基于SWMM的青岛市红岛片区海绵城市建设案例分析

张壹超 丁 玥 郭文萱 张 倩 刘志强

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

城市化的推进在给人们的生活带来便利的同时，对环境的可持续发展造成了不可逆的影响[1-3]。为解决越来越突出的城市化问题，住建部于2014年10月编制了《海绵城市建设技术指南(试行)》，旨在提高城市建设发展的可持续性[4,5]，现如今，我国海绵城市体系的建设正如火如荼地进行[6-9]。为节省人力、物力，以SWMM为代表的软件模拟以其方便快捷的优势应用于海绵城市体系的规划、建设与评估中，为项目实施的合理性提供了数据支撑[10-13]。本研究以青岛市红岛片区为例，通过运用SWMM模型对该区域海绵城市建设的途径进行研究，以期为红岛片区海绵城市建设的有效性提供技术指导。

1 青岛市红岛片区概况

1.1 地形概况

红岛片区为丘陵地貌，呈现中部高四周低的分布趋势，平均海拔为11.6 m，最高海拔为52.6 m，最低海拔为1.5 m，局部地区地形起伏较大；坡向呈东高西低趋势，平均坡度为1.2%，分布较为均匀。利用ArcGIS对Landset8遥感卫星采集的中等分辨率影像进行处理及分析，得到该片区地形高程及坡向变化如图1所示。

1.2 气候概况

青岛市地处北温带季风区，空气湿润，雨量充沛，降水量年平均662.1 mm；温度适中，四季分明，平均气温约为12.7 ℃。其中，夏季平均气温为24.0 ℃，湿热多雨；冬季平均气温为-0.4 ℃，降水较少。

1.3 降水概况

根据红岛片区1989年—2019年的年降雨量统计数据显示，最小年降雨量发生在1992年，仅为408 mm；最大年降雨量发生在2007年，为1 353 mm。红岛片区降雨变化图如图2所示。

1.4 土壤特征

对照中国土壤类型分布图进行分类，红岛片区的土壤主要以棕壤为主，除此之外还包括潮土、砂姜黑土等类型。堤防工程手册中各土壤渗透系数，棕壤土为6.0×10-5m/s；潮土为3.0×10-5m/s～1.5×10-7m/s；砂姜黑土为3.5×10-7m/s～4×10-6m/s；根据各土壤渗透系数以及实地考察得出：棕壤土具有持水性能好，抗旱能力强的特点，即使在年降雨量分布不均时仍能保证植被的存活及生长。

1.5 适建性分析

结合红岛片区实地情况采用评价因子评分法，因研究区域距工业区及水源地距离较远，因此主要考虑坡度与土壤类型对片区适建性进行定量分析，最终结论如图3所示，研究区域内由适宜建设区与较适宜建设区构成，无禁建设区。

2 研究区域模型建立

2.1 研究区域模型构建

首先将经过转化的CAD图导入SWMM，并结合用地性质划分子汇水区。其次由于城市排水管网较为复杂，建模前需对其进行简化。最终确立如图4所示的排水分区概化图，包括21个汇水分区、54个节点、54个管段及7个排水口。

2.2 研究区域参数率定

青岛市的暴雨强度公式如下：

式中：P——设计重现期，年；

q——设计暴雨强度，L/(s·ha)；

t——降雨历时，min。

在芝加哥降雨过程线基础上，雨峰系数采用0.4，设计重现期采用P=0.65年，1年，2年，5年和100年的短历时(2 h)降雨，模型运行得到的降雨过程线如图5所示。

本次模型建立中所需经验参数包括洼蓄量与曼宁粗糙系数以及Horton公式参数[14,15]等，具体参考值如表1所示。

表1 经验参数取值范围

2.3 低影响开发效果模拟

LID设施的布设形式分为场地层面与子汇水区层面[16]，两者的主要区别在于是否将LID设施作为单独汇水区进行设置，其中场地层面的LID属性需要通过子汇水区的特征来体现，优点是雨水的处理路径较为清晰，适合小面积区域或对水质控制效果的模拟；而子汇水区层面是在汇水区内直接加入预先定义好的LID设施，该方法适合未明确LID设施布设方案或较大面积研究区的效果模拟。

本次研究根据片区实际情况，在各地块中合理布设LID设施，并采用子汇水区层面的布设方法进行模拟。

3 结果与讨论

3.1 低影响开发设施设置前后水量模拟效果

表2 不同重现期径流排放情况对比表

利用SWMM模型对不同重现期下地块总降雨径流量的变化过程进行模拟，根据图6及表2所示，在不同重现期条件下，整个系统在LID模式下的径流排放情况明显好于传统城市开发模式，将峰现时间分别推延了2 min，2 min，1 min和1 min；将径流开始时间分别推延了10 min，5 min，5 min和2 min；将径流时间分别缩短了55 min，50 min，50 min和2 min；峰值径流量也分别减少了4.1 m3/s，3.7 m3/s，3.1 m3/s和8.1 m3/s。从结果可以看出，LID设施在少量降雨时的控制效果优于大雨或暴雨事件，但总体效果较为明显。

3.2 低影响开发设施设置前后水质模拟效果

为了方便对排水区域径流量进行监测并对径流总量控制目标进行考核，本次研究过程中在各子排水系统都设置独立的排水口。采用P=0.65年的降雨过程线模拟不同排放口的径流排放情况，并且由于排放口1处于排水分区1的腹地，其服务面积较大，因此利用排放口1的模拟数据作为反映排水分区1水质变化情况的依据。排放口1的出水水质参数变化如图7所示。

根据图7所示，低影响开发设施对于TN，TP等易产生富营养化状态的污染物质的控制率分别达到了55%，59%；对于SS及COD等常规污染物质的去除也能达到很好的效果，其污染物峰值削减率为55%，45%，其污染物质去除率较高的主要原因为该区域为生活区及绿地区，可布设的低影响开发设施选择较多，验证了低影响开发设施对于环境的良性发展的重要作用。

4 结语

以低影响开发设施为主体的海绵城市体系较好地缓解了现阶段我国存在的城市化问题。但是目前海绵城市体系较侧重于对低影响开发雨水系统的构建，缺乏对相关设施构建必要性的论证，从而忽略了地方建设的特色；此外，现阶段海绵城市的建设主要以小区、公园、道路为主，没有将城市作为一个海绵整体进行规划，从而忽略了与竖向设计之间的联系。因此，如何将地方特色融入海绵建设并实现水质、水量机制的联动，在今后海绵城市项目建设中值得我们深思。