基于SWMM模型的呼和浩特市金五路海绵化设计分析研究

2021-03-10易沛媛

绿色科技 2021年2期

易沛媛

(北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144)

1 引言

目前，“海绵城市”理念在我国的城市建设当中越来越被人们所重视。北方缺水地区的雨水利用率亟需提高，“海绵城市”建设便是普遍接受度较高的提高雨水利用率的方式。呼和浩特市的道路建设大多仍处于道路绿化阶段，路面大多是硬质铺装，缺乏管理设施，导致道路雨水利用率较低。现阶段呼和浩特市海绵城市的研究多集中在城市整体与建筑改造方面，还未细化到对城市道路海绵化设施的研究。

本研究旨在通过SWMM模型对道路地表径流进行模拟，将呼和浩特海绵城市研究继续细化至道路海绵化设计策略部分。旨在通过量化呼和浩特市道路地表径流强度对比不同开发模式下LID(低影响开发LID: LowImpact Development)设施对减少道路内涝具有可行性。利用SWMM模型对呼和浩特市金川片区金五路北侧路段进行地表径流模拟，降雨模型采用芝加哥雨型和呼和浩特市降雨模型模拟5年重现期的降雨量，对该路段采用控制变量法，分别对未开发状态、传统开发状态和LID开发状态进行地表径流的模拟，其中LID开发选取多孔路面和生物滞留池两种海绵城市措施进行计算。

研究结果将会定量地反应LID措施对于某一路段的地表径流减少情况。对于北方缺水地区城市道路海绵化设计研究进行量化参考，模拟的数据结果将会证明相同条件下低影响开发系统要比传统的开发模式更加有利于道路地表径流的减少和城市内涝的减弱。明确地表径流的减少程度，量化低影响开发的优势所在。对呼和浩特市这样的北方典型缺水城市以及周边地区道路设计的LID设施选择提供参考。

2 呼和浩特市水环境分析

2.1 水环境现状

呼和浩特市作为北方地区典型的缺水城市，可利用水资源总量不足，并且用水效率整体偏低。市区河道水体黑臭现象多，水环境质量不高。河段水体处理以及重复利用难度极大，黑臭水体不仅影响城市市容市貌，也对城市居民日常生活带来巨大的影响。2016年呼和浩特全面启动海绵城市建设，实施雨水自然积存、渗透、净化项目，高效合理利用水资源。

海绵化道路的建设应当遵循低影响开发的理念，做到在建设过程中不改变原有道路的交通功能、属性，不改变其道路等级、道路宽度、道路红线以及交通出入口等的基本原则。并且改造措施要符合道路建设的标准和规范。可适当拓宽道路整体占地面积以满足海绵设施的加入，使其有充足的空间施展存蓄、净化和利用。解决道路平面低于路边绿化带池标高出现雨洪在路面汇集的现状问题，通过改变绿道树池的标高来实现雨水就近向树池等具有渗透能力以及利用能力的功能板块调节。

2.2 呼和浩特市水环境建设的必要性

我国是一个淡水资源相对短缺的国家，淡水资源对于一个城市乃至国家的建设和发展都起着至关重要的作用。随着城市建设力度的不断加大，道路系统在城市中所占比例越来越大。呼和浩特中心城区出现的城市水问题，涉及范围较广，问题突出。路面积水的现象时有发生，给城市的日常生产生活造成了不便。原因有遭遇突发性强降水、不透水硬质路面所占比例过高、瞬时降雨量过大超出城市排水能力、排水速度过慢、排水管道管径过小等。有必要通过海绵城市的建设，从水资源、水环境、水安全、水生态等层面入手，解决呼和浩特市面临的核心水问题，保障城市水安全战略顺利实施[1]。

3 地表径流模型模拟

3.1 研究方法与目的

主要采用文献资料查询、基于SWMM雨洪模型的数据分析来进行研究以及使用控制变量的方法进行地表径流情况的对比分析。雨水管理模型SWMM是美国环境保护局软件EPA SWMM(United States Environmental Protection Agency Storm Water Management Model)的简称，是一个动态降雨-径流模拟计算机程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟[2]。用SWMM模型模拟呼和浩特市金川片区北侧路段未开发时、传统开发后和低影响开发后这3种情况下的路面径流情况，雨水环境选用5年重现期的降雨量进行降雨模拟。

模拟的数据结果将会定量的证明相同条件下低影响开发系统要比传统的开发模式更加有利于道路地表径流的减少和城市内涝的减弱。明确地表径流的减少程度，量化低影响开发的优势所在。对呼和浩特市这样的北方典型缺水城市以及周边地区道路设计的LID设施选择提供参考。

3.2 研究区域概况

研究区域选在呼和浩特经济技术开发区金川北区金五路北段，地处呼和浩特市西北边缘地处大青山南麓土默特平原。金五路整条道路为呼和浩特市城市主干道，主要用于车辆交通通行。研究选取其中北部一段，道路长度约950 m，场地总面积约14972 m2。具体场地如图1研究区域位置图所示。

图1 研究区域位置

3.3 降雨数据

模型中模拟的降雨数据根据业界普遍认可的芝加哥雨型以及呼和浩特市暴雨强度公式[3]进行计算，如式(1)所示。对不同重现期的降雨强度进行模拟。

暴雨强度公式：

(1)

式(1)中：i为降雨强度，mm/min;P为重现期,a;t为降雨时间,min。峰值比例选为0.4[4]。

根据公式计算5年重现期120 min的设计暴雨，并采用芝加哥雨型生成时间步长为 1 min 的暴雨过程，不同重现期下暴雨过程线如图2中数据所示[5]。

图2 芝加哥雨型生成器生成降雨数据

3.4 SWMM模型构建

此次模型构建将针对呼市金川片区金五路北侧路段在五年重现期的雨水状况下进行模拟，并且定量地分析不同路面状况下的径流情况。模型中，子汇水区的划分参照雨水管网的排布进行划分，将研究路段划分为3个子汇水区、3个排放口节点与2条雨水管线[6]。最终的分区情况如图3研究区域概化图所示。

图3 研究区域概化图

模型相关参数的值主要是结合区域的实际情况，并参照SWMM模型用户手册的推荐值和文献。坡度为0.3%。

金五路排水系统由排水管道、管网节点和排水口组成。沿城市主干道和周边建筑的排布进行设置，汇水区汇集的雨水经由排水管道至排水点排出场地内，同时起着解除城市洪涝灾害的作用。

子汇水模型的划分根据SWMM模型的应用要求，结合呼和浩特市金五路研究区域地形、土地利用类型等情况，将研究区概化为3个子汇水区，面积约为3000 m2。研究区平均坡度为0.3%。

3.5 地表径流模拟

3.5.1 开发前场地模拟

场地开发前即模拟场地没有经过人工处理，地面按照原始的砂石土坡以及植被的渗透率计算。没有沥青路面以及经过规划的雨水管排放系统。

据自然排水最小坡度将场地坡度取值为0.3%；场地在开发前不透水性取值为5%；渗透性粗糙系数N值(曼宁值)介于轻型灌木与密实灌木之间，取为0.62；渗透性洼地蓄水深度取为7 cm[7](表1)。

表1 研究区域开发前参数取值及数值来源

将组件的各项属性及参数输入模型，执行成功后发现地表径流误差为-0.25%，流量演算误差为-0.20%，皆在允许范围内[8]。

3.5.2 传统开发后场地模拟

传统开发形式即使用现状城市中使用最广泛的沥青路面，普通人行铺装，没有经过任何下渗处理的地面装饰材料。因为地面不透水面积增加，雨水下渗率非常低，所以有着加剧地表雨洪泛滥的效果。

根据现状传统开发后场地坡度0.3%，场地路面不渗透性为100，不透水性粗糙系数取值0.013，不透水性洼地蓄水深度为2 mm。渗透性粗糙系数N值(曼宁值)取光滑沥青的曼宁值0.011(表2)。

表2 研究区域传统开发后参数取值及数值来源

3.5.3 LID开发后场地模拟

本文中使用的案例场地中LID开发设施有透水铺装(多孔路面)和生物滞留池(生物滞留网格)[9]。

按LID开发后的区域中，根据道路断面设计方案，多孔路面占整个子汇水区面积的25%；生态滞留带共设置4个，布置于路侧绿地中，共占整个子汇水区面积的6.7%。其中LID设施具体参数如表3所示[10]。

在城市中，机动车道与非机动车道的功能在于交通运输，因此道路海绵化改造不能对道路的基本功能产生影响。所以，在机动车道上使用透水铺砖需要格外注意。但在车速较低的人行道上则相对适宜，其中人行道的铺装材质选择可以通过色彩选择和铺装方式的改变，增加道路的趣味性和识别性[11]。

表3 研究区域LID开发后参数取值

4 模拟结果

将组件的各项属性及参数输入模型后执行成功，模型导出结果如图4模型模拟结果图所示。地表径流误差为-0.25%，流量演算误差为-0.20%，两者皆在误差允许范围内，模拟结果真实可信。

图4 模型模拟结果图

结果显示，在相同条件下，传统开发状态地表径流大幅度高于未开发状态，传统的沥青路面地表径流峰值是未开发状态的4倍。LID开发状态地表径流峰值是未开发状态的3倍，但是比传统开发状态的径流峰值减少了约1/3的量。从图中可以看出，在降雨1.5 h过后，LID开发状态和传统开发状态地表径流的减少速率基本相同，可见LID措施的优势重点体现在减小径流的峰值。降低突发暴雨过程中因瞬时雨量过大而造成的损失。