基于LID的SWMM模型在雨洪控制中的應用

梁 芊，楊艷娜，馮文凱，魏昌利

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，環境與土木工程學院，成都 610059；2.四川省地質調查院，成都 610081)

受城鎮化影響，城市建設改變了自然排水格局，河湖水系被侵占，城市下墊面以硬質鋪裝為主，產流量和匯流速度增加，雨洪調蓄能力降低。[1]目前，我國普遍采用的傳統開發理念是“以排為主”，單純的依靠修建雨水排水管道來解決城市雨水問題；未充分考慮雨水系統與生態系統維持、土地利用、地下水補充、雨洪控制利用、城市景觀美化和污染控制等方面的關系，遠不能適應現代新型雨水系統發展的要求。[2]為提高城市“彈性適應”環境變化與自然災害的能力[3]，20世紀末，美國提出低影響開發(LID)理念，LID即通過綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式，達到減少徑流量并減少雨水污染負荷的目的，使開發后城市的水文功能盡可能接近開發之前的狀況。[4]這一理念將城市規劃與自然景觀設計相結合，通過增加城市下墊面的透水性和布設雨水利用等措施，實現從源頭蓄水、滲水和凈水，以此來消除和減少城市內澇。

基于LID理念，我國于2014年提出了“海綿城市建設”的方案[5]，并迅速推廣。暴雨管理模型(SWMM)，是由美國環境保護(EPA)于1971年開發研究的一種動態的降雨-徑流模型，主要用于模擬城市某一單一降雨時間或長期的水量和水質變化[6-7]，可實現城市水資源管網的信息化[8]。近年來，不少學者對SWMM模型中的LID模塊進行了深入研究，利用SWMM模型評估了LID建設前后對研究區降雨徑流的調控效果[9-10]，反映出SWMM模型具有較好的適用性和準確性。也有不少學者利用SWMM模擬不同LID措施組合對城市徑流與洪峰削減的效果[11-15]，以提供最優的LID布設方案。例如，王雷等[16]用SWMM模型構建了華北某地區降雨徑流模型，模擬了5種LID措施布設組合的徑流控制效果，為該區域海綿城市建設提供依據。朱寒松[15]以重慶市渝北區花朝工業園為研究對象，分別設計單一及組合式LID控制方案，構建SWMM模型，模擬了不同設計方案對區域雨洪的控制效果。

在利用SWMM模型模擬LID措施對城市徑流調控效果時，往往忽略了前期降雨事件對模擬結果的影響，使得模擬結果與實際情況不符。在經歷了一系列降雨事件后，城市下墊面及LID措施的初始含水狀態發生改變，包括下墊面表層的洼地蓄水量、土壤平均含水量和LID措施內的滯水量。降雨降落到地表率先經過地表填洼而后發生產流，地表洼地對初期地表徑流的影響較大，但隨著雨強增大，該影響可忽略不計。[17]土壤含水量影響其相關物理力學性質[18]，諸多水文模擬已證實，土壤含水量尤指降雨前期含水量，是影響下滲過程與徑流形成的重要因素[19-20]；土壤的滲透性由其微觀結構特征決定，如孔隙率、孔隙連通等[21]；土壤下滲率隨含水量的升高而降低，從而影響徑流的產生[22]。LID措施內的初始滯水量影響后期雨水的存蓄能力，且內部土壤層的下滲能力受初期含水量影響。

以上不同區域尺度的研究模型在不同含水狀態對城市雨洪控制影響的方面鮮有涉及。因此，本文以四川遂寧河東新區體育中心為研究對象，基于研究區實測水文氣象資料及管網資料，構建體育中心尺度上的SWMM模型，模擬分析傳統開發模式和LID模式下不同初始含水狀態對徑流控制與峰值削減率的影響，以此來為西南地區海綿城市建設方案及管理運營提供技術支持。

1 研究區概況

1.1 研究區特征

遂寧市位于四川省東部四川盆地，屬揚子準地臺[23]。遂寧市河東新區位于涪江主要支流左岸，地貌表現為河谷沖積平壩地貌，上覆第四系沖積層為低粉性土粉[24]、粉-細砂含少量的砂卵礫石，下部為砂卵礫石層，基巖為上侏羅統遂寧組的粉砂質泥巖。河東新區靠河一側雖受河流沖刷，河床基底有所起伏，但總體上較為平坦。根據遂寧市氣象局提供的河東新區近10年的降水監測數據統計，河東新區多年平均降雨量約968.59 mm，各月份降雨量見圖1所示。其中不同顏色線段表示不同年份，根據2010-2017年各月份降雨量顯示，河東新區降雨多集中在5-9月。

圖1 遂寧市河東新區2010-2017年各月份降雨量Fig.1 Rainfall in Hedong new area of Suining city from 2010 to 2017

本研究區為遂寧河東新區市體育中心，該中心作為全國海綿城市建設試點工程項目，位于我國四川省遂寧市河東新區東南側，地理坐標為東經105°36′13.91″，北緯30°31′03.07″，總占地面積約0.18 km2.體育中心位置示意圖見圖2所示。研究區淺

圖2 遂寧市體育中心位置示意圖Fig.2 Location diagram of Suining Sports Center

層巖性組成為棕黃色砂質黏土夾礫石層，礫石成分以灰白色石英巖為主，磨圓度好，分選差，粒徑大小懸殊，改造前該層滲透性較低；下部為砂礫卵石層，礫石成分為花崗巖、石英巖、砂巖和灰巖等，磨圓度較好，粒徑呈3～10 cm，具有較好的滲透特性。該研究區潛水位埋深一般為3～7 m，但豐、枯期略有差異，一般變幅為1 m.

研究區地表硬化比例較高，體育中心的建設對道路下墊面干擾較大，具體表現為：具有較大比例的硬質鋪裝，未對徑流污染進行控制；屋面虹吸排水，雨水直排市政管道；綠地面積大，無雨水利用系統，綠化灌溉消耗大量自來水。

1.2 體育中心LID措施布設

該研究區LID措施主要有透水鋪裝、雨水花園和植草溝。根據下墊面狀況和LID措施分布，將研究區域劃分為房屋、道路、綠地、透水鋪裝、植草溝和雨水花園6種土地利用類型。研究區土地利用類型占地面積與占比見表1所示。

表1 土地利用類型及占比Table 1 Type and study area proportion of land use

透水鋪裝是一種集入滲—儲水—排水為一體的海綿城市構筑物，是指由多孔瀝青混合料、多孔水泥混合土、透水面磚等多孔隙材料鋪筑的路面。路面結構內采用強滲透性碎石或者蓄水模塊等作為存水媒介，并在媒介中做溢流處理，存水媒介下覆為原始土基。在體育中心騎行道位置設置透水鋪裝設施，集中消納大面積硬化場地的雨水徑流。小雨時可以通過滲透結構下滲，大雨時可以通過溢流管進入雨水管網，透水鋪裝流程圖見圖3所示。

圖3 體育中心透水鋪裝Fig.3 Permeable pavement of the sports center

當初始含水率較高時，透水鋪裝的鋪裝層和土壤內的空隙被前期降雨的雨水占據，無法為后來的降雨提供有效的存蓄空間和入滲能力，因此其產流量較大，入滲量較小，對透水鋪裝的效果有一定的不利影響，且蓄水層快速達到飽和，多余的雨水從溢流管流入市政管網，增大了城市管網壓力。

植草溝與雨水花園(圖4和圖5)作為常見的低影響開發措施，主要依靠重力流收集雨水，并通過截留、入滲、過濾和植物吸收等作用，達到雨水徑流削減和污染控制的目的。在體育中心道路沿線布置植草溝，植草溝末端與雨水收集管網銜接,用于將雨水徑流輸送和排放至雨水花園，在雨水花園的天然蓄水層—碎石層暫時儲存并緩慢下滲，雨水花園自身接納地表周邊雨水，通過下沉式綠地緩慢下滲至蓄水層，多余水量通過溢流管進入雨水管網。

圖4 體育中心植草溝Fig.4 Grassed swales of the sports center

圖5 體育中心雨水花園Fig.5 Rain gardens of the sports center

植草溝與雨水花園內部結構相似，分層填料由上至下分別為種植土層、碎石層和自然素土層，將土層視為固-液兩相介質。[25]雨水花園和植草溝滯留降雨徑流的空間主要是頂部20～35 cm的蓄水空間與內部及可貯存重力水和可排水空隙，在經歷前期降雨事件后，內部介質的含水量增大，雨水花園和植草溝頂部的蓄水空間減少，用來貯存雨水徑流的內部有效孔隙體積減小，此時LID措施的調蓄能力受到影響。

2 研究區SWMM模型建立

2.1 體育中心概化

研究區域總面積為0.18 km2，平均不透水面積為約75%。依據現場勘察及SWMM模型的應用要求，結合研究區域雨水管網資料，將研究區概化如下：共劃分子匯水區178個，設置雨水管線162條，檢查井節點175個，排放口11個，平面概化圖見圖6所示。

圖6 研究區SWMM模型平面概化圖Fig.6 Schematic diagram of SWMM model in study area

2.2 SWMM模型參數的取值及率定

SWMM模型運行所需參數可大致分為三類[26]：水文模塊參數、水力模塊參數和管網模塊參數，參數取值可分為實際測量的確定參數和通過率定的不確定參數。研究區匯水區面積、特征寬度、研究區坡度、不透水面積比例等可通過實測數據得到。管網資料來源于遂寧市河東新區管委會，降雨數據來源于河東新區體育中心氣象站實測降雨數據。類似透水區、不透水區洼地蓄水量、粗糙曼寧系數及下滲率等不確定參數，則需要經過參數率定方可使用。根據住房和城鄉建設部《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》對參數進行初步取值，并選擇河東體育中心2017年4月25日、2017年7月6日等兩場降雨對參數進行率定，以2018年5月22日暴雨進行驗證?？紤]研究區范圍較小，且坡度變化不大，各子匯水區的坡度按平均坡度1%取值，主要參數率定結果見表2所示。

表2 SWMM模型水文參數率定值Table 2 Hydrological parameter calibration of SWMM model

2.3 SWMM模型驗證

自2014年該體育中心建成之后，下墊面狀況幾乎無變化。選取納什效率系數法(ENS)和相關系數(R2)對在該研究區建立的模型參數進行率定，應用遺傳算法，選擇河東體育中心2017年4月25日、2017年7月6日等兩場降雨進行率定，以2018年5月22日暴雨進行驗證。ENS和R2的表達式為：

(1)

(2)

式中：Qsim為i時刻的流量模擬值；Qobs為i時刻的流量實測值；Qav為實測流量數據的平均值；Qavs為模擬量數據的平均值。

ENS和R2可反映模型模擬過程和實測過程的擬合程度，ENS與R2的值越接近1，說明模擬過程與實測過程的擬合程度越高。以ENS，R2≥0.5作為模型率定的最低標準，二者在0.65～0.75的模擬結果較好，0.75以上的模擬結果為非常好[27]。模型驗證結果見表3所示。

表3 SWMM模型驗證結果Table 3 Parameters calibration results of model of SWMM model

三場降雨的ENS和R2均大于0.7，顯示出較好的擬合度，可以認為該模型參數取值合理，可用于遂寧市體育中心城市雨水控制與利用的模擬計算。

3 SWMM模擬情景設置

3.1 設計暴雨

2016年遂寧市市氣象局編制了《遂寧市主城區暴雨強度公式報告》，本文根據遂寧市主城區暴雨強度公式分別推求重現期為1，2，5，10，20 a，降雨歷時2 h的設計暴雨，公式見式(3)；采用P&C法[28]設計暴雨雨型。根據實測降雨資料，遂寧市不同重現期設計暴雨過程見圖7所示。

圖7 不同重現期下設計降雨過程曲線Fig.7 Rainfall process curves at different recurrence interval

(3)

式中：i為t時間內的平均暴雨強度，mm/min；t為降水歷時，min；p為設計降雨重現期。

3.2 不同初始含水狀態及參數設定

體育中心表層土壤為砂壤土夾礫石，根據朱元駿[29]的研究，土壤中礫石的存在導致土壤水分飽和度增加。在遇到極端天氣時，密集暴雨過后，一定深度下的土壤水量飽和度可迅速達到100%，稱之為飽和狀態，此時地表洼地全部積水，LID設施如植草溝和雨水花園頂部的凹槽蓄滿水。若遇中小雨降雨事件，雨強較小且持續時間較短，則土壤緩慢達至半飽和，稱之為半飽和狀態，此時土壤水量飽和度為50%，LID設施中有部分滯水，下墊面與LID的下滲能力與蓄水空間減少。在初期無降雨事件干擾的情況下，地表洼地無積水，下墊面土壤初始水量飽和度為0，LID設施完全干燥無滯水，稱之為自然狀態。

傳統開發模式指未布設LID措施的徑流調控情況。根據遂寧市河東新區20年降雨資料、市體育中心下墊面與LID措施特性，分別設定天然狀態、水量半飽和狀態與水量飽和狀態等三種代表性初始含水狀態。自然狀態下下墊面與LID各項參數均按照規范與率定后的結果取值。根據薛凱喜等[30]的研究，飽和狀態下土壤的下滲能力為天然狀態的10%，土壤滲透率取自然狀態的0.1倍?？紤]研究區LID措施土壤層特性與該區域表層土壤相似，故LID措施內的土壤層下滲率也取自然狀態的0.1倍。半飽和狀態下土壤下滲能力為天然狀態下的50%，下墊面土壤與LID土壤層的滲透率取自然狀態的0.5倍。土壤穩定下滲率受初始含水率、土壤孔隙率及土壤中植被根系這三種因素影響。

模型主要參數值見表4和表5.

表4 不同初始含水狀態下模型下墊面主要參數設置Table 4 Calibration of the model parameters in different initial moisture states

表5 不同初始含水狀態下模型LID措施主要參數設置Table 5 Calibration of the LID parameters in different initial moisture states

4 結果與討論

通過模擬分析發現，在重現期分別為1，2，5，10，20年一遇的降雨條件下，較傳統開發模式，LID措施在三種狀態下的徑流控制效果更加顯著。由圖8可知，傳統開發模式在天然、半飽和與飽和初始條件下的徑流控制率分別為26%～47.5%，22%～38.1%，12.4%～26.7%；結果顯示LID徑流控制率分別為36%～76.3%，25.4%～56.8%，16.9%～38.1%.LID自然狀態下的徑流控制率最高，且隨著重現期由小增大，徑流控制率逐漸減小。

施加LID措施后在自然狀態、半飽和與飽和狀態不同重現期降雨條件下的徑流控制率削減率見圖9所示。對比傳統開發模式，LID的徑流控制率分別削減了6.5%～61%，3.2%～50.8%，2.1%～49.3%.隨降雨重現期增大，徑流控制削減率迅速降低，在降雨重現期為20年一遇時，削減率達到最小，低影響開發模式與傳統開發模式徑流控制率相差不大。當重現期較小時，降雨損失主要為地表填洼及地表入滲，此時地表產流較慢，土壤的下滲能力及LID設施前期累計儲水量對重現期較小的降雨條件影響較大；當重現期較大時，產流較快，此時徑流量主要受LID措施初始儲水量的控制，在自然狀態、半飽和與飽和狀態下LID措施下滲能力相差較大，但隨降雨總量增大，三者下滲能力逐漸趨于一致，徑流控制率差異逐漸減小。

傳統開發模式與LID在不同初始水量飽和度下各重現期徑流峰值控制率見圖10所示。LID整體較傳統開發模式的峰值流量較小，LID措施自然狀態、半飽和與飽和狀態在不同重現期降雨條件下徑流峰值分別為10.1～208.4，22.3～221.8，39.2～240.7 L/s.隨著前期土壤下滲能力的降低、LID初始蓄水量的增加，峰值流量逐漸增加；隨著重現期由小到大變化，所有狀態下的峰值流量逐漸增加，在降雨重現期為20 a時，峰值流量趨于一致，即各狀態對峰值流量的削減水平接近一致。

圖10 不同初始含水狀態下各重現期的峰值流量Fig.10 Peak flow in different initial moisture states and different recurrence interval

在低重現期降雨條件下，土壤的下滲能力與洼地蓄水起主要作用；在高重現期降雨條件下，LID措施的入滲起主要作用。隨著總降雨量增加，土壤處于半飽和或飽和狀態不能將降雨及時的消納，尤其是在暴雨狀態下，此時匯流量遠大于下滲量，徑流峰值量過大，表明LID措施對較低重現期降雨峰值控制效果比對高重現期效果要好。LID措施在半飽和或飽和狀態下的效果遠不如在自然狀態下的效果。

傳統開發模式與LID在不同初始含水狀態下5個重現期的徑流過程模擬見圖11所示。LID在各不同初始含水狀態下的峰值流量隨著降雨重現期的增大皆呈增大趨勢，徑流峰值削減率逐漸降低。在自然狀態、半飽和狀態與飽和狀態下的峰值削減率分別為10.8～58%，5.3%～28.6%，1.2%～25.3%.隨著重現期增大，LID飽和狀態下的峰現時間逐漸提前。

圖11 不同初始含水狀態下各重現期徑流過程Fig.11 Runoff process in different initial moisture conditions and different recurrence interval

高重現期降雨強度較大，雨水迅速匯流，飽和狀態下的LID措施中安裝有溢流井，LID措施土壤層與表面層的下滲與管網溢流同時存在于整個降雨過程；但由于飽和狀態下LID措施蓄水能力已達最大值，進入到LID措施中的雨水絕大部分經溢流井迅速流入市政管網排出，傳統模式飽和狀態的雨水則需穿越低滲透高阻力的下墊面后才可進入市政管網，因此，LID飽和狀態徑流過程增長較快，峰現時間較為提前。

5 結論

本文以四川省遂寧市河東新區體育中心為例，采用SWMM構建LID與傳統開發模式下的雨洪徑流模型，探討下墊面與LID措施在自然狀態、半飽和狀態與飽和狀態下對降雨徑流和峰值流量的削減作用。通過本文研究，得到以下結論。

1) 在三種初始含水狀態下，LID模式的徑流控制和峰值削減效果明顯優于傳統開發模式，但該優越性隨著重現期增大而降低。

2) LID模式同傳統開發模式下的三種含水狀態的徑流削減率為自然狀態>半飽和狀態>飽和狀態，峰值流量為自然狀態<半飽和狀態<飽和狀態，隨著降雨重現期的增加，三種狀態的徑流控制削減率與峰值削減率迅速減小。

3) 與傳統開發模式相比，在水量飽和的初始狀態下，LID模式達到峰值流量的時間較短，峰值較大，隨著重現期的增加，降雨強度不斷增強，峰現時間提前更加明顯，峰值流量更大。

致謝：感謝遂寧市國土資源局、遂寧市河東新區建設局、遂寧市海綿辦提供相關資料。