基于SWMM的LID设施对排水管网性能影响研究

张晓宇 董 欣

(清华大学环境学院，北京 100084)

0 引言

高速发展的城市化建设，使得屋面、道路、广场等不透水地面面积大幅增加，城市原有的水文过程剧烈变化，城市化带来的径流危害愈演愈烈。目前，国内外普遍应用低影响开发(Low Impact Development，以下简称LID)的理念应对城市化带来的降雨径流危害。

LID设施对降雨径流进行源头控制，从而部分还原城市水文特征，有效缓解内涝、污染等问题，对受纳水体影响显著。但LID设施是通过排水管网对受纳水体产生影响的，LID设施的种类、规模、空间分布与排水管网的结构、规模的不同组合对受纳水体产生的影响不同。

目前，关于LID设施控制降雨径流水量水质的研究较多，而关于LID设施对排水管网性能影响的研究匮乏。因此，本研究将以迁安市实际情况为基础，识别LID设施对内涝和管网内流速的影响，以期综合考虑LID设施对排水系统性能的影响。

1 研究内容

本文在不同规模LID设施与不同重现期排水管网组合的基础上，识别LID设施建设对排水管网性能的影响，选取河北省迁安市海绵城市试点区作为研究区域。对迁安试点区进行实地监测，并对LID开发后的城市排水系统进行模拟，加以情景分析。本文选用SWMM作为构建城市排水系统的平台，近年来，SWMM被不断地修正和完善，5.0版本能够良好地模拟植草沟、透水铺装等LID模块。

1.1 研究区域概况

迁安海绵城市建设试点区总面积21.5 km2，其中建筑用地占比56%，道路用地占比18%，绿地占比15%，水系占比1%，裸地占比10%。地块综合径流系数0.54。老城区的硬化面积比例大，建筑屋顶占比接近70%，综合径流系数较高，达到0.85，产生内涝的风险很大。

迁安市全年降水量的80%以上集中在6月～9月，其中又以7月、8月份为最。由于降水的年内分配不均导致每年夏季阴雨连连，十分容易发生内涝。

1.2 研究区域概化

根据迁安市的实际材料确定试点区的高程信息、汇水区信息等，建立好管网的骨架结构后，通过向当地排水公司收集重要设施、溢流口、泵站的结构和性能数据，录入模型。研究区域概化结果如图1所示。

1.3 模型构建

1.3.1不同设计重现期管网构建

根据《室外排水设计规范(2014版)》，雨水管道的设计流量计算方式如式(1)所示：

Q=qΨF

(1)

其中，Q为雨水设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/(ha·s)；Ψ为径流系数；F为汇水面积，ha。

其中迁安市的暴雨强度公式如式(2)所示：

(2)

其中，q为设计暴雨强度，L/(ha·s)；t为降雨历时，min；P为设计重现期，年。

根据当地用地情况、城市规模等选择合适的径流系数，本文径流系数为0.6，根据拓扑结构，计算具体管道的上游汇水面积。根据计算得到的设计流量对照雨水管道水力计算表换算管道的管径。为了更好地对系统化方案进行评估，选取对结果较为不利的芝加哥雨型来设计降雨。结合本案例实际可分别计算得出P=0.5，1，3，5时四种不同设计重现的雨水管设计流量，按照满流排水管道管径与设计流量的对应关系生成本研究需要的四套雨水管网。

1.3.2不同规模LID设施生成

本研究暂不考虑LID设施种类的影响，因此各种类型的LID设施按照实际规划中的比例铺设，分别为植草沟8%，透水铺装43%，入渗沟2%，生物滞留44%，雨水桶3%。结合研究区域不透水面积比例以及实际情况，模拟的LID设施总规模为10%，20%，30%，40%，50%，每种规模的LID设施位置分布均随机500次。

综上，本研究共考虑了5种LID设施的总规模和4种管网的规模，交叉形成20种情景，每种组合情景对应500种LID设施位置，共计10 000种方案。

1.4 参数设置

本研究中的相关雨季参数设置直接采用当地海绵城市建设方案中的率定结果，如表1所示。

表1 雨季参数取值

SWMM5.0中提供了五种概化LID设施，分别为：植草沟(Vegetative Swales)、透水铺装(Porous Pavement)、入渗沟(Infiltration Trenches)、生物滞留(Bio-retention Cells)、调蓄池(Rain Barrels)。本研究中采用当地实际规划中的LID设施参数为对应模块的设计参数，具体取值如表2所示。

表2 LID设施参数取值

2 研究结果

2.1 LID设施对内涝削减率的影响

如图2所示，在1年期降雨下，对500种LID设施的位置分布方案模拟的内涝削减率进行均值分析，比较不同规模LID设施与不同规模排水管网组合对内涝削减率产生的影响。

结果显示，LID设施由汇水区面积的10%规模增长到20%规模时，排水系统的内涝削减能力平均提升28.74%；LID设施由汇水区面积的20%规模增长到30%规模时，排水系统的内涝削减能力平均提升25.93%；LID设施由汇水区面积的30%规模增长到40%规模时，排水系统的内涝削减能力平均提升17.20%；LID设施由汇水区面积的40%规模增长到50%规模时，排水系统的内涝削减能力平均提升4.94%。每增加10%规模的LID设施，内涝削减率平均提升8.61%。

2.2 LID设施对排水管网内流速的影响

加入LID设施后，由于管网的局部入流量会减小，因此，管网内的流速较加入LID设施前会减小。以管网内流速分布变化作为观测对象来分析加入LID设施对管网内流速的影响。

如图3a)～图3d)所示，LID设施由汇水区面积的10%规模增长到20%规模时，排水管网内流速平均下降5.47%；LID设施由汇水区面积的20%规模增长到30%规模时，排水管网内流速平均下降6.41%；LID设施由汇水区面积的30%规模增长到40%规模时，排水管网内流速平均下降8.14%；LID设施由汇水区面积的40%规模增长到50%规模时，排水管网内流速平均下降10.90%。每增加10%规模的LID设施，管网内流速平均降低7.73%。

3 结论及建议

本文从内涝总量和管网内流速变化两个指标研究了低影响开发(LID)设施对排水管网性能的影响。

通过研究在1年降雨重现期下，在不同规模的LID设施和不同规模的排水管网组合下，排水系统内涝总量削减率和管网内流速的变化情况，得出了LID设施对于排水管网的影响规律。结果显示：LID设施能够控制内涝，但会使管网内流速降低，内涝的控制能力和管网内流速变化受到LID设施规模以及管网规模的影响。

在实际海绵城市建设时，老城区的海绵城市改造，可结合实际管网情况，以一定内涝控制水平和管网内流速变化水平为标准，选择合理的LID设施规模；新城区的海绵城市建设，可以一定内涝控制水平、管网内流速变化水平，选择合理规模的LID设施和排水管网组合，规划出合理有效的LID设施与排水管网的协同设计方案。此外，在今后的研究中，可以考虑加入LID设施和管网建设成本作为约束条件，以得到成本更加经济的建设组合。