基于SWMM的不同坡度路側生物滯留帶水文性能分析

鄭驍奇，邵知宇，龔華鳳

（1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市401121；2.重慶市山地城市可持續交通工程技術研究中心，重慶市401121；3.重慶大學環境與生態學院，重慶市400045；4.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶市400045）

0 引言

海綿城市作為生態文明建設的重要組成部分，正逐步從規劃階段走向實施階段。在這一過程中，政府對海綿城市建設的投入和支持力度逐年加大。2013年，習近平總書記提出“建立自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”，首次提出了“海綿城市”的概念；2016年中共中央、國務院發布的《關于進一步加強城市建設管理工作的若干意見》明確提出應重點推進海綿城市建設，住房城鄉建設部印發了《海綿城市專項規劃編制暫行規定》，標志著海綿城市邁出了從概念到規劃到實施的第一步；2016年至今，隨著多個海綿城市項目在全國相繼建成實施，海綿城市的重點也逐步從規劃階段進入實施階段。

在實施階段，路側生物滯留帶、雨水花園、透水鋪裝以及生態樹池是市政工程中應用最廣泛的海綿城市措施。掌握海綿城市措施的使用效果，明確影響使用效果的因素是成功建立自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市的先決條件。

路側生物滯留帶作為兼具路側景觀綠化、雨水凈化以及下滲緩排功能的低影響開發措施，被廣泛應用于國內外市政道路海綿城市建設中。國內對市政道路路側生物滯留帶的研究，側重于水文特性影響因素的研究，主要集中在雨型條件、土壤特性、結構層厚度以及組合形式[1-15]；對路側生物滯留帶坡度這一因素的研究較少，因而知之甚少。

同時，在日常的路側生物滯留帶設計過程中，“容積法”是目前計算路側生物滯留帶調蓄容積常用的一種方法，存在明顯的局限性。由于我國海綿城市起步較晚，水文模型的普及率較低，為順利推進海綿城市相關設計工作，在國家及地方相關設計導則中，提出了“容積法”這一簡化方法，用于確定所需的海綿城市設施規模（面積、容積等）。“容積法”雖然簡便、直觀，但由于未考慮雨型、集流時間、地形坡度，生物滯留帶坡度等因素，僅僅能計算總徑流量，無法模擬峰值流量、外排流量等對海綿城市實施效果影響較大的指標。

因此，為研究路側生物滯留帶坡度對其使用效果的影響，探究滯留帶縱向坡度的敏感性，同時比較簡化后的日常路側生物滯留帶設計方法“容積法”與模型計算的差異，本研究將利用SWMM模型，對不同道路坡度下的路側生物滯留帶水文性能進行分析。研究主要分為以下四個部分：

（1）搭建正交分析模型：搭建不同比例不透水下墊面下的多個坡度道路的水文模型，模擬針對某一固定雨型和降雨量的生物滯留帶蓄水調蓄效果，并通過試算法確定最小的所需海綿城市設施面積；

（2）通過“容積法”，計算不同比例不透水下墊面所需的最少海綿城市設施面積；

（3）對比模型和“容積法”得出的海綿城市設施面積；

（4）分析兩種計算方法設施面積差異的原因，對改進“容積法”提出合理化建議。

1 模型搭建

1.1 基本參數

本研究通過SWMM搭建道路范圍內的水文模型，模擬了4種不透水比例以及不同坡度正交組合的80個子匯水區的產流匯流的過程。80個子匯水區除坡度及不透水比例不同外，其他參數均相同。模型主要參數見表1，設計降雨序列見圖1。

表1 模型參數表

圖1 設計降雨序列圖

1.2 正交組合模型

為探求道路坡度以及不透水比例對產流匯流過程的影響，本研究以坡度以及不透水比例為研究參數，模擬80個正交試驗。

在不透水比例參數中，設置了4種不透水比例：60%、70%、80%以及90%；每一種不透水比例均設置了20種不同坡度，分別為：0.5%、1.0%、1.5%……9.5%以及10.0%。

在模擬完上述模型后，添加路側生物滯留帶海綿措施，針對每一種不透水比例，合理設置最小設施面積，使其在0.5%坡度的條件下不產生外排流量，并將該面積應用于剩余坡度的子匯水區中，計算模擬在不同坡度下，添加海綿城市措施后的徑流及產流過程。

2 模型結果

2.1 不考慮海綿城市設施的模型結果

當未設置海綿城市措施時，在設計降雨序列下，每一種不透水面積模型均產生外排徑流量。本研究總結整理了外排徑流量時程變化，最大流量以及外排總量與坡度以及不透水比例的關系曲線。

就外流徑流量時程變化而言，不同坡度在相同不透水比例條件下，外排徑流量時程變化不大，因此僅列舉0.5%、5%以及10%坡度條件下的外排徑流時程變化見圖2～圖6。

圖2 60%不透水比例外排徑流量時程變化

圖3 70%不透水比例外排徑流量時程變化

圖4 80%不透水比例外排徑流量時程變化

圖6 各個透水比例外排流量時程圖

2.2 不同坡度、不透水比例的最大流量關系

針對最大流量與坡度及不透水比例的關系曲線而言，列舉了從0.5%以0.5%坡度作為遞增直至10%的20種坡度情況下的關系曲線，見圖7～圖11。

圖7 60%不透水比例最大流量圖

圖8 70%不透水比例最大流量圖

圖9 80%不透水比例最大流量圖

圖11 不同不透水比例、坡度最大流量圖

2.3 不同坡度、不透水比例的外排總流量關系

針對外排總量與坡度及不透水比例的關系曲線，列舉了從0.5%以0.5%坡度作為遞增直至10%的20種坡度情況下的關系曲線，見圖12～圖15。

圖12 60%不透水比例最大流量圖

圖13 70%不透水比例最大流量圖

圖14 80%不透水比例最大流量圖

圖15 90%不透水比例最大流量圖

2.2 考慮海綿城市措施的模型結果

根據海綿城市設計要求，應設置海綿城市措施，使研究區域在設計降雨的條件下，不產生任何外排。針對不同的不透水比例，本研究通過試算法確定了在0.5%坡度情況下的最小的不產生外排的海綿城市設施面積。在確定了0.5%坡度情況下不產生外排的最小的海綿城市設施面積情況下，即在布置海綿城市設施后，研究區域最大徑流量以及徑流總量均為0。將此面積應用于1.0%~10.0%坡度的其他模型，以驗證坡度是否對不產生外排的最小的海綿城市設施面積有影響，見表2。

表2 海綿城市設施面積

3 “容積法”計算方法

根據《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》要求，實際工程中，常常使用“容積法”確定某一條市政道路所需的海綿城市設施面積。主要過程如下：

第一步：確定年徑流總量控制率目標，該目標應根據地塊類型，結合所在區域上位規劃確定，以重慶為例，工業用地控制率65%，交通設施用地70%。

第二步：根據前述所確定的年徑流總量控制率確定對應的降雨量。同樣，該降雨量應根據地塊所在城市降雨特性所確定，以重慶為例，見圖16。

圖16 年徑流總量控制率與設計降雨量關系圖

第三步：確定所需的調蓄容積。可根據以下公式確定：

式中：V為所需調蓄容積，m3；H為設計降雨量，mm，可根據第二步確定；φ為綜合雨量徑流系數，該雨量徑流系數應根據地塊不同下墊面及對應雨量徑流系數根據面積加權確定；F為匯水面積，hm2。

第四步：合理布置海綿城市措施的位置及面積，就市政項目而言，由于用地較為緊張，應避免為了海綿城市而單獨擬定用地，宜結合道路及綠化范圍確定。充分利用綠化用地，結合景觀綜合打造。盡量靠近車行道，實現雨水源頭控制的既定功能。

第五步：合理擬定路側生物滯留帶的結構形式參數，應盡量減少生物滯留帶下凹深度，避免造成安全隱患。在確定結構形式后，應計算單位面積調蓄能力。

第六步：根據第四步確定的海綿設施面積、第五步海綿城市單位面積調蓄能力共同確定海綿城市措施能夠提供的調蓄容積。

第七步：應對比第六步計算的海綿城市設施能夠提供的調蓄容積及第三步所需的調蓄容積，確保海綿城市設施能夠提供的調蓄容積大于所需的調蓄容積。當不滿足時，應增大海綿設施面積或調整海綿城市結構參數提高單位面積調蓄雨水能力。

3.1 “容積法”計算參數選取

3.1.1 設計降雨

選取70%年凈流總量控制率作為目標，對應設計雨量為18.9 mm。該設計雨量同圖2設計降雨序列圖降雨總量數值相同。

3.1.2 下墊面雨量徑流系數

道路紅線范圍內，一般分為不透水路面、透水鋪裝以及綠化三種類型下墊面，為簡化計算并使其下墊面面積分布同前文模型計算保持一致，在“容積法”計算中，將綠化面積全部作為海綿城市設施面積：即不透水路面面積、透水鋪裝面積、綠化面積（海綿城市設施面積）三者之和等于研究區域總面積。

此外，在不同類下墊面雨量徑流系數選取方面，由于“容積法”計算中，考慮到了透水鋪裝下墊面僅承擔降落到自身上的雨水，儲存在透水鋪裝空隙中，并不產生外排，對整個研究區域徑流無影響，因此徑流系數取0，相反由于海綿城市設施不僅承擔降落在自身上的雨水，還會承擔由于不透水路面產生的雨水，因此徑流系數取1。對于不透水路面而言，模型中未考慮其蓄水能力，因此全部產生徑流，因此徑流系數取1。

3.1.3 生物滯留帶結構參數

為保證“容積法”和模型計算結果具有可比性，生物滯留帶結構采取和模型中相同結構，設置見表3。

表3 生物滯留帶結構參數

3.2 “容積法”計算結果

通過單變量求解，確定最小的海綿城市設施面積見表4、圖17。

表4 海綿城市設施面積（“容積法”）

圖17 不同不透水比例海綿城市設計面積比例圖

4 結果分析與對比

4.1 模型結果分析

對同一不透水比例區域而言，其徑流產流時程曲線隨降雨強度變化而變化，趨勢上保持高度一致，但整體時間上略有滯后，即降雨一段時間后產生徑流，降雨結束后一段時間依然產生徑流。在相同不透水比例下，不同坡度對其徑流產流時程曲線的影響不明顯，見圖2～圖5。相反，當坡度一定時，徑流產流時程曲線同不透水比例呈正相關關系：即不透水比例越大，徑流產流量越大，見圖6。

圖5 90%不透水比例外排徑流量時程變化

對同一不透水比例區域而言，其最大徑流量隨著坡度呈正相關關系，但整體而言增加趨勢并不明顯。當研究區域坡度小于5%時，最大徑流量隨坡度的增加而增加；當研究區域坡度大于等于5%時，最大徑流量幾乎不隨坡度變化，見圖7～圖10。因此，可以判斷坡度對于最大徑流量影響較小。相反當坡度一定時，最大徑流量同不透水比例關系較大：不透水比例越大，徑流產流量越大，見圖11。

圖10 90%不透水比例最大流量圖

對同一不透水比例區域而言，其外排總徑流量隨著坡度的增加而先增加后減少，但整體而言增加趨勢并不明顯。當研究區域坡度小于5%時，外排總徑流量隨坡度的增加而增加；當研究區域坡度大于等于5%時，外排總徑流量隨坡度的增加而減少，見圖12～圖15。當坡度一定時，外排總徑流量同不透水比例關系較大：不透水比例越大，外排總徑流量越大。

對同一不透水比例區域而言，海綿城市措施面積大小同坡度無關系，按照0.5%坡度設計的海綿城市措施面積能夠滿足1.0%～10%的所有模型的海綿城市目標要求。相反當坡度一定時，不同不透水比例對海綿城市措施面積大小有明顯影響，不透水比例越大，海綿城市措施面積越大，見表2。

根據正交模型結果分析可以看出，無論是從徑流時程、最大徑流量還是海綿城市設施面積、外排徑流總量來講，坡度對以上四者影響因素均較小；相反，不透水比例影響較大：不透水比例越大，最大徑流量、外排徑流總量、徑流時程流量以及海綿城市設施面積均越大。根據上述分析可知，生物滯留帶坡度對其水文影響較小，在進行生物滯留帶設計時，應優先考慮設施面積、結構層性質以及設置位置等因素，坡度可作為次要因素進行考慮。相反，在進行生物滯留帶設計時，應重點考慮不透水比例，根據不透水比例，確定所需調蓄容積，進而確定設施面積。

場地水文過程受不透水面積比例影響較大，受坡度影響較小。針對該模型結果，本文進行了如下分析并間接論證了模型的正確性。首先，SWMM模型采用考慮水量平衡及曼寧公式的非線性水庫法。根據SWMM軟件幫助手冊可知，模型在進行地表水徑流模擬的時候，采用的是非線性水庫法，即通過水量平衡法以及曼寧公式試算確定地表徑流：V進=V出+V儲。

根據圖18所示：進入場地的水（V進）有：降雨；上游場地來水。針對所有場地，降雨都相同，且所有場地均無上游場地來水，因此針對所有場地，進入場地的水量均相同。離開場地的水；離開場地的水（V出）有：下滲；地表徑流。針對所有場地，下滲采用Horton模型且所有參數均相同，因此下滲水量相同。儲存于場地的雨水（V儲存）根據模型設計，不透水下墊面有一定的下凹深度ds，用于模擬不透水下墊面蓄水能力，因此，不透水比例一定的情況下，其下凹蓄水量相同。因此，根據水量平衡原理，在不透水比例一定的情況下，海綿城市設施面積、外排徑流總量均基本相同。

圖18 S WMM計算模型原理示意圖

其次，在確定最大流量時，可通過國家規范進行簡化計算，該簡化計算僅考慮曼寧公式，并未考慮水量平衡。該方法能夠驗證坡度對設計峰值流量（即最大流量）影響較小。具體計算過程如下：根據《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）9.1.4坡面匯流歷時計算公式可知：坡面匯流在地表粗度系數、坡面流長度一定的情況下，僅和坡面坡度有關。計算公式如下：

式中：t為匯流時間，min；M為地表種類參數，瀝青路面取0.13；L為匯流長度，m；i為道路坡度。

在計算匯流時間后，應根據重現期及匯流時間，計算各地區暴雨強度（重現期5 a）。公式如下：

式中：q為暴雨強度,單位為L/s；P為暴雨重現期，取5；T為匯流時間,單位為min。

根據上述公式，計算了該場地的暴雨強度與場地坡度之間的關系（以60%不透水率為例），見圖19。

圖19 暴雨強度與坡度關系圖

根據圖19可知，坡度對最大暴雨強度影響較小，因此對最大徑流量影響也較小。其內在原因在于坡度僅影響地表徑流匯流時間，且該時間對暴雨強度影響較小。

綜上所述，可以得出以下結論：（1）通過國家規范進行簡化計算的結果同模型法計算趨勢是一致的，能夠進一步證明坡度對水文過程影響較小；（2）基于SWMM的模型法同基于國家規范的簡化計算相比，在考慮曼寧公式的基礎上，進一步考慮了水量平衡，結果更準確。

4.2 “容積法”結果分析

根據“容積法”計算過程可知，在計算研究區域所需調蓄容積時，無法計算徑流時程變化、無法計算最大外排流量。在計算生物滯留帶調蓄容積時，未考慮生物滯留帶表層植物對蓄水體積的占用，在計算土壤層蓄水時，將整個土壤空隙均納入蓄水計算范圍，與實際下滲過程存在誤差。因此綜上所述，“容積法”計算結果和實際情況具有一定的系統誤差。根據“容積法”計算結果可知，海綿城市設施規模隨著不透水比例增加線性增加：即不透水比例增加10%，設施規模增加0.62%，見圖16。

4.3 模型結果與“容積法”計算結果對比

根據模型結果與容積法結果，針對不同不透水比例，見表5。

表5 模型法、容積法面積對比

根據以上結果可知，“容積法”和模型計算結果有較大出入，針對同一不透水比例，模型法計算結果均為“容積法”計算結果的1.4倍左右，不隨不透水比例變化而變化，具有較強的一致性。由此可見，“容積法”在確定海綿城市設施規模時，計算結果偏小，偏“不安全”。如按照該容積進行設計和建造，在設計雨量的情況下，會導致研究區域產生外排，不滿足海綿城市設計要求。

4.4 改進的“容積法”

根據4.3模型結果與“容積法”計算結果對比可知，“容積法”計算結果同模型結果相比偏小，調蓄容積不足，導致研究區域產生外排，不滿足海綿城市設計要求。因此有必要對“容積法”進行改進。

通過“容積法”確定海綿城市設施規模的過程中，其誤差主要來自于單位面積海綿設施調蓄能力計算。在通過“容積法”計算單位面積海綿城市調蓄能力過程中，進行了若干假設：生物滯留帶蓄水層深度為設計下凹深度，未考慮種植灌木、喬木等植物對生物滯留帶蓄水層深度的影響。實際工程中，由于植物影響，會導致生物滯留帶有效蓄水深度小于設計下凹深度；滲透系數為常量，不隨土壤含水率變化，根據《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，計算調蓄容積可考慮兩小時土壤下滲水量，滲透系數為常量。實際工程中，滲透系數隨初期土壤含水率、飽和含水率以及下滲時間影響，是一個變量，相反，SWMM模型在計算該部分下滲量時，采用的是改進的霍頓模型，比“容積法”中直接采用常量更加準確；土壤有效孔隙率，在“容積法”中，土壤孔隙率用于計算土壤空隙蓄水量，由于土壤厚度較大，孔隙率的合理選擇對土壤空隙需水量有較大影響，并且該參數在實際工程中，具有很大的不確定性。因此，建議在進行“容積法”計算中，不考慮土壤蓄水，偏于保守的計算海綿城市設施單位面積蓄水能力。改進后的“容積法”在計算海綿城市設施單位面積蓄水過程中，采用了如下假設：設計下凹深度考慮20%折減作為有效下凹深度；透系數根據SWMM模型計算結果計算兩小時平均滲透系數；不考慮土壤空隙蓄水。基于此，計算了海綿城市設施面積。改進后的“容積法”結果與模型結果，匯總見表6。

表6 模型法、改進容積法面積對比

從兩者結果的對比上來看，改進后的容積法，能夠較好的計算出所需的海綿城市設施面積。能夠解決一般容積法計算結果偏小這一不足，具有一定的工程應用價值和意義。

5 結論及建議

本研究通過搭建考慮海綿城市措施的道路水文水動力模型，模擬了四種不透水比例下的二十種不同縱坡的道路徑流產流過程，分析了坡度和不透水比例對徑流過程、最大徑流量、外排總徑流量的影響；在此基礎上，通過試算法確定了針對每種不透水比例下的海綿城市設施面積。此外，根據模型的相關參數，通過“容積法”確定了每種不透水比例下的海綿城市設施面積。最后，比較和分析了考慮海綿城市設施的模型法和容積法計算結果的差異及原因，對“容積法”進行了改進。通過本研究，得出了以下結論：（1）針對同一降雨序列，坡度越大，最大徑流量、徑流過程流量以及總的外排流量越大，但影響不顯著；（2）針對同一降雨序列，不透水面積比例越大，最大徑流量、徑流過程流量以及總的外排流量越大，且影響顯著；（3）海綿城市設施面積不受坡度影響，但受不透水面積比例影響，且線性相關；（4）針對四種不透水比例下的海綿城市設施面積計算，“容積法”均偏小，應進行修正，修正后的“容積法”能夠更加準確的計算海綿城市設施規模。

在海綿城市設計中，除年徑流總量控制率這一指標外，還有污染物去除率指標。因此，未來的研究可以通過模型探求坡度、生物滯留帶結構形式以及類型對不同污染物去除率的影響。并且可以將模型結果同“容積法”計算結果進行比較和分析，對“容積法”計算污染物去除率的結果進行優化