基于SWMM模型的西安地鐵停車場海綿城市建設效果模擬

彭思琪，代文江

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043）

0 引言

我國現階段城鎮化發展速度越來越快[1],城市建設快速發展使得地面硬化率迅速增大,滲透能力降低。城市降雨不能夠截留,地表蓄流量減少,自然調蓄能力被削弱[2]。加上城市熱島效應和全球氣候變暖的大背景,超大城市變得更加容易成為暴雨中心,這無疑加劇了城市內澇問題的幾率[3]。為了應對這一問題,低影響開發（Low impact development,LID）理念在城市建設當中開始不斷參與實施[4]。以LID建設為核心思想的海綿城市建設理念,通過下凹式綠地、生物滯留設施、綠色屋頂、透水鋪裝、雨水調蓄池等設施盡可能還原雨水的自然循環過程,使雨水徑流可以從源頭被消納,進而減少或者削弱城市內澇的影響。

本文以陜西省西安市城市軌道交通地鐵3號線魚化寨停車場園區為研究對象,通過SWMM水文模擬軟件對該園區采用低影響開發措施和現狀條件下降雨過程模擬,從而分析和評價在不同重現期降雨條件下的徑流控制和污染負荷削減情況。

1 研究區域背景概況

西安市城市軌道交通地鐵3 號線魚化寨停車場園區位于西安市主城西部,總占地面積10.58 hm2。陜西西安地處關中平原腹地,南鄰秦嶺。北至黃土高原；氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候,平均氣溫13.3℃,年平均降雨量為629.9 mm。6月～10 月降雨較為集中,約占全年降雨量60%,且以短歷時高強度前雨峰型降雨為主,易造成城市內澇災害[5-6]。

2 SWMM模型構建

2.1 研究區域概化

根據綜合管網布置平面圖和實際勘察數據,對研究區域進行適當概化,將整個魚化寨停車場園區概化為42個子匯水區域,55 個節點,55 條管渠,設置2 處管網排放口,具體劃分見圖1～圖2。

圖1 魚化寨停車場衛星圖

圖2 魚化寨停車場模型概化圖

2.2 降雨數據生成

為使降雨數據準確反映工程不同重現期短歷時的降雨過程,本文采用最新的西安市暴雨強度公式再利用芝加哥雨型公式進行該地區的降雨設計,作為SWMM模型的雨量輸入數據。

西安市暴雨強度公式：

芝加哥雨型表達式：

將西安市暴雨強度公式轉換為芝加哥雨型表達式：

參照《室外排水設計規范》《陜西省海綿城市規劃設計導則》和國內外相關研究經驗,本文設計暴雨重現期為2 a、5 a、10 a、20 a、50 a,設計降雨歷時為120 min,雨峰系數為0.405。設計降雨過程線見圖3。

圖3 不同重現期2 h設計降雨過程線圖

2.3 SWMM模型參數及優化驗證

魚化寨停車場SWMM模型參數設置主要通過兩種方式,一是根據現有現狀實測數據及海綿建設改造方案等實際資料確定雨水管道管長、管徑、坡度以及子匯水面積區域下墊面性質、面積等參數；另一方面根據SWMM用戶手冊及相關文獻[7-8]推薦的參考值確定透水區與不透水區曼寧系數、下滲模型等參數,其中排水區域主要參數見表1。

表1 排水區域主要參數表

2.4 LID設施分布及參數設置

在SWMM模型中設置有綠色屋頂、透水鋪裝、雨水桶等多種LID設施可根據不同下墊面性質進行敷設。本次根據魚化寨停車場實際場地情況及海綿設計方案出發,主要在建筑物屋頂設置綠色屋頂；在園區道路及停車場設置透水鋪裝；在園區綠地設置生物滯留池（雨水花園）并在可能積水的重點區域設置雨水桶；在線路導軌區域設置排水滲渠。各種LID設施參數設置參考相關文獻[9-10],見表2～表6。

表2 綠色屋頂LID參數設置

表6 滲渠LID參數設置

2.5 水質模塊參數設置

通過SWMM模型模擬魚化寨停車場園區COD、TN、SS三種常見污染物的地表匯集以及降雨沖洗過程。水質模塊將所研究區域的土地利用概化為軟質滲透區、可滲透區、硬質不滲透區三種類型,各個子匯水區根據情況分別賦予其三種土地性質的土地面積比。參考國內外相關文獻和SWMM設計手冊對不同土地性質選取不同函數進行污染物的累積與沖洗計算,其參數設置[11]見表7。

表7 土地利用污染物模型參數設置

表3 生物滯留池LID參數設置

表4 透水鋪裝LID參數設置

表5 雨水桶LID參數設置

2.6 實測數值參數率定

為了驗證模型參數的選取值是否準確,采集兩場實際降雨過程數據（20210401和20210403）進行驗證,采用Nash-Sutcliffe納什效率系數來判斷模型的精度。圖4為2021年4月兩場降雨徑流量的模擬值和實測值,經過兩場降雨模擬結果的納什效率系數R分別為0.93和0.90,均在0.8以上,由此可得該模型模擬效果良好,可信度高。

圖4 SWMM模型參數率定與驗證模擬結果

3 模擬結果分析

通過SWMM模型分別模擬不同重現期降雨情形下魚化寨停車場在LID改造前后的徑流過程與地表污染物質沖刷排放過程,對比分析海綿城市建設對區域徑流及面源污染的控制效果。

3.1 徑流量模擬結果分析

圖5～圖8分別展示了5 a、10 a、20 a、50 a重現期2 h降雨情形下,魚化寨停車場在LID改造前后降雨徑流過程線及徑流變化趨勢圖。表8 對不同重現期下研究區域降雨徑流過程的重要因素進行對比分析。通過分析可以發現LID改造可以有效降低地表徑流峰值,縮短徑流峰值的持續時間并且有效減少降雨帶來的徑流總量。從不同重現期的模擬結果來看,隨著重現期的增大,徑流總量削減不斷增大,徑流總量削減率基本相同,呈現出略微下降的趨勢,分別是58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但隨著重現期不斷增大,徑流峰值削減率卻呈現出不斷下降的趨勢,分別為56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。分析可以得出LID設施面對降雨強度增加的時候對于徑流總量的削減能力基本保持不變,但對于降雨峰值的削弱能力逐漸降低,研究區域LID減排設施存在飽和效應。

表8 不同重現期下研究區域降雨徑流過程要素分析表

圖7 P-10徑流變化曲線趨勢圖

圖8 P-5徑流變化曲線趨勢圖

3.2 水質結果模擬分析

圖9為在五年一遇的降雨條件下魚化寨停車場排放口三種不同污染物COD、SS、TN排放過程。由圖9可知,通過LID改造三種污染物的排放濃度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削減并延后。其中對于TN污染物排放總量的削減最為明顯,對于SS污染物的削減滯后最為突出。對比一般設計,通過LID改造可以有效削減污染物隨降雨過程的排放總量,滯后污染物排放的峰值出現,降低該區域水體的污染負荷。

圖9 五年一遇降雨污染物COD、SS、TN排放過程模擬圖

4 結論與建議

（1）通過SWMM軟件對不同重現期下LID改造前后魚化寨停車場降雨徑流及降雨污染物沖刷過程進行模擬和分析,通過模擬結果對比分析可以發現,LID建設可以有效削減研究區域的徑流總量,控制徑流峰值,降低區域水體污染負荷,從而達到滯蓄雨水、凈化利用的海綿城市理念。

（2）通過模擬5 a、10 a、20 a、50 a重現期2 h降雨情形下魚化寨停車場LID設施改造前后降雨徑流過程,LID改造可以有效降低降雨的徑流總量,不同重現期下的削減率分別為58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但隨著重現期增大,由于飽和效應徑流峰值削減率卻呈現出不斷下降的趨勢,分別為56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。

（3）通過LID的改造三種污染物的排放濃度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削減并延后,有效降低該區域水體的污染負荷。