基于SWMM模型的LID設施模擬分析
——以福州某校區為例

謝凌鋒，楊邦勇

（福建工程學院 管理學院，福建 福州350118）

城市的發展加快了腳步，中國城鎮化最近幾年得到了空前的發展，但隨著城市人口的增長及城市排水設備老化等問題，城市排水不暢以及水污染日益嚴重的問題逐漸凸顯出來。大多數城鎮的建設并未充分考慮到雨水、污水排放問題，甚至部分城鎮區域存在雨污混合排放，不僅達不到排放的環保要求，還會造成水資源的浪費。2014年10月，住房和城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，以期能從試點中總結出設計和建設經驗，并向全國推廣[1]。根據研究資料得出，暴雨洪水管理模型SWMM（Storm Water Management Model）是目前研究較為深入，在國內外應用最為廣泛的降雨－徑流模擬模型。SWMM模型軟件在更新成5.1版本之后，與此前的軟件相比較，新增了LID設施，可包括生物滯留池、連續多孔透水鋪裝路面、雨水桶、入滲池、植草溝等5種措施，如今SWMM模型成為國內外最主要的低影響開發措施的計算模型之一[2]。海綿城市建設包括“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術措施。這些LID設施可以通過不同方式的組合，可組合成LID系統，通過組合的方式優化，達到減排、凈水的目的，如綠地具有凈化和滯蓄雨水的功能，透水鋪裝具有滲入雨水的功能，雨水收集利用系統具有滯蓄和回用雨水的功能[3]。

從目前的研究情況來看，我們國內海綿城市對于道路、新建小區以及城市規劃方面的研究較多，而對于高校的研究較少，尤其是建成已久的校區。而本文的研究區域以福州某校區為對象，并且通過SWMM模型檢驗對比，提出較為合理的LID布置措施。

1 項目研究的背景情況

福州市處于亞熱帶季風氣候區，全年雨量較為充沛，氣候溫暖舒適，雨熱同期。年平均白天的氣溫為28℃，夜間平均氣溫為18℃，最高溫常出現于7月份至8月份，可達41℃，最低溫出現于1月份至2月份，可達-2.5℃，福州部分山區地區溫度更低。福州地區的降雨量隨著地勢從東南向西北逐漸升高，根據數據顯示，福州多年年平均降水量為1372.1毫米，而多年年平均的蒸發量為1624.9毫米。因處于沿海地區，受臺風影響，暴雨情況多，局部可達2000毫米以上。降雨分布月份以5月至9月居多，占全年總降雨量的47%-83%。

本文的研究對象——福州某校區，位于福州市晉安區，東靠鼓山，西臨三環，目前校區在校生規模為4千人左右，占地面積20多萬m2。因依山而建，總體呈現東部高、西部低，落差可達50米左右，落差較大。研究區域內因建筑物較為密集，尤其是學生宿舍區，不透水混泥土路面多，主出水口少，校區目前主出水口有兩處，分別位于東側校門和南側防洪溝。屋面的雨水主要是通過現有的排水管道排入建筑物周圍的排水溝，而地表的雨水沿著地勢分流到其他排水溝，存在的問題在于降雨量過大或者排水溝不暢時容易造成路面積水，且因地勢落差大，更容易導致排水溝排水不及時造成雨水流入校區主干道。

2 SWMM模型中低影響開發模塊

由美國環境保護署EPA設計提出的SWMM（Storm Water Management Model）是動態降水－徑流模擬模型，它通過不同方式來模擬城市單一降水事件或連續的水量和水質的模型，它由3個單位聯合研制用于研究城市降雨-排水，是一款比較完善的城市暴雨雨水的水量水質預測和管理模型[4]。目前該模型最新版本為5.1版本，最新的版本已經增加低影響開發的相關模塊，通過這些模塊可模擬生物滯留、滲渠、滲透鋪裝、雨桶、植被淺溝等5種常見的LID開發措施，通過對滯留、蒸發、上滲等水文過程的模擬，結合SWMM模型的水力模塊，實現對LID措施的峰值流量等的模擬[5]。

通過將研究區域概化，分割成不同的子匯水區域，再在不同的子匯水區域使用不同的LID模塊，也可以將不同的LID模塊混合在同一個子匯水區域更好的達到徑流量控制效果。通過不同方式的整合，也可以將上層經過LID模擬的子匯水區域的排水出口作為上層子匯水區域的排水入口，形成整體后進行徑流量分析。

3 SWMM模型概化及LID模擬設置

3.1 SWMM模型概化

為了可以更好的區分低影響開發模擬前后的效果，本文的研究分為兩種模型情況，其中一種為未采用任何LID措施模擬，另外一種則是采用了LID建立的模型模擬。未采用LID模擬的名為原狀模型，而SWMM模型采用了LID措施的稱為LID模型。

首先是原狀模型的建立，本文根據校區的平面圖和已經建設而成的管網圖將此次的研究區域和排水系統的構成分為了30個子匯水區域，并設置了3個出水口，繪制了63條雨水管道。詳細情況如圖1所示，圖中可以看出一共有30塊區域的陰影面積，每一小塊陰影面積代表了1個子匯水區域，而黑色的細實線則為繪制的雨水管道、黑色的小圓點為鉸點，圖中黑色的倒三角形則為出水口。

圖1 福州某校區SWMM模型研究區域概化圖

3.2 SWMM模型數據說明

根據校區目前的調查情況，結合海綿城市建設的相關要求，通過LID設施組合布置，以求達到各子匯水區域不滲透性的參數為76%。本次研究采用了霍頓模型用于模擬雨水入滲的過程，具體設置參數數據:設置最大的滲入率為110mm/h、最小的滲入率為15mm/h，衰減系數為3h-1，采用SWMM模型中自帶的動態波降雨-徑流模型來模擬并計算地表水流情況和管道內單位內的排水情況。

因本研究對象屬于老舊校區，所以其概念化的子匯水區域上墊面情況較為復雜。根據各種上墊面徑流系數取值范圍，在本方案中，小公園水池徑流系數取值1，根據《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，φ綠地取值0.15、φ硬質鋪裝取值0.85、φ透水鋪裝取值0.25[6]。通過分析研究區域內上墊面的種類分析，可使用加權平均法來計算出未改造時研究區域徑流系數為0.63，公式為:（φ綠地F綠地+φ硬質鋪裝F硬質鋪裝+φ透水鋪裝F透水鋪裝）/（F綠地+F硬質鋪裝+F透水鋪裝）。

3.3 設計降雨類型及降雨量

降雨類型可分為短歷時降雨，如1年一遇；2年一遇；3年一遇；5年一遇。而長歷時降雨雨型，分為10年一遇；20年一遇；30年一遇；50年一遇。短歷時設計雨型本文采用芝加哥雨型，它目前在低影響開發設計模擬中運用較為廣泛，并且模擬的數據較有參考價值。此種雨型的模擬將一定重現期上不同歷時最大雨強復合而成，是目前《室外排水設計規范》和《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》中所推薦的短歷時雨型。

圖2 降雨過程線

本文研究的區域降雨的路面情況并不相等以及根據福州市的排水要求，所設計的雨型根據《福州市城市設計雨型編制技術報告》的要求，采用芝加哥雨型法推算不同重現期上60分鐘、120分鐘、180分鐘三個歷時的雨型設計，最后采用降雨量最大且對改造前影響最為不利的原則來設計。

研究區域降雨量根據福州市暴雨強度公式，如上:

公式中:q為所設計的暴雨強度，L/（s·hm2）；Te為所設計的重現期，年；t為降雨歷時，min；雨峰系數為0.4。

4 SWMM模擬分析

4.1 未采用LID設施開發前模擬分析

由圖1可知，研究區域場地類型復雜，且東高西低，落差最大值可達50米。在未采用LID開發前通過模型概化模擬，在不考慮水域面積對研究區域對徑流量帶來的影響（因水域面積占比小，且并非處于排水主要區域），采用重現期為10年，短歷時降雨180分鐘的雨量進行模擬，三個排水口出水總量8355m3，徑流的峰值為2.503m3/s。

未采用LID設施開發前的模擬數據可知，降雨量的增加，研究區域的30個子匯水區域內的徑流量總量、洪峰的到來及洪峰的流量隨著降雨量的增加而明顯變化，導致洪峰提前，徑流總量和洪峰流量增大。根據校區目前的排水管道情況，區域內雨水管線管徑最小為DN300，最大的為DN1200，排水溝的尺寸有200*200、250*250、300*300、400*700、500*500等類型，雖然雨污管道較為密集，但部分位于上游的子匯水區域的雨水管道口徑大于上游的子匯水區域管道口徑，導致洪峰過境時上游子匯水區域排水管道排水量過大，且未能對溢出管道的雨水進行有效截留。

通過以上分析可知，研究區域不滲透面積較大導致地面儲水能力的不足，雨水在地表形成徑流；部分雨水管道設計不合理，尺寸偏小，因校區處于山坡地，地勢落差大，管道洪峰會比模擬的情況更早到來，且管道徑流量會進一步增大。所以目前校區有必要采取有效的技術措施來控制雨水管道徑流量，延遲管道洪峰的到來，同時減少排水口出水總量，實現校區雨水調控能力。

4.2 采用LID設施開發方式模擬分析

SWMM模型中有多種LID設施，本文研究類型僅選取以上三種:雨水花園、植草溝、透水路面，每種LID設施可選取不同的組合方式，詳細參數如圖3。

圖3 SWMM模型中LID設施

（1）上凹式綠地。上凹式綠地也可以稱為雨水花園，改造小區內部現有的景觀綠地為上凹式綠地，調整路面、綠地、雨水口高程的關系，使綠地高程低于路面高程，則道路、建筑物等不透水區上的雨水徑流會先流入上凹式綠地，上凹式綠地內水蓄滿后流入雨水口[7]。

（2）透水路面。透水路面通過改變路面鋪裝材質，采用水容易滲透的磚塊，可以讓短時間內的暴雨徑流通過滲透的方式，直接流入到深層的土壤當中，從而有效降低路面的積水。

（3）植草溝。在研究區域可通過設置植被淺溝，代替雨水口和雨水管網進行道路雨水的收集和輸送，既美觀又便于排水。

表1 不同重現期中設置不同LID設施模擬的結果

本文研究區域雨水花園面積設置在2600m2，植草溝面積1000m2，透水路面面積25000m2。

運用SWMM模型可以方便的模擬出場地類型以及使用雨水花園、透水路面、植草溝單獨使用或者是使用不同的方式組合在2年一遇、5年一遇、10年一遇的降雨重現期上每個排水口的排水過程。本次模擬總時長取180分鐘，每1分鐘檢測三個排水出口的徑流量數據。通過模擬，可得表1。由表1的數據可以看出，雨水花園的模擬設計隨著降雨重現期的增大不斷減小，且透水路面和植草溝的設計可以讓洪峰流量的消減率上降，當重現期從5年增到10年時，透水路面和植草溝的洪峰消減率基本上已經趨于穩定。而組合設施的方案的洪峰流量的消減效果隨著設計的重現期的不斷增大而增大。雨水花園的消減洪峰的作用明顯，而植草溝對于洪峰截留的效果明顯。

不管是低影響開發模塊設施單獨設置還是組合設置，都可以減少洪峰流量，并且消減洪峰百分比，延緩洪峰時刻的到來，但是通過LID設施的組合，可以更加有效的達到減少雨水積壓的效果，并且可以增加雨水資源的利用率，從而減小校區的排水壓力。

5 結束語

本文采用SWMM模型中三種LID設施布設場景，通過與原狀模型的對比，可以得出通過不同的LID設施進行模擬，在設計不同的降雨重現期對洪峰流量、徑流消減率以及峰值時刻的效果不同。其中LID設施組合方式的效果要好于LID單獨設施布置。因此，在校園環境改造的時候，可以優先采用LID設計理念，綜合考慮建設成本，環境改善、排水要求等方面，通過不同的LID設施組合方式，可以實現校區整體優化。