基于SWMM模型的海綿城市措施效果模擬研究
——南京市高淳區為例

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院 北京 100048；2.中駿集團 上海 201100)

一、引言

伴隨城市發展，不透水地面的增加帶來對原有水循環的破壞，城市區域的降水-徑流-蒸發-入滲比例失調，城市水系功能退化等問題亟待解決。而基于綠地系統的海綿城市規劃則通過低影響開發(LID)技術充分發揮建筑、道路和綠地、水系等生態系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現自然積存、自然滲透、自然凈化。國內已有諸多學者借助城市暴雨管理(SWMM)模型對研究區域降雨進行模擬，進而對LID措施效果進行模擬及評價，其中不乏城市規劃行業從業者對海綿城市改造效果進行評價[1-3]。

本文以南京市高淳區為研究區，基于SWMM模型對城區海綿模型、單一片區海綿模型進行不同開發模式下的模擬，以期為之后南京市建設海綿城市提供建議。

二、研究區概況

南京市高淳區位于南京市西南部，周邊丘陵環繞，區內水庫、湖泊眾多，共有荊塘水庫、大山水庫、馬耳山水庫、龍墩湖水庫等16座水庫，分布在東部山區，多為小型水庫，且區內有諸多小湖泊分布。該區域春夏兩季的降水和暴雨城區東部多西部少，秋季則東少西多。受季風影響梅雨季雨量集中，平均占常年總降水量22.3%，年均降水量在1100mm以上。

三、SWMM模型構建

(一)降雨數據模擬

選用芝加哥降雨過程線模型合成降雨情景，取雨峰系數0.57，降雨歷時2h，時間間隔5min，根據南京市暴雨強度公式(L/S,ha)，生成5個重現期下的設計降雨，分別是0.5年、1年、2年、5年、10年。

表1 不同重現期下的設計降雨量(mm)

(二)模型構建

根據規劃，將研究區進行概化，得到79個子匯水分區，61個匯接點，10個排放口，60段管渠。并結合實地現場調研，對現狀進行建模分析。

圖1 高淳區SWMM模型構建圖

(三)參數設定

為便于分析，將研究區概化為5個子研究區，如圖2所示，分別標號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其不透水面積根據計算以及經驗參數值，分別確定，如表2所示，綜合徑流系數則是根據經驗值確定，通過模型調參，確定最優組合，如表3所示。

圖2 子匯水分區概化

區域概況區域代號不透水面積百分比綜合徑流系數建筑密集區Ⅰ≥75%0.6-0.8山區有植被區Ⅱ60%-75%0.5-0.7山區無植被區Ⅲ50%-60%0.4-0.6建筑稀疏區Ⅳ30%-50%0.3-0.5農田自然保護區Ⅴ<30%0.2-0.4

表3 概化區域最優組合

(四)徑流模型構建

為比較傳統常規開發和LID開發下的徑流過程，對研究區構建自然狀態、傳統開發、LID開發3種不同情境下的徑流模型。

1.自然狀態下的模型

以1995年的下墊面作為研究區的自然狀態模型，使用Landsat 4-5 TM/ETM影像，進行不透水層面提取，按照提取的值及經驗參數可知，村鎮區域為8%，城鎮區域為25%，構建研究區自然狀態下的模型。

2.傳統開發模型

對高淳城區進行傳統模式開發，使用“快排”形式進行排水，且土地下墊面被改變，該開發模式適用于城市化區域，模擬在常規開發狀態下的徑流過程。

3.LID開發模型

LID主要措施選取下沉式綠地、綠色屋頂、透水鋪裝三種，確定指標如表4。

表4 LID指標比例

四、模擬結果與分析

(一)高淳城區在三種情境下的徑流狀態

因要考量不同開發模式對于徑流的影響，則主要針對城市區域，故選擇高淳城區為研究區，比較其在三種情境下的徑流狀態，如表5-7所示。

表5 不同重現期下高淳城區自然狀態下的徑流模擬值

表6 不同重現期下高淳城區常規開發的徑流模擬值

表7 不同重現期下高淳城區的LID模擬值

由表5可知，自然狀態下，徑流系數在重現期為0.5年的情況下，只有26.64%，負荷正常值，由表6可知，在不同重現期下，常規開發徑流系數均超過了55%，其中，當研究區遭遇十年一遇的暴雨時，徑流系數更是達到67.67%，地表水流失嚴重，而下滲量都較低，是因為研究區的土壤類型均由砂質壤土分布，整體蓄水量不高，而由于研究區的水庫較多、水系發達，地表蓄水量均在25%以上。

a.不同開發模式下的徑流百分比

b.不同開發模式下的入滲百分比

c.不同開發模式下的地表蓄水量百分比對比

由圖3可知，在高淳城區，常規開發下的徑流系數遠大于自然狀態下，地表水流失嚴重，而LID開發模式下，城區的徑流系數相較于常規開發降低36%，可在最大程度上轉近自然開發狀態下的徑流系數，維持地表水的穩定，使得地表水可以被吸收、利用，防止內澇災害的發生；但在入滲能力的改善方面，LID開發模式對此的改善有限，和常規開發模式均遠低于自然狀態下的降雨入滲能力，這源于城市區域建筑用地過多，LID開發模式對下墊面的改善有限；同時實行LID開發后，地表蓄水量大量增加，遠高于自然狀態下和常規開發，這是因為常規開發重點在于“快排”，以快排的形式將降水排放至江河湖泊，而LID開發重在實施蓄水設施，諸如雨水花園、綠色屋頂等，將降水蓄存下以便再次利用，深入落實貫徹可持續發展觀。

(二)單一片區下的海綿布設

通過徑流深度選擇單一片區進行模擬，以徑流系數作為主要評價指標，選擇徑流系數降低最優區域，以重現期p=0.5a為例，由圖4可知，編號為48的子匯水分區(圖5)的總徑流量最大，徑流量最多，故選擇其作為片區LID實施點。

圖4 高淳區城區各片區徑流深度

圖5 48號地塊所處區位示意圖

項目自然狀態傳統開發LID開發總降水量/mm33.9833.9833.98總入滲量/mm20.91413.72015.533總徑流量/mm13.06220.24513.143峰值流量/(m3·s-1)12.77927.90414.938徑流系數0.3800.5960.387

結合表8，傳統開發的入滲量遠低于自然狀態下，實行LID開發后，其入滲量雖有少幅提升，但也遠低于自然狀態下，表明下墊面的改變在很大程度上影響城市的下滲；在LID開發模型中，48號地塊的年綜合徑流系數與現狀值相差無幾，且自然狀態下為0.38，是由于在兩小時設計暴雨強度內，即便是重現期為0.5，但是研究區面積過小，僅為3.25平方公里，蓄滿產流，導致徑流量過大；峰值流量接近現狀值，表明通過對不同的下墊面綜合應用多種LID設施，可以有效的使研究區的水文狀態接近于自然狀態，達至海綿城市的初步目標；其次，LID開發模型中，總徑流降低率相較于傳統開發模型達到35%，峰值流量削減率相較于傳統開模型達到46.5%。

由圖6可知，48號地塊共包含12種土地利用類型，分別是一類居住用地(5.95ha)、二類居住用地(55.06ha)、公園綠地(27.91ha)、商業設施用地(24.79ha)、安全設施用地(4.82ha)、廣場用地(0.49ha)、待建用地(32.86ha)、文化設施用地(11.83ha)、河流(30.79ha)、行政辦公用地(2.53ha)、道路(91.13ha)、防護綠地(37.35ha)，研究區總面積325.51ha。

a.48號地塊下墊面屬性圖

b.48號地塊LID設施布局方案

根據48號地塊的最終布局LID實施方案(圖6)，研究區可概化為屋面(138.33ha)、綠地(65.26ha)、硬質鋪裝(91.13ha)、水體(30.79ha)4類下墊面，結合，LID具體設施布局面積見表9。據此可知，考慮到經濟指標和實施可操作性、可利用性，針對于某一類下墊面，只需建設一定比例的LID開發，便可滿足研究區建設海綿區的基本目標；針對于屋面，對于已開發區，小范圍的綠色屋頂耗費經濟、人力指標，故本研究區的綠色屋頂均選擇大范圍的建設用地和待建用地，將地塊的16.7%的屋面建設成綠色屋頂，這樣既符合經濟適用性原則，也可避免LID設施與其他設施建設的沖突；對于綠地，主要通過在公園綠地建設雨水花園和下沉式綠地，對防護綠地建設下沉式綠地，共約占綠地類型的22.5%；對于鋪裝，主要集中在可替換的硬質鋪裝以及小區周圍的人行道，透水鋪裝共占硬質鋪裝的20.81%。就整個研究區而言，LID的設施布局約占全部下墊面的26%。

五、結論

通過采用SWMM模擬自然狀態模型、常規開發模型、LID開發模型，將其進行對比分析，結果表明，LID開發能在一定程度上降低研究區的徑流系數，削減峰值流量，使其接近于自然狀態，在對城區進行LID設施后，能在一定程度上降低全區的徑流系數，對單一片區進行LID布局落實方案研究，表明LID設施占總面積的30%即可達到片區LID目標。