利用暴雨管理模型（SWMM）對(duì)低影響開(kāi)發(fā)措施效果的模擬研究

1、前言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市中不透水面積增加，建成區(qū)的徑流系數(shù)增加、匯流時(shí)間縮短、降雨徑流的峰值流量增大、降雨徑流總量增大。隨著氣候的變化，近年來(lái)極端天氣頻現(xiàn)，城市中短時(shí)暴雨造成城市的內(nèi)澇，給城市排水管網(wǎng)造成極大的壓力并且國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損害。同時(shí)雨水徑流被排走，造成雨水資源得不到充分利用。由于城市的大規(guī)模建設(shè)以及城市中機(jī)動(dòng)車輛的增加，降雨徑流的污染也日益嚴(yán)重。面源污染已逐步成為我國(guó)水體污染的主要因素。因此，在城鎮(zhèn)的建設(shè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)增加雨洪控制與利用的措施，盡量保持土地開(kāi)發(fā)前后的水文過(guò)程，防止面源污染。為增加雨水資源的利用量以及防止面源污染，可以采用低影響開(kāi)發(fā)的理念，增加綠色屋頂面積、建設(shè)雨水收集利用系統(tǒng)、增加城市透水面積、降低綠化帶的高程、建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施等。筆者利用暴雨管理模型(SWMM)對(duì)某新開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢(shì)綠地等LID措施后出水口斷面的峰流量、峰流量出現(xiàn)時(shí)間、徑流系數(shù)的變化進(jìn)行了模擬分析。

2、SWMM模型介紹

暴雨管理模型（SWMM）模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬模型，能夠?qū)Τ鞘械貐^(qū)進(jìn)行某一降雨事件或者特定時(shí)期降雨徑流水量以及水質(zhì)的模擬。

根據(jù)地表特性的不同，子匯水區(qū)被概化為三種類型：①有滯蓄量的不透水地面；②無(wú)滯蓄量的不透水地面；③透水性地面。有滯蓄量的不透水地面的產(chǎn)流量計(jì)算方法為降雨量減去滯蓄量；無(wú)滯蓄量的不透水地面的產(chǎn)流量就是降雨量；透水性地面的產(chǎn)流量計(jì)算方法為降雨減去滯蓄填洼量和地面下滲量。

SWMM模型中，匯水區(qū)被概化為非線性水池。當(dāng)降雨水量大于地表的滯留量時(shí)，地表才開(kāi)始產(chǎn)流。模型中利用曼寧公式進(jìn)行產(chǎn)流量計(jì)算：。

式中：W—匯水區(qū)特征寬度，m；n—曼寧系數(shù)；d—降雨水深，m；

dp—地表滯蓄水深，m；S—匯水區(qū)地面坡度，m/m； Q—地表產(chǎn)流量，m3/s。

SWMM模型采用圣維南方程組(Saint-Venant)對(duì)管網(wǎng)匯流系統(tǒng)的演算和求解。

3、研究區(qū)域SWMM模型的建立

3.1 研究區(qū)域的概化（如圖1所示）

圖1 研究區(qū)概化效果圖

研究區(qū)域?yàn)槟承乱?guī)劃開(kāi)發(fā)區(qū)域，開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)包含金融商業(yè)用地、行政辦公用地、文化娛樂(lè)用地、公共市政用地、綠地用地等總用地面積為90.48ha。本文中常規(guī)開(kāi)發(fā)指不采取任何雨洪控制利用措施的開(kāi)發(fā)方式；采用的LID措施主要有綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、下凹綠地等LID措施的開(kāi)發(fā)方式。研究區(qū)整個(gè)模擬地塊被概化為43個(gè)子匯水區(qū)、15條雨水管道、16個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)出水口。

3.2 模擬采用的降雨數(shù)據(jù)

本文對(duì)兩種不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨進(jìn)行模擬，降雨重現(xiàn)期取3a和10a。采用的暴雨強(qiáng)度公式為：

式中：—暴雨強(qiáng)度，L/s?ha；—重現(xiàn)期，a；—降雨歷時(shí)，min；（如圖2所示）

3.3 SWMM模型參數(shù)確定

各匯水區(qū)產(chǎn)流過(guò)程的計(jì)算，采用Horton模型模擬區(qū)域內(nèi)的滲透過(guò)程，模型中參數(shù)包括最大下滲率f0、最小下滲率f∞以及衰減系數(shù)，三者的取值分別為76mm/h、3.80mm/h和2.5h-1。地面匯流過(guò)程采用非線性水池模型，透水地表和不透水地表的的滯蓄量取值分別為為12mm和2mm。透水地面、不透水地面以及排水管道的曼寧系數(shù)取值分別為0．013、0.12和0.013。管網(wǎng)匯流過(guò)程采用運(yùn)動(dòng)波方程進(jìn)行流量演算與求解。

圖2 設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度示意圖

4 模擬結(jié)果與分析

3年一遇設(shè)計(jì)降雨常規(guī)開(kāi)發(fā)與采用LID措施后區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流系數(shù)比較見(jiàn)表2。

3年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，峰流量在常規(guī)開(kāi)發(fā)時(shí)為9.31m3/s，采取LID措施后為4.37m3/s，峰流量被削減了53.0%；常規(guī)開(kāi)發(fā)時(shí)峰流量出現(xiàn)時(shí)間為52min，采取LID措施后為133min，峰流量出現(xiàn)時(shí)間被滯后81min；徑流系數(shù)常規(guī)開(kāi)發(fā)時(shí)為0.69，采取LID措施后為0.41，徑流系數(shù)減小0.22。

10年一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)常規(guī)開(kāi)發(fā)與采用LID措施后區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流系數(shù)比較見(jiàn)表3。

10年一遇設(shè)計(jì)降雨條件下，采取LID措施較常規(guī)開(kāi)發(fā)峰流量被削減了30.3%，峰流量出現(xiàn)時(shí)間被滯后66min，徑流系數(shù)減小0.19。

常規(guī)開(kāi)發(fā)與采取LID措施后在不同設(shè)計(jì)降雨條件下各指標(biāo)削減量匯總見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，采取LID措施在3a設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期時(shí)較10a設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期時(shí)發(fā)揮的作用更大。峰流量削減的更多，峰流量被滯后的時(shí)間更長(zhǎng)，徑流系數(shù)減小的更大。

常規(guī)開(kāi)發(fā)與采取LID措施后相比較。采取LID措施后，地表對(duì)降雨的滯納量增加，降雨的下滲量增加，因此地表徑流系數(shù)減小，降雨峰流量減小，地表產(chǎn)匯流時(shí)間延長(zhǎng)，峰流量出現(xiàn)時(shí)間被滯后。

10a一遇設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度較3a一遇的大，采取LID措施后地表的滯納量及下滲量在10a一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)，達(dá)到飽和的時(shí)間更快，甚至由于設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度太大，LID措施的滯納量和下滲量還沒(méi)有達(dá)到飽和，地表就開(kāi)始產(chǎn)匯流。因此在10a一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)，采取LID措施對(duì)峰流量的削減、峰流量出現(xiàn)時(shí)間滯后、地表徑流系數(shù)等方面的作用減弱。

5、結(jié)論

本文采用暴雨雨水管理模型SWMM模型模擬分析了某新規(guī)劃開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢(shì)綠地等幾種LID措施后對(duì)暴雨徑流的影響。結(jié)果表明，在一定降雨重現(xiàn)期時(shí)，LID措施可以對(duì)削減降雨徑流的峰流量，推遲峰流量出現(xiàn)時(shí)間，減小開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)地表的徑流系數(shù)。

對(duì)于重現(xiàn)期不同的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程，重現(xiàn)期為3a較重現(xiàn)期為10a的設(shè)計(jì)降雨，LID措施對(duì)降雨徑流的滯納效果更明顯。低影響開(kāi)發(fā)措施對(duì)重現(xiàn)期較小降雨事件地表徑流的滯納效果更明顯。

利用SWMM模型可以用來(lái)考察規(guī)劃LID措施對(duì)降雨徑流滯納效果，為有關(guān)LID措施的規(guī)劃建設(shè)提供必要的參考。由于對(duì)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)掌握不足，未能針對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，模型有關(guān)參數(shù)均采用國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的典型參數(shù)。還需要加強(qiáng)對(duì)措施實(shí)際效果的監(jiān)測(cè)，從而為模型參數(shù)率定和驗(yàn)證提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以確保模擬的結(jié)果更加精確。

表2 3年一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)區(qū)域內(nèi)出水口斷面峰流量、峰流量出現(xiàn)時(shí)間及徑流系數(shù)比較

表3 10年一遇設(shè)計(jì)降雨時(shí)區(qū)域內(nèi)出水口峰流量、峰流量出現(xiàn)時(shí)間及徑流系數(shù)比較

表4 常規(guī)開(kāi)發(fā)與采取LID措施后不同重現(xiàn)期各指標(biāo)削減量匯總