗糙系数、蓄水深度、无洼地蓄水不渗透性比例分别设置在6%～95%、0.015～0.25、1.5～7.5 mm、25%～30%范围内，根据landsat8影像的土地用地类型不同进行取值。渗入模型选用Horton模型，最大入渗率、最小入渗率、入渗衰减系数分别为103.8 mm/h、34.4 mm/h、6.5 h-1。河道概化为梯形明渠，最大深度、底部宽度、边坡等数据通过对河道现场测量得到，明渠的长度、深度通过读取DEM数据获得，河道粗糙系数取0.016。水力演算方法选用运动波，它是最适合于树枝状排水系统，没有流量约束，可能引起超负荷的水力演算。

水质模块包含污染物累积模型和冲刷模型两部分，污染物累积模型选用饱和函数(sat)累积模型，冲刷模型选用指数函数模型。美国环境保护局(EPA)的研究表明不同城市和区域间降雨径流的水质统计结果不存在明显差异[11,12]，故参考哈工大吴建立[13]、苏州孙志康[2]和北京林业大学的袁溪[14]的研究结果、结合研究区情况，合理的将研究区土地利用类型重分为开发、未开发两类对污染物参数进行设置，如表1所示。

表1 不同用地类型下污染物的参数值Tab.1 Parameters of pollutants in different land use types

根据海绵城市规划和该区域雨水湿地体系规划参数，用以模拟雨水湿地的生物滞留池模型表面层、土层、填料层和植物密度参数分别设置为150 mm、580 mm、420 mm和80%。

2.3 模型的验证

本文研究区域主要为山区乡村，涉及部分城市核心区，缺乏长期连续的水量检测数据，且上述湿地体系措施尚在规划建设中，没有相关设施的实测数据，故难以利用实际数据进行模型参数率定。本文参照姜芊孜利用径流系数进行SWMM模型参数率定的方法[15]。根据提取的土地利用现状图结合《室外给水排水设计规范》中各用地类型径流系数的规定使用面积加权法计算研究区综合径流系数为0.329。利用SWMM模型对研究区现状进行模拟得到研究区综合径流系数为0.361，误差约为9.7%。综合径流系数验证结果满足模型设计要求，模型参数取值符合该区域的降雨模拟。

2.4 设计降雨情景

该流域降雨情景符合济南市暴雨强度公式：

q=4 700(1+0.753 1 lgP)/[(t+17.5)0.898]

(1)

式中：q为平均降雨强度，L/(s·hm2);P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。

已知低影响开发雨水系统对于长历时强降雨并无明显优势，为了综合评价研究区雨水湿地体系措施在不同降雨情形下的水文水质控制效果，本研究利用暴雨强度公式和芝加哥雨型公式，设置降雨历时2 h，时间步长5 min，峰值比例r分别为0.4、0.6，重现期分别为0.5、2.5、5年的降雨情景进行SWMM模拟(图3)。

图3 降雨过程线Fig.3 Rainfall process line

3 模拟结果与分析

3.1 水量模拟结果分析

在不同降雨过程条件下，分别对研究区现状和宏观LID规划模型进行模拟，结果见表2。

表2 不同降雨条件模拟结果Tab.2 Simulation results of different rainfall conditions

由表2可知，采用雨水湿地体系规划后流域出水口的平均流量和峰值流量均低于原始现状，雨洪控制作用较明显，但随降雨强度增大而逐渐减弱。在峰值比例为0.4时，相比原始状态，采取宏观LID规划后，流域在P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a降雨时的平均流量分别降低了40%、25%、18%。峰值流量降低了48%、24%、14%。在峰值比例r=0.6时，相比原始状态，采取宏观LID规划后，流域在P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a降雨时的平均流量分别降低了40%、24%、18%。峰值流量降低了48%、23%、12%。在降雨强度相同(P相同)的情况下，采取宏观LID规划对流域平均流量的控制效果受雨型峰值比例(r)影响不明显，这可能是由于模拟结果中存在模拟误差。模拟误差可能是由于模型设置的模拟时间步长偏大，以至于模型在降雨量较大时进行流量演算的连续性误差变大而造成。降雨强度相同，雨型峰值比例更小时，宏观LID规划对流域的峰值流量控制效果更好。

峰现时间模拟数据显示在峰值比例相同的情况下，宏观LID规划对峰现时间的缓解效果随着降雨强度增大而逐渐减小；在降雨强度相同的情况下，降雨雨峰越靠前(r值越小)，对洪峰出现延迟效果越好。峰值比例r=0.4的情况下，重现期P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a时，宏观LID规划情景下峰现时间分别推迟44、11、5 min；峰值比例r=0.6的情况下，重现期P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a时，宏观LID规划情景下峰现时间分别推迟43、10、4 min。

3.2 水质模拟结果分析

在不同降雨情景下，以SS、COD、TN、TP这4种特征污染物作为研究对象，分别对现状模型和宏观LID模型进行模拟，分析污染物变化规律。

对流域排水口的污染物负荷总量模拟结果进行统计，结果见表3。

表3 不同降雨情景下研究区的污染物负荷总量 kg

由表3可知，在不同降雨强度、峰值比例下，采取宏观LID规划流域内4种特征污染物负荷总量均低于流域原始现状，流域内规划的雨水湿地体系对径流中的污染物有明显的净化作用。在降雨峰值比例r相同时，随着降雨强度的增加，流域内的4种特征污染物负荷总量都在增加。降雨强度相同的情况下，降雨雨峰越靠前(r值更小)时，流域内4种特征污染物负荷总量更少。

在降雨峰值比例r=0.4时，相比现状，在P=0.5 a、P=2.5 a条件下，规划雨水湿地对各项污染物负荷总量的削减率均在25%以上，但在P=5 a时污染物负荷总量的削减率低于20%，导致削减率下降的原因可能是随着降雨强度的增加，雨水湿地中雨水溢流，部分雨水无法进行充分净化和下渗。

在P=0.5 a条件下，无论降雨峰值比例为0.4或0.6，雨水湿地体系对流域污染物负荷总量的削减率都为41%。降雨重现期为2.5 a、5 a时，降雨峰值比例r不同也不会导致流域污染物负荷总量的削减率变化，这表明降雨雨峰的出现时间不会影响宏观LID对污染物的控制效果。

4 结 语

模拟表明，通过对流域进行宏观尺度的LID组合----雨水湿地体系规划，可以有效地控制流域径流总量和降低污染物负荷总量。当降雨强度较小时，雨水湿地体系规划对河道峰现时间具有一定延迟作用，但当降雨强度增大(P=5 a)时，雨水湿地体系规划的延迟效果不明显。因此，在规划雨水湿地进行流域峰现时间控制时应当综合考虑规划区域的降雨条件，雨水湿地对强降雨地区雨洪峰现时间的延迟效果是有限的。不同降雨强度下，雨水湿地体系规划对河道峰值流量和污染物都具有削减效果，削减效果随着降雨强度的增加而减小。在降雨强度不变的条件下，雨水湿地体系规划对污染物的削减率不受单次降雨的峰值比例r影响；但降雨雨峰出现越晚(即r越大)，研究区污染物负荷总量越多，峰值流量削减率更低，河道径流峰值延迟效果越差。因此，进行湿地规划设计时不仅需要考虑研究区降雨量，降雨的峰值比例特征也是规划时应该考虑的重要参数。在两个降雨量相同的地区，峰值比例较大地区的峰值流量更大、污染物负荷总量更多，设计的湿地标准也应该更高。

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