基于SWMM模型的LID设施模拟分析——以福州某校区为例

谢凌锋，杨邦勇

（福建工程学院 管理学院，福建 福州350118）

城市的发展加快了脚步，中国城镇化最近几年得到了空前的发展，但随着城市人口的增长及城市排水设备老化等问题，城市排水不畅以及水污染日益严重的问题逐渐凸显出来。大多数城镇的建设并未充分考虑到雨水、污水排放问题，甚至部分城镇区域存在雨污混合排放，不仅达不到排放的环保要求，还会造成水资源的浪费。2014年10月，住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，以期能从试点中总结出设计和建设经验，并向全国推广[1]。根据研究资料得出，暴雨洪水管理模型SWMM（Storm Water Management Model）是目前研究较为深入，在国内外应用最为广泛的降雨－径流模拟模型。SWMM模型软件在更新成5.1版本之后，与此前的软件相比较，新增了LID设施，可包括生物滞留池、连续多孔透水铺装路面、雨水桶、入渗池、植草沟等5种措施，如今SWMM模型成为国内外最主要的低影响开发措施的计算模型之一[2]。海绵城市建设包括“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种技术措施。这些LID设施可以通过不同方式的组合，可组合成LID系统，通过组合的方式优化，达到减排、净水的目的，如绿地具有净化和滞蓄雨水的功能，透水铺装具有渗入雨水的功能，雨水收集利用系统具有滞蓄和回用雨水的功能[3]。

从目前的研究情况来看，我们国内海绵城市对于道路、新建小区以及城市规划方面的研究较多，而对于高校的研究较少，尤其是建成已久的校区。而本文的研究区域以福州某校区为对象，并且通过SWMM模型检验对比，提出较为合理的LID布置措施。

1 项目研究的背景情况

福州市处于亚热带季风气候区，全年雨量较为充沛，气候温暖舒适，雨热同期。年平均白天的气温为28℃，夜间平均气温为18℃，最高温常出现于7月份至8月份，可达41℃，最低温出现于1月份至2月份，可达-2.5℃，福州部分山区地区温度更低。福州地区的降雨量随着地势从东南向西北逐渐升高，根据数据显示，福州多年年平均降水量为1372.1毫米，而多年年平均的蒸发量为1624.9毫米。因处于沿海地区，受台风影响，暴雨情况多，局部可达2000毫米以上。降雨分布月份以5月至9月居多，占全年总降雨量的47%-83%。

本文的研究对象——福州某校区，位于福州市晋安区，东靠鼓山，西临三环，目前校区在校生规模为4千人左右，占地面积20多万m2。因依山而建，总体呈现东部高、西部低，落差可达50米左右，落差较大。研究区域内因建筑物较为密集，尤其是学生宿舍区，不透水混泥土路面多，主出水口少，校区目前主出水口有两处，分别位于东侧校门和南侧防洪沟。屋面的雨水主要是通过现有的排水管道排入建筑物周围的排水沟，而地表的雨水沿着地势分流到其他排水沟，存在的问题在于降雨量过大或者排水沟不畅时容易造成路面积水，且因地势落差大，更容易导致排水沟排水不及时造成雨水流入校区主干道。

2 SWMM模型中低影响开发模块

由美国环境保护署EPA设计提出的SWMM（Storm Water Management Model）是动态降水－径流模拟模型，它通过不同方式来模拟城市单一降水事件或连续的水量和水质的模型，它由3个单位联合研制用于研究城市降雨-排水，是一款比较完善的城市暴雨雨水的水量水质预测和管理模型[4]。目前该模型最新版本为5.1版本，最新的版本已经增加低影响开发的相关模块，通过这些模块可模拟生物滞留、渗渠、渗透铺装、雨桶、植被浅沟等5种常见的LID开发措施，通过对滞留、蒸发、上渗等水文过程的模拟，结合SWMM模型的水力模块，实现对LID措施的峰值流量等的模拟[5]。

通过将研究区域概化，分割成不同的子汇水区域，再在不同的子汇水区域使用不同的LID模块，也可以将不同的LID模块混合在同一个子汇水区域更好的达到径流量控制效果。通过不同方式的整合，也可以将上层经过LID模拟的子汇水区域的排水出口作为上层子汇水区域的排水入口，形成整体后进行径流量分析。

3 SWMM模型概化及LID模拟设置

3.1 SWMM模型概化

为了可以更好的区分低影响开发模拟前后的效果，本文的研究分为两种模型情况，其中一种为未采用任何LID措施模拟，另外一种则是采用了LID建立的模型模拟。未采用LID模拟的名为原状模型，而SWMM模型采用了LID措施的称为LID模型。

首先是原状模型的建立，本文根据校区的平面图和已经建设而成的管网图将此次的研究区域和排水系统的构成分为了30个子汇水区域，并设置了3个出水口，绘制了63条雨水管道。详细情况如图1所示，图中可以看出一共有30块区域的阴影面积，每一小块阴影面积代表了1个子汇水区域，而黑色的细实线则为绘制的雨水管道、黑色的小圆点为铰点，图中黑色的倒三角形则为出水口。

图1 福州某校区SWMM模型研究区域概化图

3.2 SWMM模型数据说明

根据校区目前的调查情况，结合海绵城市建设的相关要求，通过LID设施组合布置，以求达到各子汇水区域不渗透性的参数为76%。本次研究采用了霍顿模型用于模拟雨水入渗的过程，具体设置参数数据:设置最大的渗入率为110mm/h、最小的渗入率为15mm/h，衰减系数为3h-1，采用SWMM模型中自带的动态波降雨-径流模型来模拟并计算地表水流情况和管道内单位内的排水情况。

因本研究对象属于老旧校区，所以其概念化的子汇水区域上垫面情况较为复杂。根据各种上垫面径流系数取值范围，在本方案中，小公园水池径流系数取值1，根据《海绵城市建设技术指南》中给出的各种汇水面的雨量径流系数，φ绿地取值0.15、φ硬质铺装取值0.85、φ透水铺装取值0.25[6]。通过分析研究区域内上垫面的种类分析，可使用加权平均法来计算出未改造时研究区域径流系数为0.63，公式为:（φ绿地F绿地+φ硬质铺装F硬质铺装+φ透水铺装F透水铺装）/（F绿地+F硬质铺装+F透水铺装）。

3.3 设计降雨类型及降雨量

降雨类型可分为短历时降雨，如1年一遇；2年一遇；3年一遇；5年一遇。而长历时降雨雨型，分为10年一遇；20年一遇；30年一遇；50年一遇。短历时设计雨型本文采用芝加哥雨型，它目前在低影响开发设计模拟中运用较为广泛，并且模拟的数据较有参考价值。此种雨型的模拟将一定重现期上不同历时最大雨强复合而成，是目前《室外排水设计规范》和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》中所推荐的短历时雨型。

图2 降雨过程线

本文研究的区域降雨的路面情况并不相等以及根据福州市的排水要求，所设计的雨型根据《福州市城市设计雨型编制技术报告》的要求，采用芝加哥雨型法推算不同重现期上60分钟、120分钟、180分钟三个历时的雨型设计，最后采用降雨量最大且对改造前影响最为不利的原则来设计。

研究区域降雨量根据福州市暴雨强度公式，如上:

公式中:q为所设计的暴雨强度，L/（s·hm2）；Te为所设计的重现期，年；t为降雨历时，min；雨峰系数为0.4。

4 SWMM模拟分析

4.1 未采用LID设施开发前模拟分析

由图1可知，研究区域场地类型复杂，且东高西低，落差最大值可达50米。在未采用LID开发前通过模型概化模拟，在不考虑水域面积对研究区域对径流量带来的影响（因水域面积占比小，且并非处于排水主要区域），采用重现期为10年，短历时降雨180分钟的雨量进行模拟，三个排水口出水总量8355m3，径流的峰值为2.503m3/s。

未采用LID设施开发前的模拟数据可知，降雨量的增加，研究区域的30个子汇水区域内的径流量总量、洪峰的到来及洪峰的流量随着降雨量的增加而明显变化，导致洪峰提前，径流总量和洪峰流量增大。根据校区目前的排水管道情况，区域内雨水管线管径最小为DN300，最大的为DN1200，排水沟的尺寸有200*200、250*250、300*300、400*700、500*500等类型，虽然雨污管道较为密集，但部分位于上游的子汇水区域的雨水管道口径大于上游的子汇水区域管道口径，导致洪峰过境时上游子汇水区域排水管道排水量过大，且未能对溢出管道的雨水进行有效截留。

通过以上分析可知，研究区域不渗透面积较大导致地面储水能力的不足，雨水在地表形成径流；部分雨水管道设计不合理，尺寸偏小，因校区处于山坡地，地势落差大，管道洪峰会比模拟的情况更早到来，且管道径流量会进一步增大。所以目前校区有必要采取有效的技术措施来控制雨水管道径流量，延迟管道洪峰的到来，同时减少排水口出水总量，实现校区雨水调控能力。

4.2 采用LID设施开发方式模拟分析

SWMM模型中有多种LID设施，本文研究类型仅选取以上三种:雨水花园、植草沟、透水路面，每种LID设施可选取不同的组合方式，详细参数如图3。

图3 SWMM模型中LID设施

（1）上凹式绿地。上凹式绿地也可以称为雨水花园，改造小区内部现有的景观绿地为上凹式绿地，调整路面、绿地、雨水口高程的关系，使绿地高程低于路面高程，则道路、建筑物等不透水区上的雨水径流会先流入上凹式绿地，上凹式绿地内水蓄满后流入雨水口[7]。

（2）透水路面。透水路面通过改变路面铺装材质，采用水容易渗透的砖块，可以让短时间内的暴雨径流通过渗透的方式，直接流入到深层的土壤当中，从而有效降低路面的积水。

（3）植草沟。在研究区域可通过设置植被浅沟，代替雨水口和雨水管网进行道路雨水的收集和输送，既美观又便于排水。

表1 不同重现期中设置不同LID设施模拟的结果

本文研究区域雨水花园面积设置在2600m2，植草沟面积1000m2，透水路面面积25000m2。

运用SWMM模型可以方便的模拟出场地类型以及使用雨水花园、透水路面、植草沟单独使用或者是使用不同的方式组合在2年一遇、5年一遇、10年一遇的降雨重现期上每个排水口的排水过程。本次模拟总时长取180分钟，每1分钟检测三个排水出口的径流量数据。通过模拟，可得表1。由表1的数据可以看出，雨水花园的模拟设计随着降雨重现期的增大不断减小，且透水路面和植草沟的设计可以让洪峰流量的消减率上降，当重现期从5年增到10年时，透水路面和植草沟的洪峰消减率基本上已经趋于稳定。而组合设施的方案的洪峰流量的消减效果随着设计的重现期的不断增大而增大。雨水花园的消减洪峰的作用明显，而植草沟对于洪峰截留的效果明显。

不管是低影响开发模块设施单独设置还是组合设置，都可以减少洪峰流量，并且消减洪峰百分比，延缓洪峰时刻的到来，但是通过LID设施的组合，可以更加有效的达到减少雨水积压的效果，并且可以增加雨水资源的利用率，从而减小校区的排水压力。

5 结束语

本文采用SWMM模型中三种LID设施布设场景，通过与原状模型的对比，可以得出通过不同的LID设施进行模拟，在设计不同的降雨重现期对洪峰流量、径流消减率以及峰值时刻的效果不同。其中LID设施组合方式的效果要好于LID单独设施布置。因此，在校园环境改造的时候，可以优先采用LID设计理念，综合考虑建设成本，环境改善、排水要求等方面，通过不同的LID设施组合方式，可以实现校区整体优化。