基于SWMM的海綿建設對降雨徑流和污染控制模擬研究
——以深圳市光明區海綿示范點為例

盧巧慧，黃奕龍,，彭知任

(1.深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008；2.懷化市水利電力勘測設計研究院，湖南 懷化 418000)

近年來，隨著城鎮化進程的加快、城市人口的增加和城市硬化面積迅速擴展，城市內澇災害頻發和面源污染加大，影響社會經濟發展及居民生活，甚至威脅城市安全[1-2]。為應對日益嚴重的城市水問題，中國提出了海綿城市建設并將其作為生態文明的重要組成部分[3-4]。通過在源頭、過程和末端綜合運用“綠色”+“藍色”生態與灰色設施，實現對城市雨水徑流總量、峰值和污染物的綜合控制，明顯增強城市的“彈性”和“韌性”[5]。

與英國的可持續排水系統、美國的低影響開發和澳大利亞的水敏城市設計等相比，中國的海綿城市建設集成了滯、滲、蓄、凈、用、排的綜合理念，近年來在基礎研究、技術開發和績效評估等方面取得大量進展[1-7]。由于建設區域和監測尺度的差異性，以及現場監測的局限、難度和成本，模型模擬成為海綿城市建設效果評估的有效工具，尤其對于城市LID設施的評估和預測至關重要[8-10]。當前雨洪管理模型Info Works系列模型[11-12]、Mike Urban系列模型[13]、SWMM[14-16]、SUSTAIN[17]等應用廣泛，其中SWMM模型因模擬精度高和操作簡便等優點，在中國陸續開展了相關應用研究[18-20]。然而，國內現有研究大多關注海綿建設前后的雨洪控制效果[21-24]，對海綿設施缺乏管養和退化后的雨洪效應還鮮見報道。

本項研究以國家海綿城市建設第二批試點城市——深圳市光明區海綿城市示范點為研究對象，應用SWMM模型模擬不同頻率降雨條件下，區域海綿設施建設及設施退化后等多種工況下的降雨徑流規律，以期為海綿城市建設提供科學指導。

1 研究區及SWMM模型構建

1.1 研究區概況

研究區為深圳市光明區鳳凰城海綿試點區域的一部分(圖1)，總面積約200 hm2。2015年前，研究區本底主要為山體、林地、綠地、舊村、工業區等；2016年，研究區建成新城公園、群眾體育中心、光明集團保障房、萬丈坡拆遷安置房、公園路等海綿示范項目，綜合應用植草溝、下凹綠地、綠色屋頂、雨水花園、透水鋪裝和雨水調蓄池等海綿技術，完成海綿體建設面積109 hm2(覆蓋率達到總面積的54%)，區內各種地塊面積見表1。

a)研究區在深圳市的位置示意

b)研究區位置放大后衛星圖

表1 研究區各典型地塊面積統計

近年來由于自然退化及2020年新冠疫情等影響，研究區海綿城市建設后缺乏足夠的管養和維護，海綿設施出現以下問題：①海綿設施植被退化、長勢不佳，雨水調蓄空間被擠占；②滲透路面及雨水口破損、堵塞；③植草溝下凹深度及寬度不足等。經統計，研究區海綿退化面積達78.8 hm2，占區域海綿建設面積(海綿完好范圍+海綿退化范圍+海綿道路退化范圍)的72.3%(圖2)。

圖2 研究區海綿退化范圍示意

1.2 SWMM模型簡介

暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)是美國環境保護署研發的動態降雨-徑流模擬的計算機程序，主要用于城市區域徑流水量和水質的單一事件或者長期模擬[25]。該模型主要應用在排水系統及海綿設施的設計和尺寸確定、非點源污染物負荷計算等。同時，SWMM自身帶有多種低影響開發模塊，能對一組或多組低影響開發措施下城市地表徑流水質水量調控效果進行模擬和評估。

1.3 研究區域概化

根據研究區高程、坡度和下墊面情況等信息，采用人工劃分的方法進行子匯水區概化，最終概化為23個子匯水區。另外，根據研究區排水管網資料，對排水管網進行概化，共布置有15條管道、16個雨水井節點和4個排水口，其中管道曼寧粗糙率取0.013，匯水區域的雨水經過地面匯流然后進入城市雨水管網系統(圖3)。

圖3 研究區SWMM模型概化

1.4 參數選取及率定驗證

本次模型參數根據模型推薦、國內文獻類似工程[26-28]、研究區海綿城市規劃報告等資料進行選取，再采用課題組在2019年7月3日(11.4 mm，中雨)、2019年8月1日(32.8 mm，大雨)2場降雨條件下監測的研究區實測徑流及水質數據與模擬結果對比分析，分別進行模型率定及驗證，判別準則采用納什效率系數NSE及相對偏差BIAS[29-30]，計算公式分別見式(1)、(2)，其中NSE值越接近1，BIAS絕對值越接近于0，表明模型擬合程度越好，模擬數據越接近實測數據。當NSE>0.5且BIAS絕對值小于0.15時，構建的模型能夠較好地得以應用[30]。

(1)

(2)

a)水文模型。研究區水文模型率定及驗證結果見圖4，率定期內NSE、BIAS分別為0.79、0.10，驗證期內NSE、BIAS分別為0.62、0.11，模型率定驗證結果均滿足NSE>0.5且BIAS絕對值小于0.15的目標要求，說明水文模型的模擬效果符合預期結果。最終參數選取見表2，海綿設施參數選取見表3。

a)率定結果(降雨量11.4 mm)

b)驗證結果(降雨量32.8 mm)

表2 子匯水區水文參數取值

表3 海綿設施模擬參數取值

b)水質模型。SWMM模型通過污染物的累積和沖刷2個過程來模擬面源污染負荷。本次模擬選用飽和累積函數和指數沖刷函數來模擬污染物(以SS作為污染物代表性指標)的產生和傳輸。研究區的下墊面類型可分為道路、屋面、普通綠地、滲透鋪裝、綠色屋頂、雨水花園和植草溝等。每種類型包含2個累積參數(最大累積量和累積速率常數)和2個沖刷參數(沖刷系數和沖刷指數)，道路還包括1個道路清掃參數。根據相關文獻[26-28]確定SS累積和沖刷的初始值，再采用與水文模型一致的2場降雨條件對水質模型進行率定及驗證，率定期內NSE、BIAS分別為0.65、0.15，驗證期內NSE、BIAS分別為0.60、0.13，雖然水質模型模擬效果相比水文模型均有不同程度的下降，但其結果仍滿足NSE大于0.5且BIAS絕對值小于0.15的要求(圖5)，說明水質模型的模擬效果符合預期結果。選取的水質模型參數見表4。

a)率定結果(11.4 mm)

b)驗證結果(32.8 mm)

表4 水質模型參數選取結果

1.5 降雨資料選取

選擇距離研究區最近的石巖水庫雨量站資料，該站于1960年建設，至今已有60年實測雨量觀測系列，資料精度滿足規范要求，因此選取該站1960—2019年的年降雨資料作為本次研究的降雨分析依據。經過年降雨量P-III擬合，確定1960年為典型平水年，經過比例縮放后得到典型平水年全年降雨量為1 556.59 mm，作為SWMM模型的降雨序列條件。降雨量頻率配線及典型平水年降雨分布見圖6。

a)降雨量頻率配線結果

b)典型平水年降雨分布

1.6 工況設計

將研究區2015年以前未建設海綿的工況設為D1，2016年海綿工程建設后的工況設為D2，海綿設施出現退化的工況設為D3。其中D1、D2、D3工況的非海綿地塊采用率定驗證后的參數(表2)，D2工況的海綿地塊在表2參數的基礎上根據研究區域海綿城市示范工程的設計方案[31]而進行部分調整(表5)，D3工況的海綿地塊采用率定驗證后的參數(表2、3)。為探討不同海綿狀況對降雨徑流量及SS污染的控制效果，以率定驗證后的SWMM模型為基礎，采用平水年降雨數據作為模型輸入邊界，模擬分析研究區D1—D3三種海綿建設條件下的降雨徑流量及SS污染分布情況。另外，為探討研究區海綿建設對降雨頻率的響應，采用1、2、5、10 a等不同重現期降雨頻率作為輸入，模擬分析研究區建設海綿后D2工況的降雨徑流及SS污染產出情況。

表5 D2工況海綿設施模擬參數取值

2 結果與分析

2.1 平水年降雨條件下的海綿建設水文水質效應

應用SWMM模型模擬典型平水年降雨條件下D1—D3三種工況的徑流和污染控制效果(表6)，從模擬結果來看，D1、D2、D3三種工況年徑流控制率分別為50.1%、77.0%、67.5%，年SS總量去除率分別為58.3%、81.2%、69.5%。對比D1、D2工況可知，研究區在落實海綿城市建設后，年徑流控制率提高26.9%，年SS總量去除率提高22.9%，表明海綿城市建設明顯增加了雨水的入滲和滯蓄，減少了地表徑流量，能有效削減降雨徑流量及徑流污染負荷[32]。對比D2、D3工況可知，在海綿設施退化的情況下，年徑流控制率減少了9.5%，年SS總量去除率降低了11.7%，表明海綿設施退化抑制了研究區徑流和污染控制效果。根據《深圳市海綿城市建設項目施工、運行維護技術規程》[33]，海綿設施應保證每年至少2次檢測和評估，在雨前及雨后應進行海綿設施運行工況檢查和維護；同時應定期清理植被層枯枝落葉，防止流失堵塞水落口和雨落管，并及時更換退化植被和鋪裝等。

表6 3種工況年徑流和污染控制效果統計

2.2 典型場次降雨條件下的海綿建設水文水質效應

為分析研究區海綿建設對降雨徑流的控制效果，利用SWMM模型分析建設海綿后D2工況在設定場次降雨條件下的產流特征。情景設置為降雨歷時2 h、峰值系數取0.35，降雨重現期分別為1、2、5、10 a的降雨條件，設計暴雨過程線見圖7。在上述設計條件下，模擬海綿設施對降雨條件的徑流控制作用，不同重現期降雨徑流分布、控制效果見圖8、9，SS濃度分布見圖10，分析結果見表7。

圖7 不同重現期設計暴雨過程線

圖8 不同重現期降雨徑流分布

a)1 a重現期

b)2 a重現期

c)5 a重現期

d)10 a重現期

圖10 不同重現期SS濃度分布

表7 D3工況年徑流控制效果統計

由圖8—11、表7可知，不同降雨重現期下D2工況的徑流特征表現一致，降雨徑流及SS濃度分布均表現為隨著降雨量的增加而逐漸加大，然后在達到峰值后再逐漸下降，最后達到相對穩定數值。總體有如下規律。①對比1、2、5、10 a的降雨徑流和SS總量去除率可以發現隨著降雨強度的增加，海綿體對降雨徑流和污染物的控制效果逐步下降。其原因在于海綿設施的雨水蓄滲滯能力可有效消納小強度降雨，但隨著降雨強度逐步增加，其雨水控制能力達到飽和。相對來說，海綿設施對5 a重現期以下的降雨具有較好的徑流和污染控制效果[34]。②對比1、2、5、10 a的徑流峰值和峰值延后時間，發現降雨強度越大，徑流峰值延后時間越短、峰值削減率越小，其原因在于海綿設施蓄滲空間的有限性，可以有效延緩小強度的降雨徑流，對大強度的降雨徑流不敏感。③隨著降雨強度增大，SS最終穩定值越低，這是因為隨著降雨強度增大，徑流總量及污染負荷增加，且徑流總量增加的作用比污染負荷增量大，徑流稀釋SS的作用增強，在海綿體和降雨徑流雙重作用下促進了SS濃度的降低[1,25,35]。

3 結論

本文應用SWMM模型模擬分析深圳市光明區海綿示范點在未建設海綿、建設海綿后及海綿退化后3種工況下降雨徑流和污染控制作用，所得結論如下。

a)年降雨情景模擬結果顯示，D1、D2、D3工況的年徑流控制率分別為50.1%、77.0%、67.5%，年SS總量去除率分別為58.3%、81.2%、69.5%，建設了海綿設施的D2、D3對比未建設海綿的D1工況年徑流控制率及年SS總量去除率均有明顯提升，表明海綿城市建設對降雨徑流控制和污染物削減具有顯著的效果；海綿退化的D3工況對比海綿設施完好的D2工況，年徑流控制率減少了9.5%，年SS總量去除率降低了11.7%，說明海綿設施缺乏后續管養維護會明顯降低其控制效果。

b)不同重現期降雨情景模擬結果顯示，隨著降雨強度的增加，降雨徑流控制率和SS總量去除率均有變小趨勢，海綿設施對重現期5年以內的小強度降雨控制效果較好，超過5年重現期或以上，隨著降雨強度增大，其徑流控制率、峰值延后時間、峰值削減率和SS總量去除率均有所降低。

c)1、2、5、10 a重現期SS濃度的最終穩定值分別為41.9、27.9、17.4、11.8 mg/L，表明隨著降雨強度增大，在海綿體和降雨徑流雙重作用下，SS最終穩定值越低。

文章揭示了海綿城市退化對地表徑流控制的抑制作用，為科學指導區域海綿城市建設及其運行維護提供借鑒，對促進海綿城市后期管理養護體系完善具有一定的實際意義。