基于SWMM模型的呼和浩特市金五路海綿化設(shè)計分析研究

易沛媛

(北方工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144)

1 引言

目前，“海綿城市”理念在我國的城市建設(shè)當(dāng)中越來越被人們所重視。北方缺水地區(qū)的雨水利用率亟需提高，“海綿城市”建設(shè)便是普遍接受度較高的提高雨水利用率的方式。呼和浩特市的道路建設(shè)大多仍處于道路綠化階段，路面大多是硬質(zhì)鋪裝，缺乏管理設(shè)施，導(dǎo)致道路雨水利用率較低。現(xiàn)階段呼和浩特市海綿城市的研究多集中在城市整體與建筑改造方面，還未細(xì)化到對城市道路海綿化設(shè)施的研究。

本研究旨在通過SWMM模型對道路地表徑流進(jìn)行模擬，將呼和浩特海綿城市研究繼續(xù)細(xì)化至道路海綿化設(shè)計策略部分。旨在通過量化呼和浩特市道路地表徑流強(qiáng)度對比不同開發(fā)模式下LID(低影響開發(fā)LID: LowImpact Development)設(shè)施對減少道路內(nèi)澇具有可行性。利用SWMM模型對呼和浩特市金川片區(qū)金五路北側(cè)路段進(jìn)行地表徑流模擬，降雨模型采用芝加哥雨型和呼和浩特市降雨模型模擬5年重現(xiàn)期的降雨量，對該路段采用控制變量法，分別對未開發(fā)狀態(tài)、傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)和LID開發(fā)狀態(tài)進(jìn)行地表徑流的模擬，其中LID開發(fā)選取多孔路面和生物滯留池兩種海綿城市措施進(jìn)行計算。

研究結(jié)果將會定量地反應(yīng)LID措施對于某一路段的地表徑流減少情況。對于北方缺水地區(qū)城市道路海綿化設(shè)計研究進(jìn)行量化參考，模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果將會證明相同條件下低影響開發(fā)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的開發(fā)模式更加有利于道路地表徑流的減少和城市內(nèi)澇的減弱。明確地表徑流的減少程度，量化低影響開發(fā)的優(yōu)勢所在。對呼和浩特市這樣的北方典型缺水城市以及周邊地區(qū)道路設(shè)計的LID設(shè)施選擇提供參考。

2 呼和浩特市水環(huán)境分析

2.1 水環(huán)境現(xiàn)狀

呼和浩特市作為北方地區(qū)典型的缺水城市，可利用水資源總量不足，并且用水效率整體偏低。市區(qū)河道水體黑臭現(xiàn)象多，水環(huán)境質(zhì)量不高。河段水體處理以及重復(fù)利用難度極大，黑臭水體不僅影響城市市容市貌，也對城市居民日常生活帶來巨大的影響。2016年呼和浩特全面啟動海綿城市建設(shè)，實施雨水自然積存、滲透、凈化項目，高效合理利用水資源。

海綿化道路的建設(shè)應(yīng)當(dāng)遵循低影響開發(fā)的理念，做到在建設(shè)過程中不改變原有道路的交通功能、屬性，不改變其道路等級、道路寬度、道路紅線以及交通出入口等的基本原則。并且改造措施要符合道路建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。可適當(dāng)拓寬道路整體占地面積以滿足海綿設(shè)施的加入，使其有充足的空間施展存蓄、凈化和利用。解決道路平面低于路邊綠化帶池標(biāo)高出現(xiàn)雨洪在路面匯集的現(xiàn)狀問題，通過改變綠道樹池的標(biāo)高來實現(xiàn)雨水就近向樹池等具有滲透能力以及利用能力的功能板塊調(diào)節(jié)。

2.2 呼和浩特市水環(huán)境建設(shè)的必要性

我國是一個淡水資源相對短缺的國家，淡水資源對于一個城市乃至國家的建設(shè)和發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用。隨著城市建設(shè)力度的不斷加大，道路系統(tǒng)在城市中所占比例越來越大。呼和浩特中心城區(qū)出現(xiàn)的城市水問題，涉及范圍較廣，問題突出。路面積水的現(xiàn)象時有發(fā)生，給城市的日常生產(chǎn)生活造成了不便。原因有遭遇突發(fā)性強(qiáng)降水、不透水硬質(zhì)路面所占比例過高、瞬時降雨量過大超出城市排水能力、排水速度過慢、排水管道管徑過小等。有必要通過海綿城市的建設(shè)，從水資源、水環(huán)境、水安全、水生態(tài)等層面入手，解決呼和浩特市面臨的核心水問題，保障城市水安全戰(zhàn)略順利實施[1]。

3 地表徑流模型模擬

3.1 研究方法與目的

主要采用文獻(xiàn)資料查詢、基于SWMM雨洪模型的數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行研究以及使用控制變量的方法進(jìn)行地表徑流情況的對比分析。雨水管理模型SWMM是美國環(huán)境保護(hù)局軟件EPA SWMM(United States Environmental Protection Agency Storm Water Management Model)的簡稱，是一個動態(tài)降雨-徑流模擬計算機(jī)程序，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期(連續(xù))模擬[2]。用SWMM模型模擬呼和浩特市金川片區(qū)北側(cè)路段未開發(fā)時、傳統(tǒng)開發(fā)后和低影響開發(fā)后這3種情況下的路面徑流情況，雨水環(huán)境選用5年重現(xiàn)期的降雨量進(jìn)行降雨模擬。

模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果將會定量的證明相同條件下低影響開發(fā)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的開發(fā)模式更加有利于道路地表徑流的減少和城市內(nèi)澇的減弱。明確地表徑流的減少程度，量化低影響開發(fā)的優(yōu)勢所在。對呼和浩特市這樣的北方典型缺水城市以及周邊地區(qū)道路設(shè)計的LID設(shè)施選擇提供參考。

3.2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選在呼和浩特經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)金川北區(qū)金五路北段，地處呼和浩特市西北邊緣地處大青山南麓土默特平原。金五路整條道路為呼和浩特市城市主干道，主要用于車輛交通通行。研究選取其中北部一段，道路長度約950 m，場地總面積約14972 m2。具體場地如圖1研究區(qū)域位置圖所示。

圖1 研究區(qū)域位置

3.3 降雨數(shù)據(jù)

模型中模擬的降雨數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)界普遍認(rèn)可的芝加哥雨型以及呼和浩特市暴雨強(qiáng)度公式[3]進(jìn)行計算，如式(1)所示。對不同重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬。

暴雨強(qiáng)度公式：

(1)

式(1)中：i為降雨強(qiáng)度，mm/min;P為重現(xiàn)期,a;t為降雨時間,min。峰值比例選為0.4[4]。

根據(jù)公式計算5年重現(xiàn)期120 min的設(shè)計暴雨，并采用芝加哥雨型生成時間步長為 1 min 的暴雨過程，不同重現(xiàn)期下暴雨過程線如圖2中數(shù)據(jù)所示[5]。

圖2 芝加哥雨型生成器生成降雨數(shù)據(jù)

3.4 SWMM模型構(gòu)建

此次模型構(gòu)建將針對呼市金川片區(qū)金五路北側(cè)路段在五年重現(xiàn)期的雨水狀況下進(jìn)行模擬，并且定量地分析不同路面狀況下的徑流情況。模型中，子匯水區(qū)的劃分參照雨水管網(wǎng)的排布進(jìn)行劃分，將研究路段劃分為3個子匯水區(qū)、3個排放口節(jié)點與2條雨水管線[6]。最終的分區(qū)情況如圖3研究區(qū)域概化圖所示。

圖3 研究區(qū)域概化圖

模型相關(guān)參數(shù)的值主要是結(jié)合區(qū)域的實際情況，并參照SWMM模型用戶手冊的推薦值和文獻(xiàn)。坡度為0.3%。

金五路排水系統(tǒng)由排水管道、管網(wǎng)節(jié)點和排水口組成。沿城市主干道和周邊建筑的排布進(jìn)行設(shè)置，匯水區(qū)匯集的雨水經(jīng)由排水管道至排水點排出場地內(nèi)，同時起著解除城市洪澇災(zāi)害的作用。

子匯水模型的劃分根據(jù)SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合呼和浩特市金五路研究區(qū)域地形、土地利用類型等情況，將研究區(qū)概化為3個子匯水區(qū)，面積約為3000 m2。研究區(qū)平均坡度為0.3%。

3.5 地表徑流模擬

3.5.1 開發(fā)前場地模擬

場地開發(fā)前即模擬場地沒有經(jīng)過人工處理，地面按照原始的砂石土坡以及植被的滲透率計算。沒有瀝青路面以及經(jīng)過規(guī)劃的雨水管排放系統(tǒng)。

據(jù)自然排水最小坡度將場地坡度取值為0.3%；場地在開發(fā)前不透水性取值為5%；滲透性粗糙系數(shù)N值(曼寧值)介于輕型灌木與密實灌木之間，取為0.62；滲透性洼地蓄水深度取為7 cm[7](表1)。

表1 研究區(qū)域開發(fā)前參數(shù)取值及數(shù)值來源

將組件的各項屬性及參數(shù)輸入模型，執(zhí)行成功后發(fā)現(xiàn)地表徑流誤差為-0.25%，流量演算誤差為-0.20%，皆在允許范圍內(nèi)[8]。

3.5.2 傳統(tǒng)開發(fā)后場地模擬

傳統(tǒng)開發(fā)形式即使用現(xiàn)狀城市中使用最廣泛的瀝青路面，普通人行鋪裝，沒有經(jīng)過任何下滲處理的地面裝飾材料。因為地面不透水面積增加，雨水下滲率非常低，所以有著加劇地表雨洪泛濫的效果。

根據(jù)現(xiàn)狀傳統(tǒng)開發(fā)后場地坡度0.3%，場地路面不滲透性為100，不透水性粗糙系數(shù)取值0.013，不透水性洼地蓄水深度為2 mm。滲透性粗糙系數(shù)N值(曼寧值)取光滑瀝青的曼寧值0.011(表2)。

表2 研究區(qū)域傳統(tǒng)開發(fā)后參數(shù)取值及數(shù)值來源

3.5.3 LID開發(fā)后場地模擬

本文中使用的案例場地中LID開發(fā)設(shè)施有透水鋪裝(多孔路面)和生物滯留池(生物滯留網(wǎng)格)[9]。

按LID開發(fā)后的區(qū)域中，根據(jù)道路斷面設(shè)計方案，多孔路面占整個子匯水區(qū)面積的25%；生態(tài)滯留帶共設(shè)置4個，布置于路側(cè)綠地中，共占整個子匯水區(qū)面積的6.7%。其中LID設(shè)施具體參數(shù)如表3所示[10]。

在城市中，機(jī)動車道與非機(jī)動車道的功能在于交通運輸，因此道路海綿化改造不能對道路的基本功能產(chǎn)生影響。所以，在機(jī)動車道上使用透水鋪磚需要格外注意。但在車速較低的人行道上則相對適宜，其中人行道的鋪裝材質(zhì)選擇可以通過色彩選擇和鋪裝方式的改變，增加道路的趣味性和識別性[11]。

表3 研究區(qū)域LID開發(fā)后參數(shù)取值

4 模擬結(jié)果

將組件的各項屬性及參數(shù)輸入模型后執(zhí)行成功，模型導(dǎo)出結(jié)果如圖4模型模擬結(jié)果圖所示。地表徑流誤差為-0.25%，流量演算誤差為-0.20%，兩者皆在誤差允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果真實可信。

圖4 模型模擬結(jié)果圖

結(jié)果顯示，在相同條件下，傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)地表徑流大幅度高于未開發(fā)狀態(tài)，傳統(tǒng)的瀝青路面地表徑流峰值是未開發(fā)狀態(tài)的4倍。LID開發(fā)狀態(tài)地表徑流峰值是未開發(fā)狀態(tài)的3倍，但是比傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)的徑流峰值減少了約1/3的量。從圖中可以看出，在降雨1.5 h過后，LID開發(fā)狀態(tài)和傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)地表徑流的減少速率基本相同，可見LID措施的優(yōu)勢重點體現(xiàn)在減小徑流的峰值。降低突發(fā)暴雨過程中因瞬時雨量過大而造成的損失。

5 結(jié)語

模型中LID開發(fā)措施選用了多孔路面及生物滯留池兩種LID開發(fā)措施，模擬結(jié)果顯示對減少地表徑流

峰值有著顯著的效果。由此可見LID措施相對于傳統(tǒng)開發(fā)狀態(tài)來說有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。

綜上所述，呼和浩特金川片區(qū)的道路海綿化建設(shè)對整個城市是非常有利的一件事情。通過對多孔路面及生物滯留池這兩種措施進(jìn)行合理布設(shè)，充分發(fā)揮其特點，保證LID措施基本功能的實現(xiàn)，可以有效增加雨水下滲率，減少城市地表徑流，緩解城市內(nèi)澇。對中國其他城市也有一定的示范作用。