基于SWMM模型的透水路面徑流削減模擬分析

鄧智彬

（東莞市橫瀝鎮工程建設中心,廣東 東莞 523000）

1 引言

隨著我國城鎮化建設的飛速發展,原有的天然土壤和植被不斷被建筑物及不透水地面所取代,極大降低了原有地面對雨水的滲透性,從而引發了城市的洪澇災害。因此建設具有“自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”逐漸成為市政工程規劃的研究熱點[1]。透水路面作為海綿城市規劃設計中排水管網設計和片區規劃設計等工作的重要基礎指標,對其進行科學合理的模擬預測將極大地提高地表徑流削減效果。因此,分析基于暴雨強度及透水路面鋪裝方式的模擬研究具有重要意義,進一步地,可以為研究區域透水路面徑流削減工藝的選定提供有力的理論依據。

目前,國內外諸多學者借助由美國環保署研發的暴雨洪水管理模型（StormWaterManagementModel,SWMM）對海綿城市建設的關鍵工藝進行模擬[2]。王建富等[3]以遷安典型片區為例,結合設計資料、人工試驗和自然降雨條件下的監測數據,參考相關文獻,提出基于SWMM模型的海綿城市設計模擬中的參數選擇和率定方法。梁華秋等[4]通過SWMM軟件構建模型,根據實際情況重新定義雨水徑流凈化設施面積與場地總面積的比值為建設強度,并得到不同坡度下典型雨水徑流凈化設施的使用效益結果,經回歸分析證明各效益與建設強度存在線性關系。研究結果表明：山地村落雨水徑流凈化設施的最適建設強度區間分別為7%～9%,該研究為山地村落雨水集蓄系統的建設提供一定的理論依據。葉陳雷等[5]運用SWMM模擬研究了在不同的降雨情景下,街區地表二維淹沒與危險性分布。本研究結果可以為城市街區尺度下的洪澇模擬及危險性評估提供一定的借鑒作用。黃誠等[1]使用基于GIS技術的SWMM模型,模擬了城市區域在發生暴雨后的內澇問題和探討低影響開發措施對城市雨洪的調控效果。研究表明低影響開發措施設計方案對海綿城市雨洪調控效果明顯,可為當地內澇治理提供參考。

現階段應用SWMM軟件的研究范圍內率定參數的選取均基于國外研究報道或數據,尚未有利用SWMM軟件對實際規劃區域內透水路面工程徑流削減特征模擬的相關研究。基于此,本文利用SWMM5.0 軟件對研究區域內不同暴雨強度下透水路面徑流削減效率進行模擬,研究結果以期對市政工程規劃中不同暴雨強度下的透水路面徑流削減工藝的選定及預期提供一定的理論指導。

2 研究區域概況

研究區域位于廣東省某北部區域,淮河下游,該地區地形起伏相差較小,絕大部分為平原地形區,海拔在10 m～18 m之間,其中平原地形主要占到研究區域總體面積的95%。總體氣候屬暖溫帶向亞熱帶過渡的季風氣候,受季風氣候影響,四季分明,雨量集中,雨熱同季,常年平均氣溫為13.6℃。研究區域位置見圖1。

圖1 研究區域位置

3 研究區域管網模型及匯水區劃分

為了探究研究地區透水路面徑流削減特征,對研究區域內的排水系統管網進行模型概念化,并導入SWMM5.0軟件進行建模。如圖2所示,該規劃雨水系統為分流制強排系統,研究區域總體面積為28.5 hm2,共設5 路總管,管徑范圍為DN500～DN3000,研究區域的節點管網設定參照實際規劃雨水排水管網敷設,共有62 個普通節點、4個排放口節點,雨水泵站設置于系統北部,泵站近遠期規劃規模分別為25 m3/s及45 m3/s,三用一備。

圖2 排水系統模型概化

進一步地,根據規劃設計管網及部分施工圖紙,對研究區域內SWMM模型建模所需參數進行確定,主要包括水文模塊、水力模塊及透水路面參數等,結果見表1。

表1 SWMM模型參數表

4 研究區域透水路面徑流削減特征模擬

4.1 研究區域透水路面徑流削減模擬方法

美國環境保護署（EPA）的雨洪管理模型（SWMM）是一種動態降雨徑流路徑模擬模型,用于對主要城市地區的徑流數量和質量進行單次事件或長期（連續）模擬。SWMM的徑流部分在接收降水并產生徑流和污染物負荷的子匯水面積集合上運行。SWMM的選路部分通過管道、渠道、儲存/處理設備、泵和調節器系統輸送徑流。SWMM跟蹤每個子匯水面積內產生的徑流的數量和質量,以及在模擬期間劃分為多個時間步長的每個管道和渠道中的流量、流深和水質[4]。連續透水路面系統是用礫石填充并鋪有多孔混凝土或瀝青混合料的開挖區域。連續滲透路面系統是用礫石填充的挖掘區域,并用多孔混凝土或瀝青混合料鋪設（圖3）。連續滲透路面模塊化砌塊系統與其相似,只是使用了透水砌塊攤鋪機。通常所有的降雨都會立即通過路面進入下面的礫石儲存層,以自然速率滲透到場地的原生土壤中。路面層的高度通常為30 mm～50 mm,而礫石儲存層的高度通常為100 mm～150 mm。降雨滲流的捕獲率是指處理區域（街道或停車場）被可滲透路面取代的百分比[6]。

圖3 透水路面結構模型

本研究主要探究某研究區域透水路面徑流削減演變模擬特征,運用SWMM5.0模型計算典型的透水路面徑流削減效率與透水路面鋪設位置、降雨強度等影響因子的關系,以期為相關工程實踐提供參考。在模擬過程中,輸入模型的參數包括子匯水區面積、透水路面鋪裝設置及暴雨強度等[7]。

4.2 研究區域暴雨強度

選取研究區域的暴雨強度公式,進一步對暴雨強度進行分析。公式如下[8]：

式中：i為暴雨強度,mm/min或mm/hm2；t為降雨歷時,min；P為重現期,年。本次計算降雨歷時t取120 min,重現期P取1年、3年及5年。計算結果見表2。

表2 降雨強度表 單位：mm/hm2

進一步地,根據表2數據,繪制不同降雨重現期下的暴雨強度圖（見圖4）。如圖4所示,在降雨歷時區間為0～40 min內,重現期對暴雨強度的影響相對較大。具體來說,隨著研究區域內暴雨重現期的提高（1年～5年）,暴雨強度也不斷增大（141.52 mm/hm2到212.75 mm/hm2）。進一步地,暴雨強度隨著降雨時長的增加,其強度大小及變化逐漸趨于緩和。

圖4 研究區域內暴雨強度

4.3 研究區域芝加哥雨型強度

式中：Ia、Ib分別為雨峰前雨強,雨峰后雨強；A,b,n等均為地方降雨參數（取自地方數據）；r為降雨過程線雨峰的相對位置參數,一般取值為0.3～0.5；ta為峰前降雨歷時；tb為峰后降雨歷時。根據相關文獻報道及經驗,本研究模擬過程雨峰位置選取為0.45。根據公式（3）～（4）得到研究區域在暴雨重現期分別為1年、3年及5年的芝加哥雨型強度,見圖5。

圖5 不同降雨重現期下的雨型

如圖5所示,通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線在降雨歷時內的平均降雨量,進而得到在1 min～120 min降雨歷時內,對應降雨重現期為1 年、3 年及5 年的芝加哥雨型。具體來說,在0～120 min降雨歷時內,雨峰的位置出現在54 min時。研究區域內的雨型展現出先增加后降低的變化趨勢。

4.4 研究區域透水路面徑流削減模擬分析

利用SWMM5.0軟件,對根據不同暴雨重現期下的透水路面徑流削減效率進行分析。如圖6所示,采用透水路面將極大地削減地表徑流量。進一步地,隨著降雨強度的增加,透水路面徑流削減效率呈現遞減的趨勢。具體來說,當市政規劃采用透水鋪裝方式且P=1 年、3 年及5 年的情況下,透水路面徑流削減效率分別為55.1%、42.4%及36.3%。

圖6 降雨設計重現期對透水路面徑流削減效率的影響

5 結論

基于對某研究區域不同暴雨強度重現期下暴雨強度及雨型的計算與分析,本文利用SWMM5.0 軟件對研究區域透水路面徑流削減特征進行模擬,得到了如下結論：

（1）研究區域內的暴雨強度隨著降雨重現期的提高而增加,但雨型變化不明顯。

（2）SWMM5.0 對透水路面徑流削減占比模擬結果表明,透水路面將極大地提高地表徑流削減,但隨著暴雨強度的提高,透水路面徑流削減效率會降低。