基于SWMM模型的城市工业园区低影响开发效果模拟与评估

朱寒松，董增川，曲兆松，金 鑫，纪红军2,，陈 蓉

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2.南京思孚泰科信息技术有限公司，江苏 南京 210098；3.北京尚水信息技术股份有限公司，北京 100084)

随着城市化进程的快速推进，城区的下垫面条件发生了很大的变化[1]。硬化的下垫面导致洪水流速加快、汇流时间缩短，引发了城市内涝、城市水环境污染等一系列问题[2]。传统的城市排水系统和灰色基础措施难以从根本上解决新形势下城市雨洪控制问题，基于低影响开发(low impact development，LID)理念[3]的城市雨水利用能够从源头滞水、渗水、蓄水、净水等方面缓解地表径流压力[4]，弥补传统排水措施的不足。作为一种可持续城市雨洪控制方法，LID技术通过模拟自然状态下的水文条件，运用源头控制的理念，采用小型、分散以及低成本的雨水利用及消纳措施，对城市雨水进行有效控制与高效利用[5-6]。为了优化LID布局，Xu等[7]采用基于边际成本的贪婪策略对LID布置进行优化。Mooers等[8]在研究LID措施对于含水层补给的影响中，采用耦合雨洪管理模型与地下水模型的方法进行模拟分析，认为布置LID措施有助于恢复含水层补给条件。

目前，对于LID单项措施的研究已相对成熟，但是综合布设LID措施时，不同措施之间效果的相互影响尚不清晰[9]。重庆市渝北区花朝工业园土地利用类型较多，有工厂、商业楼、停车场、道路、绿地等，可布置较多种类的LID措施。本文选择该区域为研究对象，研究不同LID单项措施布设与综合布设情况下径流系数与洪峰流量的削减效果，并研究综合布设方案的削减效果与单项措施布设效果和值之间的关系，以期为城市雨水控制与利用规划提供参考。

1 SWMM模型与LID措施介绍

SWMM模型是由美国国家环境保护署开发的一种用于雨水资源管理的数值模型[10]，由4个计算模块(径流模块、输送模块、扩充输送模块和存储/处理模块)和1个服务模块组成[11]。其主要功能包括：地表径流和管道径流量计算、降雨径流过程模拟、城市地表径流污染产生和扩散的模拟以及自然排水系统和管网的水质模拟[12-13]，主要应用于中、小尺度下的雨水管理系统的构建[14]。模型的LID控制模块可分为5类：①生物滞留网格，包括雨水花园、绿色屋顶等；②雨桶；③渗渠；④草洼；⑤连续多孔路面系统[15]。最新版的SWMM模型不仅能够模拟LID措施布置，校正模型也更容易[16]。

研究区域的LID布置主要分为两种方式：①子集水区层面。将模型概化成若干个子集水区，在子集水区直接布置一种或多种不同类型的LID措施，通过预先设定LID的所占面积、控制面积以及各个参数实现LID的具体布置。这种方式多适用于较大区域的LID模拟。②场地层面。添加一个由单一LID构成的子集水区，通过控制该子集水区的属性来实现LID控制。这种方式适合较小区域的LID模拟[17]。本文研究区域面积较大，选择第一种子集水区层面布置LID措施。

2 模型构建

2.1 研究区概况

重庆市渝北区花朝工业园地处东经106°31′49″～106°33′1″、北纬29°41′55″～29°42′39″，属亚热带湿润气候区，大陆性季风气候特点显著，常年平均降雨量1 100 mm。研究区域占地总面积108.95 hm2，其中不透水区域面积65.37 hm2，占总面积的60%，由屋顶、停车场、不透水道路组成；透水面积43.58 hm2，占总面积的40%，由普通绿地组成。区域内现状用地情况见图1。

图1 现状用地情况

利用研究区域的DEM数据，通过使用ArcGIS软件的水文分析功能，进行研究区域的概化。根据研究区域的管网资料，沿着管网走向、建筑物和街道分布，依据屋顶、不透水路面、停车场概化为不透水面，普通绿地概化为透水面的原则，将整个研究区域分为16个子集水区、108个节点、103条管道、2个排水口。具体概化图见图2。

图2 研究区域概化图

2.2 模型参数选取

2.2.1 暴雨强度计算

暴雨是产生城市内涝的主要原因，除了雨量、雨强等影响因素外，雨型对内涝也有重要影响。目前人们研究出的雨型主要有芝加哥雨型、P&C雨型、Huff雨型等。2017年重庆市市政设计研究院和重庆市气候中心联合编制了《重庆市暴雨强度修订公式与设计暴雨雨型》。本文选取重庆市渝北区暴雨强度公式(式(1))分别推求重现期为2 a、10 a、100 a时的设计暴雨强度，并利用主城区3 h设计暴雨过程推求t=3 h、时间间隔为5 min的设计降雨过程线。不同重现期下设计降水过程线见图3。

(1)

式中：q为t时间内的平均暴雨强度；t为降水历时；P为设计降雨重现期。

图3 设计降水过程线

2.2.2 SWMM模型参数选择

根据研究区域子集水区的面积大小、宽度、平均坡度、管道相关参数、区域不透水面积比例等参数，通过GIS软件的统计功能、实测数据资料以及当地管网资料来确定SWMM模型参数。降水入渗过程采用SCS模型进行模拟，CN值取76。地表径流的汇流计算采用非线性水库法，模拟排水系统流量演算的模型使用动力波模型。模型参数的初始值主要依据当地实际情况和模型使用手册中的推荐值[18]，不透水面曼宁系数为0.01，透水面曼宁系数为0.1，不渗透性洼地蓄水深度和渗透性洼地蓄水深度均为0.05 mm。采用2018年5月11日、20日的两场实测降水径流过程进行模型参数率定，采用2018年5月31日的实测降水径流过程进行模型验证。模型验证结果见图4，可见模拟水位过程与监测站点实测水位过程基本一致，可以认为模型参数选择合适，能够用于该区域城市雨水控制与利用模拟计算。

图4 模型验证结果

2.2.3 LID措施选择

研究区域的土地利用类型主要有屋顶、不透水道路、停车场和普通绿地等。根据实际情况，选择使用生物滞留池、绿色屋顶、渗透性路面3种LID措施。与地面径流的雨水相比较，屋顶的雨水水质较好、水量较大、收集利用方便、利用价值较高，绿色屋顶利用屋顶平台收集到的雨水种植植物，扩大城市绿色空间，可以减少雨水资源的流失、改善屋顶雨水的水质。渗透性路面多用于广场、停车场、人行道等道路，通过高透材料将路面雨水渗透到路基或周围土壤中存储，可有效缓解城市排水压力。生物滞留池通过暂时性的滞留、存储雨水，借助于植物等的过流作用和土壤特性净化雨水，实现雨水的延缓与过滤，减少地表径流的同时还能美化环境。

3 结果分析

3.1 传统模式模拟结果

将不同重现期下的设计降水过程线输入构建的SWMM模型中，得到传统模式下的区域径流过程，见表1。

表1 传统模式下模拟结果

由表1可见，传统的开发模式下，区域的径流控制率较低，形成的径流量较大，且随着重现期的增大，径流控制率呈减小的趋势。这是由于降水量随着重现期的增大而增加，城市的下垫面硬化造成不透水率较大，较大面积的不透水表面使得雨水无法及时下渗，进而产生较大的地表径流，传统的城市排水系统难以较快的排放地表径流，从而增加了城市内涝的风险。

3.2 LID布置模拟结果

本研究的LID措施选择了绿色屋顶、生物滞留池和渗透性铺装。绿色屋顶主要布置在工厂、商业楼等的楼顶上，布设面积是研究区域内由屋顶概化而来的不透水面面积。生物滞留池主要通过改造普通绿地进行布置，将现有绿地的一部分改造为生物滞留池。根据500 m2的生物滞留池控制5 000 m2区域径流的原则，将研究区内绿地面积的5%布设为生物滞留池。渗透性铺装主要布置在停车场内，布设面积是研究区域内由停车场概化而来的不透水面面积。模拟不同重现期下3种LID措施单独布设与组合布设时的径流系数与洪峰流量，模拟结果见表2。考虑组合布设和单独布设对区域径流的影响，计算进行LID布置后相对于传统模式下的径流削减率与洪峰削减率，结果见表3。

表2 LID布置前后的径流系数和洪峰流量

表3 LID布置后径流系数和洪峰流量消减率

由表3可知，在重现期为2 a的情况时，渗透性铺装的径流削减率达到32.59%，削减效果优于生物滞留池的9.29%以及绿色屋顶的3.53%。渗透性铺装的洪峰削减效果最好，达到43.95%，优于生物滞留池的11.61%以及绿色屋顶的32.69%。生物滞留池的径流削减效果与洪峰削减效果均比较差，认为与其布设面积较小、控制面积过大有关。绿色屋顶的径流控制率过低，认为与屋顶植被层较薄、蓄水层较小有关。组合式方案的径流削减率达到46.34%，削减效果优于3种LID措施单独布设，且组合式方案的洪峰削减率达到72.4%，削减效果远大于单独布设。各个方案的径流削减效果与洪峰削减效果均随重现期的增大而减小。

为了研究组合式布设与单独布设之间的影响关系，计算组合式布设方案削减率与3种单独布设削减率和值的比值。在重现期分别为2 a、10 a、100 a的情况，组合式方案的径流削减率与单一方案径流削减率和值的比值分别为1.020 2、1.027 3、1.031 4，组合式方案的洪峰削减率与单一方案和值的比值分别为0.820 3、0.800 2、0.791 4。组合式方案的径流削减率大于3种单项措施径流削减率的和值，组合式方案的洪峰削减率小于3种单项措施洪峰削减率的和值。随着重现期的增加，径流削减率的比值呈现增大的趋势，说明这3种措施组合的径流控制效果要优于单一措施，相互之间产生正影响。组合式方案能够更好地发挥LID措施的拦蓄、滞留作用，延长径流到达出口断面的时间，使径流受到的控制效果大于单独布设的和值。洪峰削减率的比值随重现期增大而呈现减小的趋势，按照组合式方案布置时，这3种措施组合的洪峰削减效果低于和值，说明3种措施之间相互产生负影响，且随着重现期的增大，负影响也随之增大。洪峰流量大、持续时间短，短历时高强度的过程使得LID措施无法完全发挥滞留作用，导致组合式方案的洪峰削减效果小于单独布设的和值。

4 结 论

a. 基于SWMM模型，选择生物滞留池、绿色屋顶、渗透性铺装3种不同的LID措施，模拟重庆市花朝工业园区在传统开发模式与LID模式下的径流过程。研究表明，LID措施能够有效削减径流，削减洪峰，但削减效果随着重现期的增大而减小。

b. 组合式方案的径流削减率达到46.34%，洪峰削减率达到72.4%，削减效果优于3种LID措施单独布设。

c. 组合式方案的径流控制效果优于单一方案的和值，表明3种LID措施彼此间相互产生正影响。组合式方案的洪峰削减效果低于单一方案的和值，表明3种LID措施彼此间相互产生负影响。