基于SWMM模型的萍乡城市道路LID措施组合模式研究

李 浩 裘鸿菲 马薛骑 李娅琪

在城市化及气候变化过程中，世界上许多城市出现了洪涝灾害频发，径流污染加重、水体环境恶化等问题，针对这些问题，不同国家采取了不同的应对措施。我国在借鉴西方经验基础之上，采用一些过程、末端措施来改善的同时，已经开始尝试采用基于源头控制的低影响开发（LID）技术并做了大量相关基础研究[1]。2019年4月11日，住房和城乡建设部发布《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345—2018），对规范海绵城市建设，完善考核评价标准提供了准则。经过近些年的研究及发展，海绵城市的研究视角和格局更加多元和系统[2]，但由于各地区气候、土壤、水文等基础情况不同，建立不同地区和不同尺度的雨洪管理实践数据库就非常有必要[3]。

目前国内关于海绵城市道路的研究，胡爱兵[4]以深圳光明新区LID道路为例，介绍了SWMM模型构建方法，设置对照组对比分析了LID设施道路在削减径流峰值和径流总量的作用；许萍[5]、张硕[6]利用SWMM模型深入分析了影响LID控制效果的参数取值范围并进行了优化及敏感度分析，为LID设施在道路的应用上提供了参数率定借鉴。Chuanhui Gu[7]通过建立一种水文模型模拟了LID对流域的雨水径流及道路盐污染，结果表明LID设施可以降低径流和道路盐污染浓度，同时LID可以通过加强地下水补给来稀释河流中的盐污染。Yuning Cheng[8]在考虑美学偏好、垃圾管理和节水方面的功能要求之上提出了一种新型雨水管理系统设计，以适应实际项目的自然和社会因素要求。

国内相关研究对象多集中于北京、上海、深圳等地，但由于每个地区城市水文环境以及城市下垫面等相关情况的特殊性，因地制宜运用低影响开发技术就显得尤为必要。为此，本文在借鉴前人研究成果之上，运用SWMM模型对江西萍乡地区城市道路的低影响开发的效益及参数优化进行研究，筛选对雨水控制效果较好的方案组合，更好地发挥低影响开发技术效益，为萍乡市海绵城市建设提供借鉴。

1 研究区域概况

本文选择江西省萍乡市新建设的G320国道武功山大道段作为研究对象。萍乡市位于江西省西部，全年雨量充沛，市区多年平均降水量为1586m m，降雨集中于汛期4—6月。武功山大道主要分为两期，全长10.4km，道路路幅宽度60m，其中一期工程（硖石桥至通久路段即一期工程）位于萍乡市中心城区，全长约6.7km，是萍乡市东西向交通的中心轴线。二期工程（上柳源与青山交界处至硖石桥）全长3.7km，道路路幅宽度为60m，主路为双向6车道，辅路为双向4车道，绿化率为15%。根据萍乡市海绵城市办2015年试点建设任务要求，此工程年径流控制率需达到65%～85%。根据萍乡市海绵城市办2015年试点建设任务要求及《海绵城市建设指南》中的要求，将年径流控制率保持在70%～85%。在控制目标为70%时，设计降雨量为19.5mm；在控制目标为85%时，设计降雨量为33mm（表1）。

表1 萍乡市年径流总量控制率及对应降雨量关系一览表

2 LID场景布设方案

低影响开发模式布设的原则为：以当地的水文要素构思整体设计框架，从微观角度采用便捷的设计方法进行设计，尽量减少不透水面积[9]，延长径流路径，充分利用入渗能力以延长径流时间，构建多功能的土地景观[10]。本文结合萍乡市G312国道现有开发建设情况，遵循LID布设原则，提出建立植草沟、下沉式绿地、雨水花园3种LID布设方案（图1），然后将其分别与透水铺装进行组合。考虑到后期维护便捷以及道路承重要求，透水铺装主要布设在非机动车道和人行道，而机动车道依然采用常规材料铺设（表2）。

图1 海绵城市道路LID场景布设方案

表2 道路LID 措施运用

3 模型构建

3.1 SWMM模型简介

暴雨雨洪管理模型SWMM是在US EPA（Environmental Protection Agency）资助下于1971年开发的一款用于模拟降雨径流的暴雨洪水管理模型，包括水文、水力、水质三个模块，可实现对水量、水力、水质过程的模拟。新版SWMM5.1模型中添加了LID措施模块，可模拟透水铺装、下凹绿地、植草沟、生物滞留区等典型低影响措施，并在国内外得到了广泛的应用[11]。本研究主要利用水文模块、水力模块水质模块和LID模块进行模拟，涉及的过程包括地表产流、地表汇流、管网汇流。

3.2 研究区域概化

（1）道路基础数据处理（表3）

表3 模型基本数据及获取途径

选取武功山大道为研究对象，基于SWMM软件构建城市暴雨计算模型。首先做好相关资料收集工作，主要包括降雨历时、下垫面数据等；其次对道路CAD底图进行数据筛选整合处理，保留工业路检查井数量、检查井地面高程标注[12]；管道数量、管道上下游管底标高、管道标注等基本图元属性数据。为后期处理背景图片，绘制相应的管段、节点、汇水面积等图元信息做好准备工作。

（2）子汇水区划分

根据道路功能的不同及雨水管网的分布现状，对研究区域进行概化。LID城市道路子汇水区具体划分原则如下：道路路面、各个绿化带（包括中央绿化带和两侧绿化带）、人行道非机动车道、辅道自成独立的汇水区；纵坡坡度变化处；在十字路口、丁字路口处，依据各侧道路的坡向来划分汇水区；其他设施，例如公交车站等，根据其实际径流流向来划分汇水区。依据以上原则及方法，对该道路进行子汇水区划分。

模拟对象选定为武功山大道一期工程已建部分道路，截取典型路段长进行研究，红线宽度为60m，其雨水系统概化基于以下两点假设：①降雨在整个道路上是均匀的，即各点降雨强度相等。②将整个区域划分为若干个子汇水区，每个子汇水区雨水就近汇入管网节点[13]，然后基于SWMM模型的应用要求，结合研究区域管网资料与LID城市道路子汇水区具体划分原则，将研究区域划分为95个子汇水区，雨水管网概化为37个节点和57段管道，雨水管道最大直径设置为600mm，共设置4个排出口（图2）。

图2 萍乡市G320国道某段道路SWMM模型概化

3.3 参数选择

模型参数的取值主要结合当地情况并参考SWMM模型用户手册[14]中的推荐值及相关文献[15]。降雨入渗过程采用Horton入渗模型进行模拟, 模型需要输入的最大入渗率f∞、最小入渗率f0、衰减系数α分别取76.2mm/h、10mm/h、3h-1。地表径流的汇流计算采用非线性水库模型，模拟排水系统流量演算的水力模型选用动力波模型。对TNTPCOD三种主要污染物进行水质模拟，选用饱和函数、指数函数分别模拟污染物的累积和冲刷过程[16]。其他模型参数见表4[10]、表5[16]。

表4 SWMM模型基本参数的取值

表5 不同土地利用方式地表污染物累计及冲刷模拟参数

3.4 设计雨型

芝加哥雨型是由Keifer等根据降雨记录的统计平均值得出的，复合IDF曲线（强度-历时-频率曲线）关系生成[17]，得到了国内诸多学者的认可[18-19]，目前已成为我国《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》（2014）版推荐雨型。因此运用采用芝加哥雨型作为降雨设计模型，按照萍乡市暴雨强度公式，可分别计算出设计重现期为1年、3年、5年、10年的降雨量，峰值出现时间约为降雨后的95分钟前后，得到降雨总量结果分别为44.8065mm、61.481mm、69.234mm、79.755mm以及不同重现期下萍乡市3小时降雨时程分布情况（图3）。萍乡市暴雨强度公式如式所示：

图3 不同重现期下的降雨分布情况示意图

式中：q 为设计暴雨强度（L/s·ha）

P 为设计暴雨重现期（年）

T 为降雨历时（分钟）

4 模拟结果与分析

本研究基于前期研究基础[20-22]之上主要分析各组合LID设施在不同下凹深度下，其对雨水径流控制以及污染负荷控制的效益。

4.1 LID组合措施雨洪控制效益分析

经过模型的运算及计算，得到不同参数下LID设施组合模式径流控制结果（表6）。通过对表中数据进行分析发现。

表6 不同参数下LID措施组合模式径流控制效果

①L I D 组合模式能够起到削减和滞后洪峰的作用，各重现期下L I D组合模式径流峰值有所减少，峰现时间滞后，这是优于个LID措施能在一定程度上提高城市“渗”“滞”“蓄”的能力。

②对于不同下凹深度下，随着下凹深度的增加，渗透铺装+下凹式绿地与渗透铺装+雨水花园组合模式的雨水径流控制效果差异性明显。而且二者在小重现期下对于雨水径流削减效果接近，可以替换使用。随着重现期增大，二者组合模式差异性凸显，渗透铺装+雨水花园组合能够发挥更好的调蓄效益。

③三种组合模式均可以有效延缓峰值，同时部分参数下，LID组合模式出现径流峰值先增大后减小的情况，这是由于组合模式径流控制效果在开始尚未达到饱和，在某一重现期下达到分界值，随着重现期增大，效果逐渐减小。

在最优参数下，渗透铺装+下沉式绿地和渗透铺装+雨水花园模式没有发生溢流，渗透铺装+植草沟发生溢流。因此，通过模型对渗透铺装+下沉式绿地和渗透铺装+雨水花园模式进行目标控制评价。

根据《海绵城市建设技术指南》中对年径流总量控制率的要求，确定江西地区径流控制目标为70%≤α≤85%。城市年径流总量控制率70%对应的设计降雨量值约为24.5mm。年径流总量控制率85%对应的设计降雨量值约为43.3mm。根据暴雨强度公式将重现期和控制目标70%～85%，分别将重现期调整为p=0.56和p=1.09，并得出其降雨分布示意图（图4）。

图4 P=0.56a和1.09a不同设计重现期下的降雨分布情况示意图

通过模型验证在p=0.56和p=1.09年时（即径流控制目标为70%和85%时），不同LID措施组合的雨水在一定范围内是否发生溢流。

由表7可知，在不同参数下，为满足控制率为70%的目标即p=0.56时，渗透铺装+下沉式绿地组合模式和渗透铺装+雨水花园组合模式在下凹深度为100～200mm时都能达到控制率要求，在p=1.09时，渗透铺装+下沉式绿地组合模式和渗透铺装+雨水花园组合模式在下凹深度为200mm时可以满足指南85%的控制目标。

表7 不同参数下雨水径流控制目标评价

4.2 LID组合措施控污效益分析

通过前期模型运算发现，各LID设施的下凹深度对污染物负荷的控制效果差异不大，因此，仅研究在下凹深度为200mm时各LID组合模式控污效果（表8）。水质模拟结果分析如下。

表8 不同参数下LID措施组合模式控污效果

①由表8可知，在不同暴雨强度下，含有LID措施的城市道路污染负荷总量均低于不含有LID设施的城市道路污染符合总量，说明LID设施对雨水径流中的污染物具有一定的净化作用。

②在相同重现期下，各LID组合模式的削减效果依次为：雨水花园+渗透铺装＞下沉式绿地+渗透铺装＞植草沟+渗透铺装。在一年重现期时，雨水花园+渗透铺装比植草沟+渗透铺装对污染物削减率高约25%，且随着重现期的增大，差异逐渐缩小，在10年重现期时，差异缩小到约5%。

③随着暴雨重现期的增大，各LID设施对各项污染物负荷总量的削减率逐渐下降，当重现期达到10时，各LID设施对各项污染物负荷总量的削减率下降到50%左右，这是因为随着降雨强度的增加，径流中的污染物也相应增多，但LID设施的净化能力与滞蓄有限，使得超标暴雨无法进入设施内部净化，随着溢流设施进入雨水管网流出。

④当满足径流控制目标为70%和85%时，即暴雨重现期P=0.56，P=1.09时，其所对应的渗透铺装下沉式绿地和渗透铺装+雨水花园的污染物负荷总量削减率如表9所示。

表9 不同参数下雨水控制目标评价

通过表9可以发现，渗透铺装+下沉式绿地和渗透铺装+下沉式绿地和渗透铺装+雨水花园两种组合模式均能有效降低CODTNTP三种污染物，削减率均高于70%，且两种组合方式的在暴雨小重现期下净化能力相当。

结语

利用SWMM模型对萍乡市G320国道3种LID设施组合模式出口的断面径流及污染物负荷进行模拟，表明：①利用SWMM模型对萍乡市G320国道3种LID设施组合模式出口的断面径流及污染物负荷进行模拟，发现不同组合方案的雨洪控制效果与控污效果不同，降雨重现期越大，各组合方案的雨洪控制效果与控污效果越小，而各组合方案之间的雨洪控制效果与控污效果的差异越显著。②为了满足国家城市年径流总量控制率，可以在满足要求的方案里选择LID设施下凹深度最低的方案，既节约建设成本，又保证了LID设施的综合效益。③综合考虑经济性等因素，对于萍乡市而言，为了达到径流总量控制率70%的要求，下沉式绿地+透水铺装组合、雨水花园+透水铺装组合中下沉式绿地与雨水花园的下凹深度分别到达200mm、150mm即可。

资料来源：

文中图表均为作者自绘或改绘。