基于SWMM模型的江苏大学校园海绵城市改造绩效评价研究

毛 丽，董 磊，李小莉

(江苏大学 艺术学院，江苏 镇江 212013)

1 引言

随着科技的进步与时代的发展，我国城市化进程逐步加快，但由于城市的高速发展，越来越多的土地被过度开发，生态环境遭到破坏且无法发挥原有功能，地表不透水面积逐渐增多，地表径流增大，汇水速度加快，自然水文流域也逐渐减少，导致城市区域洪涝灾害日益严重、水资源短缺以及水污染增加[1，2]。

为减轻城市内涝灾害的压力和利用水资源，我国提出并实施海绵城市建设理念[3]。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，通过渗、滞、蓄、净、用、排等生态化技术，构成能够实现自然循环的生态系统，弥补了我国城市排水系统的缺陷。但是，目前我国已经实施或者正在实施的海绵城市建设存在一部分问题，因此，对海绵城市的建设效果进行评价是促进海绵城市建设发展的重要举措[4]。

本次采用的是SWMM(Storm Water Management Model)暴雨管理模型，主要用于城市区域低影响开发效果的模拟与评价，其内部LID开发模块操作便捷完善，能够相对准确模拟单场降雨或连续降雨的地表产流汇流过程[5]。现已被国内外学者广泛用于城市暴雨洪水模拟、排水管网系统设计、城市非点源负荷运算和内涝风险评估等过程中[6]，在海绵城市建设效果的绩效评价中也有相应的学术成果，例如刘一瑶等人借助SWMM模拟，设计清华大学学堂路区域的LID措施；杨钢等人利用SWMM模型对北京大红门排水区进行降水模拟得到该区域的海绵设施效果评价；常晓栋等[5]人基于SWMM对北京市清河流域进行城市雨洪模拟，得出海绵城市生态技术的组合应用能够有效实现洪峰流量-污染控制、雨水资源化利用等目标，显著降低城市内涝风险的相关结论[7]。

2 研究区域概况

江苏大学校园内海绵城市改造区域主要分为两块：玉带河段与家属区[8]，本次选定家属区(图1)作为研究对象，项目占地16.2 hm2，生态化排水工程主要为雨水花园8344 m2，下凹式绿地421m2，高位花坛340 m2，透水铺装3750 m2，雨水花坛40 m2，调蓄池200 m2，化粪池改造118个，检查井新建200座。本次的研究目的是利用SWMM模型，对家属区进行典型降雨过程的模拟，调整模型参数，分析不同降雨条件下的产流与排水状况，评估江苏大学家属区LID设施建设的效果。

图1 研究区域概况

3 SWMM模型评估水文效应

3.1 SWMM模型原理

SWMM模型主要用于模拟单一降水事件或长期降雨系列的水量或水质动态，主要包括水文、水力、水质3个模块，广泛应用于LID设施布局效果评价和模拟复杂城市下垫面的暴雨径流过程中。SWMM中的LID模块其中的技术措施主要包括植草沟、生物滞留、渗渠、透水铺装、雨水桶等，通过对调蓄、渗透及蒸发等水文过程的模拟，本文结合SWMM模型的水力模块，实现LID技术措施对径流量的控制效果模拟[6]。

透水区模拟水流下渗主要有3种方式：SCS下渗曲线法、GREEN-AMPT模型、HORTON模型[9]。相比之下，HORTON模型能够描述下垫面透水区域入渗率随降雨历时变化关系同时更加适用于小区域工程，因此本次采用HORTON模型，具体算式为:

fv=fc+(fo-fc)e-at

(1)

式(1)中：fp为土壤初始下渗损失量；fo为初期渗透率；fc为稳定下渗率；t为暴雨历时；α为渗透衰减的指数。

3.2 研究区域排水系统概化

结合江苏大学家属区的地势条件、下垫面类型等资料，将研究区域内的排水系统概化为15个大小不同的子汇水区，8个汇接点，3个排水口，设置管段8条，构建研究区域的SWMM模型，如图2所示。

图2 研究区域模型概况

3.3 参数选择与率定

3.3.1 降雨设计

根据研究区域镇江市在夏季暴雨强度较大和降雨历时长的特点，重现期分别设定为2年一遇、5年一遇和10年一遇3种，降雨历时设定为120 min，雨峰系数设定为0.4，时间间隔为1 min，镇江市暴雨强度计算公式为：

(2)

式(2)中：q为降雨强度；t为暴雨历时；p为降雨重现期。

本次主要采用芝加哥雨型生成器模拟不同重现期的降雨变化，图3、图4、图5为不同重现期下时间与降雨量的关系图，由图可见，相同重现期下，时间——降雨量关系曲线在120 min降流模拟过程中先呈现单调递增的变化达到峰值后单调递减。将3种重现期降雨关系图进行对比得知，随着重现期增加，降雨量也随之增大，3种重现期的峰值时间基本一致(图6)。

图3 p=2a时降雨强度变化

图4 p=5a时降雨强度变化

图5 p=10a时降雨强度变化

图6 不同重现期的降雨强度对比

3.3.2 LID措施参数设置

根据现场调研情况与相关资料得知研究区域内的主要LID布置为雨水花园、下凹式绿地、透水铺装，LID设置参数主要结合《SWMM5.0使用手册》及相关文献[10]的参数设置情况。雨水花园：护堤高度150 mm、植被容积0.1、曼宁n值0.1、表面坡度0.1，厚度150 mm、孔隙率0.45、导水率120 mm/h、吸水头50 mm。下凹式绿地：护堤高度250 mm、植被容积0.8、曼宁n值0.1、表面坡度0.1。透水铺装：护堤高度20 mm、曼宁n值0.115、表面坡度0.4、厚度120 mm、孔隙率0.2[11]。

3.4 LID效果评估

根据上述LID参数对汇水区进行设置，再用SWMM模型进行模拟，由此可得到LID前后研究区域的产流汇流数值变化。为更加直观得评估对LID前后研究区域的水文效应，将数据汇总如表1所示。

表1 不同重现期径流模拟计算结果

其中，径流系数为径流量/总降雨量，径流总量控制率为(总降雨量-径流量)/总降雨量，下渗比例为下渗量/总降雨量。由表1可知，在LID布置后，研究区域下渗比例增加，随重现期增加而增加；径流系数明显减少，仍随重现期增加而增加；径流总量控制率得到显著提升，随重现期增加而增加。综上，对研究区域进行LID改造能够有效促进雨水下渗，补充地下水；能够减小径流系数，减少地表径流，降低内涝风险；能够有效控制径流总量，削减洪峰流量。

4 结语

本文对江苏大学家属区的海绵城市改造效果进行了效果评估，主要针对研究区域内的雨水花园、下凹式绿地、透水铺装3种LID设施在不同重现期下运用SWMM模型进行降流模拟，由此得到LID前后的水文效果对比，结果显示LID改造后的区域在控制下渗比例、径流系数、径流总量上起到显著效果。因此可以得知：①通过实行合理的LID技术能够有效缓解江苏大学校园内的内涝状况，有效削弱研究区域洪峰流量和径流总量，同时能够涵养水资源，实现水资源的回收与再利用。②SWMM模型对LID模块的雨洪管控效果的评估有明显的作用，能够做到量化评价海绵设施对江苏大学校园场地的水文情况，可以为海绵建设规划提供技术支持和量化管理依据。