基于SWMM模型的城市工業(yè)園區(qū)低影響開(kāi)發(fā)效果模擬與評(píng)估

朱寒松，董增川，曲兆松，金 鑫，紀(jì)紅軍2,，陳 蓉

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.南京思孚泰科信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210098；3.北京尚水信息技術(shù)股份有限公司，北京 100084)

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城區(qū)的下墊面條件發(fā)生了很大的變化[1]。硬化的下墊面導(dǎo)致洪水流速加快、匯流時(shí)間縮短，引發(fā)了城市內(nèi)澇、城市水環(huán)境污染等一系列問(wèn)題[2]。傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)和灰色基礎(chǔ)措施難以從根本上解決新形勢(shì)下城市雨洪控制問(wèn)題，基于低影響開(kāi)發(fā)(low impact development，LID)理念[3]的城市雨水利用能夠從源頭滯水、滲水、蓄水、凈水等方面緩解地表徑流壓力[4]，彌補(bǔ)傳統(tǒng)排水措施的不足。作為一種可持續(xù)城市雨洪控制方法，LID技術(shù)通過(guò)模擬自然狀態(tài)下的水文條件，運(yùn)用源頭控制的理念，采用小型、分散以及低成本的雨水利用及消納措施，對(duì)城市雨水進(jìn)行有效控制與高效利用[5-6]。為了優(yōu)化LID布局，Xu等[7]采用基于邊際成本的貪婪策略對(duì)LID布置進(jìn)行優(yōu)化。Mooers等[8]在研究LID措施對(duì)于含水層補(bǔ)給的影響中，采用耦合雨洪管理模型與地下水模型的方法進(jìn)行模擬分析，認(rèn)為布置LID措施有助于恢復(fù)含水層補(bǔ)給條件。

目前，對(duì)于LID單項(xiàng)措施的研究已相對(duì)成熟，但是綜合布設(shè)LID措施時(shí)，不同措施之間效果的相互影響尚不清晰[9]。重慶市渝北區(qū)花朝工業(yè)園土地利用類型較多，有工廠、商業(yè)樓、停車場(chǎng)、道路、綠地等，可布置較多種類的LID措施。本文選擇該區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究不同LID單項(xiàng)措施布設(shè)與綜合布設(shè)情況下徑流系數(shù)與洪峰流量的削減效果，并研究綜合布設(shè)方案的削減效果與單項(xiàng)措施布設(shè)效果和值之間的關(guān)系，以期為城市雨水控制與利用規(guī)劃提供參考。

1 SWMM模型與LID措施介紹

SWMM模型是由美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)署開(kāi)發(fā)的一種用于雨水資源管理的數(shù)值模型[10]，由4個(gè)計(jì)算模塊(徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)充輸送模塊和存儲(chǔ)/處理模塊)和1個(gè)服務(wù)模塊組成[11]。其主要功能包括：地表徑流和管道徑流量計(jì)算、降雨徑流過(guò)程模擬、城市地表徑流污染產(chǎn)生和擴(kuò)散的模擬以及自然排水系統(tǒng)和管網(wǎng)的水質(zhì)模擬[12-13]，主要應(yīng)用于中、小尺度下的雨水管理系統(tǒng)的構(gòu)建[14]。模型的LID控制模塊可分為5類：①生物滯留網(wǎng)格，包括雨水花園、綠色屋頂?shù)龋虎谟晖埃虎蹪B渠；④草洼；⑤連續(xù)多孔路面系統(tǒng)[15]。最新版的SWMM模型不僅能夠模擬LID措施布置，校正模型也更容易[16]。

研究區(qū)域的LID布置主要分為兩種方式：①子集水區(qū)層面。將模型概化成若干個(gè)子集水區(qū)，在子集水區(qū)直接布置一種或多種不同類型的LID措施，通過(guò)預(yù)先設(shè)定LID的所占面積、控制面積以及各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)LID的具體布置。這種方式多適用于較大區(qū)域的LID模擬。②場(chǎng)地層面。添加一個(gè)由單一LID構(gòu)成的子集水區(qū)，通過(guò)控制該子集水區(qū)的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)LID控制。這種方式適合較小區(qū)域的LID模擬[17]。本文研究區(qū)域面積較大，選擇第一種子集水區(qū)層面布置LID措施。

2 模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)概況

重慶市渝北區(qū)花朝工業(yè)園地處東經(jīng)106°31′49″～106°33′1″、北緯29°41′55″～29°42′39″，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)顯著，常年平均降雨量1 100 mm。研究區(qū)域占地總面積108.95 hm2，其中不透水區(qū)域面積65.37 hm2，占總面積的60%，由屋頂、停車場(chǎng)、不透水道路組成；透水面積43.58 hm2，占總面積的40%，由普通綠地組成。區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀用地情況見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)狀用地情況

利用研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)使用ArcGIS軟件的水文分析功能，進(jìn)行研究區(qū)域的概化。根據(jù)研究區(qū)域的管網(wǎng)資料，沿著管網(wǎng)走向、建筑物和街道分布，依據(jù)屋頂、不透水路面、停車場(chǎng)概化為不透水面，普通綠地概化為透水面的原則，將整個(gè)研究區(qū)域分為16個(gè)子集水區(qū)、108個(gè)節(jié)點(diǎn)、103條管道、2個(gè)排水口。具體概化圖見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)域概化圖

2.2 模型參數(shù)選取

2.2.1 暴雨強(qiáng)度計(jì)算

暴雨是產(chǎn)生城市內(nèi)澇的主要原因，除了雨量、雨強(qiáng)等影響因素外，雨型對(duì)內(nèi)澇也有重要影響。目前人們研究出的雨型主要有芝加哥雨型、P&C雨型、Huff雨型等。2017年重慶市市政設(shè)計(jì)研究院和重慶市氣候中心聯(lián)合編制了《重慶市暴雨強(qiáng)度修訂公式與設(shè)計(jì)暴雨雨型》。本文選取重慶市渝北區(qū)暴雨強(qiáng)度公式(式(1))分別推求重現(xiàn)期為2 a、10 a、100 a時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，并利用主城區(qū)3 h設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程推求t=3 h、時(shí)間間隔為5 min的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線。不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)降水過(guò)程線見(jiàn)圖3。

(1)

式中：q為t時(shí)間內(nèi)的平均暴雨強(qiáng)度；t為降水歷時(shí)；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。

圖3 設(shè)計(jì)降水過(guò)程線

2.2.2 SWMM模型參數(shù)選擇

根據(jù)研究區(qū)域子集水區(qū)的面積大小、寬度、平均坡度、管道相關(guān)參數(shù)、區(qū)域不透水面積比例等參數(shù)，通過(guò)GIS軟件的統(tǒng)計(jì)功能、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料以及當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)資料來(lái)確定SWMM模型參數(shù)。降水入滲過(guò)程采用SCS模型進(jìn)行模擬，CN值取76。地表徑流的匯流計(jì)算采用非線性水庫(kù)法，模擬排水系統(tǒng)流量演算的模型使用動(dòng)力波模型。模型參數(shù)的初始值主要依據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和模型使用手冊(cè)中的推薦值[18]，不透水面曼寧系數(shù)為0.01，透水面曼寧系數(shù)為0.1，不滲透性洼地蓄水深度和滲透性洼地蓄水深度均為0.05 mm。采用2018年5月11日、20日的兩場(chǎng)實(shí)測(cè)降水徑流過(guò)程進(jìn)行模型參數(shù)率定，采用2018年5月31日的實(shí)測(cè)降水徑流過(guò)程進(jìn)行模型驗(yàn)證。模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)模擬水位過(guò)程與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)水位過(guò)程基本一致，可以認(rèn)為模型參數(shù)選擇合適，能夠用于該區(qū)域城市雨水控制與利用模擬計(jì)算。

圖4 模型驗(yàn)證結(jié)果

2.2.3 LID措施選擇

研究區(qū)域的土地利用類型主要有屋頂、不透水道路、停車場(chǎng)和普通綠地等。根據(jù)實(shí)際情況，選擇使用生物滯留池、綠色屋頂、滲透性路面3種LID措施。與地面徑流的雨水相比較，屋頂?shù)挠晁|(zhì)較好、水量較大、收集利用方便、利用價(jià)值較高，綠色屋頂利用屋頂平臺(tái)收集到的雨水種植植物，擴(kuò)大城市綠色空間，可以減少雨水資源的流失、改善屋頂雨水的水質(zhì)。滲透性路面多用于廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、人行道等道路，通過(guò)高透材料將路面雨水滲透到路基或周圍土壤中存儲(chǔ)，可有效緩解城市排水壓力。生物滯留池通過(guò)暫時(shí)性的滯留、存儲(chǔ)雨水，借助于植物等的過(guò)流作用和土壤特性凈化雨水，實(shí)現(xiàn)雨水的延緩與過(guò)濾，減少地表徑流的同時(shí)還能美化環(huán)境。

3 結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)模式模擬結(jié)果

將不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降水過(guò)程線輸入構(gòu)建的SWMM模型中，得到傳統(tǒng)模式下的區(qū)域徑流過(guò)程，見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)模式下模擬結(jié)果

由表1可見(jiàn)，傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式下，區(qū)域的徑流控制率較低，形成的徑流量較大，且隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率呈減小的趨勢(shì)。這是由于降水量隨著重現(xiàn)期的增大而增加，城市的下墊面硬化造成不透水率較大，較大面積的不透水表面使得雨水無(wú)法及時(shí)下滲，進(jìn)而產(chǎn)生較大的地表徑流，傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)難以較快的排放地表徑流，從而增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 LID布置模擬結(jié)果

本研究的LID措施選擇了綠色屋頂、生物滯留池和滲透性鋪裝。綠色屋頂主要布置在工廠、商業(yè)樓等的樓頂上，布設(shè)面積是研究區(qū)域內(nèi)由屋頂概化而來(lái)的不透水面面積。生物滯留池主要通過(guò)改造普通綠地進(jìn)行布置，將現(xiàn)有綠地的一部分改造為生物滯留池。根據(jù)500 m2的生物滯留池控制5 000 m2區(qū)域徑流的原則，將研究區(qū)內(nèi)綠地面積的5%布設(shè)為生物滯留池。滲透性鋪裝主要布置在停車場(chǎng)內(nèi)，布設(shè)面積是研究區(qū)域內(nèi)由停車場(chǎng)概化而來(lái)的不透水面面積。模擬不同重現(xiàn)期下3種LID措施單獨(dú)布設(shè)與組合布設(shè)時(shí)的徑流系數(shù)與洪峰流量，模擬結(jié)果見(jiàn)表2。考慮組合布設(shè)和單獨(dú)布設(shè)對(duì)區(qū)域徑流的影響，計(jì)算進(jìn)行LID布置后相對(duì)于傳統(tǒng)模式下的徑流削減率與洪峰削減率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 LID布置前后的徑流系數(shù)和洪峰流量

表3 LID布置后徑流系數(shù)和洪峰流量消減率

由表3可知，在重現(xiàn)期為2 a的情況時(shí)，滲透性鋪裝的徑流削減率達(dá)到32.59%，削減效果優(yōu)于生物滯留池的9.29%以及綠色屋頂?shù)?.53%。滲透性鋪裝的洪峰削減效果最好，達(dá)到43.95%，優(yōu)于生物滯留池的11.61%以及綠色屋頂?shù)?2.69%。生物滯留池的徑流削減效果與洪峰削減效果均比較差，認(rèn)為與其布設(shè)面積較小、控制面積過(guò)大有關(guān)。綠色屋頂?shù)膹搅骺刂坡蔬^(guò)低，認(rèn)為與屋頂植被層較薄、蓄水層較小有關(guān)。組合式方案的徑流削減率達(dá)到46.34%，削減效果優(yōu)于3種LID措施單獨(dú)布設(shè)，且組合式方案的洪峰削減率達(dá)到72.4%，削減效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)布設(shè)。各個(gè)方案的徑流削減效果與洪峰削減效果均隨重現(xiàn)期的增大而減小。

為了研究組合式布設(shè)與單獨(dú)布設(shè)之間的影響關(guān)系，計(jì)算組合式布設(shè)方案削減率與3種單獨(dú)布設(shè)削減率和值的比值。在重現(xiàn)期分別為2 a、10 a、100 a的情況，組合式方案的徑流削減率與單一方案徑流削減率和值的比值分別為1.020 2、1.027 3、1.031 4，組合式方案的洪峰削減率與單一方案和值的比值分別為0.820 3、0.800 2、0.791 4。組合式方案的徑流削減率大于3種單項(xiàng)措施徑流削減率的和值，組合式方案的洪峰削減率小于3種單項(xiàng)措施洪峰削減率的和值。隨著重現(xiàn)期的增加，徑流削減率的比值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明這3種措施組合的徑流控制效果要優(yōu)于單一措施，相互之間產(chǎn)生正影響。組合式方案能夠更好地發(fā)揮LID措施的攔蓄、滯留作用，延長(zhǎng)徑流到達(dá)出口斷面的時(shí)間，使徑流受到的控制效果大于單獨(dú)布設(shè)的和值。洪峰削減率的比值隨重現(xiàn)期增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，按照組合式方案布置時(shí)，這3種措施組合的洪峰削減效果低于和值，說(shuō)明3種措施之間相互產(chǎn)生負(fù)影響，且隨著重現(xiàn)期的增大，負(fù)影響也隨之增大。洪峰流量大、持續(xù)時(shí)間短，短歷時(shí)高強(qiáng)度的過(guò)程使得LID措施無(wú)法完全發(fā)揮滯留作用，導(dǎo)致組合式方案的洪峰削減效果小于單獨(dú)布設(shè)的和值。

4 結(jié) 論

a. 基于SWMM模型，選擇生物滯留池、綠色屋頂、滲透性鋪裝3種不同的LID措施，模擬重慶市花朝工業(yè)園區(qū)在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式與LID模式下的徑流過(guò)程。研究表明，LID措施能夠有效削減徑流，削減洪峰，但削減效果隨著重現(xiàn)期的增大而減小。

b. 組合式方案的徑流削減率達(dá)到46.34%，洪峰削減率達(dá)到72.4%，削減效果優(yōu)于3種LID措施單獨(dú)布設(shè)。

c. 組合式方案的徑流控制效果優(yōu)于單一方案的和值，表明3種LID措施彼此間相互產(chǎn)生正影響。組合式方案的洪峰削減效果低于單一方案的和值，表明3種LID措施彼此間相互產(chǎn)生負(fù)影響。