基于SWMM的不同LID措施城市雨洪控制效果模拟研究

刘 洁，李玉琼，张 翔，陈 华

(1.成都大学建筑与土木工程学院，成都 610106；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.中国建设集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

我国正处在城镇化快速发展的时期，预计在2050年左右，城市化水平可能超过60%[1]。快速城市化进程使城市不透水地面迅速增加，城市降雨不能被截留[2]，城市洪水表现为洪峰流量大、峰现时间快的特点[3]；加上全球气候变暖、城市热岛效应、凝结核效应等使城市更容易成为暴雨中心[1]，城市内涝问题日趋严重。2008-2010年，全国351个城市中有62%发生过不同程度的内涝，内涝灾害超过3次的有137个[4]。

目前国内的排水系统标准偏低，且面临着资料缺失、运行管理困难、污染受纳水体等问题，难以发挥其应有作用[5,6]，随着低影响开发(LID)理念的提出，源头消纳、就地削减从而缓解排水管网压力等雨水管理方式开始受到重视[7]。中国对LID已有10余年的研究，还没有形成成熟的理论和技术体系，但是在北京、上海、天津、深圳等一些发达城市已经相继开展研究与工程应用[8]。目前对LID的研究多集中在证明LID对地表径流的削减能力，LID与防洪排涝关系的认识与研究还不够深入。

本文以成都市某住宅区域为研究对象，通过SWMM模型进行该区域在现状条件和采用不同低影响开发(LID)措施方案下的洪水模拟，分析和评估LID对不同频率城市雨洪的削减效果。

1 研究区概况

研究区域位于成都市某住宅区域，内含5个小区，总面积为1.18 km2。其中，建筑用地0.36 km2，绿地面积0.41 km2，不透水路面及广场0.39 km2，其他为未利用土地面积，研究区域总体不透水面积所占比例为63.25%，土地类型见图1。研究区域属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温为16.2 ℃，四季分明、雨量充沛。多年平均降水量为918.2 mm，雨量主要集中在7-8月，月平均降雨量分别为225和229 mm，占全年降雨量的50%。

图1 研究区域土地利用类型图

2 研究方法

2.1 SWMM模型概化

SWMM是一个分布式离散时间模拟模型，其下垫面的数字化过程可分为子汇水区划分、子汇水区信息概化、排水管网信息概化3个步骤。在充分利用地形和排水管网分布情况，将研究区域划分为96个子汇水区，228个节点，235个管段，3个出水口。雨水管网概化图见图2。

图2 子汇水区分区及排水管网概化图

2.2 模型参数

SWMM模型参数包括子汇水区属性参数、土壤下渗参数及管网参数三大类。这些参数中有部分如宽度、坡度、面积、不透水面积等可以通过提取下垫面的信息并做相关技术处理得到；而另一部分如粗糙系数、洼地蓄水深度、下渗参数、管道曼宁粗糙系数等取值是不确定的，可以通过借鉴类似区域研究成果及实践经验，或者对研究区域实测数据进行率定等方式获取。本文主要采取前种方法取值不确定性参数。查阅参考手册[9,10]，具体取值见表1。

粗糙系数反映了地表漫流通过子汇水面积表面时遇到的阻力。研究区域不透水广场和路面多为光滑水泥表面，透水区域多为光滑裸露的土壤。根据参考手册[11]的建议，粗糙系数、洼蓄量取值见表1。

表1 SWMM模型参数取值

修正Horton模型适用于小流域低降雨强度，因此本文采用Horton模型。根据第二次全国土地调查南京土壤所所提供的1∶100万土壤数据判断研究区域为壤土。查阅文献[12]中的推荐值，模型需要的下渗能力、衰减系数等取值见表1。

文本缺乏降雨径流实测资料，未对模型参数进行验证率定，由于参数的偏差可能会对模拟结果带来一些影响。例如，径流量随着粗糙系数的增加而增加、洼蓄量的增加而减小；洪峰流量随着粗糙系数、洼蓄量的增加而减小。但由于本文侧重对比不同LID措施对径流削减效果，模拟结果的偏差不会对对比结果产生较大影响。

2.3 LID布设方案

根据LID适建性区域研究成果[13](见表2)，结合研究区域土壤排水性能弱(C类型)等特点，初选出适应于该区域的LID措施有绿色屋顶、植草沟、生物滞留池、人工湿地。又考虑到人工湿地占用面积大，且红线距离要求高，且只适用于居住区和开发区，适用范围窄。故本研究中最终采纳的LID组合措施方案(方案1)为：采用绿屋顶、植草沟、生物滞留池分别对雨水进行拦截、输送和存储。

表2 LID措施适建区域特征

为更好的比较各种措施的径流控制效果，突出组合方案的优势，我们选取整个区域左下角的3个子汇水区S1S2S3为研究对象，分别采用不同的单措施方案对其进行模拟。

方案2：绿色屋顶。绿色屋顶是指在建筑物的屋顶、露台或天台上覆盖一层植被，通过植被截留、植物吸收、微生物降解、土壤渗透等作用，达到减少径流和污染的效果。绿色屋顶表面层蓄水深度75 mm，植被覆盖度20%；土壤层厚度100 mm，孔隙率0.437；排水垫层厚度15 mm，孔隙率0.5，粗糙系数0.1。

方案3：植草沟。植草沟是指种有植被的地表沟渠，可收集、输送和排放径流雨水，防止土壤冲蚀，起到水土保持的作用。它具有较长距离传输雨水径流的功能，也具有一定的雨水净化作用。植草沟表面层蓄水深度75mm，植被覆盖度20%，曼宁系数0.1，表面坡度0.1；土壤层厚度200 mm，孔隙率0.5；蓄水层厚度200 mm，孔隙率0.5，导水率15 mm/h，阻碍因子0。

方案4：生物滞留池(雨水花园)。生物滞留池设置在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统渗蓄、净化径流雨水，从而达到水量和水质调控目的。生物滞留池表面层蓄水深度100 mm，曼宁系数0.1，表面坡度0.1；土壤层厚度750 mm，孔隙率0.437；蓄水层高度200 mm，孔隙率0.437，下渗率500 mm/h，阻碍因子275。

各方案的布设情况见表3所示。

表3 各LID措施布设面积及占区域总面积的百分比 m2

2.4 设计暴雨

不同暴雨重现期的降雨过程线一般结合当地地区暴雨强度公式和所选雨型综合确定[14,15]。国内外目前常用的雨型主要有以下5种：均匀雨型、不均匀三角形雨型、芝加哥雨型、Pilgrim 和Cordery雨型、Huff雨型。其中均匀雨型的计算结果常偏小；不均匀三角型雨型和Huff雨型受历时影响非常显著；Pilgrim 和Cordery雨型对当地降雨过程资料有较强的依赖性。芝加哥雨型不仅受历时影响小且“尖瘦”的特点更适用于工程，因此，本文采用芝加哥雨型。

若暴雨强度公式为：

(1)

则芝加哥雨型公式为：

峰前上升阶段：

(2)

峰后下降阶段：

(3)

式中：ia、ib分别为峰前和峰后的降雨强度，mm/min；t1、t2分别为峰前、峰后历时，min；r为雨峰系数(降雨峰值发生前的历时与总历时之比)，根据我国实际情况，暴雨强度最大时多发生在r=0.4处；a、b、c分别为暴雨强度公式中的地方统计参数。

成都市中心城区暴雨强度公式如下：

(4)

式中：i表示降雨强度，mm/min；t表示降雨历时，min；P表示重现期，a。

该公式通过30年暴雨资料统计，由成都市水务局与成都市气象局在2015年发布，资料系列长，代表性较好，满足相关规范要求，已广泛应用于各类市政工程规划设计中[16-18]；设计暴雨计算成果与四川省暴雨图集查图成果对比，结果一致说明公式较合理。

为了研究暴雨雨强对LID措施径流控制效果的影响，本文利用公式(4)、(2)、(3)生成2、5、10、20、50、100a不同重现期的设计暴雨过程，如图3所示。

图3 设计暴雨过程线图

3 结果与分析

3.1 不同LID措施城市雨洪控制效果对比分析

3.1.1 径流总量

不同降雨重现期下，各LID布设方案的径流总量削减情况见表4。从表4中可得出以下结论：

表4 不同降雨重现期下各LID布设方案径流削减情况

(1)4种低影响开发措施方案都不同程度的起到削减径流量的作用，各种措施通过对雨水的拦截、吸收、渗蓄等过程，达到海绵城市的自然存积、自然渗透等功能。

(2)对比4种LID布设方案，组合方案由于措施面积最大，并采用了就地拦截、过程处理和区域存储等综合措施，达到了最佳径流控制效果。单措施方案中，径流削减率从大到小依次是生物滞留池、植草沟、绿色屋顶。生物滞留池土壤层、蓄水层厚度最大，能达到最佳的滞蓄效果，径流削减率最高；绿色屋顶由于没有蓄水层，水流渗入土壤层后直接通过排水垫层进入排水管道，其蓄水能力最弱，径流削减率最低。

(3)由于重现期的不断增大，降雨雨量增大，逐渐达到各措施方案的最大滞蓄能力，4种措施方案的径流削减率都随之减少。

3.1.2 流量峰值

不同降雨重现期下，各LID布设方案的洪峰流量削减情况见表5。从表5中可得出以下结论。

表5 不同降雨重现期下各LID布设方案洪峰流量削减情况

(1)与现状土地利用情况相比，四种低影响开发措施方案都通过人工强化的渗透、储存、蒸发(腾)等方式，不同程度的起到削减洪峰流量，和延迟峰现时间的作用。

(2)不同重现期降雨的纵向对比发现，随着重现期的不断增加，洪峰流量的削减率先增加后减小。绿色屋顶和植草沟两种措施方案的洪峰流量削减率在重现期达到20 a的时候发生断崖式减少，同样的情况发生在生物滞留池措施方案中的50年一遇的降雨情景中。这说明降雨量大于LID措施的蓄水能力时，其削减洪峰流量和延迟峰现时间的效果大大减弱。

(3)不同LID布设方案横向对比发现，组合措施削减洪峰流量和延迟峰现时间的效果最明显，而且随着降雨的不断增大，优势越明显。这说明在削减洪峰流量方面，就地拦截、过程处理和区域存储等综合措施的采用更有效。单措施方案中，生物滞留池的削减和延迟能力最强，绿色屋顶和植草沟的削减和延迟能力相对较弱。

3.2 LID组合措施效果评估

通过对3个子汇水区S1S2S3内布设不同LID措施进行模拟分析，LID组合措施在削减径流总量、洪峰流量和延迟峰现时间方面都有明显的优势。因此，我们将相同的组合布设方案应用于整个研究区域(见图1)。各LID措施布设面积情况如表6所示。

表6 LID组合措施布设情况

3.2.1 径流控制效果

采用SWMM模型模拟该区域在不同降雨强度下有无LID措施两种情境下的雨洪过程，模拟结果显示(见表7)：①随着降雨量的增大，该区域的径流量及洪峰流量在两种情境下均逐渐增大； ②通过有无LID措施两种情境下下渗量的对比发现，区域在遭遇两年一遇强度暴雨时，土壤已接近饱和，其调蓄能力较弱。采用LID措施后，增加了区域下渗量，且流量峰值较无LID措施条件下也显著减小。由此可见，对于中小降雨事件，LID措施能够有效的控制降雨径流，削减洪峰，一定程度上降低区域排水压力。

表7 不同暴雨重现期情况下，研究区域径流模拟结果

图4为不同降雨强度下给出了各降雨强度下，区域排水口出流总量过程线。可见，在降雨初期，LID措施通过下渗截留，推迟了排水口排水过程线的起涨时刻，峰值流量也大幅削减。尤其是小降雨事件(2 a，5 a，10 a)，LID措施对区域雨洪过程具有明显的坦化作用[19]。

图4 不同暴雨重现期情况下，区域洪水排放口总流量过程图

3.2.2 节点积水与管道超载

不同设计暴雨重现期下LID组合措施方案的节点超载情况见表8。节点超载，是指当节点水位超过管道顶部的时候，节点发生溢流。从表8中可以看出：①对比现状用地，LID组合措施可以减少超载节点数量，减缓市政管网排水压力。重现期为两年的时候，节点没有出现积水现象，说明使用LID措施后提高了管网的防洪标准至两年一遇。②随着重现期增加，市政管网排水压力不断增大，与现状用地相比，LID组合措施方案都能有效的减少超载节点数量、最大积水容量和缩短最大超载小时，但仍会出现超载节点数量不断增多的情况。当重现期增加到100 a时，超载节点数量达到38，未能完全解决城市内涝问题。

表8 不同降雨情景下LID组合措施布设方案节点超载情况

4 结 语

本文以成都市某住宅区域为研究对象，结合实际管网、下垫面等资料，建立SWMM模型。模型模拟了该区域在现状条件和采用不同低影响开发(LID)措施方案下，遭遇不同重现期设计暴雨时的径流总量和洪峰流量控制效果；模拟了组合措施方案排水管道出口断面径流过程及管网节水超载情况，分析和评估了LID组合措施方案对城市雨洪的削减效果。结果表明：

(1)4种措施通过对雨水的拦截、吸收、渗蓄等过程，达到海绵城市的自然存积、自然渗透等功能，都不同程度的起到削减径流量、洪峰流量和延迟峰现时间的作用，从而缓解市政管网排水压力，较经济有效的解决城市内涝问题。其中，组合方案由于措施面积最大，并采用了就地拦截、过程处理和区域存储等综合措施，达到了最佳径流控制效果，尤其在削减洪峰流量和延迟峰现时间方面效果显著，而且随着降雨的不断增大，优势越明显；生物滞留池的径流控制效果最强，绿色屋顶和植草沟的径流控制效果相对较弱。

(2)当暴雨重现期较小时，LID组合措施与单措施方案相比，其雨洪控制效果最为显著，然而随着暴雨重现期的不断增加，LID组合措施的径流和洪峰削减率都不断下降。可见，对于重现期较小的降雨，LID措施的采用，可以帮助城市排水系统消纳更多的降雨径流，有效地提高城市的防洪能力。