基于SWMM模型与低影响开发模式的滨水地区内涝防控方案——以厦门市杏林湾选区为例

丁锶湲

曾 坚*

政府在十八大全会中提出大力推进生态文明建设，将海绵城市规划作为实现“精明增长”的生态化手段[1]。以绿色-生态-安全作为海绵城市建设原则，依据低影响的绿色经济倡导方式，缓解由于大规模建设而引发的城市内涝问题，以此提升城市应对内涝灾害的韧性能力。

暴雨管理模型(SWMM)是1971年美国在研究暴雨最佳管理措施(BMPs)时提出的。期间国外学者先后开发了STORM模型(美国，1976)、MOUSE模型(丹麦，1984)和Infoworks CS(英国，1997)等雨洪管理模型，相较之下，SWMM模型通用性强，具备构建不同尺度单元水文、水力一维模型的能力。1990年美国提出低影响开发思路(LID)并结合SWMM模型设计出具有一定稳定性的兼容计算模块，通过水文产流过程有效利用绿色基础设施减小径流。在中国的早期研究中，岑国平[2]研制的雨水管道计算模型SSCM带动了我国雨洪管理的发展；徐向阳[3]将SWMM模型正式引入天津市洪涝灾害产流量的计算中。随后基于SWMM模型评测的LID应用案例在全国开展，但多聚焦于一维数理运算的方案对比，较少关注优化的方案在二维平面上的呈现，忽视了方案与规划设计的联系，以及具体汇水分区的落位和实践应用效果。我国于2002年正式提出海绵城市的低影响开发理念(LID)，2013年习总书记在《中央城镇化工作会议》中提出建设“自然积存、自然渗透的海绵城市”理念，我国开始关注并完善雨洪管理规划。2014年住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南》，加强了对雨洪管理工作的指导。随后2015年出台《海绵城市建设绩效评价方法》，并建立了厦门等海绵城市示范点。

图1 集美区杏林湾研究区土地利用规划(引自《厦门市城市总体规划》)

1 研究对象与模型构建

选择海绵城市试点的厦门杏林湾选区作为研究对象。杏林湾选区为滨海地区且位于厦门市建设新区，因此具有一定的示范作用。选区面积3 507hm2(图1)，范围内公共服务设施、商业服务设施、居住区和市政设施的用地比例约为15:10:20:1。同时，本研究根据土地利用规划图中的土地利用类型和分布情况确定透水率的曼宁系数。

1.1 集水区划分

研究区域的汇水区划分是按照排水流域的实际情况，将地表汇流量合理分配到相对应的排水管网检查井。根据土地利用类型、面积和其对应的下垫面性质进行汇水分区，将杏林湾研究区划分为60个汇水分区，结合用地性质确定相应汇水分区的不透水率。利用GIS对研究区域高程做出坡度分析(图2)，结合选取的坡度情况，计算出每个汇水区的地面坡度，控制合理的坡向、坡率，并在管线概化时按照管线现状布设准确的对接节点[4]。

1.2 管网概化

根据管网的空间拓扑关系[5]，梳理城市排水管网系统。采用GIS技术对每个地块的管网长度、管径和检查井等信息进行分析与提取，目的在于优化和提炼现状管网结构，以便将管网数据输入SWMM模型中进行下一步运算。遵循拓扑关系检查概化的管线(图2)可知，杏林湾研究区雨水排水管道总长10.41km，共有管道22个，节点(J)55个，出水口(PFK)16个。其中，所涉及的管网与节点数据包括入水口节点、出水口节点、管线长度、管道的慢性系数、节点的相对高程、最大深度，以及不确定参数等。

1.3 暴雨强度

通过暴雨强度公式计算厦门暴雨情况，参考芝加哥雨型降雨参数，选用厦门市最新优化的暴雨强度公式(短历时暴雨类型)进行计算，降雨历时t=2h，雨峰系数r=0.4，降雨时间间隔选为5min，则厦门暴雨强度公式为：

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

1.4 参数确定

利用SWMM模拟降雨过程中的地表产流量，计算雨水经过各汇水分区时的下渗能力与产流情况。结合厦门市选区地块特征，通过大量数据积累，以及与相关研究部门多次探讨之后，依据厦门水文模型手册确定相关参数[6](表1)。

表1 SWMM模型主要参数及取值方法

图3 2年一遇情景下SWMM径流-排放量分析

图4 2年一遇情景下积水时长超过20min节点的时间-径流走势

图5 2年一遇情景下选区内涝易发地及节点积水时长分布

图6 5年一遇情景下SWMM径流-排放量分析

图7 5年一遇情景下积水时长超过35min节点的时间-径流走势

图8 5年一遇情景下选区内涝易发地及节点积水时长分布

2 基于SWMM模型技术的现状径流模拟

2.1 2年一遇降雨情景

重现期为2年一遇时，以短时降雨持续时间2h为单位，研究区累计降雨量为57.60mm。运用模型得到选区径流-排放量走势(图3)，可知当系统出排量小于径流量时，区域为内涝易发时段，可能出现内涝隐患。提取内涝积水20min以上的节点进行局部分析，积水20min时节点J31～J33出现外溢现象，同时提取对应节点的积水小时数、最大积水小时和最大速率数据可得：3个节点的排放速率较小，可能受到地形坡度、管道管径和用地类型等因素的影响；当洪峰小时趋近于1h时，径流量超过排水量，出现较为严重的内涝现象(图4)。

模拟表明：在模拟降雨过程中发现内涝积水超过20min的节点有3个，内涝积水量均超过最大承水量，导致节点溢流。其空间位置分布于杏林湾选区东北部(图5)。

2.2 5年一遇降雨情景

重现期为5年一遇时，研究区在降雨60min左右达到洪峰流量，此时易出现内涝灾害(图6)。

模拟表明：重现期5年一遇时每条管段均有积水现象，通过对节点积水时长进行划分和归类，筛选出积水现象严重的管段节点。

淹没时长大于35min时节点出现积水现象，积水节点为J30～J33、J36、J39(图7)，同时随着时间的增加，在降雨60～90min时产生内涝灾害。节点载水深度除了J36刚好达到水深最大值外，其余节点均超出载水最大值。这些节点分布在研究区北侧与杏林湾西侧，从地理位置上来看内涝易发点落位于滨水新区的入海口(图8)。

2.3 模拟结果对比分析

通过对杏林湾研究地块的模拟，分别计算出暴雨重现期为2年、5年情境下的暴雨径流效应影响，所得结论如下。

1)在径流-排放方面：随着暴雨量的增加，城市排涝系统承载能力小于径流量，管网系统对于小重现期的短时间降雨(本研究指时长2h、重现期小于2年的情景)产生内涝现象的概率较小，研究区排水系统各检查井节点均未出现溢流情况。对于大重现期的短时降雨(时长2h、重现期大于等于2年的情景)则会出现节点溢流现象，同时随着重现期的增加，溢流现象更加明显，汇水分区ZMJ49、ZMJ51和ZMJ52情况较为严重。

2)不同暴雨强度对排水管网系统的影响方面：通过计算分析和筛选节点数据可知，随暴雨重现期的历时降雨时长增加，节点达到饱和排水值出现严重溢流，洪峰流量过大且持续时间增长。重现期2年一遇时管网节点J31～J33容易出现内涝现象，但积水程度不深，控制在0.3m。重现期5年一遇降雨导致杏林湾选区排水系统出现较大范围节点溢流，主要区域仍分布在J31～J33所在片区，且在此基础上有所扩张。

3)城市积水点的空间分布方面：重现期2年一遇的研究区积水分布存在的内涝危害较小，5年一遇研究区范围内开始出现面状内涝现象。从整体态势来看，易涝区域分布在选区东北部，应加强内涝长时监控与灾害预警工作，提升内涝防控等级。

2.4 模型校对

建立SWMM模型通常会出现大量的拓扑关系及其他数据错误，通过拓扑校验基本达到管线连接关系与实际相符，监测点流量时刻的误差范围在0.8%～9.0%，峰值流量误差为7.8%，属于误差允许范围。

表2 LID措施优化设计方案

表3 2年一遇降雨情景下研究区LID措施优化方案

表4 5年一遇降雨情景下研究区LID措施优化方案

3 LID措施方案布局及径流量模拟情况变化

低影响开发(LID)是指在自然水文条件模拟和防洪防控概念基础上的雨水管理方法。目的在于恢复开发前的水文特性，实现消减区域径流和降低污染负荷[7]。通过LID技术缓解城市新区内涝易发地的积水问题，同时结合绿地和新区的居住及公共服务用地，对区域内的坑塘湿地、河道水系着重加以防护和集约化开发，形成保障生态安全与城市平稳运营的共生空间[8]。

措施布置方面：研究区为城市新区，结合其土地利用类型、建筑密度和现状情况设置以下凹绿地、绿色屋顶为主的低影响设施[9-10]。新区建设有较强的开发空间(表2)，其中下凹绿地、屋顶绿化、透水铺装和生物滞留层的建设比例分别为46%、34%、17%和3%。公共服务用地及商业类用地的LID铺设率为25%～45%，居住区用地的LID铺设率为35%～50%(以屋顶绿化和下凹绿地为主)，绿地与广场用地的LID铺设率为20%～35%。

3.1 重现期2年一遇降雨情景

依据《厦门市海绵规划手册》中杏林湾选区的LID设置原则，针对模拟所得2年一遇的易涝汇水分区(ZMJ48、ZMJ49、ZMJ51、ZMJ52)布设LID措施。参考土地利用规划内容[11]、现状开发和下垫面情况等综合因素，着重考虑在公共服务用地范围内增加相适应的LID措施，例如可以在厦门的学校类教育用地增加绿色屋顶的面积；在占地面积较大的行政用地增设透水砖和雨水桶等。具体方案布设如表3所示，方案的空间落位如图9所示。

运用SWMM技术中的LID模块模拟，暴雨时间选为2年一遇芝加哥雨型。将模拟结果与未添加LID措施的径流结果进行对比，结果表明：增设LID措施后，洪峰流量速度下降，比未设置前的积水流量降低29%；尽管洪峰小时值变化不大，但积水量明显减少，证明加设LID设施具有明显的削峰、抑峰作用(图10)。

图9 重现期2年一遇低影响开发措施布置

图10 2年一遇情景下选区内涝易发地及节点积水时长分布

图11 重现期5年一遇低影响开发措施布置

图12 5年一遇情景下选区内涝易发地及节点积水时长分布

3.2 重现期5年一遇降雨情景

在上文模拟中得出重点内涝节点为J30～J33、J36、J39，因此在LID措施布设时着重加强对这些危险性较高节点及所在区域的改善。根据传统规划下5年一遇的空间内涝危害分布图，增加部分汇水区的措施设计(表5，图11)。

为解决管段超载、节点积水严重的问题，相应增加LID措施后重新建立模型，通过SWMM模型对5年一遇暴雨下的管线进行优化模拟。研究表明：5年一遇情境下，研究区域在LID设施改造后的洪峰流量比未添加LID措施降低62.8%，达到洪峰流量的时间也有所减少(图12)，因此可增设LID设施来解决管段超载问题。

4 方案调整与结论

通过研究不同降雨重现期(2年一遇、5年一遇)对研究区域的内涝现象进行管线措施改进和优化，从研究区的积水削减能力、洪峰小时流量与径流总量，以及实施效果3个方面做出总结。

4.1 滨水地区应提升下垫面削减雨水径流的能力，主要通过增加屋顶绿化和透水铺装面积来实现

经过SWMM模型模拟，研究区在添加LID措施后对小重现周期和短时效的暴雨具有较好的积水削减效果，当重现期增加，积水削减能力有减弱趋势。在不改变原有排水管线的情况下，增加屋顶绿化和透水铺装面积是适用于该研究地块缓解内涝灾害较为有效的LID措施。

4.2 滨水地区应提升主要外溢节点的容纳量，控制洪峰小时流量和径流总量达到年径流控制率标准

重现期为2年一遇和5年一遇的情景下，布设LID措施后管网节点的溢流现象均得到了控制，对年径流控制率达到77.5%，说明本研究采用的LID措施方案组合对内涝起到了削峰减量的作用。在大于5年一遇的暴雨强度时，该地段不宜设置LID措施，应通过修改管线线路、提高管径容量和提升防洪排涝标准等方法来解决。

4.3 在滨水易涝地区的低影响规划实施中，结合不同降雨时段做出多方案组合的LID措施布设

在相同情况下，通过对不同下垫面综合应用不同的LID设施，可以减少一定量的场地雨水径流，并延缓峰值出现时间，尤其在小降雨事件和降雨初期表现得更为明显。在连续性强降雨的中后期，LID设施的饱水量趋近饱和时将失去海绵吸水功效，因此需要通过市政工程提升管线的输水能力。在滨水地区的设计中，要考虑滨水空间与人居安全的关系，以及社会的可持续发展效率，因此可布设一定规模的绿色屋顶、下凹绿地和蓄水池等低影响技术措施，减少场地内的径流总量，一定程度上缓解内涝问题。但考虑经济性和实际场地的使用需求，LID设施建设规模不宜过大，对于雨洪问题严重的场地，不仅要优化场地内部雨水系统和下垫面材料，还要提升场地周边绿色雨水设施的设计与建设，共同分担雨水径流压力。

基于SWMM模型与LID模式的滨水地区内涝防控方案，以系统优化分析方法为主要手段，有效衔接内涝源头控制和雨水管渠内涝防治系统。消除一维数理模型的时空壁垒，将现状淹没情况与低影响优化方案反映在二维规划平面中，更加直观地为城市建设提供规划依据，提高城市防灾能力并修复城市生态环境，同时也是对城市滨水地区基于LID开发的应对内涝灾害防控方法的新探索。

5 展望

低影响开发技术现已在海绵城市规划中得到实践应用，借助智慧化的数据监管平台，时效管控改造前后内涝高风险区削峰减量动态，遵循多规合一的规划导向，形成多部门协同的工作机制，编制海绵城市系统化方案，逐步落实了海绵城市在发展策略、城市空间、管控指标和统筹协调等方面的要求。建议在具有典型性的杏林湾选区中加强LID措施在教育用地、居住用地和行政用地的透水铺装比例，并在海湾口处做下凹绿地与透水铺装设计，加快径流渗透效率，以此提高厦门市环境效益，同时促进海绵城市建设向绿色、健康和可持续的全生命周期发展。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：感谢中国科学院张媛春女士给予的工程技术建议；感谢香港理工大学沈勃旭博士给予的支持。