基于SWMM的海綿城市LID設施規劃與布局——以萍鄉市為例

張 瑤，陳莫源，魏緒英，李梓恒，黃偉豪，游 欣，黃 婷，蔡軍火*

基于SWMM的海綿城市LID設施規劃與布局——以萍鄉市為例

張 瑤1，陳莫源1，魏緒英2，李梓恒1，黃偉豪1，游 欣1，黃 婷1，蔡軍火1*

（1. 江西農業大學 園林與藝術學院, 江西 南昌 330045；2. 江西財經大學 藝術學院，江西 南昌 330032）

【目的】萍鄉市是我國第一批海綿城市的試點城市，大尺度范圍的雨水設施格局規劃或布控研究需要進一步研究，旨在為萍鄉市和其他南方多雨型城市的海綿城市建設提供技術參考與案例借鑒?！痉椒ā恳云监l市主城區的年徑流總量控制率為海綿城市建設目標，借助GIS技術，利用排水管網、降雨量、用地現狀等基礎資料，建立研究區域的SWMM模型，再利用AHP法和容積法計算得出LID設施布設方案，并通過不同降雨事件模擬其徑流控制效果。【結果】在該目標下綠色屋頂率、滲透鋪裝率和生物滯留設施率分別需要達到44.51%，22.80%和14.10%；該方案對重現期p=1a、p=2a、p=5a、p=10a、p=20a的降雨徑流削減比例分別為47.25%，44.23%，42.51%，40.67%和37.76%?！窘Y論】海綿城市LID設施布設后能夠滿足要求并有效緩解城市內澇現象，但面對大雨、暴雨仍需要結合傳統排水系統共同發揮作用。

低影響開發；綠色雨水基礎設施；SWMM雨洪模型；年徑流總量；GIS技術

【研究意義】中國城市化快速推進的同時，環境問題也日益嚴重（如城市內澇屢屢發生）[1-2]。為有效治理城市內澇，2014年住建部及時組織編制了《海綿城市建設技術指南——低影響開發（low impact development，LID）雨水系統構建（試行）》（下稱《指南》），倡導并推行LID雨洪管理體系?！厩叭搜芯窟M展】海綿城市的建設應根據地域氣候、土地性質和建設需求等因素因地制宜地制定合理的指標[3]、配套的策略[4-10]和評估體系[11-13]。SWMM（storm water management model）的模擬能力全面、擬合性強[14-17]且技術成熟，是被廣泛應用的雨洪管理模型[18-19]。SWMM不僅能夠模擬城市雨水管網系統[16,20-21]和下墊面污染物累積和沖刷過程[22-24]，還能兼顧城市排水與防洪，用于模擬河道水情和澇情[25-27]，也可模擬綠色雨水基礎設施（green stormwater infrastructure，GSI，下簡稱為雨水設施）的徑流控制效果[28-33]。目前，國內相關的應用研究多限于中、小尺度（如小區域、居住區、校園等）的規劃設計[34-41]及其雨水設施的設計與應用[42-56]等方面，較少涉及大尺度范圍（如城市的全市、大河流域）的雨水設施格局規劃或布控研究?！颈狙芯壳腥朦c】為此，本文以我國第一批海綿城市的試點城市——萍鄉市為例，將《萍鄉市主城區海綿城市控制性規劃》的覆蓋區域作為研究范圍，結合現存的排水系統、降雨量監測數據及海綿城市的規劃目標，提出雨水設施的布設方案，并通過構建SWMM雨洪模型對該方案的效果進行模擬評估?！緮M解決的關鍵問題】為萍鄉市和其他南方多雨型城市的海綿城市建設提供技術參考與案例借鑒。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

萍鄉市（27°20′~28°0′N，113°35′~114°17′E）位于贛、湘兩省交界處，全市土地面積3 823.99 km2，人口185.16萬，主城區面積120.38 km2。萍鄉市屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候，降水充沛，時空分布不均勻。年均降雨量1 600 mm，夏季多暴雨，僅4~6月降雨量可達700 mm（占全年44%）；市區恰處丘陵低洼地帶，遇強降雨天氣極易發生城市內澇。為應對特殊的區域氣候和復雜的地理條件，萍鄉市在2018年制定了《落實海綿城市建設目標與技術指標》方案，明確提出年徑流總量的具體控制目標。

1.2 研究方法

1.2.1 SWMM模型構建 （1）研究區概化。將用地現狀、排水管網和CAD文件等資料轉化為ArcGIS中的數據文件，再基于DEM數據、水文資料及實況分析劃分子匯水區。

（2）模型參數設定。參考相關文獻、SWMM手冊和當地實際狀況，將透水區的洼蓄量和曼寧系數分別初設為6.2 mm、0.032；不透水區的洼蓄量和曼寧系數分別初設為3.4 mm、0.012；管道曼寧系數的取值為0.013~0.015，其他參數均使用模型手冊推薦值。

1.2.2 雨水設施布設 （1）重建子匯水區管控目標。根據海綿城市控制總目標，按面積加權法計算得出每個子匯水區的年徑流總量目標控制率。然后以2014—2018年的逐日降雨資料為基礎，通過繪制降雨量——年徑流總量控制率曲線求出各子匯水區管控目標所對應的設計降雨量。

（3）雨水設施選擇。因SWMM中內置的雨水設施分類與《指南》不完全一致，本文將雨水花園、植草溝、下沉式綠地一并歸列為生物滯留設施，僅選擇綠色屋頂、滲透鋪裝和生物滯留設施3大類雨水設施應用于研究區域（用地性質不變）。

（4）雨水設施比例確定。結合海綿城市實際現狀、文獻資料、業內專家意見選取評價指標，并利用AHP法進行權重比計算，構建雨水設施比重計算模型，從而確立各子匯水區的雨水設施的雨水控制總體積分解比例。再通過SWMM模擬來進行調整，以最終確定設施的種類和規模，使其達到徑流量管控目標。

2 結果與分析

2.1 SWMM模型

經模型測算，研究范圍內陸地總面積為107.20 km2，其中建筑、道路（含廣場）、綠地（含其他非硬質地面）的面積分別為27.41 km2、14.24 km2和65.55 km2（圖1）。

圖1 研究區域現狀

圖2 研究區域計算單元與子匯水區劃分

將研究區劃分為6個計算單元（A、B、C、D、E、F），面積分別為2 805.59，1 980.53，1 466.41，1 315.44，2 057.27，1 094.84 hm2，共360個子匯水區（編號0～359，面積為0.40~806.88 hm2），其中，A區和B區為新城區，處于待開發階段，有少量工業廠房集中于各區的南部；C區為萍鄉市老城區，建筑、人口密度大，用地緊張；D區分布有較多商住小區，生態涵養綠地約占該區面積的1/3；E區則主要由橫龍公園和其他綠地及未開發的備用地組成，F區除約1/3的工業用地外均為生態涵養綠地（圖2）。結合本地氣候特征與資料查閱，將降雨雨峰系數（）取值0.4，間隔時長為1 min，計算得出重現期=1 a、2 a、5 a、10 a、20 a在降雨歷時t=3 h的降雨量分別為58.37，72.08，90.20，103.91，117.61 mm。

2.2 雨水設施布設方案與校驗

2.2.1 雨水設施調蓄容積 依據萍鄉市海綿辦提供的主城區年徑流總量控制目標等資料（圖3），經加權計算得到A、B、C、D、E、F共6個片區各子匯水區的平均目標控制率分別為80.16%、79.00%、72.82%、76.99%、82.45%和77.92%（圖4）。

圖3 萍鄉市主城區年徑流總量控制目標

（圖片來源：萍鄉市規劃局）

圖4 各子匯水區年徑流總量控制目標

（圖片來源：萍鄉市規劃局）

以2014—2018年的逐日降雨資料為基礎，得出年徑流總量控制率（）、降雨量（）關系式為=1.528 9e0.037 1x，分別計算各子匯水區管控目標所對應的設計降雨量（圖5）。但考慮到綠化種植、施工工藝等不確定性因素，有可能會使雨水設施有效容積減少，故在容積法計算結果的基礎上額外增加5%余量，以此作為每個子匯水區所需的調蓄容積（圖6）。

圖5 子匯水區設計降雨量

（圖片來源：萍鄉市規劃局）

圖6 子匯水區調蓄容積

（圖片來源：萍鄉市規劃局）

2.2.2 雨水設施參數 雨水設施參數均參照SWMM用戶手冊及《室外排水設計規范》（GB 50014—2006，2014年版）并參考實際工程參數的基礎上，確定研究區雨水設施的主要參數（表1）。

表1 SWMM模型雨水設施主要參數

經計算，在研究區域內，綠色屋頂率、滲透鋪裝率和生物滯留設施率為44.51%、22.80%和14.10%。這說明，主城區LID海綿設施的布設或改造應以綠色屋頂為主，其次為滲透鋪裝率，輔以生物滯留。從圖7~9可知，3大典型類型的雨水設施的預計布設密度均以C區（老城區）最高，其次為D區和B區，最少的為F區（新城區）。

其中，在萍鄉市主城區的六大片區內，以C區（老城區，建筑密集，人口密度大）的綠色屋頂預算配置率最高（高達59.1%），其次為B區（46.8%）和D區（42.7%），最少的為E區（24.4%）和F區（24.8%），見圖7。另外，而滲透鋪裝配置率以D區最高（30.7%），其次為B區（28.6%）和C區（28.1%），最低的為F區（16.2%），見圖8；生物滯留設施配置率最高的是C區（達27.7%），其次為D區（16.1），最少的為F區（8.7%），見圖9。這說明，在萍鄉市的老城區（C區），建筑和鋪裝過多，不透水率和徑流系數均較高，應集中布設或升級改造綠色屋頂、滲透鋪裝、生物滯留3種綠色雨水基礎設施，從而有效減少地面徑流量。

圖7 綠色屋頂率

圖8 滲透鋪裝率

圖9 生物滯留設施率

2.3 模擬結果分析

2.3.1 年徑流總量模擬分析 以2014—2018年的降雨量數據對雨水設施的布設方案進行SWMM模擬，計算得出各年的徑流總量控制率分別為79.22%，78.84%，79.11%，79.14%和78.99%，均高于設定值（78.83%），模擬結果達標率為100%（圖10）。這表明，雨水設施的規劃方案能夠較好地達到海綿城市的徑流總量管控目標，模擬結果比較接近實際情況。文中采用逐日降雨的監測數據進行模擬，不僅能夠較為精準地模擬雨水徑流的產流過程和雨水設施作用的發揮過程，還能夠考慮到降雨分布不均及極端降雨事件的情況。

圖10 2014—2018各年徑流總量控制率

2.3.2 不同重現期徑流總量控制分析 為了校驗在年徑流總量控制達標情況下雨水設施的布設對不同重現降雨事件的徑流總量控制效果，本文以降雨歷時為3 h重現期分別為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a的設計降雨量對雨水設施布設前、后進行徑流總量模擬比較，結果見圖11。

圖11 不同重現期降雨下雨水設施徑流控制效果

重現期為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a的降雨量分別為58.37，72.08，90.20，103.91，117.61 mm。在雨水設施建設前雨量徑流系數分別為0.442 4，0.444 7，0.446 1，0.447 3和0.449 8，與使用典型用地下墊面構成計算得到的綜合徑流系數0.441 4接近，表明SWMM模擬精確可信。

圖11表明，在雨水設施布設后，不同降雨重現期的徑流總量隨著重現期雨量的提高而提高；而雨水設施對不同重現期降雨的徑流總量削減率會隨著降雨重現期（=1 a、2 a、5 a、10 a、20 a）的增大而下降，分別為47.25%，44.23%，42.51%，40.67%和37.76%。這表明雨水設施對小、中型或重現期小的降雨事件效果較好，在應對大雨、暴雨等降雨事件時仍需與傳統灰色基礎設施相結合[57-60]。即要遵循低影響開發雨水系統、城市雨水管渠系統及超標雨水徑流排放系統三者相互補充、相互依存的原則。

3 討 論

海綿城市建設是一項長期的、循序漸進的巨大工程。從資源利用角度講，通過對雨水的蓄存和釋放，調節城市水的循環[61]，提高水資源的利用[62]，進行低影響開發[63]，能夠有效減少或減輕城市內澇的發生。海綿城市是由“工程治水”轉變為“生態治水”[64]，是順應自然的體現[65]，也是建設生態文明城市的必經之路[66-67]。本文通過構建SWMM模型，依據管控目標，經AHP法和容積法計算與分解，得到基于年徑流總量控制目標的萍鄉市主城區雨水設施配置方案，并對該方案進行了效果校驗。結果如下。

（1）在2014—2018年，每個子匯水區的平均年徑流總量管控率的偏差介于-4.242%～4.234%?；谀陱搅骺偭靠刂频淖訁R水區管控目標設定是較準確的，與其對應的雨水設施布設方案也是可行的。偏差產生的原因有：①降雨初期，雨水設施能夠較好的控制地表徑流。但隨著降雨歷時的延長，地表土壤接近田間持水量，雨水設施“吸水”趨于飽和，失去雨水徑流調蓄作用，其截留水量占降雨量的比例小，計算結果會偏低；②在計算調蓄容積時，人為地增加膨脹系數，會使理論調蓄容積大于實際需要調蓄的容積，即計算結果會高于目標值。

（2）在萍鄉市的老城區（如C區）不僅人口集中，建筑密度大，而且部分建筑的年代久遠。根據SWMM模型設計方案，應在老城區重點加大布設綠色屋頂和滲透鋪裝的配置比率。為避免盲目推行上述雨水設施的建設造成的較大負面影響，建議采取“灰、綠”結合的方式，以改造地下管網或通過增設蓄水池等工程性措施為主，減少地表徑流量。其次，對于部分極難進行雨水設施建設的地塊，可以將調蓄容積分配至臨近區塊的方法。

（3）目前，國內對城市非點源污染的管控和關注還不夠[68-69]。筆者僅以年徑流總量控制為目標，尚未涉及徑流污染控制和偶發性暴雨或極端降雨事件。有待將綜合控制徑流量和削減污染量共同作為管控目標指導LID布設方案，有效促進生態效益的提高[70-71]。此外，不同的綠色雨水基礎設施因其結構和材料不同，功能也各有側重。后續研究還應著力研究不同雨水設施的植物材料選擇與配置。

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Research on Planning and Layout of LID Facilities in Sponge Cities Based on SWMM: A Case Study in Pingxiang City

ZHANG Yao1, CHEN Moyuan1, WEI Xuying2, LI Zhiheng1, HUANG Weihao1,YOU Xin1, HUANG Ting1, CAI Junhuo1*

(1. College of Landscape Architecture, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. College of Art, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China)

Pingxiang City is one of pilot cities for the first batch of sponge cities in China. The large-scaled pattern planning or distribution control research of rain water facilities needs further study, aiming to provide technical references and case studies for the construction of a sponge city in Pingxiang City and other southern China’s rainy cities.Taking the annual runoff control rates of a sponge city in the urban areas of Pingxiang City as the target, based on GIS technology, using the basic data of pipe networks, rainfalls and status quo of land use, etc., SWMM model of the study area was established. The planning of green stormwater infrastructures was calculated by AHP and volumetric method. The runoff control effect was then simulated by different rainfall events.The results showed: under this respective target, the green roof rate, osmotic pavement rate and bioretention facility rate need to reach 44.51%, 22.80% and 14.10%, respectively; For the return periods, p=1a, p=2a, p=5a, p=10a, and p=20a, the rainfall runoff reduction ratios were 47.25%, 44.23%, 42.51%, 40.67%, and 37.76%, respectively.LID facilities in sponge cities could meet the requirements and effectively alleviate the urban waterlogging, but in face of heavy rains, the combination with the traditional drainage system still needed.

LID; green stormwater infrastructure; SWMM; total annual runoff; GIS

TU985

A

2095-3704（2021）02-0219-09

2020-10-18

2021-01-11

萍鄉市海綿城市建設重大科技專項（JXPX-2016011）和國家自然科學基金項目（31560226）

張瑤（1994—），碩士生，主要從事園林植物栽培與繁育研究，2729396106@qq.com；*通信作者：蔡軍火，教授，碩導，Cjhuo7692@163.com。

張瑤, 陳莫源, 魏緒英, 等. 基于SWMM的海綿城市LID設施規劃與布局——以萍鄉市為例[J]. 生物災害科學, 2021, 44(2): 219-227.