基于SWMM模型的小區低影響開發措施組合模式的效果模擬評估

張譯心 于富鑫 黃晨霞 王森

摘 要：文章以江蘇宿遷恒力·水木清華小區一期為例，運用SWMM模型模擬了該區域傳統開發模式下及由四種LID措施組合布設后的LID模式下，在重現期為10年一遇的180min短歷時設計暴雨下的徑流過程，評估了相比于傳統開發模式，LID措施組合的雨洪控制效果。結果表明，LID措施在減小排放口的徑流洪峰流量、提高地面蓄水量方面有較明顯效果，能夠有效地恢復大自然原有的對雨洪的調蓄能力。LID模式能夠優化該小區的防洪排澇功能，減輕市政排水管網的運行壓力，緩解城市內澇，對海綿城市的建設有著重要的意義。

關鍵詞：SWMM模型；低影響開發；雨洪控制；海綿城市

中圖分類號：S276.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）13-0050-03

Abstract： This article takes the first-stage project of Hengli Shuimuqinghua community in Suqian city， Jiangsu province as an example， by using the SWMM model to simulate runoff process of 10 years recurrence period， 180 minutes short-time design storm under the circumstances of the traditional mode of this area and LID mode that made of 4 kinds of LID facilities. The effect of storm control by LID measure combinations is also assessed comparing with traditional mode. The result indicates that LID measures have obvious effect on reducing the runoff flood peak flux of discharge outlet and on increasing surface storage. It can effectively restore the regulation and storage capacity that the nature originally has. LID mode is able to optimize the flood control and drainage functions of the community， reduce the operating pressure of municipal drainage network， relieve urban waterlogging and has significant meaning to the construction of sponge city.

Keywords： SWMM model （storm water management model）； low impact development （LID）； rain flood control； Sponge City

隨著我國城市化進程的加快，城市不透水路面積不斷增加，降水難以入滲，城市雨水控制系統滯后于城市發展[1]，導致城市內澇頻發，對人民群眾的生命財產安全構成嚴重威脅[2]。近年來研究表明，應用SWMM模型對排水管道網進行模擬，可對排水系統運行的瓶頸問題進行有效的識別；在對城市雨水控制的研究中，LID的理念和技術體系作為一種可持續城市雨水控制方法，既能有效收集雨水利用雨水資源，緩解城市水資源短缺危機，還能顯著減少城市地表徑流，提高城市排水安全性[3]。鑒此，本文以江蘇省宿遷市恒力·水木清華一期小區為例，設計了由四種LID措施構成的組合方案，運用SWMM模型模擬評估了傳統開發模式下和LID措施組合下的雨洪控制效果，為城市小區域開發措施的優化提供了參考。

1 研究區概況

恒力·水木清華擇居江蘇省宿遷市宿城新區核心，年降水量919mm，但分布不均，6─8月雨量占年降水量近六成，易形成春旱、夏澇、秋冬干燥天氣[4]。

研究區總用地面積11415m2。透水面積主要由小區綠化組成，綠化率35%。

2 SWMM模型及其LID模塊

SWMM是美國環保署研制的模擬城雨洪過程和水質的綜合數學模型，能實現水文、水力以及水質方面的模擬，并能以多種形式輸出結果。

LID低影響開發是一種可輕松實現城市雨水收集利用的生態技術體系，其關鍵在于原位收集、自然凈化、就近利用或回補地下水[5]。主要包含：生態植草溝、下凹式綠地、雨水花園、綠色屋頂、地下蓄滲、透水路面等[6]。

運用SWMM的LID模塊，通過對場降雨事件及連續降雨事件的模擬，可實現 LID設施對雨水徑流量、峰值流量的模擬和評估[7]，從而指導城市開發建設過程中LID設施的布局及優化。

3 LID布設方案

LID的布設原則主要有以下幾條：

（1）以原有的自然生態系統和水文循環系統為土地開發利用的綜合框架，尊重原有的自然條件，減少對自然環境的影響。

（2）控制雨水徑流，增加可滲透鋪裝的面積，設計綠色屋頂和雨水收集系統，并將屋頂的雨水引入可滲透的區域。

（3）盡量維持原有的自然的徑流路徑，減少排水坡度，延長徑流路徑，使凈流面積最大化。

（4）創造多功能的景觀，通過景觀設計減少雨水徑流和城市熱島效應并提升場地美學價值[8]。

SWMM模型中可以考慮的LID措施主要類型有以下幾類：植草溝、屋面雨水斷接、雨水桶、透水鋪裝、下滲溝、綠色屋頂、雨水花園、生物滯留網絡[9]。本次研究結合恒力·水木清華一期現有開發建設情況，遵循LID布設原則，提出以下幾種LID布設方案，將它們組合后成為LID措施組合方案：

（1）綠色屋頂：綠色屋頂作為LID技術中一個重要的組成部分，對于城市的降雨徑流控制效果明顯，由于LID就是分散、小規模的源頭控制技術，通過城市分散，大量的綠色屋頂建設必然能夠有效提高城市雨水的處理能力[10]。改造小區內的24棟樓的屋頂為綠色屋頂，布設土壤厚度為300mm，導水率100mm/h，孔隙率0.5，排水材料厚度20mm，粗糙度為0.1。

（2）雨水桶：用雨水桶捕獲屋頂徑流，并用于灌溉綠地。每棟樓配備30m2的雨水桶，設置蓄水層厚度1000mm，排水滯后6h。

（3）透水路面：透水混凝土路面具有透水性，下雨時能較快消除道路、廣場的積水現象[11]；當集中降雨時能減輕城市排水設施的負擔，防止河流泛濫和水體污染[12]。這里將所有路面換為透水路面，設置蓄水層孔隙率為0.45，路面層孔隙率為0.31，表面坡度為0.4%，表面粗糙系數為0.1。

（4）下凹式綠地：下凹式綠地能夠有效地利用小區內綠化帶積蓄雨水，根據因地制宜的原則，改造部分綠地為下凹式綠地。設置蓄水層厚度500mm，孔隙率0.5，土壤滲透能力200mm/h，表面粗糙系數0.1。

4 徑流過程模擬

4.1 研究區概化

為了便于使用SWMM進行徑流模擬，結合恒力·水木清華一期管網資料，將研究區域的排水系統概化為匯接點21個、管渠21條、排放口1個（位于小區東門）。結合排水規劃、地形，將研究區域劃分為13個子集水區。

4.2 項目數據及參數的選擇

研究區域的子集水區面積的大小由SWMM自動測量。漫流寬度初始估計通過子集水區面積除以平均最大地表漫流長度給出。平均坡度、管道形狀、管道大小、管長、匯接點標高、區域不透水面積比例等可由下墊面信息和管網信息得到。

選用宿遷閘站1981-2016年降雨資料，使用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線對60min、120min和180min年最大降雨量目估適線，設計暴雨重現期為10年，在配好的頻率曲線上查得，X60min，10%=75.5mm，X120min，10%=94.4mm，X180min，10%=108.3mm。最長取到180min作為短歷時設計暴雨歷時，選取典型暴雨過程，使用同頻率法縮放典型暴雨過程得到降水過程。

查閱相關資料，蒸發量取1.02mm/d。

其他模型參數的取值主要是根據研究區域的實際情況，參考SWMM模型用戶手冊中推薦的值及相關的資料、文獻。降雨入滲模型采用Horton入滲模型進行模擬，依照SWMM手冊，采用如下參數值：最大入滲率f∞=76.2mm/h，最小入滲率f0=12.7mm/h，衰減系數α=4h-1。地表徑流的匯流計算采用非線性水庫模型，模擬排水系統流量演算的水力模型選用動力波模型。其他模型參數取值見表1。

4.3 模擬結果及分析

運用SWMM模型計算傳統開發模式和LID模式下的徑流過程，模擬總時長取7h，結果時間步長取5s。排放口1的流量過程與降水過程見圖1。

徑流過程與雨量過程吻合較好，徑流過程模擬合理，符合實際。兩種模式下模擬結果及對比見表2，排放口1徑流過程曲線見圖2。

圖2為傳統開發模式與LID模式下，排放口1 的徑流過程曲線。由圖2可以明顯的看出，在LID模式下，排放口1的徑流深得到了有效的削減。在傳統開發模式下，排放口1的最大流量2.01m3/s；在LID模式下，排放口1的最大流量1.38m3/s，最大流量削減達31.3%。在傳統開發模式下，地表徑流72.1mm，徑流系數0.666；在LID模式下，地表徑流25.6mm，徑流系數0.236，徑流系數減小幅度達0.430。同時，地表蓄水量得到了明顯的提高。排放口1流量的降低、地面徑流的減少和地表蓄水量的提高，說明雨水得到了有效的控制。

相比于傳統開發模式，在LID模式下，匯接點積水深度和匯接點進流量均有下降。在傳統開發模式下，共有9個匯接點出現了溢流，9條管渠出現了超載，占比高達42.8%。這是因為對于洪水的調蓄能力較差，需要排放的雨水量超過了排水管網的承載能力，會造成內澇積水。LID模式很好地解決了匯接點溢流、管道超載的問題。這也說明了LID模式能夠治理城市化帶來的內澇問題。

綜上所述，相比于在傳統開發模式下開發，在LID模式下開發小區，可以更好地利用大自然的雨洪調節能力，有效地增加雨洪資源的可利用量，從而減輕市政排水管網的運行壓力，有效地緩解城市內澇。

5 結束語

利用SWMM模型對傳統開發模式下和四種LID措施組合模式下的出水口斷面徑流過程進行模擬，發現LID組合措施對斷面洪峰流量、徑流系數控制效果較顯著。因此，在城市小區域范圍內可積極推行LID措施模式，對社會經濟、環境起到整體改善作用。同時可通過改變不同LID措施的布局，進一步優化開發方案。

參考文獻：

[1]彭晨，皮家悅.淺析雨水資源化利用的意義及途徑[J].城市建設理論研究（電子版），2015，24.

[2]朱銳.城市內澇的主要成因及防治對策[J].工程建設標準化，2015，2.

[3]李霞，石宇婷，李國金.基于SWMM和低影響開發模式的老城區雨水控制模擬研究[J].給水排水，2015，41（5）：152-155.

[4]中國天氣網.宿遷城市介紹[EB/OL].http：//www.weather.com.cn/cityintro/101191301.shtml.

[5]徐韜.淺析廣州國際金融城園林排水措施[J].科技創業家，2013，1.

[6]徐進.淺析低沖擊開發（LID）模式[J].甘肅科技，2015，9：53-56.

[7]胡愛兵，任心欣，丁年，等.基于SWMM的某區域低影響開發設施布局與優化[C].海南海口.2014中國城市規劃年會.

[8]UACDC. LID Low Impact Development a design manual for urban areas[M]. State of Arkansas：UNIVERSITY OF ARKANSAS PRESS.

[9]宋奔奔，高成，寇傳和，等.基于SWMM的生物滯留池布置水文時空效應[J].水資源保護，2017，33（3）：25-30.

[10]郭晉偉，詹微昊.基于LID技術的綠色屋頂雨水回收技術推廣探討[J].城市建筑，2015，9：201-201.

[11]劉志剛.市政路面透水混凝土施工方法的探析[J].城市建設理論研究（電子版），2013，36.

[12]楠玎.海綿城市在風景園林設計中的應用[J].建筑工程技術與設計，2016，22：3125.