基于SWMM的青島市紅島片區海綿城市建設案例分析

張壹超 丁 玥 郭文萱 張 倩 劉志強

(青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

城市化的推進在給人們的生活帶來便利的同時，對環境的可持續發展造成了不可逆的影響[1-3]。為解決越來越突出的城市化問題，住建部于2014年10月編制了《海綿城市建設技術指南(試行)》，旨在提高城市建設發展的可持續性[4,5]，現如今，我國海綿城市體系的建設正如火如荼地進行[6-9]。為節省人力、物力，以SWMM為代表的軟件模擬以其方便快捷的優勢應用于海綿城市體系的規劃、建設與評估中，為項目實施的合理性提供了數據支撐[10-13]。本研究以青島市紅島片區為例，通過運用SWMM模型對該區域海綿城市建設的途徑進行研究，以期為紅島片區海綿城市建設的有效性提供技術指導。

1 青島市紅島片區概況

1.1 地形概況

紅島片區為丘陵地貌，呈現中部高四周低的分布趨勢，平均海拔為11.6 m，最高海拔為52.6 m，最低海拔為1.5 m，局部地區地形起伏較大；坡向呈東高西低趨勢，平均坡度為1.2%，分布較為均勻。利用ArcGIS對Landset8遙感衛星采集的中等分辨率影像進行處理及分析，得到該片區地形高程及坡向變化如圖1所示。

1.2 氣候概況

青島市地處北溫帶季風區，空氣濕潤，雨量充沛，降水量年平均662.1 mm；溫度適中，四季分明，平均氣溫約為12.7 ℃。其中，夏季平均氣溫為24.0 ℃，濕熱多雨；冬季平均氣溫為-0.4 ℃，降水較少。

1.3 降水概況

根據紅島片區1989年—2019年的年降雨量統計數據顯示，最小年降雨量發生在1992年，僅為408 mm；最大年降雨量發生在2007年，為1 353 mm。紅島片區降雨變化圖如圖2所示。

1.4 土壤特征

對照中國土壤類型分布圖進行分類，紅島片區的土壤主要以棕壤為主，除此之外還包括潮土、砂姜黑土等類型。堤防工程手冊中各土壤滲透系數，棕壤土為6.0×10-5m/s；潮土為3.0×10-5m/s～1.5×10-7m/s；砂姜黑土為3.5×10-7m/s～4×10-6m/s；根據各土壤滲透系數以及實地考察得出：棕壤土具有持水性能好，抗旱能力強的特點，即使在年降雨量分布不均時仍能保證植被的存活及生長。

1.5 適建性分析

結合紅島片區實地情況采用評價因子評分法，因研究區域距工業區及水源地距離較遠，因此主要考慮坡度與土壤類型對片區適建性進行定量分析，最終結論如圖3所示，研究區域內由適宜建設區與較適宜建設區構成，無禁建設區。

2 研究區域模型建立

2.1 研究區域模型構建

首先將經過轉化的CAD圖導入SWMM，并結合用地性質劃分子匯水區。其次由于城市排水管網較為復雜，建模前需對其進行簡化。最終確立如圖4所示的排水分區概化圖，包括21個匯水分區、54個節點、54個管段及7個排水口。

2.2 研究區域參數率定

青島市的暴雨強度公式如下：

式中：P——設計重現期，年；

q——設計暴雨強度，L/(s·ha)；

t——降雨歷時，min。

在芝加哥降雨過程線基礎上，雨峰系數采用0.4，設計重現期采用P=0.65年，1年，2年，5年和100年的短歷時(2 h)降雨，模型運行得到的降雨過程線如圖5所示。

本次模型建立中所需經驗參數包括洼蓄量與曼寧粗糙系數以及Horton公式參數[14,15]等，具體參考值如表1所示。

表1 經驗參數取值范圍

2.3 低影響開發效果模擬

LID設施的布設形式分為場地層面與子匯水區層面[16]，兩者的主要區別在于是否將LID設施作為單獨匯水區進行設置，其中場地層面的LID屬性需要通過子匯水區的特征來體現，優點是雨水的處理路徑較為清晰，適合小面積區域或對水質控制效果的模擬；而子匯水區層面是在匯水區內直接加入預先定義好的LID設施，該方法適合未明確LID設施布設方案或較大面積研究區的效果模擬。

本次研究根據片區實際情況，在各地塊中合理布設LID設施，并采用子匯水區層面的布設方法進行模擬。

3 結果與討論

3.1 低影響開發設施設置前后水量模擬效果

表2 不同重現期徑流排放情況對比表

利用SWMM模型對不同重現期下地塊總降雨徑流量的變化過程進行模擬，根據圖6及表2所示，在不同重現期條件下，整個系統在LID模式下的徑流排放情況明顯好于傳統城市開發模式，將峰現時間分別推延了2 min，2 min，1 min和1 min；將徑流開始時間分別推延了10 min，5 min，5 min和2 min；將徑流時間分別縮短了55 min，50 min，50 min和2 min；峰值徑流量也分別減少了4.1 m3/s，3.7 m3/s，3.1 m3/s和8.1 m3/s。從結果可以看出，LID設施在少量降雨時的控制效果優于大雨或暴雨事件，但總體效果較為明顯。

3.2 低影響開發設施設置前后水質模擬效果

為了方便對排水區域徑流量進行監測并對徑流總量控制目標進行考核，本次研究過程中在各子排水系統都設置獨立的排水口。采用P=0.65年的降雨過程線模擬不同排放口的徑流排放情況，并且由于排放口1處于排水分區1的腹地，其服務面積較大，因此利用排放口1的模擬數據作為反映排水分區1水質變化情況的依據。排放口1的出水水質參數變化如圖7所示。

根據圖7所示，低影響開發設施對于TN，TP等易產生富營養化狀態的污染物質的控制率分別達到了55%，59%；對于SS及COD等常規污染物質的去除也能達到很好的效果，其污染物峰值削減率為55%，45%，其污染物質去除率較高的主要原因為該區域為生活區及綠地區，可布設的低影響開發設施選擇較多，驗證了低影響開發設施對于環境的良性發展的重要作用。

4 結語

以低影響開發設施為主體的海綿城市體系較好地緩解了現階段我國存在的城市化問題。但是目前海綿城市體系較側重于對低影響開發雨水系統的構建，缺乏對相關設施構建必要性的論證，從而忽略了地方建設的特色；此外，現階段海綿城市的建設主要以小區、公園、道路為主，沒有將城市作為一個海綿整體進行規劃，從而忽略了與豎向設計之間的聯系。因此，如何將地方特色融入海綿建設并實現水質、水量機制的聯動，在今后海綿城市項目建設中值得我們深思。