基于SWMM的不同LID措施城市雨洪控制效果模擬研究

劉 潔，李玉瓊，張 翔，陳 華

(1.成都大學建筑與土木工程學院，成都 610106；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.中國建設集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

我國正處在城鎮化快速發展的時期，預計在2050年左右，城市化水平可能超過60%[1]?？焖俪鞘谢M程使城市不透水地面迅速增加，城市降雨不能被截留[2]，城市洪水表現為洪峰流量大、峰現時間快的特點[3]；加上全球氣候變暖、城市熱島效應、凝結核效應等使城市更容易成為暴雨中心[1]，城市內澇問題日趨嚴重。2008-2010年，全國351個城市中有62%發生過不同程度的內澇，內澇災害超過3次的有137個[4]。

目前國內的排水系統標準偏低，且面臨著資料缺失、運行管理困難、污染受納水體等問題，難以發揮其應有作用[5,6]，隨著低影響開發(LID)理念的提出，源頭消納、就地削減從而緩解排水管網壓力等雨水管理方式開始受到重視[7]。中國對LID已有10余年的研究，還沒有形成成熟的理論和技術體系，但是在北京、上海、天津、深圳等一些發達城市已經相繼開展研究與工程應用[8]。目前對LID的研究多集中在證明LID對地表徑流的削減能力，LID與防洪排澇關系的認識與研究還不夠深入。

本文以成都市某住宅區域為研究對象，通過SWMM模型進行該區域在現狀條件和采用不同低影響開發(LID)措施方案下的洪水模擬，分析和評估LID對不同頻率城市雨洪的削減效果。

1 研究區概況

研究區域位于成都市某住宅區域，內含5個小區，總面積為1.18 km2。其中，建筑用地0.36 km2，綠地面積0.41 km2，不透水路面及廣場0.39 km2，其他為未利用土地面積，研究區域總體不透水面積所占比例為63.25%，土地類型見圖1。研究區域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫為16.2 ℃，四季分明、雨量充沛。多年平均降水量為918.2 mm，雨量主要集中在7-8月，月平均降雨量分別為225和229 mm，占全年降雨量的50%。

圖1 研究區域土地利用類型圖

2 研究方法

2.1 SWMM模型概化

SWMM是一個分布式離散時間模擬模型，其下墊面的數字化過程可分為子匯水區劃分、子匯水區信息概化、排水管網信息概化3個步驟。在充分利用地形和排水管網分布情況，將研究區域劃分為96個子匯水區，228個節點，235個管段，3個出水口。雨水管網概化圖見圖2。

圖2 子匯水區分區及排水管網概化圖

2.2 模型參數

SWMM模型參數包括子匯水區屬性參數、土壤下滲參數及管網參數三大類。這些參數中有部分如寬度、坡度、面積、不透水面積等可以通過提取下墊面的信息并做相關技術處理得到；而另一部分如粗糙系數、洼地蓄水深度、下滲參數、管道曼寧粗糙系數等取值是不確定的，可以通過借鑒類似區域研究成果及實踐經驗，或者對研究區域實測數據進行率定等方式獲取。本文主要采取前種方法取值不確定性參數。查閱參考手冊[9,10]，具體取值見表1。

粗糙系數反映了地表漫流通過子匯水面積表面時遇到的阻力。研究區域不透水廣場和路面多為光滑水泥表面，透水區域多為光滑裸露的土壤。根據參考手冊[11]的建議，粗糙系數、洼蓄量取值見表1。

表1 SWMM模型參數取值

修正Horton模型適用于小流域低降雨強度，因此本文采用Horton模型。根據第二次全國土地調查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數據判斷研究區域為壤土。查閱文獻[12]中的推薦值，模型需要的下滲能力、衰減系數等取值見表1。

文本缺乏降雨徑流實測資料，未對模型參數進行驗證率定，由于參數的偏差可能會對模擬結果帶來一些影響。例如，徑流量隨著粗糙系數的增加而增加、洼蓄量的增加而減??；洪峰流量隨著粗糙系數、洼蓄量的增加而減小。但由于本文側重對比不同LID措施對徑流削減效果，模擬結果的偏差不會對對比結果產生較大影響。

2.3 LID布設方案

根據LID適建性區域研究成果[13](見表2)，結合研究區域土壤排水性能弱(C類型)等特點，初選出適應于該區域的LID措施有綠色屋頂、植草溝、生物滯留池、人工濕地。又考慮到人工濕地占用面積大，且紅線距離要求高，且只適用于居住區和開發區，適用范圍窄。故本研究中最終采納的LID組合措施方案(方案1)為：采用綠屋頂、植草溝、生物滯留池分別對雨水進行攔截、輸送和存儲。

表2 LID措施適建區域特征

為更好的比較各種措施的徑流控制效果，突出組合方案的優勢，我們選取整個區域左下角的3個子匯水區S1S2S3為研究對象，分別采用不同的單措施方案對其進行模擬。

方案2：綠色屋頂。綠色屋頂是指在建筑物的屋頂、露臺或天臺上覆蓋一層植被，通過植被截留、植物吸收、微生物降解、土壤滲透等作用，達到減少徑流和污染的效果。綠色屋頂表面層蓄水深度75 mm，植被覆蓋度20%；土壤層厚度100 mm，孔隙率0.437；排水墊層厚度15 mm，孔隙率0.5，粗糙系數0.1。

方案3：植草溝。植草溝是指種有植被的地表溝渠，可收集、輸送和排放徑流雨水，防止土壤沖蝕，起到水土保持的作用。它具有較長距離傳輸雨水徑流的功能，也具有一定的雨水凈化作用。植草溝表面層蓄水深度75mm，植被覆蓋度20%，曼寧系數0.1，表面坡度0.1；土壤層厚度200 mm，孔隙率0.5；蓄水層厚度200 mm，孔隙率0.5，導水率15 mm/h，阻礙因子0。

方案4：生物滯留池(雨水花園)。生物滯留池設置在地勢較低的區域，通過植物、土壤和微生物系統滲蓄、凈化徑流雨水，從而達到水量和水質調控目的。生物滯留池表面層蓄水深度100 mm，曼寧系數0.1，表面坡度0.1；土壤層厚度750 mm，孔隙率0.437；蓄水層高度200 mm，孔隙率0.437，下滲率500 mm/h，阻礙因子275。

各方案的布設情況見表3所示。

表3 各LID措施布設面積及占區域總面積的百分比 m2

2.4 設計暴雨

不同暴雨重現期的降雨過程線一般結合當地地區暴雨強度公式和所選雨型綜合確定[14,15]。國內外目前常用的雨型主要有以下5種：均勻雨型、不均勻三角形雨型、芝加哥雨型、Pilgrim 和Cordery雨型、Huff雨型。其中均勻雨型的計算結果常偏?。徊痪鶆蛉切陀晷秃虷uff雨型受歷時影響非常顯著；Pilgrim 和Cordery雨型對當地降雨過程資料有較強的依賴性。芝加哥雨型不僅受歷時影響小且“尖瘦”的特點更適用于工程，因此，本文采用芝加哥雨型。

若暴雨強度公式為：

(1)

則芝加哥雨型公式為：

峰前上升階段：

(2)

峰后下降階段：

(3)

式中：ia、ib分別為峰前和峰后的降雨強度，mm/min；t1、t2分別為峰前、峰后歷時，min；r為雨峰系數(降雨峰值發生前的歷時與總歷時之比)，根據我國實際情況，暴雨強度最大時多發生在r=0.4處；a、b、c分別為暴雨強度公式中的地方統計參數。

成都市中心城區暴雨強度公式如下：

(4)

式中：i表示降雨強度，mm/min；t表示降雨歷時，min；P表示重現期，a。

該公式通過30年暴雨資料統計，由成都市水務局與成都市氣象局在2015年發布，資料系列長，代表性較好，滿足相關規范要求，已廣泛應用于各類市政工程規劃設計中[16-18]；設計暴雨計算成果與四川省暴雨圖集查圖成果對比，結果一致說明公式較合理。

為了研究暴雨雨強對LID措施徑流控制效果的影響，本文利用公式(4)、(2)、(3)生成2、5、10、20、50、100a不同重現期的設計暴雨過程，如圖3所示。

圖3 設計暴雨過程線圖

3 結果與分析

3.1 不同LID措施城市雨洪控制效果對比分析

3.1.1 徑流總量

不同降雨重現期下，各LID布設方案的徑流總量削減情況見表4。從表4中可得出以下結論：

表4 不同降雨重現期下各LID布設方案徑流削減情況

(1)4種低影響開發措施方案都不同程度的起到削減徑流量的作用，各種措施通過對雨水的攔截、吸收、滲蓄等過程，達到海綿城市的自然存積、自然滲透等功能。

(2)對比4種LID布設方案，組合方案由于措施面積最大，并采用了就地攔截、過程處理和區域存儲等綜合措施，達到了最佳徑流控制效果。單措施方案中，徑流削減率從大到小依次是生物滯留池、植草溝、綠色屋頂。生物滯留池土壤層、蓄水層厚度最大，能達到最佳的滯蓄效果，徑流削減率最高；綠色屋頂由于沒有蓄水層，水流滲入土壤層后直接通過排水墊層進入排水管道，其蓄水能力最弱，徑流削減率最低。

(3)由于重現期的不斷增大，降雨雨量增大，逐漸達到各措施方案的最大滯蓄能力，4種措施方案的徑流削減率都隨之減少。

3.1.2 流量峰值

不同降雨重現期下，各LID布設方案的洪峰流量削減情況見表5。從表5中可得出以下結論。

表5 不同降雨重現期下各LID布設方案洪峰流量削減情況

(1)與現狀土地利用情況相比，四種低影響開發措施方案都通過人工強化的滲透、儲存、蒸發(騰)等方式，不同程度的起到削減洪峰流量，和延遲峰現時間的作用。

(2)不同重現期降雨的縱向對比發現，隨著重現期的不斷增加，洪峰流量的削減率先增加后減小。綠色屋頂和植草溝兩種措施方案的洪峰流量削減率在重現期達到20 a的時候發生斷崖式減少，同樣的情況發生在生物滯留池措施方案中的50年一遇的降雨情景中。這說明降雨量大于LID措施的蓄水能力時，其削減洪峰流量和延遲峰現時間的效果大大減弱。

(3)不同LID布設方案橫向對比發現，組合措施削減洪峰流量和延遲峰現時間的效果最明顯，而且隨著降雨的不斷增大，優勢越明顯。這說明在削減洪峰流量方面，就地攔截、過程處理和區域存儲等綜合措施的采用更有效。單措施方案中，生物滯留池的削減和延遲能力最強，綠色屋頂和植草溝的削減和延遲能力相對較弱。

3.2 LID組合措施效果評估

通過對3個子匯水區S1S2S3內布設不同LID措施進行模擬分析，LID組合措施在削減徑流總量、洪峰流量和延遲峰現時間方面都有明顯的優勢。因此，我們將相同的組合布設方案應用于整個研究區域(見圖1)。各LID措施布設面積情況如表6所示。

表6 LID組合措施布設情況

3.2.1 徑流控制效果

采用SWMM模型模擬該區域在不同降雨強度下有無LID措施兩種情境下的雨洪過程，模擬結果顯示(見表7)：①隨著降雨量的增大，該區域的徑流量及洪峰流量在兩種情境下均逐漸增大； ②通過有無LID措施兩種情境下下滲量的對比發現，區域在遭遇兩年一遇強度暴雨時，土壤已接近飽和，其調蓄能力較弱。采用LID措施后，增加了區域下滲量，且流量峰值較無LID措施條件下也顯著減小。由此可見，對于中小降雨事件，LID措施能夠有效的控制降雨徑流，削減洪峰，一定程度上降低區域排水壓力。

表7 不同暴雨重現期情況下，研究區域徑流模擬結果

圖4為不同降雨強度下給出了各降雨強度下，區域排水口出流總量過程線?？梢姡诮涤瓿跗冢琇ID措施通過下滲截留，推遲了排水口排水過程線的起漲時刻，峰值流量也大幅削減。尤其是小降雨事件(2 a，5 a，10 a)，LID措施對區域雨洪過程具有明顯的坦化作用[19]。

圖4 不同暴雨重現期情況下，區域洪水排放口總流量過程圖

3.2.2 節點積水與管道超載

不同設計暴雨重現期下LID組合措施方案的節點超載情況見表8。節點超載，是指當節點水位超過管道頂部的時候，節點發生溢流。從表8中可以看出：①對比現狀用地，LID組合措施可以減少超載節點數量，減緩市政管網排水壓力。重現期為兩年的時候，節點沒有出現積水現象，說明使用LID措施后提高了管網的防洪標準至兩年一遇。②隨著重現期增加，市政管網排水壓力不斷增大，與現狀用地相比，LID組合措施方案都能有效的減少超載節點數量、最大積水容量和縮短最大超載小時，但仍會出現超載節點數量不斷增多的情況。當重現期增加到100 a時，超載節點數量達到38，未能完全解決城市內澇問題。

表8 不同降雨情景下LID組合措施布設方案節點超載情況

4 結 語

本文以成都市某住宅區域為研究對象，結合實際管網、下墊面等資料，建立SWMM模型。模型模擬了該區域在現狀條件和采用不同低影響開發(LID)措施方案下，遭遇不同重現期設計暴雨時的徑流總量和洪峰流量控制效果；模擬了組合措施方案排水管道出口斷面徑流過程及管網節水超載情況，分析和評估了LID組合措施方案對城市雨洪的削減效果。結果表明：

(1)4種措施通過對雨水的攔截、吸收、滲蓄等過程，達到海綿城市的自然存積、自然滲透等功能，都不同程度的起到削減徑流量、洪峰流量和延遲峰現時間的作用，從而緩解市政管網排水壓力，較經濟有效的解決城市內澇問題。其中，組合方案由于措施面積最大，并采用了就地攔截、過程處理和區域存儲等綜合措施，達到了最佳徑流控制效果，尤其在削減洪峰流量和延遲峰現時間方面效果顯著，而且隨著降雨的不斷增大，優勢越明顯；生物滯留池的徑流控制效果最強，綠色屋頂和植草溝的徑流控制效果相對較弱。

(2)當暴雨重現期較小時，LID組合措施與單措施方案相比，其雨洪控制效果最為顯著，然而隨著暴雨重現期的不斷增加，LID組合措施的徑流和洪峰削減率都不斷下降?？梢?，對于重現期較小的降雨，LID措施的采用，可以幫助城市排水系統消納更多的降雨徑流，有效地提高城市的防洪能力。