基于SWMM 的海綿城市設計分析

曹爽，鄭敬霖

（1.武漢市環(huán)境保護科學研究院；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430000）

上饒國際醫(yī)療旅游先行區(qū)作為上饒市南部一個嶄新的城市核心區(qū)，是開啟上饒市經(jīng)濟發(fā)展帶動城市建設的戰(zhàn)略要地。本項目位于上饒國際醫(yī)療旅游先行區(qū)核心地帶，毗鄰上饒三清山機場、西臨上饒大道、南接320 國道、東至葉挺大道。作為上饒國際醫(yī)療旅游先行區(qū)的啟動區(qū)，更是承擔著重要的戰(zhàn)略意義。

國家的經(jīng)濟不斷發(fā)展，但是城市的防洪排澇基礎設施的建設卻相對滯后，“海綿城市”就是讓城市像海綿一樣蓄水、滲水和凈水。海綿城市利用人工結合生態(tài)的方法，使雨水資源得到了充分的利用。

1 基于SWMM 模型的海綿城市建設過程

1.1 項目概況

本工程位于江西省上饒市中心城區(qū)南部，由會議、會展、醫(yī)療相關的研發(fā)、療養(yǎng)、檢測、培訓等多組建筑物組成。上饒國際精準醫(yī)療中心項目總建設用地面積267463 平方米，約401.2 畝。本項目為其中的B 區(qū)部分，B 區(qū)建設用地155652 平方米。

1.2 海綿設施（LID）設計問題分析

圖1 項目范圍圖

海綿設施有多種形式，每個地方都有當?shù)氐膶t作為設計依據(jù)，本項目設計依據(jù)主要為《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》，但是在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了很多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》針對的是整個江西省，不具有地方特點。本項目在上饒市，上饒市雖然地處江西省，但是它依然有其特有的氣候氣象等因素，江西省不能完全代表上饒市。（2）《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》更多的規(guī)定是關于全局關鍵因素的控制，并不能完全指導海綿城市設計中的一些具體問題。（3）即使所有的設計都符合《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》，依然會有多種方案的選擇，并不是說按照導則做就只有一種方案，但是導則并不能提供進一步判斷的準則。（4）海綿設施設計的復雜性遠遠超過《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》，導則將一些復雜的問題簡單化雖然有利于方案的設計，但是會造成不符合實際情況。

1.3 海綿城市設計方案解決對策

（1）概述。由于兩個海綿城市建設方案均符合導則和規(guī)范相關要求，因此根據(jù)相關規(guī)范、導則和現(xiàn)有方法無法判斷兩種方案的優(yōu)劣。本文采用SWMM 模型中的LID 單元對項目區(qū)兩個方案的關鍵參數(shù)系統(tǒng)徑流量進行模擬分析以解決方案的選取問題。

（2）雨水設計參數(shù)。降雨數(shù)據(jù)采用了上饒市的暴雨強度公式進行計算，保證了模擬結果能代表當?shù)氐臍夂驓庀笄闆r。雨水暴雨強度公式：q=2744.378(1+0.555lgP)/(t+17.408)0.759。 場 地雨水設計重現(xiàn)期P=3a，降雨歷時取20min，雨峰系數(shù)為0.3。

（3）匯水分區(qū)設計。本項目整體地勢較為平坦，西北高，東南低。綜合分析本項目的地形、坡度等因素，將項目區(qū)分為5 個匯水區(qū)域，分區(qū)域進行控制。

（4）海綿設施布置方案設計。根據(jù)項目的實際情況以及《海綿城市建設技術指南》和《江西省海綿城市建設技術導則》，為了達到設計目標年徑流總控制率的75%，本項目區(qū)實施現(xiàn)狀地塊的用地類型及用地構成進行徑流產(chǎn)流計算，計算采用加權平均法計算項目區(qū)內(nèi)的徑流量，即為設計徑流控制量。匯水面主要有三種類型，分別為綠地、透水鋪裝、硬質(zhì)鋪裝。

綜合雨量徑流系數(shù)：

φ綜合=（φ綠地F綠地+φ硬質(zhì)鋪裝F硬質(zhì)鋪裝+φ透水鋪裝F透水鋪裝）/（F綠地+F硬質(zhì)鋪裝+F透水鋪裝）

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中給出的各種匯水面的雨量徑流系數(shù)，φ綠地取值0.15、φ硬質(zhì)鋪裝取值0.85、φ透水鋪裝取值0.25。

年徑流總量控制計算公式：

V總=φhF/1000

式中，V總為年控制徑流總量，m3；φ 為雨量綜合徑流系數(shù)；h 為年凈流總量控制率對應設計降雨量，mm；F 為匯水面積，m2。

依據(jù)上式的計算和景觀、建筑的要求做出以下兩種方案。

（1）方案一（表1）

表1 方案一LID 設施布置

（2）方案二（表2）

表2 方案一LID 設施布置

（5）模型概化。根據(jù)地形及管網(wǎng)資料，將模型概化為5 個匯水區(qū)域、1 個排水口、5 個節(jié)點及5 根管道。項目區(qū)域范圍內(nèi)雨水管線重現(xiàn)期為3 年，降雨歷時20 分鐘，雨峰系數(shù)為0.3，其余參數(shù)按照暴雨強度公式確定。

圖2 模型概化圖

（6）模型參數(shù)確定。本項目滲透采用滲透模型采用霍頓模型，管網(wǎng)的匯流采用動力波，滲透模型的最大入滲率取67.2mm/h，最小入滲率為12mm/h，入滲衰減系數(shù)為4/h。

（7）模擬結果比較分析。本次模擬選擇的降雨重現(xiàn)期為3 年，模型結果時間序列為每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，設置模擬時間為20 分鐘。模擬結果如下：

系統(tǒng)徑流過程線模擬：

圖3 系統(tǒng)徑流過程線圖（方案一）

圖4 系統(tǒng)徑流過程線圖（方案二）

根據(jù)以上模擬結果明顯可以看出，方案一中無LID 海綿設施和有LID 海綿設施兩個雨水峰值的差值更大，說明方案一布置的LID 海綿設施對雨水起到的消峰作用更大，所以方案一優(yōu)于方案二。根據(jù)模擬結果，本工程設計推薦采用方案一作為本項目的海綿設施布置形式。之所以會出現(xiàn)指南無法判斷的情況，本文作者認為是指南過于簡單所致，譬如不同形式的下凹式綠地在《海綿城市建設技術指南》中的雨量徑流系數(shù)均為0.15，但是實際上不同形式的下凹式綠地的效果是不一樣的，下凹式綠地不同的形式可以在SWMM 中設置不同的參數(shù)解決了《海綿城市建設技術指南》過于簡單的問題。

圖5 SWMM 下凹式綠地參數(shù)設置

2 結語

由于海綿城市的相關導則和規(guī)范只對關鍵影響因素作了規(guī)定，所以在相關導則和規(guī)范的框架下依然有多種方案的選擇，從而導致設計人員方案選擇的困境。本文根據(jù)研究區(qū)域的匯水特點、地形坡度等基本信息的處理，對研究區(qū)域的管網(wǎng)、LID 布置形式和排口進行了合理的模型概化，使模型更能反應項目的實際效果，而不是簡單的套導則和規(guī)范。本文通過對比分析兩種方案的系統(tǒng)徑流過程線圖，選取了更優(yōu)的方案，解決了該項目設計方案優(yōu)劣的選取困難，所述方法可供類似工程作為參考。