利用暴雨管理模型（SWMM）对低影响开发措施效果的模拟研究

1、前言

随着我国城镇化进程的不断加快，城市中不透水面积增加，建成区的径流系数增加、汇流时间缩短、降雨径流的峰值流量增大、降雨径流总量增大。随着气候的变化，近年来极端天气频现，城市中短时暴雨造成城市的内涝，给城市排水管网造成极大的压力并且国家和人民的生命财产造成了极大的损害。同时雨水径流被排走，造成雨水资源得不到充分利用。由于城市的大规模建设以及城市中机动车辆的增加，降雨径流的污染也日益严重。面源污染已逐步成为我国水体污染的主要因素。因此，在城镇的建设过程中应当增加雨洪控制与利用的措施，尽量保持土地开发前后的水文过程，防止面源污染。为增加雨水资源的利用量以及防止面源污染，可以采用低影响开发的理念，增加绿色屋顶面积、建设雨水收集利用系统、增加城市透水面积、降低绿化带的高程、建设调蓄设施等。笔者利用暴雨管理模型(SWMM)对某新开发区域内采用绿色屋顶、雨水收集、渗透铺装、低势绿地等LID措施后出水口断面的峰流量、峰流量出现时间、径流系数的变化进行了模拟分析。

2、SWMM模型介绍

暴雨管理模型（SWMM）模型是一个动态模拟模型，能够对城市地区进行某一降雨事件或者特定时期降雨径流水量以及水质的模拟。

根据地表特性的不同，子汇水区被概化为三种类型：①有滞蓄量的不透水地面；②无滞蓄量的不透水地面；③透水性地面。有滞蓄量的不透水地面的产流量计算方法为降雨量减去滞蓄量；无滞蓄量的不透水地面的产流量就是降雨量；透水性地面的产流量计算方法为降雨减去滞蓄填洼量和地面下渗量。

SWMM模型中，汇水区被概化为非线性水池。当降雨水量大于地表的滞留量时，地表才开始产流。模型中利用曼宁公式进行产流量计算：。

式中：W—汇水区特征宽度，m；n—曼宁系数；d—降雨水深，m；

dp—地表滞蓄水深，m；S—汇水区地面坡度，m/m； Q—地表产流量，m3/s。

SWMM模型采用圣维南方程组(Saint-Venant)对管网汇流系统的演算和求解。

3、研究区域SWMM模型的建立

3.1 研究区域的概化（如图1所示）

图1 研究区概化效果图

研究区域为某新规划开发区域，开发区域内包含金融商业用地、行政办公用地、文化娱乐用地、公共市政用地、绿地用地等总用地面积为90.48ha。本文中常规开发指不采取任何雨洪控制利用措施的开发方式；采用的LID措施主要有绿色屋顶、雨水收集、渗透铺装、下凹绿地等LID措施的开发方式。研究区整个模拟地块被概化为43个子汇水区、15条雨水管道、16个节点、1个出水口。

3.2 模拟采用的降雨数据

本文对两种不同重现期设计降雨进行模拟，降雨重现期取3a和10a。采用的暴雨强度公式为：

式中：—暴雨强度，L/s•ha；—重现期，a；—降雨历时，min；（如图2所示）

3.3 SWMM模型参数确定

各汇水区产流过程的计算，采用Horton模型模拟区域内的渗透过程，模型中参数包括最大下渗率f0、最小下渗率f∞以及衰减系数，三者的取值分别为76mm/h、3.80mm/h和2.5h-1。地面汇流过程采用非线性水池模型，透水地表和不透水地表的的滞蓄量取值分别为为12mm和2mm。透水地面、不透水地面以及排水管道的曼宁系数取值分别为0．013、0.12和0.013。管网汇流过程采用运动波方程进行流量演算与求解。

图2 设计降雨强度示意图

4 模拟结果与分析

3年一遇设计降雨常规开发与采用LID措施后区域内出水口断面峰流量、峰现时间、径流系数比较见表2。

3年一遇设计降雨条件下，峰流量在常规开发时为9.31m3/s，采取LID措施后为4.37m3/s，峰流量被削减了53.0%；常规开发时峰流量出现时间为52min，采取LID措施后为133min，峰流量出现时间被滞后81min；径流系数常规开发时为0.69，采取LID措施后为0.41，径流系数减小0.22。

10年一遇设计降雨时常规开发与采用LID措施后区域内出水口断面峰流量、峰现时间、径流系数比较见表3。

10年一遇设计降雨条件下，采取LID措施较常规开发峰流量被削减了30.3%，峰流量出现时间被滞后66min，径流系数减小0.19。

常规开发与采取LID措施后在不同设计降雨条件下各指标削减量汇总见表4。

从表4中可以看出，采取LID措施在3a设计降雨重现期时较10a设计降雨重现期时发挥的作用更大。峰流量削减的更多，峰流量被滞后的时间更长，径流系数减小的更大。

常规开发与采取LID措施后相比较。采取LID措施后，地表对降雨的滞纳量增加，降雨的下渗量增加，因此地表径流系数减小，降雨峰流量减小，地表产汇流时间延长，峰流量出现时间被滞后。

10a一遇设计降雨强度较3a一遇的大，采取LID措施后地表的滞纳量及下渗量在10a一遇设计降雨时，达到饱和的时间更快，甚至由于设计降雨强度太大，LID措施的滞纳量和下渗量还没有达到饱和，地表就开始产汇流。因此在10a一遇设计降雨时，采取LID措施对峰流量的削减、峰流量出现时间滞后、地表径流系数等方面的作用减弱。

5、结论

本文采用暴雨雨水管理模型SWMM模型模拟分析了某新规划开发区域内采用绿色屋顶、雨水收集、渗透铺装、低势绿地等几种LID措施后对暴雨径流的影响。结果表明，在一定降雨重现期时，LID措施可以对削减降雨径流的峰流量，推迟峰流量出现时间，减小开发区域内地表的径流系数。

对于重现期不同的设计降雨过程，重现期为3a较重现期为10a的设计降雨，LID措施对降雨径流的滞纳效果更明显。低影响开发措施对重现期较小降雨事件地表径流的滞纳效果更明显。

利用SWMM模型可以用来考察规划LID措施对降雨径流滞纳效果，为有关LID措施的规划建设提供必要的参考。由于对规划区域内的实测数据掌握不足，未能针对规划区域进行参数率定和验证，模型有关参数均采用国内外相关研究的典型参数。还需要加强对措施实际效果的监测，从而为模型参数率定和验证提供大量基础数据，以确保模拟的结果更加精确。

表2 3年一遇设计降雨时区域内出水口断面峰流量、峰流量出现时间及径流系数比较

表3 10年一遇设计降雨时区域内出水口峰流量、峰流量出现时间及径流系数比较

表4 常规开发与采取LID措施后不同重现期各指标削减量汇总