基于SWMM的海綿城市高架路設(shè)計分析

黃雪林 羅東志 朱文兵 張 俊

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223800)

1 概述

暴雨管理模型(SWMM)是由美國環(huán)境保護署(EPA)于1971年開發(fā)的一個動態(tài)降雨—徑流數(shù)值模型工具，用于模擬城市區(qū)塊在給定降雨事件中產(chǎn)生徑流的水量和水質(zhì)情況。該工具包括水文、水力和水質(zhì)分析的模塊[1]。SWMM模型還具有可視化功能，表現(xiàn)徑流在管網(wǎng)中運行的過程，因而可為海綿城市道路低影響開發(fā)(LID)設(shè)計和工程應(yīng)用提供技術(shù)支持[2，3]。通過搭配不同的LID組合條件下的單次及連續(xù)降雨過程的模擬，可以進行徑流量值和時間響應(yīng)的數(shù)值試驗，對照海綿城市建設(shè)指標進行評估，可優(yōu)化區(qū)域建設(shè)中的LID設(shè)施布局[4]。

本文選取宿遷上海路高架典型路段，運用SWMM模型構(gòu)建高架路水文水力模型，動態(tài)模擬高架路集水、積水、蓄水、排水全過程。根據(jù)模型模擬的結(jié)果，對照宿遷市海綿城市建設(shè)目標要求進行LID設(shè)施優(yōu)化，為海綿城市道路建設(shè)提供技術(shù)支持。

2 項目概況

宿遷市位于沿東隴海城鎮(zhèn)軸南側(cè)、沿海城鎮(zhèn)軸西側(cè)、沿江城鎮(zhèn)帶的北側(cè)，也在徐州都市圈、南京都市圈和淮安增長極的外圍中間地帶，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量900 mm左右，屬濕潤氣候。受季風(fēng)影響，降水集中在夏季，多有洪澇。中心城區(qū)地勢總體呈北高南低的趨勢，項目所處區(qū)域偏南，地勢較外圍低，區(qū)域排水基礎(chǔ)設(shè)施較薄弱，雨天積水現(xiàn)象時有發(fā)生，排澇能力亟待改善。

研究項目為宿遷市上海路高架，起于上海路互通匝道，依次跨越世紀大道、人民大道、發(fā)展大道，在人民大道東側(cè)設(shè)一對匝道，主線全長1 386 m，寬25.5 m，匝道寬9.5 m，高架路的斷面如圖1所示。

根據(jù)宿遷市海綿城市專項規(guī)劃要求，結(jié)合工程實際，上海路高架范圍內(nèi)的年徑流總量控制率為58%，對應(yīng)于日降雨15.5 mm不外排。

3 模型構(gòu)建

3.1 設(shè)計降雨條件

宿遷市最新的暴雨強度公式如下：

其中，q為設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時，min。

按照暴雨強度公式，運用芝加哥降雨過程線模型，模擬設(shè)計重現(xiàn)期P=5年、歷時t=180 min的降雨過程，如圖2所示。其中，峰值出現(xiàn)在降雨開始后72.7 min，歷時內(nèi)的降雨總量為52.95 mm。

3.2 LID布局

選取一段高架路進行模擬分析，其平面圖如圖3所示。

作為低影響開發(fā)方案設(shè)計中，道路邊溝采用縫隙式邊溝排水技術(shù)，使高架路面雨水流入邊溝排入高架雨水管。根據(jù)高架路橫斷面及縱向匯水分區(qū)情況，將子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流就近排入雨水管道。同時高架道路鋪筑排水性瀝青路面，用以削減徑流峰值，儲蓄部分雨水。高架防撞墻外緣采用盆栽進行立體綠化，截留部分雨水；橋下設(shè)置蓄水池及凈化雨水箱。

3.3 匯水區(qū)劃分

根據(jù)所選取路段的地形特點確定排水分區(qū)和徑流排放路徑，并考察道路市政管網(wǎng)條件，在SWMM模型中按照以下原則對匯水區(qū)進行劃分和概化：

1)高架路主線、匝道各成匯水區(qū)；

2)道路縱向的子匯水區(qū)劃分以雨水口間距為劃分依據(jù)，考慮將最不利條件下的雨水口間距作為子匯水區(qū)的劃分間隔；

3)道路坡向?qū)ψ訁R水區(qū)進行劃分，子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流就近排入雨水管道；

4)忽略研究路段降雨強度分布的空間差異。

所選取的路段劃分的結(jié)果如圖4所示。

3.4 參數(shù)設(shè)置

參考模型用戶手冊[4]及相關(guān)文獻，考慮區(qū)域特征，選取合適的模型參數(shù)量值，包括：各子匯水區(qū)的匯水面積、匯接點、排放口和管道等，部分參數(shù)如圖5所示。

滲入模型采用Horton滲透模型，產(chǎn)流演算模型采用運動波法，選用30 s為計算時間步長，具體見圖6。管網(wǎng)參數(shù)取值主要依據(jù)工程設(shè)計圖紙，節(jié)點深度范圍為1.02 m～1.44 m，節(jié)點內(nèi)底標高為19.25 m～20.22 m，管道橫截面形狀為圓形，管段最大深度為0.4 m，粗糙系數(shù)查詢用戶手冊后為0.013。

4 模型模擬結(jié)果分析

模型建成并執(zhí)行參數(shù)率定后，執(zhí)行雨洪模擬運算，得出無LID措施布設(shè)條件下的雨洪模擬數(shù)值組。在模型LID控制編輯器中輸入滲透鋪裝以及蓄水單元等參數(shù)，利用LID組編輯器，將LID設(shè)施賦予相應(yīng)的子匯水區(qū)。

4.1 優(yōu)化設(shè)計方案效果分析

在5年一遇、歷時3 h的降雨事件中，所布置的LID設(shè)施相較于傳統(tǒng)模式削減徑流總量達23.0%，削減峰值達27.3%，具體計算結(jié)果見表1及圖7。

表1 LID設(shè)施雨水控制效果對比

4.2 設(shè)計目標校核

研究路段總降雨量為250.983 m3，通過進行海綿城市高架路設(shè)計方案模擬，結(jié)果表明場地總出流量由237.561 m3削減到101.397 m3，實現(xiàn)了59.6%的年徑流總量控制率，滿足項目預(yù)設(shè)的58%的年徑流總量控制率目標要求。

5 結(jié)語

本文運用暴雨管理模型對宿遷市上海路工程進行了模擬，分析了LID設(shè)施對高架路區(qū)域徑流總量、峰值的削減和調(diào)控效果，結(jié)果表明所采用的海綿城市高架路方案對于不同重現(xiàn)期下的降雨均有顯著的控制效果，可顯著削減總徑流量與峰值流量。通過海綿城市高架路的優(yōu)化設(shè)計，有效減少了城市地表徑流，降低了匯水分區(qū)的峰值徑流量，緩解了城市內(nèi)澇問題。