SWMM模型中不同LID措施在排水系統模擬中的應用

余 嶸，趙 丹，劉淵博，嚴 程，逯佩寧, 赫雷剛(西安工程大學環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

近年來，城市內澇現象出現的頻率增大，遇到強度較大的暴雨時，城市排水管網無法承受，不能及時排走，在城市低洼處極易形成積水，給居民和城市交通的正常運轉造成嚴重影響。因此，合理地設計城市雨水管網變得十分必要和緊迫。從20世紀70年代開始，美國等一些發達國家就開始使用數學模型模擬城市地表徑流對降雨的事件的影響，對城市防洪和管網進行規劃和優化[1]。我國2014年版《室外排水設計規范》也對數學模型的使用進行了規范。規范中規定，當匯水面積超過2 km2時，應該考慮降水時空分布的不均勻性以及管網匯流的過程，雨水設計流量應當采用數學模型計算[1]。

目前，SWMM模型在我國的使用越來越廣泛，并取得了一些成果[2,3]。有學者從降雨徑流過程和降雨徑流總量兩個方面來驗證SWMM的準確性，所得誤差在可接受的范圍之內，證明了該模型的實用性[4]。

1 SWMM模型系統

SWMM模型，是一個目前廣泛應用于城市暴雨徑流水量、水質的模擬以及洪澇災害預報的模型，用來模擬研究城市的降雨徑流和污染物的運動過程，包括地表徑流和排水管網中的水流，雨洪調蓄過程以及水質的評價影響。

1.1 子流域的概化

SWMM模型中，一般將一個大的流域分割成若干個子流域，各子流域擁有各自不同的特性，根據特性的不同分別計算其徑流過程，并將最后計算的所有子流域的出流加以組合。各子流域可概化三個部分，有洼蓄量的不透水地表A1、無洼蓄量的不透水地表A2以及透水地表A3，見圖1。

圖1 子流域概化示意圖Fig.1 Simplified the sub basin network

1.2 地表產流過程

對于不透水的地表，在沒有滿足初損前，地表不產流，初損滿足后，雨水全部參與產流過程。對于透水地面，除了填洼初損外，還包括下滲的損失，SWMM模型中包括Horton模型、Green-Ampt模型和SCS模型3種方法用于下滲量的計算。

1.3 地表匯流過程

該過程是把各子流域的凈雨過程轉化成出流過程，它是把各子流域作為非線性水庫模型，通過聯立曼寧方程跟連續性方程來實現的。

1.4 排水系統演算過程

該過程主要包括輸送模塊和擴展輸送模塊，通過求解圣維南方程組得出。

(2)

式中:W為子區域的寬度，m；n為曼寧粗糙系數；d為水深，m；dp為滯蓄深度，m；S為子區域的坡度，m/m；V為子排水區域總水量，m3；t為時間，s；A為排水區表面積，m2；i*為凈雨強度，m/s;Q為出流量，m3/s。

2 研究區域及模擬分析

2.1 區域概況

該區域為陜西省漢中市某鎮一住宅商業區，區域東西長750 m，南北寬486 m，面積36.48 hm2，地面高程500 m左右，平均坡度5‰，地勢平坦。區域地面硬化比例較高，不透水面積所占比例約為75.5%；區域規劃的排水體制為分流制，雨水經南北走向的支管道收集至區域下方自西向東的主干管中，最終匯流至鎮區干溝河的雨水排放口PFK1，主管道長785 m，支管總長3 050 m，管道最小埋深1.2 m。

2.2 區域管網的概化

整個區域劃分為27個排水片區，36個節點，36條管道，1個排放口。具體如圖2、圖3所示。

圖2 土地使用規劃圖Fig.2 Land use plan

圖3 節點和管網概化圖Fig.3 Simplified node and pipe network

2.3 模型參數的確定

該模型所用參數使用2014年兩場降雨進行率定，結合研究區域資料統計和特點分析選擇Horton公式進行下滲計算。結合研究區域的土壤類型、地表特征，參考SWMM模型用戶手冊與國內外相關文獻[5,6]，取最大入滲率f0=76.2 mm/h，最小入滲率f∞=3.81 mm/h，衰減系數α=2h-1。模型中的地面匯流過程運用非線性水庫法，其中的不透水地面的洼蓄量取2 mm，透水地面的洼蓄量取5 mm，不滲透性粗糙系數取0.015，滲透性粗糙系數取0.10，無洼地蓄水不滲透性取25%，管道粗糙系數取0.013。計算時間步長設置為60 s。

2.4 模擬情景設定

該片區可以采用漢中市暴雨強度公式:

(3)

式中：Q為平均降雨強度，L/(s·hm2)或mm/min；P為設計降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

芝加哥降雨過程線模型在排水系統中的應用結果已經得到很好的證實，張大偉、趙東泉等利用芝加哥降雨過程線對清華大學校園內的一個排水系統進行了模擬運算及分析，取得了良好的效果[6]。現利用芝加哥降雨過程線合成重現期為1、3、5、10 a的設計暴雨過程線，其中雨峰系數取0.4，降雨歷時取2 h。在芝加哥降雨過程線合成的模型中，暴雨重現期P反映了降雨強度的最大值，雨峰系數r決定著降雨強度最大值到來的時間。合成降雨情況見表1。不同重現期下排放口出流過程見圖4。

從表1中可以看出隨著重現期的增大，設計降雨量、峰值雨強、累計雨量均在增大。從圖4中可以看出，隨著暴雨重現期的增大，排放口的峰值流量分別為：2.4、4.5、5.4、6.7 L/s，經計算重現期為3、5、10 a的降雨峰值流量比重現期為一年的峰值流量增加了87.5%、125%、179%，隨著重現期的增大雨水峰值流量也隨之增加，目前國內排水管網的設計重現期相比歐美以及日本來說都較小，當遇到更大強度的暴雨時，管網有可能因為過載而出現嚴重的溢流情況，因此設計人員在設計城鎮管網時應做到未雨綢繆，采取一些必要的措施來增加雨水的下滲量，降低降雨過程的峰值流量。

表1 芝加哥降雨模型合成雨型Tab.1 Chicago rainfall model synthetic hyetograph

圖4 不同重現期下排放口的出流過程圖Fig.4 Different return period discharge outlet flow process chart

2.5 增設下凹式綠的和透水磚等LID措施改善下墊面條件

低影響開發(Low Impact Development, LID)是美國提出的一種雨水管理體系，通過分布式的截留及生物滯留措施，降低不透水性表面的面積，并通過延長徑流路徑、增加徑流時間的措施來實現對徑流的儲存、入滲以及地下水的補給，改變徑流排泄量的大小等，以實現城市雨洪資源化利用及河道生態環境保護功能[7]。

SWMM模型中可以明確模擬常見的幾種不同LID控制，其中包括滲渠、生物滯留池、雨桶、連續多孔路面系統以及草洼。添加LID控制時要注意，添加到子匯水面積后，地面的不滲透百分比要改為剩余的不滲透面積百分比除以非LID面積的百分比。下凹式綠地蓄集雨水的能力比普通綠地強很多[8]，透水磚也可大大增加硬化路面的透水性，對于雨水能起到很重要的調節作用，有效減小管網的排水壓力。

根據該片區的實際情況，采用兩種鋪設方式進行對比分析。第一種方式在該片區下游及子面積7、8、27、17、26建設下凹式綠地，其余子面積鋪設透水磚。第二種方式在該片區上游及子面積1、2、9、13、18建設與第一種方式等面積的下凹式綠地，其余子面積鋪設等面積的透水磚。下凹式綠的深度設為0.1 m，基于所用地區面積的限制，設計LID子面積約占總面積的25%～35%。鋪設透水磚的地區設置透水區域的蓄水深度0.3 m，占子面積的20%左右。其余的參數選擇SWMM模擬手冊中的典型參考值[9,10]。

3 模擬結果分析

改善下墊面情況，增加下凹式綠地以及透水磚LID控制后，通過SWMM導出的數據合成了不同重現期下排放口雨水流量圖，見圖5、圖6，以及圖7不同重現期下采用LID控制后峰值流量削減率曲線。

圖6 不同重現期下排放口的出流過程圖(方式二)Fig.6 Different return period discharge outlet flow process chart(method b)

圖7 不同重現期下采用LID控制后峰值流量削減率曲線Fig.7 The LID control under different return period after the peak flow reduction rate curve

從圖5、圖6及圖7中可以看出兩種布置形式對排放口的雨峰流量均能起到削減的作用，且兩種布置形式對雨峰流量大小的削減量大小基本相同；重現期為1、3、5、10 a時，削減量分別為47.43%、25.50%、17.64%、10.32%，既隨著重現期的增大，削減率逐漸減小。

表2為不同重現期下各布置形式峰值流量發生時間表，從表2中可以看出，雖然兩種布置形式對雨峰流量大小的削減率基本相同但是當下凹式綠地布置在下游時及方式一雨峰的到來時間比方式二要晚10 min，同時比現狀的峰值時間延遲30～40 min。所以布置方式一要優于布置方式二。

表2 不同重現期下各布置形式峰值流量發生時間表Tab.2 Different return period the layout of the form of peak flow occurs schedule

由此可見，鋪設透水磚和建造下凹式綠地可有效控制洪峰流量的大小。從該小城鎮來看，基礎性設施建設相對落后，僅在主要干道上鋪設了雨水管網，隨著我國城鎮的發展，完善城鎮基礎型設施建設勢在必行，在目前城鎮沒有高度商業化之前提前規劃建造綠地與增加地面透水性顯得非常重要。

4 結 語

本文針對降雨資料記錄較少的小城鎮，以陜西某鎮為例，采用芝加哥降雨過程線合成不同重現期下的降雨過程，再利用雨洪管理模型(SWMM)模擬分析了增加透水磚鋪設面積和建造下凹式綠地相結合的兩種LID控制措施對該片區地面徑流帶來的影響。

對兩種不同形式的LID控制措施的布置方式進行了模擬對比。模擬結果表明：采用透水磚以及下凹式綠地的方式改變下墊面情況，可以有效削減降雨峰值流量；在布置面積相同的情況下，在下游布置下凹式綠地的方式與上游布置下凹式綠地的方式對雨峰流量的削減率基本相同，但是下游布置的方式能延緩雨峰到來的時間。

利用SWMM模型可以模擬多種LID控制措施，為城鎮管網的優化提供了可視化的指導，本文模擬了兩種LID措施相結合的情況，只針對該地區的土壤類型，建筑結構進行模擬，對于其他地區的實用性還要具體問題具體分析。對于不同土壤類型，不同建筑布置方式，改變下墊面條件對改善雨洪的影響需進一步研究。

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[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 室外排水設計規范(2014版)[S]．北京：中國計劃出版社，2014.

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[3] 叢翔宇，倪廣恒，惠世博，等，基于SWMM的北京市典型城區暴雨洪水模擬分析[J]．水利水電技術，2006，37(4)：64-67.

[4] 張 倩，蘇保林，袁軍營．城市居民小區SWMM降雨徑流過程模擬——以營口市貴都花園小區為例[J]．北京師范大學學報(自然科學版)，2012，48(3):267-281．

[5] Campbell C W，Sulivan S M，Simulating time-varying cave flow and water levels using the storm water management model[J].Engineering Geology,2002,65(8):133.

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[7] DIETZ M E.Low impact development practices:A review of current research and recommendations for future directions[J].Water，Air，Soil Pollut，2007，186(4):351-363.

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[9] Dietz M E，Clausen J C.Storm water runoff and export changes with development in a traditional and low impact subdivision[J].Journal of Environmental Management，2008，87(4):560-566.

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