基于SWMM模型的江蘇大學校園海綿城市改造績效評價研究

毛 麗，董 磊，李小莉

(江蘇大學 藝術學院，江蘇 鎮江 212013)

1 引言

隨著科技的進步與時代的發展，我國城市化進程逐步加快，但由于城市的高速發展，越來越多的土地被過度開發，生態環境遭到破壞且無法發揮原有功能，地表不透水面積逐漸增多，地表徑流增大，匯水速度加快，自然水文流域也逐漸減少，導致城市區域洪澇災害日益嚴重、水資源短缺以及水污染增加[1，2]。

為減輕城市內澇災害的壓力和利用水資源，我國提出并實施海綿城市建設理念[3]。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等生態化技術，構成能夠實現自然循環的生態系統，彌補了我國城市排水系統的缺陷。但是，目前我國已經實施或者正在實施的海綿城市建設存在一部分問題，因此，對海綿城市的建設效果進行評價是促進海綿城市建設發展的重要舉措[4]。

本次采用的是SWMM(Storm Water Management Model)暴雨管理模型，主要用于城市區域低影響開發效果的模擬與評價，其內部LID開發模塊操作便捷完善，能夠相對準確模擬單場降雨或連續降雨的地表產流匯流過程[5]。現已被國內外學者廣泛用于城市暴雨洪水模擬、排水管網系統設計、城市非點源負荷運算和內澇風險評估等過程中[6]，在海綿城市建設效果的績效評價中也有相應的學術成果，例如劉一瑤等人借助SWMM模擬，設計清華大學學堂路區域的LID措施；楊鋼等人利用SWMM模型對北京大紅門排水區進行降水模擬得到該區域的海綿設施效果評價；常曉棟等[5]人基于SWMM對北京市清河流域進行城市雨洪模擬，得出海綿城市生態技術的組合應用能夠有效實現洪峰流量-污染控制、雨水資源化利用等目標，顯著降低城市內澇風險的相關結論[7]。

2 研究區域概況

江蘇大學校園內海綿城市改造區域主要分為兩塊：玉帶河段與家屬區[8]，本次選定家屬區(圖1)作為研究對象，項目占地16.2 hm2，生態化排水工程主要為雨水花園8344 m2，下凹式綠地421m2，高位花壇340 m2，透水鋪裝3750 m2，雨水花壇40 m2，調蓄池200 m2，化糞池改造118個，檢查井新建200座。本次的研究目的是利用SWMM模型，對家屬區進行典型降雨過程的模擬，調整模型參數，分析不同降雨條件下的產流與排水狀況，評估江蘇大學家屬區LID設施建設的效果。

圖1 研究區域概況

3 SWMM模型評估水文效應

3.1 SWMM模型原理

SWMM模型主要用于模擬單一降水事件或長期降雨系列的水量或水質動態，主要包括水文、水力、水質3個模塊，廣泛應用于LID設施布局效果評價和模擬復雜城市下墊面的暴雨徑流過程中。SWMM中的LID模塊其中的技術措施主要包括植草溝、生物滯留、滲渠、透水鋪裝、雨水桶等，通過對調蓄、滲透及蒸發等水文過程的模擬，本文結合SWMM模型的水力模塊，實現LID技術措施對徑流量的控制效果模擬[6]。

透水區模擬水流下滲主要有3種方式：SCS下滲曲線法、GREEN-AMPT模型、HORTON模型[9]。相比之下，HORTON模型能夠描述下墊面透水區域入滲率隨降雨歷時變化關系同時更加適用于小區域工程，因此本次采用HORTON模型，具體算式為:

fv=fc+(fo-fc)e-at

(1)

式(1)中：fp為土壤初始下滲損失量；fo為初期滲透率；fc為穩定下滲率；t為暴雨歷時；α為滲透衰減的指數。

3.2 研究區域排水系統概化

結合江蘇大學家屬區的地勢條件、下墊面類型等資料，將研究區域內的排水系統概化為15個大小不同的子匯水區，8個匯接點，3個排水口，設置管段8條，構建研究區域的SWMM模型，如圖2所示。

圖2 研究區域模型概況

3.3 參數選擇與率定

3.3.1 降雨設計

根據研究區域鎮江市在夏季暴雨強度較大和降雨歷時長的特點，重現期分別設定為2年一遇、5年一遇和10年一遇3種，降雨歷時設定為120 min，雨峰系數設定為0.4，時間間隔為1 min，鎮江市暴雨強度計算公式為：

(2)

式(2)中：q為降雨強度；t為暴雨歷時；p為降雨重現期。

本次主要采用芝加哥雨型生成器模擬不同重現期的降雨變化，圖3、圖4、圖5為不同重現期下時間與降雨量的關系圖，由圖可見，相同重現期下，時間——降雨量關系曲線在120 min降流模擬過程中先呈現單調遞增的變化達到峰值后單調遞減。將3種重現期降雨關系圖進行對比得知，隨著重現期增加，降雨量也隨之增大，3種重現期的峰值時間基本一致(圖6)。

圖3 p=2a時降雨強度變化

圖4 p=5a時降雨強度變化

圖5 p=10a時降雨強度變化

圖6 不同重現期的降雨強度對比

3.3.2 LID措施參數設置

根據現場調研情況與相關資料得知研究區域內的主要LID布置為雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝，LID設置參數主要結合《SWMM5.0使用手冊》及相關文獻[10]的參數設置情況。雨水花園：護堤高度150 mm、植被容積0.1、曼寧n值0.1、表面坡度0.1，厚度150 mm、孔隙率0.45、導水率120 mm/h、吸水頭50 mm。下凹式綠地：護堤高度250 mm、植被容積0.8、曼寧n值0.1、表面坡度0.1。透水鋪裝：護堤高度20 mm、曼寧n值0.115、表面坡度0.4、厚度120 mm、孔隙率0.2[11]。

3.4 LID效果評估

根據上述LID參數對匯水區進行設置，再用SWMM模型進行模擬，由此可得到LID前后研究區域的產流匯流數值變化。為更加直觀得評估對LID前后研究區域的水文效應，將數據匯總如表1所示。

表1 不同重現期徑流模擬計算結果

其中，徑流系數為徑流量/總降雨量，徑流總量控制率為(總降雨量-徑流量)/總降雨量，下滲比例為下滲量/總降雨量。由表1可知，在LID布置后，研究區域下滲比例增加，隨重現期增加而增加；徑流系數明顯減少，仍隨重現期增加而增加；徑流總量控制率得到顯著提升，隨重現期增加而增加。綜上，對研究區域進行LID改造能夠有效促進雨水下滲，補充地下水；能夠減小徑流系數，減少地表徑流，降低內澇風險；能夠有效控制徑流總量，削減洪峰流量。

4 結語

本文對江蘇大學家屬區的海綿城市改造效果進行了效果評估，主要針對研究區域內的雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝3種LID設施在不同重現期下運用SWMM模型進行降流模擬，由此得到LID前后的水文效果對比，結果顯示LID改造后的區域在控制下滲比例、徑流系數、徑流總量上起到顯著效果。因此可以得知：①通過實行合理的LID技術能夠有效緩解江蘇大學校園內的內澇狀況，有效削弱研究區域洪峰流量和徑流總量，同時能夠涵養水資源，實現水資源的回收與再利用。②SWMM模型對LID模塊的雨洪管控效果的評估有明顯的作用，能夠做到量化評價海綿設施對江蘇大學校園場地的水文情況，可以為海綿建設規劃提供技術支持和量化管理依據。