基于SWMM的城市道路低影響開發研究

相洪旭，郭 林，劉 利，孟祥宇，曹玉燭

（青島市市政工程設計研究院，山東 青島 266101）

0 引言

城市道路雨水排水系統是城市排水系統的重要組成部分，在城市發展和生態建設過程中具有舉足輕重的作用。市政排水設施設計以城市道路為主要載體，目的在于快速排除降落在道路界限范圍內的雨水徑流，以防止道路路基損壞，同時避免形成城市內澇等災害[1]。

傳統開發理念中，道路排水系統主要以“快排”為主要目標，采用“道路匯水面積—雨水口—市政管線—河湖水系”的排水方式，導致路面徑流污染嚴重、雨水資源流失等問題，對城市水環境和水生態等構成了嚴重威脅。

2014年10月，《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建（試行）》發布，國家提出了基于低影響開發（Low Impace Development，LID）的可持續綠色道路排水理念，其核心是采用源頭消減、過程控制等技術措施，通過模擬自然水文過程，實現雨水入滲滯留、徑流污染控制、消減峰值流量和徑流總量的目的，為緩解我國道路徑流水質污染、城市內澇、環境污染的問題提供政策引導[2]。

暴雨雨洪管理模型（Stormwater Management Model，SWMM）是由美國環保署開發的一個動態模型，主要用來模擬城市在某一單一或者長期降水條件下的降水-徑流過程。目前，給排水設計人員多采用暴雨強度公式轉化為芝加哥雨型法來模擬短歷時降雨-徑流過程，結合年徑流總量控制率來確定LID設施規模。本文利用SWMM軟件結合水利部門的長歷時典型設計雨型，模擬城市道路的長歷時降雨-徑流過程，著重研究評價短歷時和長歷時降雨條件下LID設施對城市道路范圍內地面徑流產生的影響[3-4]。

1 研究區域概況

結合青島市1981～2010年降雨蒸發數據，該市多年平均降雨量為664 mm/a，如圖1所示。

圖1 青島市多年降雨量統計圖

青島市多年平均蒸發量為1 189.4 mm/a（2004和 2005年數據不完整，予以剔除），如圖2所示。

本案研究設計道路位于青島市李滄區西部，規劃為城市主干路，排水管道設計重現期5 a一遇，道路寬60 m，雙向八車道，采用9.25 m（綠化帶）+2.5 m（人行道）+1.5 m（側分帶）+15 m（車行道）+3.5 m（中央分隔帶）的斷面型式，道路標準橫斷面示意圖見圖3。

圖2 青島市多年蒸發量統計圖

圖3 道路標準橫斷面示意圖

結合《青島市海綿城市專項規劃（2016～2030年）》提出的指標要求，設計范圍內年徑流總量控制率為75%，對應控制降雨量為27.4 mm。年徑流總量控制率與設計降雨量關系見圖4。

圖4 年徑流總量控制率與設計降雨量關系圖

根據《青島市海綿城市道路建設技術指南》，本次設計采用的海綿技術路線如圖5所示：側分帶設置下凹綠籬自然下滲，無法入滲的雨水經溢流口進入市政雨水管；人行道設置透水鋪裝，無法入滲的雨水進入綠化帶；中央分隔帶雨水自然入滲，無法入滲的雨水散排進入車行道，車行道雨水經橫向排水溝進入綠化帶；在綠化帶內設置淺凹植草溝轉輸雨水，生物滯留設施消納雨水，綠化帶內雨水經溢流口進入市政雨水管排放。

圖5 道路海綿措施技術路線圖

2 子流域概化

研究區域道路總面積為44 906 m2，范圍內各子流域面積如表1所示。

表1 道路各分區面積比例表

結合道路各子流域面積分界線和道路豎向，劃分匯水區域，在SWMM5.1中文版模型軟件中繪制雨水系統拓撲結構，將研究區域進行概化，共設置4個排出口，如圖6所示。

圖6 道路子流域雨水系統拓撲結構圖

3 設計雨型

3.1 芝加哥雨型

Keifer和Chu提出了用于短歷時的合成雨量過程線，其芝加哥模式雨型計算方法見式（1）、式（2）。

峰前暴雨強度ia（mm/min）為：

峰后暴雨強度ib(mm/min)為：

青島市設計暴雨強度q（L/（s·hm2））可用下式計算:

上述式中：r為雨峰位置參數，可取0.3～0.4，本次設計取 0.4；t為降雨歷時，min，取 120 min；A、C、b、n均為參數，根據統計方法計算確定為：A=1 919.009，C=0.997，b=10.74，n=0.738；P為設計重現期，a。

當時間間隔為1 min時，得到青島市在不同重現期下的芝加哥雨型降雨過程線，如圖7所示。

圖7 青島市芝加哥雨型降雨過程線

3.2 膠東地區1 h雨型

根據《山東省中小河流治理工程初步設計洪水計算指導意見》，得到膠東地區常用1 h雨型（適用雨量100 mm），如圖8所示。

圖8 膠東地區常用1 h雨型圖

4 概化模型參數選擇

結合地質勘查報告，設計范圍內土壤表層為素填土，以回填粗礫砂、黏性土及碎石為主，原地面高程3.5～4.2 m，地下水位高程1.3～2.27 m，設計路面高程4.34～5.81 m。道路填方處理方式為：車行道及兩側各1 m范圍內，清表30 cm后采用風化砂回填至路床底面；人行道部位采用風化砂回填；綠化帶區域采用素土回填，頂部采用種植土回填。區域內滲透系數取2.8×10-5m/s，滲入模型采用HORTON模型，不受地下水的影響[5-6]。

子匯水區域中設置LID設施：

側分帶內全部設置下凹植草溝：表層蓄水100mm，種植土層500 mm。

人行道全部設置透水鋪裝：透水鋪裝120 mm,級配碎石墊層150 mm。

綠化帶設置轉輸型植草溝和生物滯留設施消納雨水。生物滯留設施：表層蓄水250 mm，土壤層500 mm，級配碎石層 300 mm[7]。

5 模擬計算

5.1 短歷時模擬

道路子流域內側分帶、人行道LID設施規模不變，綠化帶內生物滯留設置的規模直接影響到控制降雨量。在相同的設計重現期（P）下，生物滯留設施規模與控制降雨量之間的關系如表2所示。

表2 控制降雨量與生物滯留設施規模和重現期關系表

在設計重現期P=5時，當達到年徑流總量控制率對應的設計降雨量時，生物滯留設施占綠化帶的比例不應小于20%；但在同樣的生物滯留設施條件下，當重現期P較小時，卻達不到海綿城市控制降雨量為27.4 mm的要求，比如，在設計重現期P=1時，生物滯留設施占綠化帶面積需增大至約40%時方可達到要求。

徑流系數與生物滯留設施規模和重現期關系見表3。

表3 徑流系數與生物滯留設施規模和重現期關系表

由表3可知，徑流系數隨重現期減小及生物滯留設施比例的提高而減小。

生物滯留設施規模確定后，模型其他參數不變，由上述計算可知，控制降雨量和徑流系數的不同主要受不同重現期下的降雨強度影響。

5.2 長歷時模擬

選取2010年全年日降雨、日蒸發數據為基礎，日降雨量按圖8膠東地區常用1 h雨型進行時程分配，用于長歷時模擬，得到年控制降雨量與生物滯留設施規模的關系，如表4所示。

表4 控制降雨量與生物滯留設施規模關系表

由模擬結果可知，隨著生物滯留設施規模增大，蒸發量增大、地面產生的徑流量減小，年控制降雨量逐漸增大。

2010年日降雨量大于2 mm的降雨統計圖見圖9。

結合2010年日降雨數據，由設計范圍內年徑流總量控制率為75%，控制降雨量為27.4 mm可知，2010年全年需控制的降雨量為541.6 mm。同理，對青島市1981～2010年30年降雨資料進行統計，得到年徑流總量控制率為75%時，年平均控制降雨量為490.66 mm。由表4模擬結果可知，綠化帶內生物滯留設施規模占比達到40%時，仍無法滿足年平均控制降雨量490.66 mm的要求。

長歷時模擬時，在相同生物滯留設施規模條件下，無法達到年徑流總量控制率下平均控制降雨量的要求，主要受實際降雨為某一時段的連續降雨（如2010年8月22日至2010年8月28日），生物滯留設施無法連續消納雨水的影響。

圖9 2010年日降雨量大于2 mm的降雨統計圖

6 結語

（1）由短歷時芝加哥雨型模擬結果可知，為達到相同的徑流總量控制率，在下墊面相同條件下，道路海綿LID的規模主要受降雨強度、重現期的影響。道路海綿設計時，可忽略排水管道設計重現期的影響，按P=1的條件進行模擬計算，確定生物滯留設施的規模。

（2）當LID設施規模不變時，結合膠東地區常用1 h雨型分配進行全年模擬，生物滯留設施受連續降雨無法持續消納雨水的影響，造成實際能夠消納的雨水量比理論計算量小。

（3）長歷時模型模擬時，應以水力部門的雨型分配為基礎，得到LID設施實際能夠控制的雨水量，指導工程實踐。

（4）城市主干道路海綿LID設施設計時，側分帶、人行道LID設施規模不變，受車行道面積占比遠遠大于綠化帶面積占比影響，為達到海綿城市規劃年徑流總量控制率要求，綠化帶內需設置較大規模的生物滯留設施。建議在進行前期城市道路海綿城市規劃時，應適當降低指標，給出道路設計范圍內徑流總量控制率，不應嚴格遵守整個城市的年徑流總量控制率，以免造成LID設施規模過大，投資浪費。