基于SWMM模型的不同LID设施对雨洪控制效果模拟分析

朱 梅，何君涛，黎江少，冯志挺，高芳嘉，方 勉

(1.海南省三亚市气象局，海南 三亚 572000；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.海南华科博创环境技术有限公司，海南 三亚 572000；4.海南省屯昌县气象局，海南 屯昌 571600)

0 引 言

我国城市化进程的快速发展，使得下垫面类型发生改变，不透水面积的增加，改变了自然的水循环机制：一方面，城市不透水面积的增加城市内涝的风险[1]；另一方面，城市采用传统的雨洪管理方法是将雨水尽快排出去，从而造成雨水资源的严重浪费[2]。于是，如何有效利用雨水资源，成为水资源匮乏、内涝频发地区亟待解决的问题。为此，我国提出了改善城市水环境问题的新一代雨洪管理概念-海绵城市，其核心是低影响开发(Low Impact Development， LID)[3]。目前，美国、英国、澳大利亚、日本等国家均采取不同的措施对雨水资源进行合理利用，这些方法都达到殊途同归的结果。即，以维持或者复制区域天然状态下的水文机制为目标[4]。通过合理的方式模拟自然水文条件，并采取综合性措施，从源头上降低城镇开发建设所导致的水文条件的显著变化和雨水径流对生态环境的影响。我国LID措施的研究起步较晚，LID技术发展相对落后，相应的理论规范和设计标准还处在探索阶段；加之LID措施的地域局限性，再借鉴国外先进工程技术的同时，还需因地制宜，摸索适合本地区的工程技术[5]。当前，国内海绵城低影响的研究中，有针对城市、社区尺度进行SWMM建模研究，也有针对海绵城市控制指标进行研究。如，李婉婷等[6]以天津市中心城市及环城四区为例，通过生物滞留区与透水铺装等LID措施来控制研究区洪峰及径流总量，其在一定程度上起到减峰的作用；韩金凤等[7]通过构建SWMM雨雪径流模型对北方城市夏季降雨径流量和春季融雪径流量进行模拟，再加入简单式绿化屋顶、雨雪收集双用装置和下凹式绿地等组合绿色生态措施后，雨季的峰值流量和春季融雪径流均得到有效的控制；赵冬泉等[8]以澳门半岛雅廉访实验小学为例，采用GLUE方法对SWMM模型参数的不确定性进行模拟分析，并指出不透水区比例和不透水区洼地蓄积量有较强的确定性，对模型输出结果有较大影响，在参数率定过程中应仔细甄别；李俊奇等[9]对年径流总量控制率的计算方法进行总结并结合海绵城市试点建设的实践经验，指出年径流总量的控制是实现年径流污染控制这一效果目标的有效途径和方法之一。本文以三亚市某采用低影响开发建设小区为例，通过SWMM分析不同LID对雨洪的削减效果，以期为三亚市海绵城市建设提供技术支持。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

2016年三亚市入选第二批全国海绵城市建设试点城市，这与三亚市打造全国生态文明示范城市相辅相成，也为保护三亚市的绿水青山、生态环境助力。三亚市属热带海洋性季风气候，年均降雨量为1 392.2 mm，降雨主要集中在5月～10月，占全年降雨量90%。6月～11月受热带气旋影响较多，易出现强降水并造成城市内涝。研究区是三亚市海绵城市试点区域，位于三亚市中心城区，具有较好的代表性。该新建小区总用地面积为39 811.5 m2，建筑面积8 630.17 m2，停车场面积2 314.66 m2，铺装及道路面积12 237.43 m2，绿地面积16 629.24 m2。

1.2 SWMM模型

SWMM是美国环境保护署(EPA)于20世纪70年代开发用于城市暴雨水量水质预测和管理模型，可根据输入的降雨数据(雨量过程线)模拟完整的城市降雨径流过程，包括地表径流和排水系统中的水流、雨洪调蓄处理，以及收纳水体模式和水质影响评价[10]。其不仅用于模拟自然河道、各种形状的封闭式管道和明渠管道中的水流运动过程，还用来模拟城市地表径流污染的产生过程以及排水管网和自然排水系统的水质模拟。近年来，SWMM还用在模拟和评估低影响措施对城市地表径流水质水量的调控效果[11]。赵磊等[12]对昆明市明通河流域降雨径流水量水质模拟表明水量水质模拟结果与实测结果较为吻合。陈晓燕等[13]利用SWMM模拟分析了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6个雨量级对北京北护城河7个控制断面的地表径流深度研究，发现地表径流深度随降雨量的增加显著线性增加。因此SWMM也成为城市地表径流、城市非点源污染等方向的代表性模型。

2 模型构建

2.1 模型区域概化

利用SWMM模型对研究区域模拟前，需要结合室外排水官网图，并综合考虑屋面、绿地、室外硬质路面等下垫面径流特征，将研究区域进行概化，最终将研究区域概化为242个汇水子区域，45个节点，45个管段和5个排放口(见图1)。

图1 研究区域概化示意

2.2 模型参数设置

模型相关参数的取值主要结合研究区域实际情况，并参考SWMM模型用户手册中的推荐值及文献[14]。其中，降雨入渗过程采用Horton入渗模型进行模拟(见表1)，地表径流的汇流计算采用非线性水库模型，排水系统流量演算的水力模型选用动力波模型。

表1 模型参数取值

2.3 模拟雨型

根据三亚市暴雨强度公式与芝加哥雨型对不同重现期短历时暴雨进行设计，该短历时降雨作为模型所需降雨资料[12]。三亚市暴雨强度公式

q=1 325.105(1+0.568logP)(t+7.641)0.535

(1)

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

为了研究不同暴雨强度下LID设施对雨洪的削减作用，根据式(1)计算重现期(1、3、5、10 a)1 h的设计暴雨，并采用国内外常用的芝加哥雨型生成时间步长为1 min的暴雨过程，不同重现期下暴雨过程线如图2所示。

图2 三亚市不同重现期设计暴雨过程线

2.4 LID设施选取

SWMM将LID设施概化为一个蓄水池，不同的LID设施结构组成有所不同[15]。为了研究不同LID设施对雨洪削减效果，以编号S219的子汇水区域为例。结合该子汇水区域面积、土壤特性及坡度，并参考各LID设施的适建范围，初步确定S219子汇水区适合建设的LID设施为：下凹式绿地、透水铺装和植草格。其中，下凹式绿地主要通过调整绿地结构和雨水口的布置，将客地雨水径流流入下凹式绿地，经下凹式绿地的调蓄入渗后，超标雨水溢流排入雨水口，再经过雨水管道排出。透水铺装能够使雨水快速下渗，减少雨水的外排并能补充地下水，维持土壤生态平衡。植草格同样能够加大雨水的下渗量，同时草地的植入又可以对地表污水起到过滤作用。本例中下凹式绿地的下凹深度设置为200 mm；透水铺装的路面厚度为150 mm，孔隙比0.2，蓄水层厚度200 mm，孔隙比0.5；植草格表面厚度10 mm，曼宁系数0.24，路面厚度150 mm，孔隙比0.2，蓄水层厚度200 mm，孔隙比0.5。

3 结果分析

在SWMM模型中分别对上述三种LID设施在不同降雨重现期下的径流过程进行模拟分析，其中，各LID设施的规模保持一致，以确保对比分析的可靠性。

图3为S219子汇水区域采取三种不同LID设施，不同降雨过程线下的径流量变化情况。从图3可以看出，随着降雨重现期的增加，三种LID设施的径流量也在不断增加；并且在不同降雨重现期下，这三种LID设施的径流量大小均表现为：透水铺装>植草格>下凹式绿地。从图4不同重现期下三种LID设施的峰值变化来看，降雨重现期3年一遇以下时，峰值流量大小变化与径流量变化情况相同，当降雨重现期高于3年一遇时，下凹式绿地的峰值流量高过植草格的峰值流量。这主要是由于下凹式绿地已将其调蓄功能发挥至最大程度，其对峰值的削减效果已经开始降低，当然下凹式绿地的深度对降雨径流的控制也有不同影响[16]。

图3 不同重现期暴雨条件下，S219子汇水区域径流量变化

图4 不同重现期暴雨条件下，S219子汇水区域高峰径流变化

图5 不同降雨重现期下S219子汇水区域径流过程

图5为不同降雨过程线下的S219子汇水区域径流量过程线，可以发现，降雨重现期为1年一遇时，设置下凹式绿地后的径流峰值明显低于其他两种LID设施，且峰值出现时间也有所滞后；超过3年一遇降雨时，三种调蓄设施中植草格对峰值的削减效果略佳，但是径流峰值出现时间相当，且都集中在降雨发生后短时间内，这会造成积水隐患。

以上结果表明，单一LID设施对径流控制效果存在较大差异，在实际海绵城市设计中，需寻求适当的LID组合方案，充分发挥LID设施在渗透、滞留和调蓄雨水方面的优势，确保降雨径流得到有效控制；同时涵养地下水源，美化环境。

4 结 论

利用SWMM模型对研究区域的S219子汇水区域在采用不同LID设施条件下的径流过程进行数值模拟分析，发现不同LID设施对示例区域雨洪削减、滞留作用不同，从径流量来看，下凹式绿地在不同重现期下的径流量均优于其他两种LID设施。从高峰径流量开看，降雨重现期在3年一遇以下时，下凹式绿地对径流峰值的削减作用更为有效；当重现期超过3年时，植草格对峰值削减效果略好于另外两种LID设施。因此，在今后海绵城市设计中，综合考虑各LID设施的优劣势，选取合适的LID设施以满足有关降雨径流控制要求，同时又兼顾经济、美观等方面要求，保证小区排水系统安全可靠。