基于SWMM模型的LID設施的雨洪控制效果分析

李思祎，張建豐，李 濤，計寶鑫

(西安理工大學水利水電學院，西安 710048)

隨著高速的城市化，城市的不透水路面日益增加。近幾十年來，西安市城區內澇災害頻繁，城市內澇問題得到廣泛關注。如今，城市居民生產和生活中受內澇災害影響嚴重[1,2]。研究表明，暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)是目前研究較為深入，在國內外應用最為廣泛的降雨-徑流模擬模型[3]。SWMM模型已經更新至SWMM5.0版本，較之前增加了對低影響開發措施的支持，包括生物滯留池、連續多孔透水鋪裝路面、雨水桶、入滲池、植草溝5種措施。目前SWMM模型成為國內外最主要的低影響開發措施的計算模型之一[4]。

國內學者運用SWMM模型在城市防洪排澇方面做了大量深入的研究，如熊麗君等選取上海市中心城區，應用SWMM模型分析研究了該研究區域的降雨和產流特征，得出低影響開發措施對削減小雨量或低強度降雨下的徑流效果明顯，同時建立該地區徑流量與降雨因子的回歸方程，為該地區低影響開發方案提供參考[5]。柳浩林等運用SWMM模型分析兩種不同LID措施透水磚和下沉式綠地對降雨徑流過程的影響，得出LID措施對雨洪控制效果顯著[6]。目前，國內在應用SWMM模型研究模擬中還存在若干問題，模型參數選取、加設LID措施時照搬國外案例經驗不符合國內實情等[7]。

本文將準確的排水管網和下墊面微地形信息結合，劃分若干個降雨徑流匯水區分區?；赟WMM模型探求每一個獨立排水管網系統所在下墊面的降雨徑流特征規律和加設4種不同LID組合措施對雨洪的控制效果和規律。尤其針對城市化程度高，不透水率大的城區的防洪管理，提供改進建議。同時對西安市以及國內其他城市的雨水管理以及內澇防治工作提供一些理論參考與依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

以西安市南二環與環城南路之間、雁塔北路以西、長安北路以東為研究對象。該研究區域多年平均氣溫為13.3 ℃，在1月份氣溫最低，平均在-0.5～1.3 ℃，8月氣溫最高，平均氣溫為26.4～26.9 ℃。多年平均降雨量629.9 mm，7-10月的降水占全年降水量的55.9%。該區域降雨時空分布不均，夏季容易出現暴雨天氣，因此加重了城市內澇發生的頻率。

該區域建筑基本建于20世紀八九十年代，城市化水平高，建筑屋面面積占該區域總面積41.8%，不透水路面占該區域面積44.8%，不透水率高達86.6%，排水系統相對較老，極易造成城市內澇災害，是西安市內澇頻發的區域之一。研究區域面積211.25 hm2，區域大體地勢是西北高，東南低，該雨水管網系統沿文藝路截流建設路、友誼路、建西街等管道系統的雨水，最終排入護城河。

1.2 研究區域概化

根據西安市最新的排水管網分布圖，對子匯水區進行劃分，首先根據研究區域雨水管網圖以及雨水井的位置，對研究區域的主干道進行劃分。其次根據該區域的土地利用類型圖、數字高程圖，對已經粗略劃分好的子匯水區進行詳細的劃分。這樣可以盡量減小模型模擬的誤差，使得劃分好的每一個子匯水區域真實的降雨徑流過程與模型模擬的降雨徑流過程保持相似。如圖1所示，劃分結果為：共22個子匯水區，28個匯水節點，27段排水管道和1個排水總出口，圖中每個黑點代表一個子匯水區中心。

圖1 子匯水區劃分與排水管網圖Fig.1 Sub-catchment area division and drainage pipe network diagram

1.3 模型參數確定

1.3.1 子匯水區特征參數的選取

通過西安市地形圖，提取需要輸入模型中各子匯水區的具體參數，如表1所示。

1.3.2 水力參數選取

根據模型的用戶手冊和相關文獻[8,9]中，提供的模型參數的選取辦法，如表2所示，對水力參數進行選取。

1.3.3 模型驗證

對上述選取的水力參數，需要進行校驗，但在本研究中，研究區域屬于繁華的城市街道，并且排放口的位置處于地下數十米，現狀排放口處的實際流量過程線不易測得。所以，采用一種無實測資料的模型驗證方法，具體方法是參照實際的下墊面的情況，依據《室外排水設計規范》對不同下墊面的徑流參數進行取值。再計算不同下墊面的面積占研究區域總面積的面積權重，計算得到該區域的實際綜合徑流系數。最后通過模型模擬確定的徑流系數與實際綜合徑流系數進行比較，檢驗模型的誤差。表3是不同下墊面徑流系數取值范圍表。表4是城市地區不同區域的綜合徑流系數取值范圍表。

表1 研究區域基本特征參數表Tab.1 Table of characteristic parameters of sub-catchment area

表2 SWMM模型中主要水力參數取值范圍表Tab.2 The value range of main hydraulic parameters in SWMM model is shown in table

表3 不同下墊面徑流系數取值范圍表Tab.3 A variety of underlying surface runoff coefficient value table

表4 不同城市區域綜合徑流系數取值范圍表Tab.4 Urban area comprehensive runoff coefficient values range table

因為研究區域屬于西安市二環以內的老城區，該區域中底層建筑較多，城市化程度高，屬于城市建筑密集區。所以依據表4所示，綜合徑流系數在0.6～0.85之間，結合不同的下墊面類型，不透水路面徑流系數、綠地徑流系數、徑流系數分別選取0.9、0.1、0.9。 表5所示是實際綜合徑流系數加權計算結果。

表5 實際綜合徑流系數計算表Tab.5 Comprehensive runoff coefficient calculation table

SWMM模型模擬采用兩個不同降雨重現期1年一遇和2年一遇，運用SWMM模型進行模擬確定徑流系數，計算結果如表6所示。

表6 模擬徑流系數與計算綜合徑流系數對比表Tab.6 Simulate runoff coefficient and runoff coefficient calculation comprehensive contrast table

如表6所示，在1年一遇(P=1)條件下模擬徑流系數為0.791與實際綜合徑流系數0.793差異不大。為了判別在2年一遇(P=2)條件下的差異性，引入模擬綜合徑流系數與實際綜合徑流系數的變異系數CV(ψ)。如果變異系數小于5%，則證明變異性小。

(1)

經公式(1)計算，變異系數為3.3%，由于徑流系數是一個變量，會隨著降雨重現期的增大而增大。又因為此次模擬的降雨徑流系數的變異系數小于5%，基本判斷出在2年一遇的強度降雨下模擬得到的降雨徑流系數變異性小。所以SWMM模型可以準確的模擬研究區域的實際情況，可以用于下述的情景模擬。

1.4 模擬情景設計

1.4.1 設計雨型和雨量

城市暴雨雨型設計的方法主要有芝加哥法、Pilgrim&Cordery 法、Huff法[10]等。國內的水文手冊和室外排水設計規范的設計暴雨公式一般都采用芝加哥法[11]。根據《西安市水文手冊》和西安市多年的暴雨資料確定設計暴雨公式如下：

<20年)

(2)

(3)

式中：i為暴雨強度，mm/min；N為設計重現期，a；t為設計暴雨歷時，min。

不同重現期設計降雨過程線如圖2所示，取降雨歷時取120 min，雨峰系數r=0.4，設計4種不同降雨重現期為1年一遇、2年一遇、5年一遇、10年一遇。

圖2 不同降雨強度下降雨過程線Fig.2 Design different frequency rainfall process line

1.4.2 設計不同雨峰系數下降雨過程線

通過公式(4)、(5)可知，雨峰系數r(峰值時間與降雨歷時的比值)是芝加哥雨型的唯一參數。所以通過公式可得到隨著降雨歷時變化的設計降雨過程線。

(4)

(5)

式中：i前為峰前時間的雨強，mm/min；i后為峰后時間的雨強，mm/min；tb為峰前時間，min；ta為峰后時間，min；r為峰值系數；a,b,c為地方參數。

如圖3所示是設計重現期P=1年時，雨峰系數r=0.3、0.4、0.5、0.6、0.7的設計降雨過程線。

圖3 P=1設計不同雨峰系數下降雨過程線Fig.3 Design frequency P=1 different rainfall peak rainfall process line

1.4.3 不同LID措施設置

情景設計選取在海綿城市建設中應用較為廣泛的LID設施：透水鋪裝路面和綠色屋頂[12,13]。由于考慮到研究區域為不透水面積較大的老城區，透水路面改造率有限并且有一定的改造難度，所以結合實際的下墊面情況，在設計不同LID措施情景中，保持透水路面面積不變，設計為15%透水鋪裝路面，15%是指透水路面面積占總道路面積為15%。建筑屋頂由于易于改造，根據不同屋頂的改造率設計以下4種情景。其中25%、50%、75%綠色屋頂是指綠色屋頂占總建筑屋頂面積為25%、50%、75%。加裝不同類型LID措施的情景設計如表7所示。

表7 不同情景設計表Tab.7 Design tables for different scenarios

2 結果與分析

2.1 現狀條件下降雨徑流過程模擬

2.1.1 不同設計雨峰系數條件下降雨徑流過程

圖4和表8分別是不同雨峰系數下排放口處流量過程線和不同雨峰系數下水文特征值表。

圖4 不同雨峰系數條件下流量過程線Fig.4 Flow process line under different rain-peak coefficients

雨峰系數洪水總量/萬m3洪峰值/(m3·s-1)峰值時間/min徑流系數r=0.33.592 36.429510.792r=0.43.593 26.951610.791r=0.53.598 37.148710.790r=0.63.589 97.316820.791

從圖4和表8可以看出：隨著雨峰系數的增大，對于排放口產生的洪量和下墊面的徑流系數基本沒有發生變化。是因為在相同的下墊面類型和固定的設計降雨量，洪量和徑流系數是不發生變化的。但當雨峰系數每增加0.1，洪峰出現的時間推遲10 min左右。并且洪峰流量也隨之增大，當r=0.3時，Q=6.429 m3/s；r=0.6時，Q=7.316 m3/s，洪峰流量增大13.8%。根據排水管網的實際情況和模型運行的過程分析可知，在降雨初期時排水管道存在大量空間，能有效排走雨峰值出現越早的雨量，所以此時的洪峰流量值越小。但當雨峰值出現較晚，雨水管網的空間較小，導致洪峰流量增大，使得管道負荷增大。所以也可以看出在雨水管網設計時，城市的雨峰系數選取是不可忽視的。

2.1.2 不同設計降雨強度下降雨徑流過程

圖5以雨峰系數r=0.4設計P=1、P=2、P=5、P=10 四個不同重現期排放口流量過程線。表9是不同設計降雨強度下降雨徑流過程中水文特征值表。

圖5 不同降雨強度流量過程線Fig.5 Different rainfall intensity flow process line

重現期/a洪水總量/萬m3峰值時間/min徑流系數P=13.654 8600.774P=25.878 0540.803P=57.706 1500.834P=109.867 5480.861

從圖5和表9可以看出：在降雨重現期P=2年時的洪峰出現時間比P=1年時提前6 min；P=5年時的洪峰出現時間比P=2年時提前4 min；P=10年時的洪峰出現時間比P=5年時提前2 min。得出隨著降雨強度的增大，洪峰出現時間會提前，但洪峰出現時間的速度會變緩。根據對市政管網建設分析可知，雨水管網的設計規范采用的是一年一遇的設計標準，當降雨強度增大時會導致一定程度的管網滿流溢流。當降雨重現期P=1、2、5、10年時流域出口產生的洪水總量分別為3.654 8、5.878 0、7.706 1、9.867 5 萬m3，徑流系數在分別為0.774、0.803、0.834、0.861。是因為降雨強度的增大，排放口管道滿流的時間會提前，持續時間變長，不能持續排走雨水，導致洪量值增大。管道滿流時間增長，城市區域內澇積水時間越長，模擬的規律與城市區域實際內澇中特點基本一致。

2.2 不同情景下降雨徑流過程模擬

2.2.1 不同情景下降雨徑流過程

根據上述模擬情景設計，運用SWMM模型模擬現狀條件下和不同情境下研究區域的降雨徑流過程。圖6為設計降雨重現期P=1的情況下研究區域排放口的流量過程線。表10是不同情景下排放口所對應的水文特征值。

從圖6和表10可以看出：加裝LID措施，明顯有減少洪水流量，減小洪峰值，推遲洪峰出現時間的效果。加設不同LID措施較現狀條件下洪量分別削減5.4%、17.7%、26.8%、36.6%，洪峰分別削減2.0%、12.4%、17.7%、28.5%。表明隨著LID布設面積比例的增加，排放口洪峰、洪量大幅下降，洪水歷時縮短，洪峰向后延遲。從相關文獻中，模擬的結果可以得到驗證，王書敏等[14]對綠色屋頂對城市區域降雨徑流量模擬，得出相對于未加裝綠色屋頂，綠色屋頂的綠化率達到100%，50%時研究區域峰值徑流量分別降低了5.3%和1.8%。表明綠色屋頂可以儲蓄洪水、削減洪峰，有利于緩解城市內澇。

圖6 不同情景下P=1的排放口流量過程線Fig.6 The discharge outlet flow process line in different scenarios with the recurrence period P=1

情景設計洪量/萬m3洪量削減率/%洪峰/(m3·s-1)洪峰削減率/%洪峰時間/min洪峰推遲時間/min現狀3.654 807.010580情景13.458 15.46.872.0602情景23.006 917.76.1412.4624情景32.675 426.85.7717.7646情景42.317 636.65.0128.5668

2.2.2 加設LID措施在不同設計降雨重現期下降雨徑流過程

為了研究在不同設計降雨重現期，現狀條件和加裝LID措施的降雨徑流規律，選取LID布設情景4在P=1、P=2、P=5、P=10四個降雨重現期下的流量過程線如圖7所示，不同降雨強度下洪量削減對比表如表11所示。

圖7 不同設計降雨強度下排放口處流量過程線Fig.7 Discharge process line at discharge outlet under different design rainfall intensity

從圖7和表11可以看出：隨著設計降雨強度的增大，洪水流量和洪峰值逐漸增大，洪峰出現的時間提前，徑流過程歷時增加。洪量值與現狀條件相比，在重現期 1、2、5、10年時洪量削減量分別為1.337 2、1.862 9、2.352 4、2.211 1 萬m3，洪量衰減率分別為 36.6%，33.7%，29.2%，22.7%，可以看出洪水總量的削減量逐漸增加，但是s洪量的削減幅度減小。表明隨著降雨強度的增加，雨洪削減的效果減小。從相關文獻中，上述的研究規律可以從印證：翟丹丹等[15]北方典型城市的設計降雨對綠色屋頂裝置進行模擬降雨試驗，發現在設計降雨重現期在3年一遇時，加裝綠色屋頂措施對降雨徑流的削減效果稍高于重現期為5年的。兩者均在29.0%～33.1% 之間。說明綠色屋頂蓄水容量是有限，隨著雨量的增大，對洪峰洪量削減效果越不明顯。

表11 不同降雨強度下洪量削減對比表Tab.11 Comparison table of flood reduction under different rainfall intensity

同時，從圖7排放口流量過程線可以看出，加裝LID措施導致洪峰出現的時間有提前的趨勢。所以進行進一步的探究，以1 min為模擬時間步長，模擬不同重現期下現狀條件下和情景4的降雨徑流過程。分析在不同降雨強度的不同情景下，洪峰出現時間和推遲時間，如表12所示。

表12 不同降雨強度下洪峰推遲時間對比表Tab.12 Comparison table of flood peak delay time under different rainfall intensities

從表12可以得到以下結論：在相同降雨強度下，加裝LID措施明顯能推遲洪峰出現時間，有滯洪錯峰的效果。在重現期 1、2、5、10 時洪峰推遲時間分別為7、6、4、3 min，隨著降雨強度增大，滯洪錯峰的效果明顯減弱。

3 結 語

近年來，隨著城市化的發展，城市不透水面積激增，內澇頻繁發生。為了解決面臨的難題，提出了海綿城市理念。針對改造困難的老城區，運用低影響開發理念，改善老城區排水系統現狀，從而有效控制降雨徑流過程。本文基于城市雨洪模擬技術方法，運用SWMM模型對獨立排水區域的現狀條件下和加裝LID措施的雨洪過程進行模擬和分析，得到以下結論：

(1)雨峰位置的不同，排水管網的洪峰值變化較大。所以在城市管道設計中，準確的得到雨峰系數，對雨水管道設計標準的選取有較大的參考價值。

(2)加裝LID措施，能有效改善內澇現象。隨著布設LID措施的面積比例增加，排放口處洪量、洪峰值大幅度減小，洪峰出現的時間延后，洪水歷時縮短。

(3)加裝LID措施，滯洪錯峰效果明顯，但是隨著降雨強度的增大，LID措施對削減雨洪效果明顯減弱。