基于SWMM的海绵城市高架路设计分析

黄雪林 罗东志 朱文兵 张 俊

(1.宿迁市高速铁路建设发展有限公司，江苏 宿迁 223800；2.江苏宿迁交通工程建设有限公司，江苏 宿迁 223800)

1 概述

暴雨管理模型(SWMM)是由美国环境保护署(EPA)于1971年开发的一个动态降雨—径流数值模型工具，用于模拟城市区块在给定降雨事件中产生径流的水量和水质情况。该工具包括水文、水力和水质分析的模块[1]。SWMM模型还具有可视化功能，表现径流在管网中运行的过程，因而可为海绵城市道路低影响开发(LID)设计和工程应用提供技术支持[2，3]。通过搭配不同的LID组合条件下的单次及连续降雨过程的模拟，可以进行径流量值和时间响应的数值试验，对照海绵城市建设指标进行评估，可优化区域建设中的LID设施布局[4]。

本文选取宿迁上海路高架典型路段，运用SWMM模型构建高架路水文水力模型，动态模拟高架路集水、积水、蓄水、排水全过程。根据模型模拟的结果，对照宿迁市海绵城市建设目标要求进行LID设施优化，为海绵城市道路建设提供技术支持。

2 项目概况

宿迁市位于沿东陇海城镇轴南侧、沿海城镇轴西侧、沿江城镇带的北侧，也在徐州都市圈、南京都市圈和淮安增长极的外围中间地带，属于暖温带季风气候区，年均降水量900 mm左右，属湿润气候。受季风影响，降水集中在夏季，多有洪涝。中心城区地势总体呈北高南低的趋势，项目所处区域偏南，地势较外围低，区域排水基础设施较薄弱，雨天积水现象时有发生，排涝能力亟待改善。

研究项目为宿迁市上海路高架，起于上海路互通匝道，依次跨越世纪大道、人民大道、发展大道，在人民大道东侧设一对匝道，主线全长1 386 m，宽25.5 m，匝道宽9.5 m，高架路的断面如图1所示。

根据宿迁市海绵城市专项规划要求，结合工程实际，上海路高架范围内的年径流总量控制率为58%，对应于日降雨15.5 mm不外排。

3 模型构建

3.1 设计降雨条件

宿迁市最新的暴雨强度公式如下：

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

按照暴雨强度公式，运用芝加哥降雨过程线模型，模拟设计重现期P=5年、历时t=180 min的降雨过程，如图2所示。其中，峰值出现在降雨开始后72.7 min，历时内的降雨总量为52.95 mm。

3.2 LID布局

选取一段高架路进行模拟分析，其平面图如图3所示。

作为低影响开发方案设计中，道路边沟采用缝隙式边沟排水技术，使高架路面雨水流入边沟排入高架雨水管。根据高架路横断面及纵向汇水分区情况，将子汇水区产生的径流就近排入雨水管道。同时高架道路铺筑排水性沥青路面，用以削减径流峰值，储蓄部分雨水。高架防撞墙外缘采用盆栽进行立体绿化，截留部分雨水；桥下设置蓄水池及净化雨水箱。

3.3 汇水区划分

根据所选取路段的地形特点确定排水分区和径流排放路径，并考察道路市政管网条件，在SWMM模型中按照以下原则对汇水区进行划分和概化：

1)高架路主线、匝道各成汇水区；

2)道路纵向的子汇水区划分以雨水口间距为划分依据，考虑将最不利条件下的雨水口间距作为子汇水区的划分间隔；

3)道路坡向对子汇水区进行划分，子汇水区产生的径流就近排入雨水管道；

4)忽略研究路段降雨强度分布的空间差异。

所选取的路段划分的结果如图4所示。

3.4 参数设置

参考模型用户手册[4]及相关文献，考虑区域特征，选取合适的模型参数量值，包括：各子汇水区的汇水面积、汇接点、排放口和管道等，部分参数如图5所示。

渗入模型采用Horton渗透模型，产流演算模型采用运动波法，选用30 s为计算时间步长，具体见图6。管网参数取值主要依据工程设计图纸，节点深度范围为1.02 m～1.44 m，节点内底标高为19.25 m～20.22 m，管道横截面形状为圆形，管段最大深度为0.4 m，粗糙系数查询用户手册后为0.013。

4 模型模拟结果分析

模型建成并执行参数率定后，执行雨洪模拟运算，得出无LID措施布设条件下的雨洪模拟数值组。在模型LID控制编辑器中输入渗透铺装以及蓄水单元等参数，利用LID组编辑器，将LID设施赋予相应的子汇水区。

4.1 优化设计方案效果分析

在5年一遇、历时3 h的降雨事件中，所布置的LID设施相较于传统模式削减径流总量达23.0%，削减峰值达27.3%，具体计算结果见表1及图7。

表1 LID设施雨水控制效果对比

4.2 设计目标校核

研究路段总降雨量为250.983 m3，通过进行海绵城市高架路设计方案模拟，结果表明场地总出流量由237.561 m3削减到101.397 m3，实现了59.6%的年径流总量控制率，满足项目预设的58%的年径流总量控制率目标要求。

5 结语

本文运用暴雨管理模型对宿迁市上海路工程进行了模拟，分析了LID设施对高架路区域径流总量、峰值的削减和调控效果，结果表明所采用的海绵城市高架路方案对于不同重现期下的降雨均有显著的控制效果，可显著削减总径流量与峰值流量。通过海绵城市高架路的优化设计，有效减少了城市地表径流，降低了汇水分区的峰值径流量，缓解了城市内涝问题。