基于SWMM模型與低影響開發模式的濱水地區內澇防控方案
——以廈門市杏林灣選區為例

丁鍶湲

曾 堅*

政府在十八大全會中提出大力推進生態文明建設，將海綿城市規劃作為實現“精明增長”的生態化手段[1]。以綠色-生態-安全作為海綿城市建設原則，依據低影響的綠色經濟倡導方式，緩解由于大規模建設而引發的城市內澇問題，以此提升城市應對內澇災害的韌性能力。

暴雨管理模型(SWMM)是1971年美國在研究暴雨最佳管理措施(BMPs)時提出的。期間國外學者先后開發了STORM模型(美國，1976)、MOUSE模型(丹麥，1984)和Infoworks CS(英國，1997)等雨洪管理模型，相較之下，SWMM模型通用性強，具備構建不同尺度單元水文、水力一維模型的能力。1990年美國提出低影響開發思路(LID)并結合SWMM模型設計出具有一定穩定性的兼容計算模塊，通過水文產流過程有效利用綠色基礎設施減小徑流。在中國的早期研究中，岑國平[2]研制的雨水管道計算模型SSCM帶動了我國雨洪管理的發展；徐向陽[3]將SWMM模型正式引入天津市洪澇災害產流量的計算中。隨后基于SWMM模型評測的LID應用案例在全國開展，但多聚焦于一維數理運算的方案對比，較少關注優化的方案在二維平面上的呈現，忽視了方案與規劃設計的聯系，以及具體匯水分區的落位和實踐應用效果。我國于2002年正式提出海綿城市的低影響開發理念(LID)，2013年習總書記在《中央城鎮化工作會議》中提出建設“自然積存、自然滲透的海綿城市”理念，我國開始關注并完善雨洪管理規劃。2014年住房和城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南》，加強了對雨洪管理工作的指導。隨后2015年出臺《海綿城市建設績效評價方法》，并建立了廈門等海綿城市示范點。

圖1 集美區杏林灣研究區土地利用規劃(引自《廈門市城市總體規劃》)

1 研究對象與模型構建

選擇海綿城市試點的廈門杏林灣選區作為研究對象。杏林灣選區為濱海地區且位于廈門市建設新區，因此具有一定的示范作用。選區面積3 507hm2(圖1)，范圍內公共服務設施、商業服務設施、居住區和市政設施的用地比例約為15:10:20:1。同時，本研究根據土地利用規劃圖中的土地利用類型和分布情況確定透水率的曼寧系數。

1.1 集水區劃分

研究區域的匯水區劃分是按照排水流域的實際情況，將地表匯流量合理分配到相對應的排水管網檢查井。根據土地利用類型、面積和其對應的下墊面性質進行匯水分區，將杏林灣研究區劃分為60個匯水分區，結合用地性質確定相應匯水分區的不透水率。利用GIS對研究區域高程做出坡度分析(圖2)，結合選取的坡度情況，計算出每個匯水區的地面坡度，控制合理的坡向、坡率，并在管線概化時按照管線現狀布設準確的對接節點[4]。

1.2 管網概化

根據管網的空間拓撲關系[5]，梳理城市排水管網系統。采用GIS技術對每個地塊的管網長度、管徑和檢查井等信息進行分析與提取，目的在于優化和提煉現狀管網結構，以便將管網數據輸入SWMM模型中進行下一步運算。遵循拓撲關系檢查概化的管線(圖2)可知，杏林灣研究區雨水排水管道總長10.41km，共有管道22個，節點(J)55個，出水口(PFK)16個。其中，所涉及的管網與節點數據包括入水口節點、出水口節點、管線長度、管道的慢性系數、節點的相對高程、最大深度，以及不確定參數等。

1.3 暴雨強度

通過暴雨強度公式計算廈門暴雨情況，參考芝加哥雨型降雨參數，選用廈門市最新優化的暴雨強度公式(短歷時暴雨類型)進行計算，降雨歷時t=2h，雨峰系數r=0.4，降雨時間間隔選為5min，則廈門暴雨強度公式為：

式中，q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時，min；P為設計重現期，a。

1.4 參數確定

利用SWMM模擬降雨過程中的地表產流量，計算雨水經過各匯水分區時的下滲能力與產流情況。結合廈門市選區地塊特征，通過大量數據積累，以及與相關研究部門多次探討之后，依據廈門水文模型手冊確定相關參數[6](表1)。

表1 SWMM模型主要參數及取值方法

圖3 2年一遇情景下SWMM徑流-排放量分析

圖4 2年一遇情景下積水時長超過20min節點的時間-徑流走勢

圖5 2年一遇情景下選區內澇易發地及節點積水時長分布

圖6 5年一遇情景下SWMM徑流-排放量分析

圖7 5年一遇情景下積水時長超過35min節點的時間-徑流走勢

圖8 5年一遇情景下選區內澇易發地及節點積水時長分布

2 基于SWMM模型技術的現狀徑流模擬

2.1 2年一遇降雨情景

重現期為2年一遇時，以短時降雨持續時間2h為單位，研究區累計降雨量為57.60mm。運用模型得到選區徑流-排放量走勢(圖3)，可知當系統出排量小于徑流量時，區域為內澇易發時段，可能出現內澇隱患。提取內澇積水20min以上的節點進行局部分析，積水20min時節點J31～J33出現外溢現象，同時提取對應節點的積水小時數、最大積水小時和最大速率數據可得：3個節點的排放速率較小，可能受到地形坡度、管道管徑和用地類型等因素的影響；當洪峰小時趨近于1h時，徑流量超過排水量，出現較為嚴重的內澇現象(圖4)。

模擬表明：在模擬降雨過程中發現內澇積水超過20min的節點有3個，內澇積水量均超過最大承水量，導致節點溢流。其空間位置分布于杏林灣選區東北部(圖5)。

2.2 5年一遇降雨情景

重現期為5年一遇時，研究區在降雨60min左右達到洪峰流量，此時易出現內澇災害(圖6)。

模擬表明：重現期5年一遇時每條管段均有積水現象，通過對節點積水時長進行劃分和歸類，篩選出積水現象嚴重的管段節點。

淹沒時長大于35min時節點出現積水現象，積水節點為J30～J33、J36、J39(圖7)，同時隨著時間的增加，在降雨60～90min時產生內澇災害。節點載水深度除了J36剛好達到水深最大值外，其余節點均超出載水最大值。這些節點分布在研究區北側與杏林灣西側，從地理位置上來看內澇易發點落位于濱水新區的入海口(圖8)。

2.3 模擬結果對比分析

通過對杏林灣研究地塊的模擬，分別計算出暴雨重現期為2年、5年情境下的暴雨徑流效應影響，所得結論如下。

1)在徑流-排放方面：隨著暴雨量的增加，城市排澇系統承載能力小于徑流量，管網系統對于小重現期的短時間降雨(本研究指時長2h、重現期小于2年的情景)產生內澇現象的概率較小，研究區排水系統各檢查井節點均未出現溢流情況。對于大重現期的短時降雨(時長2h、重現期大于等于2年的情景)則會出現節點溢流現象，同時隨著重現期的增加，溢流現象更加明顯，匯水分區ZMJ49、ZMJ51和ZMJ52情況較為嚴重。

2)不同暴雨強度對排水管網系統的影響方面：通過計算分析和篩選節點數據可知，隨暴雨重現期的歷時降雨時長增加，節點達到飽和排水值出現嚴重溢流，洪峰流量過大且持續時間增長。重現期2年一遇時管網節點J31～J33容易出現內澇現象，但積水程度不深，控制在0.3m。重現期5年一遇降雨導致杏林灣選區排水系統出現較大范圍節點溢流，主要區域仍分布在J31～J33所在片區，且在此基礎上有所擴張。

3)城市積水點的空間分布方面：重現期2年一遇的研究區積水分布存在的內澇危害較小，5年一遇研究區范圍內開始出現面狀內澇現象。從整體態勢來看，易澇區域分布在選區東北部，應加強內澇長時監控與災害預警工作，提升內澇防控等級。

2.4 模型校對

建立SWMM模型通常會出現大量的拓撲關系及其他數據錯誤，通過拓撲校驗基本達到管線連接關系與實際相符，監測點流量時刻的誤差范圍在0.8%～9.0%，峰值流量誤差為7.8%，屬于誤差允許范圍。

表2 LID措施優化設計方案

表3 2年一遇降雨情景下研究區LID措施優化方案

表4 5年一遇降雨情景下研究區LID措施優化方案

3 LID措施方案布局及徑流量模擬情況變化

低影響開發(LID)是指在自然水文條件模擬和防洪防控概念基礎上的雨水管理方法。目的在于恢復開發前的水文特性，實現消減區域徑流和降低污染負荷[7]。通過LID技術緩解城市新區內澇易發地的積水問題，同時結合綠地和新區的居住及公共服務用地，對區域內的坑塘濕地、河道水系著重加以防護和集約化開發，形成保障生態安全與城市平穩運營的共生空間[8]。

措施布置方面：研究區為城市新區，結合其土地利用類型、建筑密度和現狀情況設置以下凹綠地、綠色屋頂為主的低影響設施[9-10]。新區建設有較強的開發空間(表2)，其中下凹綠地、屋頂綠化、透水鋪裝和生物滯留層的建設比例分別為46%、34%、17%和3%。公共服務用地及商業類用地的LID鋪設率為25%～45%，居住區用地的LID鋪設率為35%～50%(以屋頂綠化和下凹綠地為主)，綠地與廣場用地的LID鋪設率為20%～35%。

3.1 重現期2年一遇降雨情景

依據《廈門市海綿規劃手冊》中杏林灣選區的LID設置原則，針對模擬所得2年一遇的易澇匯水分區(ZMJ48、ZMJ49、ZMJ51、ZMJ52)布設LID措施。參考土地利用規劃內容[11]、現狀開發和下墊面情況等綜合因素，著重考慮在公共服務用地范圍內增加相適應的LID措施，例如可以在廈門的學校類教育用地增加綠色屋頂的面積；在占地面積較大的行政用地增設透水磚和雨水桶等。具體方案布設如表3所示，方案的空間落位如圖9所示。

運用SWMM技術中的LID模塊模擬，暴雨時間選為2年一遇芝加哥雨型。將模擬結果與未添加LID措施的徑流結果進行對比，結果表明：增設LID措施后，洪峰流量速度下降，比未設置前的積水流量降低29%；盡管洪峰小時值變化不大，但積水量明顯減少，證明加設LID設施具有明顯的削峰、抑峰作用(圖10)。

圖9 重現期2年一遇低影響開發措施布置

圖10 2年一遇情景下選區內澇易發地及節點積水時長分布

圖11 重現期5年一遇低影響開發措施布置

圖12 5年一遇情景下選區內澇易發地及節點積水時長分布

3.2 重現期5年一遇降雨情景

在上文模擬中得出重點內澇節點為J30～J33、J36、J39，因此在LID措施布設時著重加強對這些危險性較高節點及所在區域的改善。根據傳統規劃下5年一遇的空間內澇危害分布圖，增加部分匯水區的措施設計(表5，圖11)。

為解決管段超載、節點積水嚴重的問題，相應增加LID措施后重新建立模型，通過SWMM模型對5年一遇暴雨下的管線進行優化模擬。研究表明：5年一遇情境下，研究區域在LID設施改造后的洪峰流量比未添加LID措施降低62.8%，達到洪峰流量的時間也有所減少(圖12)，因此可增設LID設施來解決管段超載問題。

4 方案調整與結論

通過研究不同降雨重現期(2年一遇、5年一遇)對研究區域的內澇現象進行管線措施改進和優化，從研究區的積水削減能力、洪峰小時流量與徑流總量，以及實施效果3個方面做出總結。

4.1 濱水地區應提升下墊面削減雨水徑流的能力，主要通過增加屋頂綠化和透水鋪裝面積來實現

經過SWMM模型模擬，研究區在添加LID措施后對小重現周期和短時效的暴雨具有較好的積水削減效果，當重現期增加，積水削減能力有減弱趨勢。在不改變原有排水管線的情況下，增加屋頂綠化和透水鋪裝面積是適用于該研究地塊緩解內澇災害較為有效的LID措施。

4.2 濱水地區應提升主要外溢節點的容納量，控制洪峰小時流量和徑流總量達到年徑流控制率標準

重現期為2年一遇和5年一遇的情景下，布設LID措施后管網節點的溢流現象均得到了控制，對年徑流控制率達到77.5%，說明本研究采用的LID措施方案組合對內澇起到了削峰減量的作用。在大于5年一遇的暴雨強度時，該地段不宜設置LID措施，應通過修改管線線路、提高管徑容量和提升防洪排澇標準等方法來解決。

4.3 在濱水易澇地區的低影響規劃實施中，結合不同降雨時段做出多方案組合的LID措施布設

在相同情況下，通過對不同下墊面綜合應用不同的LID設施，可以減少一定量的場地雨水徑流，并延緩峰值出現時間，尤其在小降雨事件和降雨初期表現得更為明顯。在連續性強降雨的中后期，LID設施的飽水量趨近飽和時將失去海綿吸水功效，因此需要通過市政工程提升管線的輸水能力。在濱水地區的設計中，要考慮濱水空間與人居安全的關系，以及社會的可持續發展效率，因此可布設一定規模的綠色屋頂、下凹綠地和蓄水池等低影響技術措施，減少場地內的徑流總量，一定程度上緩解內澇問題。但考慮經濟性和實際場地的使用需求，LID設施建設規模不宜過大，對于雨洪問題嚴重的場地，不僅要優化場地內部雨水系統和下墊面材料，還要提升場地周邊綠色雨水設施的設計與建設，共同分擔雨水徑流壓力。

基于SWMM模型與LID模式的濱水地區內澇防控方案，以系統優化分析方法為主要手段，有效銜接內澇源頭控制和雨水管渠內澇防治系統。消除一維數理模型的時空壁壘，將現狀淹沒情況與低影響優化方案反映在二維規劃平面中，更加直觀地為城市建設提供規劃依據，提高城市防災能力并修復城市生態環境，同時也是對城市濱水地區基于LID開發的應對內澇災害防控方法的新探索。

5 展望

低影響開發技術現已在海綿城市規劃中得到實踐應用，借助智慧化的數據監管平臺，時效管控改造前后內澇高風險區削峰減量動態，遵循多規合一的規劃導向，形成多部門協同的工作機制，編制海綿城市系統化方案，逐步落實了海綿城市在發展策略、城市空間、管控指標和統籌協調等方面的要求。建議在具有典型性的杏林灣選區中加強LID措施在教育用地、居住用地和行政用地的透水鋪裝比例，并在海灣口處做下凹綠地與透水鋪裝設計，加快徑流滲透效率，以此提高廈門市環境效益，同時促進海綿城市建設向綠色、健康和可持續的全生命周期發展。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝中國科學院張媛春女士給予的工程技術建議；感謝香港理工大學沈勃旭博士給予的支持。