利用暴雨管理模型（SWMM）對低影響開發措施效果的模擬研究

1、前言

隨著我國城鎮化進程的不斷加快，城市中不透水面積增加，建成區的徑流系數增加、匯流時間縮短、降雨徑流的峰值流量增大、降雨徑流總量增大。隨著氣候的變化，近年來極端天氣頻現，城市中短時暴雨造成城市的內澇，給城市排水管網造成極大的壓力并且國家和人民的生命財產造成了極大的損害。同時雨水徑流被排走，造成雨水資源得不到充分利用。由于城市的大規模建設以及城市中機動車輛的增加，降雨徑流的污染也日益嚴重。面源污染已逐步成為我國水體污染的主要因素。因此，在城鎮的建設過程中應當增加雨洪控制與利用的措施，盡量保持土地開發前后的水文過程，防止面源污染。為增加雨水資源的利用量以及防止面源污染，可以采用低影響開發的理念，增加綠色屋頂面積、建設雨水收集利用系統、增加城市透水面積、降低綠化帶的高程、建設調蓄設施等。筆者利用暴雨管理模型(SWMM)對某新開發區域內采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢綠地等LID措施后出水口斷面的峰流量、峰流量出現時間、徑流系數的變化進行了模擬分析。

2、SWMM模型介紹

暴雨管理模型（SWMM）模型是一個動態模擬模型，能夠對城市地區進行某一降雨事件或者特定時期降雨徑流水量以及水質的模擬。

根據地表特性的不同，子匯水區被概化為三種類型：①有滯蓄量的不透水地面；②無滯蓄量的不透水地面；③透水性地面。有滯蓄量的不透水地面的產流量計算方法為降雨量減去滯蓄量；無滯蓄量的不透水地面的產流量就是降雨量；透水性地面的產流量計算方法為降雨減去滯蓄填洼量和地面下滲量。

SWMM模型中，匯水區被概化為非線性水池。當降雨水量大于地表的滯留量時，地表才開始產流。模型中利用曼寧公式進行產流量計算：。

式中：W—匯水區特征寬度，m；n—曼寧系數；d—降雨水深，m；

dp—地表滯蓄水深，m；S—匯水區地面坡度，m/m； Q—地表產流量，m3/s。

SWMM模型采用圣維南方程組(Saint-Venant)對管網匯流系統的演算和求解。

3、研究區域SWMM模型的建立

3.1 研究區域的概化（如圖1所示）

圖1 研究區概化效果圖

研究區域為某新規劃開發區域，開發區域內包含金融商業用地、行政辦公用地、文化娛樂用地、公共市政用地、綠地用地等總用地面積為90.48ha。本文中常規開發指不采取任何雨洪控制利用措施的開發方式；采用的LID措施主要有綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、下凹綠地等LID措施的開發方式。研究區整個模擬地塊被概化為43個子匯水區、15條雨水管道、16個節點、1個出水口。

3.2 模擬采用的降雨數據

本文對兩種不同重現期設計降雨進行模擬，降雨重現期取3a和10a。采用的暴雨強度公式為：

式中：—暴雨強度，L/s?ha；—重現期，a；—降雨歷時，min；（如圖2所示）

3.3 SWMM模型參數確定

各匯水區產流過程的計算，采用Horton模型模擬區域內的滲透過程，模型中參數包括最大下滲率f0、最小下滲率f∞以及衰減系數，三者的取值分別為76mm/h、3.80mm/h和2.5h-1。地面匯流過程采用非線性水池模型，透水地表和不透水地表的的滯蓄量取值分別為為12mm和2mm。透水地面、不透水地面以及排水管道的曼寧系數取值分別為0．013、0.12和0.013。管網匯流過程采用運動波方程進行流量演算與求解。

圖2 設計降雨強度示意圖

4 模擬結果與分析

3年一遇設計降雨常規開發與采用LID措施后區域內出水口斷面峰流量、峰現時間、徑流系數比較見表2。

3年一遇設計降雨條件下，峰流量在常規開發時為9.31m3/s，采取LID措施后為4.37m3/s，峰流量被削減了53.0%；常規開發時峰流量出現時間為52min，采取LID措施后為133min，峰流量出現時間被滯后81min；徑流系數常規開發時為0.69，采取LID措施后為0.41，徑流系數減小0.22。

10年一遇設計降雨時常規開發與采用LID措施后區域內出水口斷面峰流量、峰現時間、徑流系數比較見表3。

10年一遇設計降雨條件下，采取LID措施較常規開發峰流量被削減了30.3%，峰流量出現時間被滯后66min，徑流系數減小0.19。

常規開發與采取LID措施后在不同設計降雨條件下各指標削減量匯總見表4。

從表4中可以看出，采取LID措施在3a設計降雨重現期時較10a設計降雨重現期時發揮的作用更大。峰流量削減的更多，峰流量被滯后的時間更長，徑流系數減小的更大。

常規開發與采取LID措施后相比較。采取LID措施后，地表對降雨的滯納量增加，降雨的下滲量增加，因此地表徑流系數減小，降雨峰流量減小，地表產匯流時間延長，峰流量出現時間被滯后。

10a一遇設計降雨強度較3a一遇的大，采取LID措施后地表的滯納量及下滲量在10a一遇設計降雨時，達到飽和的時間更快，甚至由于設計降雨強度太大，LID措施的滯納量和下滲量還沒有達到飽和，地表就開始產匯流。因此在10a一遇設計降雨時，采取LID措施對峰流量的削減、峰流量出現時間滯后、地表徑流系數等方面的作用減弱。

5、結論

本文采用暴雨雨水管理模型SWMM模型模擬分析了某新規劃開發區域內采用綠色屋頂、雨水收集、滲透鋪裝、低勢綠地等幾種LID措施后對暴雨徑流的影響。結果表明，在一定降雨重現期時，LID措施可以對削減降雨徑流的峰流量，推遲峰流量出現時間，減小開發區域內地表的徑流系數。

對于重現期不同的設計降雨過程，重現期為3a較重現期為10a的設計降雨，LID措施對降雨徑流的滯納效果更明顯。低影響開發措施對重現期較小降雨事件地表徑流的滯納效果更明顯。

利用SWMM模型可以用來考察規劃LID措施對降雨徑流滯納效果，為有關LID措施的規劃建設提供必要的參考。由于對規劃區域內的實測數據掌握不足，未能針對規劃區域進行參數率定和驗證，模型有關參數均采用國內外相關研究的典型參數。還需要加強對措施實際效果的監測，從而為模型參數率定和驗證提供大量基礎數據，以確保模擬的結果更加精確。

表2 3年一遇設計降雨時區域內出水口斷面峰流量、峰流量出現時間及徑流系數比較

表3 10年一遇設計降雨時區域內出水口峰流量、峰流量出現時間及徑流系數比較

表4 常規開發與采取LID措施后不同重現期各指標削減量匯總