基于SWMM 模型對工業園區的LID 方案設計研究

李順

（1、安徽建筑大學環境與能源工程學院,安徽合肥 230601 2、水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室,安徽合肥 230601）

2012 年,“海綿城市”概念首次在中國被提出。在之后的研究探討與實踐中，我國從最開始借鑒發達國家的LID-低影響開發建設，到形成屬于自己的一套海綿城市建設理論與指導方案，取得了一定的成果[1]。但由于我國地域跨度大，地形地貌復雜，2012 年前城市化已經得到快速發展，城市中不透水面積不斷加大，這導致海綿城市理念提出后，需要面對一個棘手的問題：已建成區如何按照海綿城市理念進行科學改造。

1 研究區域概況

該研究區域位于安徽省合肥市經濟開發區的一個工業園區內，該區屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫15.5℃，年平均降雨量1120mm，地下基巖埋深10-15m，無明顯地下河道，無地質斷層[2]。區域總占地125 公頃，坡度0.3%～0.4%。區域實行雨污分流制，雨水總體沿著北→南走向流入玉屏路排水干管，隨后流向下游的派河。

2 模型構建

2.1 SWMM 子匯水區劃分

根據設計單位提供的管網布置圖，再利用衛星影像和區域高程把研究區域劃分為41 個子匯水區，57 個節點，68 個管段。雨水干管與支管根據設計圖紙要求為鋼筋混凝土管，曼寧系數取0.013[3]。詳細劃分見圖1。

圖1 研究區域SWMM 概化平面

2.2 設計降雨序列

芝加哥雨型是以暴雨強度公式為基礎，引入暴雨雨峰位置參數，通過數學推導轉換為瞬時雨強過程線，適用于城市短歷時設計暴雨的時間分配[4]。本次模擬結合合肥暴雨強度公式[5],運用芝加哥雨型模擬重現期為5a、10a 的降雨過程曲線，雨型中峰值比例為0.5，降雨歷時180min，降雨過程曲線如圖2 所示。

圖2 不同重現期暴雨的降雨過程線

合肥市降雨強度公式（1）

式中，Q 為合肥市設計暴雨強度（1/s.ha）；P 為重現期（a）；t 為降雨歷時（min）。

3 現狀模擬以及原因分析

SWMM 演算選用動態波模型，改造前對區域分別進行5a、10a,時長為6H 的模擬。節點的溢流等級見表1。

表1 節點溢流水位等級

2020 年6 月底的強降雨導致玉屏路與方興大道交口以南350m 處路段積水嚴重，在本次模擬對應節點1-4 和1-4+2 產生的積水。主要原因有：a.節點所在的子匯水區不滲透面積占比過大;b. 玉屏路主管道所預留的側邊支管管徑偏小。

4 LID 方案設計

LID 廣義上指在城市開發建設過程中采用源頭消減，中途傳輸，末端調蓄等手段通過滲、滯、蓄、凈、用、排來降低強降雨帶來的不利影響。相比于傳統排水，低影響開發更注重源頭與中間的雨水徑流處理[6]。對研究區進行LID 設計并且尋找出最佳的參數設計范圍。

綠色屋頂與下沉式綠地:

對研究區域分析得到不同子匯水區可實施的綠色屋頂面積占比，最高75%，最低為30%，集中為40%～45%。本研究采用狹義的下沉式綠地，其指低于周邊鋪砌地面或道路在200mm 以內的綠地[7]。

4.1 參數設定

綠色屋頂和下沉式綠地參數取值范圍由SWMM 手冊確定，部分參數選取經驗值，經驗值確定不了的敏感性低的參數直接采用SWMM 默認值，參數敏感性由相關文獻確定[8]，詳細參數見表2。

表2 綠色屋頂和下沉式綠地參數分析表

4.2 綠色屋頂的土壤層厚度

綠色屋頂土壤層厚度為中度敏感參數，在取值范圍內設置為變量，研究變量對節點溢流的影響。以可改造綠色屋頂，面積占比較大，具有代表性的子匯水區1-21 為例，模擬P=5a、P=10a，綠色屋頂面積在該子匯水區占比為45%，75%時節點1-4+2（最大深度1.5m）溢流情況。結果發現P=5a 溢流不明顯，P=10a 溢流水位的最高值和平均值如圖3 所示。

由圖3 可得：綠色屋頂占比45%，土壤層厚度105～135mm 時曲線非常平緩且無限接近，這說明變量在該范圍內取值時接近最優消洪效果。占比75%，土壤層厚度=105mm 時，節點已無溢流，達到最優消洪效果。

圖3 綠色屋頂占比、土壤厚度與節點水位關系（a b 分別表示綠色屋頂占比為45%、75%時節點水位的最高值和平均值）

4.3 下沉式綠地變量取值影響

下沉式綠地的消洪效果與表面層、土壤層的厚度有密切聯系[9,10]。對多個子匯水區模擬發現下沉式綠地在表面蓄水深=110mm 和土壤層厚度=290mm 時節點水位不再下降。這說明該地區在進行下沉式綠地改造時表面蓄水層和土壤層厚度分別不應超過110mm、290mm，否則水位再降低的幅度很小。

4.4 上游LID 對相對下游LID 的影響

為了研究上游的子匯水區LID 措施對下游的子匯水區排水節點溢流的影響程度。選取上游的子匯水區1-19 和下游的子匯水區1-18，節點1-4+2 為研究對象。具體步驟：在P=2a，子匯水1-19 先后設置為有和無下沉式綠地（最優參數），子匯水區1-18 先后設置變量為最小和最優的下沉式綠地，最后模擬節點溢流水位（最優變量和最小變量是指在表2 中的參數，非變量直接取概定值，變量最優由4.1.3 節確定，變量最小為取值范圍內最小值），帶入P=5a，P=10a 重復上述步驟記錄溢流水位。P=5a，P=10a 溢流水位見圖4。

由圖4 得：上游無LID 措施，相對下游LID 的優化在時間為2:24 后對降低節點水位起的作用越來越小；上游有LID措施，相對下游LID 的優化則對降低節點水位一直有可觀的效果。

圖4 上下游LID 之間聯系

5 改造結果分析

將綠色屋頂，下沉式綠地對個別子匯水區域研究應用到所有可設置LID 的子匯水區域中，得到重要節點的溢流水位見表3。

對比表3 可以看出，幾個重要的節點溢流水位有顯著的降低且不再有重度積水現象，有近50%的節點在P=10a 時溢流水位<0.15m。

表3 P=10a，改造前后主要節點溢流水位對比

6 結論

6.1 在海綿城市建設改造中，不同地區綠色屋頂和下沉式綠地的敏感參數變量并不是在《指南》和相關規范規定范圍內取值越高越好，要因地制宜，選擇適當的土壤和蓄水層厚度不僅能夠起到接近最優消洪效果，還能降低后期維護的困難。

6.2 對于整個區域排水系統，LID 措施加入子匯水區后會對該區域排水節點起到顯著的消峰作用，對于下游節點也起到間接性作用，使其他各節點的溢流時間降低5～15min 不等，所以在海綿城市建設中有效地對上游進行改造起到的效果是更好的。