基于SWMM模型的低影响开发模式在城市雨洪控制中的研究

王 雷，杨凤阁，王诚杰，崔建军，徐 艳，赵国良，霍树义，金坎辉，路 维

(河北水利电力学院，河北 沧州 061001)

0 引 言

随着我国城镇化进程的快速推进，越来越多的绿地被灰色混凝土建筑以及不透水铺装取代，这种变化破坏了原有的自然水文生态，在遭遇高强度降雨时，地面降雨能够短时间内在该区域内形成地表径流，增加管网排水压力，极易形成城市内涝[1]。2015年8月31日～9月1日该地区普降特大暴雨，最大降雨强度达到41.6 mm/h，最大降雨量达143.1 mm，造成该地大范围内涝，严重区域水深达到1 m。

低影响开发LID以分散式小规模措施对雨水径流进行源头控制，以达到缓解城市内涝，改善城市生态环境的目的。暴雨管理模型SWMM[2]是由美国环境保护署开发的基于水动力学的降雨径流模拟模型，该模型集成了降雨、径流等多种模块，能够对单场及连续降雨的径流和排水情况进行动态模拟，LID模块能够模拟LID设施影响下的径流量、峰值流量和蓄水量等参数的变化情况。文章以华北地区某区域为研究对象，通过建立SWMM模型，对不同重现期设计暴雨下的降雨径流进行模拟计算，为该地区暴雨洪水控制研究提供技术支持。

1 研究区域自然气候特征

研究区域介于北纬38°16′～38°18′、东经116°46′～116°48′。该区域属温带半湿润季风气候，年平均降雨量约600 mm，且分布极不均匀，7、8月份降雨量占到了全年的70%～80%，夏季受太平洋副热带高压影响，极易形成强降雨，具有“降水量大、历时长、降水集中、强度大”的特点，在这种气候特征下易形成地表径流和洪涝灾害。

2 研究区域SWMM模型构建及参数确定

2.1 研究区域概况

该研究区域城市化进程快，硬化比例高，用地类型主要为居住用地、教育用地、行政办公用地、公共文化设施用地以及较少的耕地和绿化用地[3]，利用ArcGIS对该区域的DEM数据进行处理，该区域地势较为平坦，高程7～11 m，坡度0.2°～1.8°。排水为雨污分流制，雨水管网设计标准较低，暴雨设计重现期为0.5～1 a。区域内有小流津河、景观河、景观湖，承担研究区域内雨水排涝任务。

2.2 研究区域模型概化

研究区域总面积约651.5 hm2，平均不透水面积率为50.7%，依据该地区现状排水管网图和现场实地踏勘，研究区域概化如下：共划分子汇水区域109个，面积1.89～9.8 hm2，管段142条，节点143个，出水口16个。研究平面概化图见图1。

图1 研究区域平面概化图Fig.1 study area plan generalization

2.3 设计雨型及雨量

根据室外排水设计规范[4]，中小城市中心城区的重要地区，暴雨设计重现期为3～5 a，人口密集、内涝易发的城镇宜采用上限。鉴于此，本研究设计重现期设定为1、2、3和5 a 4种；降雨历时设定为2h；降雨量根据该地暴雨强度公式(1)计算确定；设计雨型采用芝加哥雨型，雨峰相对位置r在0.3～0.5之间[5]，本研究取r值为0.4。

(1)

式中：P为设计重现期，a；t为降雨历时，min；q为暴雨强度，L/(s·hm2)。

2.4 产汇流模型选取及参数率定

地表汇流模型选用非线性水库模型，产流模型采用Horton入渗模型，水力演算模拟动力波模型。子汇水面积、节点高程等参数通过GIS分析、市政管网资料和现场实地踏勘获得。曼宁系数、入渗率等参数在参考模型手册或文献资料的基础上根据实际情况进行率定，文章参考刘兴坡[6]提出的基于综合径流系数的城市降雨径流模型方法，通过反复迭代试算得到最优参数，再分别以重现期为1 a和2 a的合成降雨检验参数率定结果的稳定性。

根据计算得到的该区域不透水面积率，查询《城市排水手册》查得综合径流系数参考值(表1)，可知该区属于建筑较密的居住区，根据率定结果，得到模型重现期1 a和2 a的综合径流系数分别为0.55和0.62，满足建筑较密的居住区综合径流系数0.5～0.7的要求[7]。率定结果见表2。

表1 综合径流系数参考值Tab.1 Comprehensive runoff coefficient reference

表2 率定参数表Tab.2 Rate parameter table

3 排水系统现状能力评估

分别采用1、2、3、5 a 4种设计重现期来对研究区域排水管网系统进行模拟，溢流情况详见表3。

表3 溢流情况表Tab.3 Overflow table

从模拟结果可以看出随着降雨强度的增大，管网的溢流节点数量不断增多，节点溢流量也不断增大。P=1 a时，积水节点为18个，溢流量均不超过50 m3，基本满足雨水管道设计规划要求；P=2 a时，溢流节点数量为61个，占节点总数的42.7%，其中溢流量大于500 m3的节点有2处；P=3 a时，溢流节点数量为77个，占节点总数的53.8%，其中溢流量大于500 m3的节点有6处；P=5 a时，溢流节点数量为89个，占节点总数的62.2%，其中溢流量大于500 m3的节点有11处。可见，除P=1 a外，在2、3和5 a的设计降雨下，研究区域的现状排水管网系统均出现了多处溢流，且溢流情况严重。

4 LID模拟结果及分析

4.1 LID措施参数设置

在借鉴国内外已有研究成果的基础上，根据研究区域的实际情况，将研究区域内50%的绿地改造为下沉式绿地，50%的硬化广场及道路改造为透水铺装，考虑到绿色屋顶对原屋面承载及防水能力有较高要求，故绿色屋顶的改造比例设为30%，雨水桶按所处理屋面面积的1%的比例计算[8]，设置桶高2 000 mm，排水系数25.4 mm/h，排水指数0.5。LID设施主要参数详见表4。

表4 LID设施主要参数Tab.4 LID facility main parameters

4.2 模拟分析

分别模拟单独布设雨水桶、单独布设下凹式绿地、单独布设透水铺装、单独布设绿色屋顶以及四种LID设施组合布设这五种方案在不同暴雨设计重现期下整个研究区域的降雨径流过程，如图2所示。五种方案下不同暴雨设计重现期径流总量与洪峰流量削减率如图3所示。

这5种LID布设方案在不同设计重现期下对径流均有一定的削减作用，在径流总量削减方面，组合布设LID措施的削减效果显著，削减率达到76.3%，其后依次是下凹式绿地、透水铺装和雨水桶，绿色屋顶的径流削减效果最差，仅为8.8%；在洪峰流量削减方面，组合布设LID效果显著，削减率达到75.9%，其后依次是雨水桶、透水铺装、下凹式绿地，绿色屋顶最差，仅为6.4%。在延迟峰现时间方面，各方案均能不同程度的推迟了峰现时间，其中单独布设雨水桶的效果最好。

当暴雨设计重现期由1 a一遇增大到5 a一遇是，透水铺装保持20%左右稳定的径流削减率，这是由于透水铺装入渗率较大所致，其他方案径流总量、洪峰流量的削减率均逐渐下降，这是因为高强度降雨条件下土壤迅速饱和，当降雨强度超过LID设施的下渗和储蓄能力时，径流削减效果进一步降低，但仍具有迟滞径流的作用。

图2 5种方案在不同暴雨设计重现期下的降雨径流曲线Fig.2 Rainfall runoff curves of five different scenarios during recurrence periods of different rainstorm designs

图3 不同暴雨设计重现期径流总量与洪峰流量削减率Fig.3 Total runoff volume and peak flood flow reduction rate during recurrence of different storm designs

5 结 论

(1)现状排水管网排水能力不足，仅能满足1 a暴雨设计重现期水平，一旦该地出现超出设计重现期强度的暴雨，极易发生城市内涝。

(2)5种LID措施布设方案均能不同程度增强雨水系统对径流的滞留调蓄能力，减少总径流量并削减洪峰。在径流总量削减效果上，组合布设LID方案最佳，其后依次是下凹式绿地、透水铺装、雨水桶，绿色屋顶最差；在洪峰流量削减效果上，组合布设LID方案最佳，其后依次是雨水桶、透水铺装、下凹式绿地，绿色屋顶最差。因此，在进行LID设施布置规划中，建议采用多种LID措施组合布设，以取得最佳效果。

(3)LID设施在低重现期下径流削减效果更为显著，随着暴雨设计重现期的增大，在高强度降雨作用下，LID设施的径流削减效果降低，但仍可以起到径流迟滞作用。

(4)文章着重从技术层面探讨低影响开发理论在解决城市内涝问题的可行性，对建设海绵城市具有一定的指导作用，但在进行LID改造时，除考虑LID技术因素外，还需考虑自然因素和成本因素，因地制宜，根据项目实际特点综合比选方案，避免一味追求多LID设施的堆砌。