基于SWMM的小区排水能力校核及低影响开发解决措施

侯煜堃， 郭宇超

(1.华北水利水电大学 城市水务研究院，河南 郑州 450046; 2.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

0 引言

随着社会的发展，城镇化的建设越来越快，气候变化也随之发生改变。在此背景下，城市面临着洪涝灾害频繁发生、水资源短缺、排水能力不足等问题，越来越多的城市受到积水问题的困扰[1-3]。随着我国社会的发展，我国居住小区的开发强度越来越大，而城市中市区用地紧张，造成城市绿化用地逐步缩减，不透水地面比例逐步增加。

《室外排水设计规范》(GB50014-2006，2016年版)中规定，排水设计应根据重现期校核城镇排水系统能力，重现期根据城市城区类型采用不同的标准[4]。但我国一些城市的老城区或旧的住宅小区，设计重现期远远低于现行设计下限，导致城区或居住小区内涝频发，严重限制了城市的发展及人们的正常生活，所以对于旧城区排水能力的校核及改造是非常有必要的。

在传统的排水系统改造中，常用方法为加大排水管道的管径，对溢流口进行改造，合流制改分流制等。在改造中必然进行道路开挖，使用较大噪声的机械设备，这严重影响了城市居民的日常生活，并且开挖过程中可能破坏其他管线，带来不必要的经济损失。但LID(low impact development,低影响开发)措施却避免了这些问题的发生，并且对于其控制效果，王红武等[5]、刘志峰等[6]、KRISTIN L等[7]进行了积极的探索，表明LID对雨水径流具有削减作用。

城市暴雨内涝、城市水资源短缺和城市水环境恶化已经成为城市水资源管理领域亟须解决的三大问题[8]。本文以武汉市青山区某小区为研究对象，基于SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)校核了该小区的排水能力，并通过低影响开发(LID)措施，解决了该小区排水能力不足的问题，为武汉城市旧城改造提供了有效方法，同时为其他城市的建设提供参考。

1 SWMM原理简介

1.1 水文过程模拟原理

水文过程模拟是在子汇水区域的基础上完成的，在模拟中，每个子汇水区如同一个非线性水库，如图1所示，模型根据输入项降雨量，输出项下渗量、蒸发量、洼地蓄水量等，通过水量平衡方程计算地表径流量。当蓄水深度超过最大洼地蓄水深ds时，地表发生径流，计算公式为

(1)

其中，Q：径流量(m3/s)，A：子汇水区面积(m2)，i：净降雨强度(m/s)，dV：总蓄水量(m3)，dt：时间(s)。

图1 模型地表产流示意图Fig.1 Sketch map of surface runoff of model

本文在模型设置中忽略了蒸发的损失量，下渗水量计算采用水文学家霍顿提出的Horton下渗模型，其计算方程为

f=ft+(f0-ft)e-kt，

(2)

其中，f：下渗率(mm/h)，ft：稳定下渗率(mm/h)，f0：初始下渗率(最大下渗率)(mm/h)，k:下渗衰减系数(h-1)，t:下渗历时(h)。

1.2 水力过程模拟原理

SWMM模型为水流在管道中的运动提供了3种方法，分别为稳定流法、运动波法和动力波法，本次模拟过程选用运动波法。运动波法采用连续方程和简化的运动方程对管道水流运动进行模拟[9]，其计算方法为

(3)

其中，A：过水断面面积(m2)，Q：径流量(m3/s)，S0：网格单元地表坡降或河道的纵向坡降(%)，n：曼宁糙率系数，R：水力半径(m)。

运动波节点控制方程写成有限差分形式为

(4)

其中，Ht：节点水头(m)，Δt：时段(s)，Qt：节点流量(m/s)，Ask：自由水面面积(m2)。

1.3 LID模拟原理

在SWMM中，低影响开发控制模块被设置在子汇水面积的属性之中。LID控制是通过多个竖向单元层的组合表示的，每个单元层能单独定义参数。在模型计算模拟时，SWMM通过执行含湿量平衡，模拟每个竖向单元层中发生的径流流入、渗透、蓄存、潜流、蒸发等情况，并将演算的模拟结果带入下一层再次进行计算，直到演算完成[10]。

2 研究区域排水能力校核

2.1 研究区域概况

本文选取的研究区域位于武汉市青山区，建设二路与友谊大道交叉口附近。地理位置为北纬30°37′，东经114°26′。境域地处长江中游南岸，中低纬度，属亚热带季风气候。研究区域属半平原、半丘陵地貌，地势由东向西倾斜，逐渐走低，平均海拔约22 m。境域内四季分明，光照充足，热富雨丰。总占地面积14.49 hm2，绿化面积约30%。区域雨水管网现状如图2所示。

图2 研究区域雨水管网现状Fig.2 Present situation of rainwater pipe network in studied area

2.2 研究区域的概化

本文通过对研究区域雨水管道及水文特征的分析，结合小区实际地表用地类型，下垫面属性等因素，严格遵循SWMM区域概化的基本原则，对小区进行概化。本次研究中将DN400以下的管道略去，只保留DN400以上(包括DN400)的管道，概化后汇接点25个，排水口7个，雨水管道25条(均属于圆形断面管道)，子汇水面积24个。概化结果如图3所示。

图3 研究区域排水系统概化结果Fig.3 Generalized results of drainage system in studied area

2.3 水力参数设置

水力参数在本研究区域内主要为雨水管网的属性设置，其中包括雨水管道属性设置、相应节点属性设置、排放口属性设置。雨水管道的属性包括管道的长度、管道的直径、坡度以及曼宁系数等，其中管长、管径和管道坡度由CAD 设计图纸直接获得。雨水管道进出水偏移量在SWMM中有两种设置，本次研究选取标高偏移，此时进出水偏移量为上下游管底的高程值。而管道曼宁系数则与雨水管道自身管材有关，参考依据实际管道材料及模型手册选取0.013。汇接点属性，只需输入内底标高及深度，管内底标高由提供的 CAD 设计图获得。排放口的内底标高，同样从CAD图纸得出。

2.4 水文参数设置

2.4.1 子汇水区宽度

子汇水区宽度的物理定义是指子汇水区面积与地表漫流最长路径的比值，但是在实际中这个参数无法测量。常见的子汇水区宽度的计算机计算方法主要有以下4种:

1)Width=1.7×Max (Height, Width)；

2)Width=K×Sqrt (Area)(0.2

3)Width=K×Perimeter (0

4)Width=Area / Flow length。

本次研究中根据已有资料及研究区域实际情况，选取第2种方法进行子汇水区宽度的计算，其中参数K取值为0.8。

2.4.2 子汇水区坡度

坡度值在SWMM运行中是一个敏感的参数，本文通过 ArcGIS (3D Analyst工具)栅格表面坡度计算工具，对研究区域DEM(digital elevation model,数字高程模型)进行坡度分析计算，统计每个子汇水区平均坡度。经计算和统计分析，子汇水区的坡度值统一取0.25。

2.4.3 子汇水区的不渗透性参数

SWMM中子汇水区不渗透性是指区域内不渗透面积占区域总面积的百分比。本研究区域主要用地为住宅用地、交通设施用地、公共服务用地及绿地等，其中绿地约占总体用地的30%，所以子汇水区的不渗透性统一取70%。

2.4.4 其他水文参数

其他水文参数根据相关参考文献及SWMM手册，选取推荐值，具体取值如表1。

表1 其他水文参数取值范围及获取途径Tab.1 The range and access of other hydrological parameters

2.5 设计降雨

根据城市暴雨雨型和武汉市暴雨强度相关文献[12]，求得武汉市的设计降雨强度；降雨历时为2 h，雨峰系数为0.4，降雨重现期分别为1 a、3 a、5 a，采用芝加哥降雨模型[11]推求时间间隔为5 min的2 h降雨过程线，武汉市暴雨强度公式如式(5)，不同重现期下的降雨强度过程如图4。

(5)

式中，q：平均暴雨强度(L/s)，P：重现期(a)，t：降雨历时(min)。

图4 不同重现期下的设计降雨过程线Fig.4 Design process lines of rainfall with different recurrence periods

2.6 不同重现期下降雨情况模拟

选用上述模型参数，对研究区域进行1 a、3 a、5 a重现期下的径流模拟，得到不同降雨强度下的区域模拟结果，如表2所示。结果表明，在2 h的短时间典型设计降雨模拟中，随着重现期的增长，降雨强度不断加大，降雨量逐渐加大，55 min后研究区域的排水系统就无法在不产生积水的情况下排出雨水。从溢流节点数量及总积水容积上看，在短期暴雨情况下，当重现期为1 a时，该区域出现10个溢流节点，占总节点的40%，总积水容积为0.323×106L。当重现期增长到3 a时，溢流节点即增加到13个，占总节点的52%，增长幅度为30%，总积水容积为1.019×106L。而当重现期为中短期5年一遇暴雨情况下，研究区域内又出现3个节点发生溢流，溢流节点占总节点的64%，增长幅度达到23%，总积水容积变为1.446×106L。这种情况下居住小区内涝发生的可能性极高。上述变化趋势显示，研究区域在短历时暴雨侵袭下，发生洪涝灾害的可能性随重现期的增加而急剧上升。主要原因可能是该区域在建设中绿化用地减少，不透水面积过多。现状情况下区域不透水系数高达70%，区域的蓄水、渗水能力不足，导致降雨发生后，地表雨水汇流时间缩短、地表径流增大、洪峰提前，无形中加大了雨水管网排水压力，提高了内部洪涝发生风险。

通过上述描述情况，可以判断该居住小区管网泄洪能力不足，雨水管网不满足现行规范基本要求，需对其进行改造，以达到满足3 a、5 a重现期下雨水管网不发生节点溢流的要求。

表2 不同重现期下节点溢流情况统计Tab.2 Statistics of node overflow under different recurrence periods

3 基于LID的改造模型

3.1 LID措施选择及参数设置

低影响开发的设计原理:主要运用分散的、小规模的源头控制形式和处理技术，使暴雨造成的径流和污染得到有效调控，开发地区尽可能恢复成开发前的原始水循环状态[13]。

SWMM模型提供了生物滞留网格、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水桶、植草沟等7种模块，多种LID模块在子汇水区域中可单独或组合使用。本次改造选取LID组合的方式，根据本研究区域实际情况及相关参考文献[14]，选择绿色屋顶、雨水花园和透水铺装组合的LID措施，将其加入模型中，模拟其不同重现期下控制雨洪的效果，具体模块设计如下。

1)绿色屋顶。绿色屋顶率对蓄截雨水和减缓暴雨径流具有决定性作用，针对不同暴雨强度的低影响设施设计对绿色屋顶率的阈值要求不同。本次研究选取绿色屋顶率为80%。

2)雨水花园。研究区域中心地块原本属于公共休闲花园，在此基础上构建雨水花园LID措施可大大减少开挖及修建难度。所以雨水花园布置在小区中心地带，原公共休闲花园处，约占总区域面积的6%。

3)透水铺装。为了更好地减少地表不透水面积，将研究区内人行道路及停车场路面转化为透水铺装路面。约占总区域面积的13%。

SWMM中LID措施参数设置如表3。

表3 LID措施参数Tab.3 Parameters of LID measure

3.2 模拟结果与分析

利用前面构建的SWMM，对原模型中添加3种LID措施并进行产汇流模拟，得到不同重现期下系统地表径流模拟结果，及O4排放口的径流流量变化曲线，如表4和图5、图6、图7所示。

表4 地表径流模拟结果Tab.4 Simulation results of surface runoff

由表4可以看出增加了LID措施后，不同重现期下系统的下渗量增加，径流量减少。1 a、3 a、5 a重现期的下渗量增长率分别为7.6%、30.5%、41.1%，径流削减率分别为73.0%、65.1%、60.3%。随着降雨重现期的增加，系统下渗率随之增大，径流削减率减小。说明土壤的饱和含水量有所增加，土壤达到饱和状态的时间滞后，LID措施会随着降雨量的增加，径流削减的能力会呈下降趋势。从图5、图6、图7可看出，在增加了LID措施后，排放口的最大峰值流量有所下降，峰值出现时刻滞后，随着重现期的增大，峰值下降率减小。

图5 1 a重现期下O4排放口的径流流量变化曲线Fig.5 Runoff discharge curve of O4 outlet under 1 year recurrence period

图6 3 a重现期下O4排放口的径流流量变化曲线Fig.6 Runoff discharge curve of O4 outlet under 3 years recurrence period

图7 5 a重现期下O4排放口的径流流量变化曲线Fig.7 Runoff discharge curve of O4 outlet under 5 years recurrence period

SWMM模拟结果显示，通过增设LID组合措施后，研究区1 a、3 a、5 a重现期下，不再有节点溢流状况的发生，可以证明，通过改造，研究区域可以承受3 a、5 a重现期的设计暴雨而不发生节点溢流的目的，满足设计规范要求。

4 结语

在当今世界水资源短缺的严峻形势下，确保水生态安全已经成为一个世界性的议题[15]。本文以武汉市青山区某居住小区为例，基于SWMM模型，模拟计算了1 a、3 a、5 a不同重现期下该小区的积水情况，结果反映出该居住小区排水管网系统设计标准偏低，无法满足现行排水规范要求，且小区易发生内涝和积水，随着设计暴雨重现期的增加，积水范围不断扩大。经过对该小区增设LID措施后，LID措施表现出较好的水文控制效果，削减了地表径流及洪峰流量，降低了排水管网压力。在3 a、5 a重现期的设计暴雨下，小区不再发生节点溢流，满足了现行排水规范要求，对武汉市相关措施的设计和改造提供了科学指导，为其他城市的LID建设提供了理论依据和技术支持。