基于SWMM模型的海绵城市道路雨洪控制方案研究

2020-06-18冉小青李元松汤新能陶文华

中国农村水利水电 2020年2期

冉小青，李元松，卓浩，汤新能，陶文华

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430073；2.华蓝设计集团有限公司，南宁 530011)

随着城市规模的不断扩大，城市道路、房屋等不透水面积不断增加，城市径流系数明显增加，渗透系数降低，径流量和洪峰量增大，洪峰流量提前出现等，导致城市内涝灾害频繁发生[1]。城市道路用地面积占城市建设用地面积的15%～20%[2]，是城市雨水径流的主要用地类型。为解决日益突出的城市内涝问题，城市道路的雨洪控制显得尤为重要。住建部、国务院及其他相关部门对各地区海绵城市的建设提供了指导意见，并于2015年起先后确定了30多个海绵城市试点[3-5]。

目前海绵城市建设理论体系还不成熟，现有的建设工程还处于探索阶段，因此对于海绵城市道路雨洪控制方案研究具有重要意义。本文以江西省萍乡市为研究对象，基于SWMM模型模拟研究区域在不同降雨情形下的径流过程，对比分析设置不同海绵措施组合方案的雨洪控制效果。

1 研究区域概况

研究区域选取江西省萍乡经济开发区武功山大道萍实北路--鹅湖路路段。该区全年降雨总量为1 585.2 mm，降雨汛期集中于4-6月，旱期为10月至次年3月。该研究区域面积为7.77 hm2，绿化率15%，地下排水系统为雨污水合流制排水体制，合流雨污水分别排入萍水河、五丰河及玉湖。根据萍乡市海绵城市办2015年试点建设任务要求，年径流总量控制率需达到65%。

2 SWMM模型建立

SWMM模型是主要用于模拟单一降雨事件或长期降雨事件的水量或水质动态的降雨-径流模型，模型的输出结果可以显示系统内各点的水流和水质状况[6,7]。SWMM模型由计算模块和服务模块组成，计算模块包括径流、输送和贮存/处理模块等；服务模块包括统计、图表和降雨模块等。本文主要用到了SWMM模型的降雨模块、径流模块和输送模块。降雨模块中降雨数据的输入是影响输出结果最为重要的变量，直接影响径流总量；径流模块包含对水量和水质的模拟，通过分水岭表示子汇水区接受降雨，一部分渗入地下，另一部分进入排水系统；输送模块包含的内容是子汇水区产生的径流通过雨水管道和沟渠进行传输的过程[8,9]。该模型可用于解决与城市排水相关的水质水量问题。

2.1 研究区域概化

根据研究区域地形、管网分布、道路分割线、硬质场地坡向、雨落管位置以及就近绿地等原则进行划分，将研究区域划分为135个子汇水区，73条雨水管道，72个管网节点，1个排水口，概化结果见图1。

图1 研究区域概化图Fig.1 Study area generalization diagram

2.2 模型参数的选择

SWMM模型参数主要包括水文水力和海绵设施参数[10]。其中，子汇水区的面积、坡度、管道的长度等参数可通过直接测量获取；曼宁粗糙率、地表洼蓄量和入渗模型等参数可参考SWMM模型应用手册和相关研究论文里给出的参数值范围，经过监测数据率定后获取[11]。海绵设施参数来源于设计资料、SWMM手册等，模型设置的下凹绿地、透水砖和透水路面的海绵设施参数见表1。

表1 海绵措施参数Tab.1 Sponge measures parameters

注：带^号的值为默认值，带*的值来自设计文件，带#的来自SWMM手册或文献[12]。

2.3 模型参数的率定及验证

根据2017年7月该区域内监测的一场降雨事件的实测降雨量和径流量监测数据，对SWMM模型进行参数率定(见图2)，该场降雨实测降雨量为14.4 mm，率定结果见表2。然后选取2017年8月该区域内监测的一场降雨的径流量过程实测数据对模型参数进行验证(见图3)，该场降雨实测降雨量为9.6 mm。

图2 模型参数率定结果Fig.2 Model parameter rate determination results

结果表明模型模拟的出水口径流过程与实际监测数据拟合较好，各测点各时刻模拟流量与实测值的绝对误差为0～10%，洪峰流量误差为6.59%，洪峰时间误差为0，均在合理范围10%以内，说明模型率定结果满足精度要求，可用于研究区海绵措施雨洪控制效果模拟。

2.4 降雨条件设计

本文结合萍乡市降雨情况，通过SWMM模拟年降雨过程和典型场降雨过程，分别得到年径流总量控制效果和峰值流量控制效果。连续降雨选取萍乡市某雨量站2017年测得的雨量记录数据，由雨量站测得全年降雨总量为1 585.2 mm，同年蒸发量数据由中国气象数据网所提供的大型蒸发量日值数据加权平均得到，数据见图4。典型场降雨选用芝加哥雨水生成器[13]与萍乡市暴雨强度公式变换生成，降雨历时取2 h，雨峰系数取0.45，得2、10和100 a一遇的萍乡市短历时设计雨型，降雨总量分别为49.97、72.06、103.66 mm。萍乡市降雨强度公式如下：

表2 水文水力参数率定结果Tab.2 Hydrological hydraulic parameters rate determination results

图3 模型参数验证结果Fig.3 Model parameter verification results

(1)

式中：q为平均暴雨强度，mm/min；P为设计降雨重现期，a；t为设计降雨历时，min。

图4 萍乡市2017年蒸发量数据Fig.4 Pingxiang 2017 evaporation data

2.5 海绵道路方案设计

参考相关文献并结合道路的场地条件、空间要求、经济条件、地形地势等特点[14-16]，优选适用于萍乡城市海绵道路的以下3种海绵措施：下凹式绿地；透水人行道；透水路面。

城市道路一般可利用场地小，两侧绿化带为海绵措施建设中最主要的场地，每种方案中均采用，则方案一单独选用下凹绿地布设，剩下2种方案则在前一种模式的基础上增加一种海绵措施，最终选用以下3种海绵方案：下凹式绿地；下凹式绿地+透水人行道；下凹式绿地+透水人行道+透水路面。海绵措施规模则根据具体场地条件设置，3组方案布设见表3。

表3 海绵城市道路方案设计 m2Tab.3 Sponge city road plan design

3 结果与分析

3.1 连续降雨条件下径流状况分析

分别模拟了传统方案与海绵城市方案在连续降雨条件下的情况(见表4)，结果表明，与传统方案相比，3组海绵城市优化方案全年雨水总蒸发量和总入渗雨量分别高出25.18%～95.28%、213.06%～320.51%，全年总径流量减少44.95%～63.94%，3组海绵道路方案年径流总量控制率分别为58.97%、70.39%、73.12%。说明海绵道路方案对径流总量的控制效果良好，但单独设置下沉式绿地未能达到年径流总量控制率的目标。方案二和方案三能达到年径流总量控制率65%的目标。

表4 连续降雨条件下道路雨洪控制效果模拟结果 mmTab.4 Simulation results of road stormwater control effects under continuous rainfall conditions

3.2 场降雨条件下径流状况分析

分别模拟传统方案及3组海绵道路方案在重现期P为2、10和100 a降雨条件下的径流过程，海绵道路方案排放口的管道流量与传统方案对比情况见图5，海绵道路在重现期P为2、10、100 a降雨条件下，出水口流量峰值、峰现时间及出流总量指标对比结果见表5。

图5 传统方案与海绵措施方案出口流量过程对比Fig.5 Comparison of the export flow process between the traditional scheme and the sponge measures

表5 典型场降水下出水口的流量模拟结果Tab.5 Flow simulation results of typical field drop water outlets

结果表明：在2、10和100 a一遇场降雨条件下，方案一与传统方案相比，洪峰流量分别减少9.32%、2.05%、0.20%，峰现时间分别推迟3、2、2 min，径流总量分别减少24.46%、17.35%、12.69%。方案二与传统方案相比，洪峰流量分别减少39.10%、27.94%、22.70%，峰现时间分别推迟5、3、3 min，径流总量分别减少45.35%、37.90%、33.03%。方案三与传统方案相比，洪峰流量分别减少59.69%、53.59%、48.77%，峰现时间分别推迟5、3、4 min，径流总量分别减少63.99%、58.98%、55.65%。