基于SWMM的海绵建设对降雨径流和污染控制模拟研究——以深圳市光明区海绵示范点为例

卢巧慧，黄奕龙,，彭知任

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518008；2.怀化市水利电力勘测设计研究院，湖南 怀化 418000)

近年来，随着城镇化进程的加快、城市人口的增加和城市硬化面积迅速扩展，城市内涝灾害频发和面源污染加大，影响社会经济发展及居民生活，甚至威胁城市安全[1-2]。为应对日益严重的城市水问题，中国提出了海绵城市建设并将其作为生态文明的重要组成部分[3-4]。通过在源头、过程和末端综合运用“绿色”+“蓝色”生态与灰色设施，实现对城市雨水径流总量、峰值和污染物的综合控制，明显增强城市的“弹性”和“韧性”[5]。

与英国的可持续排水系统、美国的低影响开发和澳大利亚的水敏城市设计等相比，中国的海绵城市建设集成了滞、渗、蓄、净、用、排的综合理念，近年来在基础研究、技术开发和绩效评估等方面取得大量进展[1-7]。由于建设区域和监测尺度的差异性，以及现场监测的局限、难度和成本，模型模拟成为海绵城市建设效果评估的有效工具，尤其对于城市LID设施的评估和预测至关重要[8-10]。当前雨洪管理模型Info Works系列模型[11-12]、Mike Urban系列模型[13]、SWMM[14-16]、SUSTAIN[17]等应用广泛，其中SWMM模型因模拟精度高和操作简便等优点，在中国陆续开展了相关应用研究[18-20]。然而，国内现有研究大多关注海绵建设前后的雨洪控制效果[21-24]，对海绵设施缺乏管养和退化后的雨洪效应还鲜见报道。

本项研究以国家海绵城市建设第二批试点城市——深圳市光明区海绵城市示范点为研究对象，应用SWMM模型模拟不同频率降雨条件下，区域海绵设施建设及设施退化后等多种工况下的降雨径流规律，以期为海绵城市建设提供科学指导。

1 研究区及SWMM模型构建

1.1 研究区概况

研究区为深圳市光明区凤凰城海绵试点区域的一部分(图1)，总面积约200 hm2。2015年前，研究区本底主要为山体、林地、绿地、旧村、工业区等；2016年，研究区建成新城公园、群众体育中心、光明集团保障房、万丈坡拆迁安置房、公园路等海绵示范项目，综合应用植草沟、下凹绿地、绿色屋顶、雨水花园、透水铺装和雨水调蓄池等海绵技术，完成海绵体建设面积109 hm2(覆盖率达到总面积的54%)，区内各种地块面积见表1。

a)研究区在深圳市的位置示意

b)研究区位置放大后卫星图

表1 研究区各典型地块面积统计

近年来由于自然退化及2020年新冠疫情等影响，研究区海绵城市建设后缺乏足够的管养和维护，海绵设施出现以下问题：①海绵设施植被退化、长势不佳，雨水调蓄空间被挤占；②渗透路面及雨水口破损、堵塞；③植草沟下凹深度及宽度不足等。经统计，研究区海绵退化面积达78.8 hm2，占区域海绵建设面积(海绵完好范围+海绵退化范围+海绵道路退化范围)的72.3%(图2)。

图2 研究区海绵退化范围示意

1.2 SWMM模型简介

暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)是美国环境保护署研发的动态降雨-径流模拟的计算机程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期模拟[25]。该模型主要应用在排水系统及海绵设施的设计和尺寸确定、非点源污染物负荷计算等。同时，SWMM自身带有多种低影响开发模块，能对一组或多组低影响开发措施下城市地表径流水质水量调控效果进行模拟和评估。

1.3 研究区域概化

根据研究区高程、坡度和下垫面情况等信息，采用人工划分的方法进行子汇水区概化，最终概化为23个子汇水区。另外，根据研究区排水管网资料，对排水管网进行概化，共布置有15条管道、16个雨水井节点和4个排水口，其中管道曼宁粗糙率取0.013，汇水区域的雨水经过地面汇流然后进入城市雨水管网系统(图3)。

图3 研究区SWMM模型概化

1.4 参数选取及率定验证

本次模型参数根据模型推荐、国内文献类似工程[26-28]、研究区海绵城市规划报告等资料进行选取，再采用课题组在2019年7月3日(11.4 mm，中雨)、2019年8月1日(32.8 mm，大雨)2场降雨条件下监测的研究区实测径流及水质数据与模拟结果对比分析，分别进行模型率定及验证，判别准则采用纳什效率系数NSE及相对偏差BIAS[29-30]，计算公式分别见式(1)、(2)，其中NSE值越接近1，BIAS绝对值越接近于0，表明模型拟合程度越好，模拟数据越接近实测数据。当NSE>0.5且BIAS绝对值小于0.15时，构建的模型能够较好地得以应用[30]。

(1)

(2)

a)水文模型。研究区水文模型率定及验证结果见图4，率定期内NSE、BIAS分别为0.79、0.10，验证期内NSE、BIAS分别为0.62、0.11，模型率定验证结果均满足NSE>0.5且BIAS绝对值小于0.15的目标要求，说明水文模型的模拟效果符合预期结果。最终参数选取见表2，海绵设施参数选取见表3。

a)率定结果(降雨量11.4 mm)

b)验证结果(降雨量32.8 mm)

表2 子汇水区水文参数取值

表3 海绵设施模拟参数取值

b)水质模型。SWMM模型通过污染物的累积和冲刷2个过程来模拟面源污染负荷。本次模拟选用饱和累积函数和指数冲刷函数来模拟污染物(以SS作为污染物代表性指标)的产生和传输。研究区的下垫面类型可分为道路、屋面、普通绿地、渗透铺装、绿色屋顶、雨水花园和植草沟等。每种类型包含2个累积参数(最大累积量和累积速率常数)和2个冲刷参数(冲刷系数和冲刷指数)，道路还包括1个道路清扫参数。根据相关文献[26-28]确定SS累积和冲刷的初始值，再采用与水文模型一致的2场降雨条件对水质模型进行率定及验证，率定期内NSE、BIAS分别为0.65、0.15，验证期内NSE、BIAS分别为0.60、0.13，虽然水质模型模拟效果相比水文模型均有不同程度的下降，但其结果仍满足NSE大于0.5且BIAS绝对值小于0.15的要求(图5)，说明水质模型的模拟效果符合预期结果。选取的水质模型参数见表4。

a)率定结果(11.4 mm)

b)验证结果(32.8 mm)

表4 水质模型参数选取结果

1.5 降雨资料选取

选择距离研究区最近的石岩水库雨量站资料，该站于1960年建设，至今已有60年实测雨量观测系列，资料精度满足规范要求，因此选取该站1960—2019年的年降雨资料作为本次研究的降雨分析依据。经过年降雨量P-III拟合，确定1960年为典型平水年，经过比例缩放后得到典型平水年全年降雨量为1 556.59 mm，作为SWMM模型的降雨序列条件。降雨量频率配线及典型平水年降雨分布见图6。

a)降雨量频率配线结果

b)典型平水年降雨分布

1.6 工况设计

将研究区2015年以前未建设海绵的工况设为D1，2016年海绵工程建设后的工况设为D2，海绵设施出现退化的工况设为D3。其中D1、D2、D3工况的非海绵地块采用率定验证后的参数(表2)，D2工况的海绵地块在表2参数的基础上根据研究区域海绵城市示范工程的设计方案[31]而进行部分调整(表5)，D3工况的海绵地块采用率定验证后的参数(表2、3)。为探讨不同海绵状况对降雨径流量及SS污染的控制效果，以率定验证后的SWMM模型为基础，采用平水年降雨数据作为模型输入边界，模拟分析研究区D1—D3三种海绵建设条件下的降雨径流量及SS污染分布情况。另外，为探讨研究区海绵建设对降雨频率的响应，采用1、2、5、10 a等不同重现期降雨频率作为输入，模拟分析研究区建设海绵后D2工况的降雨径流及SS污染产出情况。

表5 D2工况海绵设施模拟参数取值

2 结果与分析

2.1 平水年降雨条件下的海绵建设水文水质效应

应用SWMM模型模拟典型平水年降雨条件下D1—D3三种工况的径流和污染控制效果(表6)，从模拟结果来看，D1、D2、D3三种工况年径流控制率分别为50.1%、77.0%、67.5%，年SS总量去除率分别为58.3%、81.2%、69.5%。对比D1、D2工况可知，研究区在落实海绵城市建设后，年径流控制率提高26.9%，年SS总量去除率提高22.9%，表明海绵城市建设明显增加了雨水的入渗和滞蓄，减少了地表径流量，能有效削减降雨径流量及径流污染负荷[32]。对比D2、D3工况可知，在海绵设施退化的情况下，年径流控制率减少了9.5%，年SS总量去除率降低了11.7%，表明海绵设施退化抑制了研究区径流和污染控制效果。根据《深圳市海绵城市建设项目施工、运行维护技术规程》[33]，海绵设施应保证每年至少2次检测和评估，在雨前及雨后应进行海绵设施运行工况检查和维护；同时应定期清理植被层枯枝落叶，防止流失堵塞水落口和雨落管，并及时更换退化植被和铺装等。

表6 3种工况年径流和污染控制效果统计

2.2 典型场次降雨条件下的海绵建设水文水质效应

为分析研究区海绵建设对降雨径流的控制效果，利用SWMM模型分析建设海绵后D2工况在设定场次降雨条件下的产流特征。情景设置为降雨历时2 h、峰值系数取0.35，降雨重现期分别为1、2、5、10 a的降雨条件，设计暴雨过程线见图7。在上述设计条件下，模拟海绵设施对降雨条件的径流控制作用，不同重现期降雨径流分布、控制效果见图8、9，SS浓度分布见图10，分析结果见表7。

图7 不同重现期设计暴雨过程线

图8 不同重现期降雨径流分布

a)1 a重现期

b)2 a重现期

c)5 a重现期

d)10 a重现期

图10 不同重现期SS浓度分布

表7 D3工况年径流控制效果统计

由图8—11、表7可知，不同降雨重现期下D2工况的径流特征表现一致，降雨径流及SS浓度分布均表现为随着降雨量的增加而逐渐加大，然后在达到峰值后再逐渐下降，最后达到相对稳定数值。总体有如下规律。①对比1、2、5、10 a的降雨径流和SS总量去除率可以发现随着降雨强度的增加，海绵体对降雨径流和污染物的控制效果逐步下降。其原因在于海绵设施的雨水蓄渗滞能力可有效消纳小强度降雨，但随着降雨强度逐步增加，其雨水控制能力达到饱和。相对来说，海绵设施对5 a重现期以下的降雨具有较好的径流和污染控制效果[34]。②对比1、2、5、10 a的径流峰值和峰值延后时间，发现降雨强度越大，径流峰值延后时间越短、峰值削减率越小，其原因在于海绵设施蓄渗空间的有限性，可以有效延缓小强度的降雨径流，对大强度的降雨径流不敏感。③随着降雨强度增大，SS最终稳定值越低，这是因为随着降雨强度增大，径流总量及污染负荷增加，且径流总量增加的作用比污染负荷增量大，径流稀释SS的作用增强，在海绵体和降雨径流双重作用下促进了SS浓度的降低[1,25,35]。

3 结论

本文应用SWMM模型模拟分析深圳市光明区海绵示范点在未建设海绵、建设海绵后及海绵退化后3种工况下降雨径流和污染控制作用，所得结论如下。

a)年降雨情景模拟结果显示，D1、D2、D3工况的年径流控制率分别为50.1%、77.0%、67.5%，年SS总量去除率分别为58.3%、81.2%、69.5%，建设了海绵设施的D2、D3对比未建设海绵的D1工况年径流控制率及年SS总量去除率均有明显提升，表明海绵城市建设对降雨径流控制和污染物削减具有显著的效果；海绵退化的D3工况对比海绵设施完好的D2工况，年径流控制率减少了9.5%，年SS总量去除率降低了11.7%，说明海绵设施缺乏后续管养维护会明显降低其控制效果。

b)不同重现期降雨情景模拟结果显示，随着降雨强度的增加，降雨径流控制率和SS总量去除率均有变小趋势，海绵设施对重现期5年以内的小强度降雨控制效果较好，超过5年重现期或以上，随着降雨强度增大，其径流控制率、峰值延后时间、峰值削减率和SS总量去除率均有所降低。

c)1、2、5、10 a重现期SS浓度的最终稳定值分别为41.9、27.9、17.4、11.8 mg/L，表明随着降雨强度增大，在海绵体和降雨径流双重作用下，SS最终稳定值越低。

文章揭示了海绵城市退化对地表径流控制的抑制作用，为科学指导区域海绵城市建设及其运行维护提供借鉴，对促进海绵城市后期管理养护体系完善具有一定的实际意义。