基于SWMM和鸿业软件对种植屋面雨水管理模拟及评估

严一鸣，左明明，管冰镜，张义悦，王鑫瑜，朱曙光

(1. 安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽合肥 230601；2.安徽省水污染控制与废水资源化重点实验室，安徽合肥 230601；3.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601)

近几年，随着国家对海绵城市建设的大力推进，海绵城市建设中的低影响开发技术(low impact development,LID)得到了广泛关注及应用。LID措施能有效实现“渗、蓄、滞、净、用、排”等目标，是解决城市水害、水质恶化等问题的有力措施，有利于在源头削减雨水径流、净化雨水水质、保护城市的水文机制[1-3]。

在LID措施中，种植屋面是一种有效手段，得到了国内外学者的关注与实践。李俊生等[4]进行了种植屋面的截留截污研究，研究表明种植屋面对于中小型降雨具有良好的削减能力。章孙逊等[5]则分析了不同植被类型的种植屋面在径流量和水质方面的影响程度。传统的种植屋面具有良好的截留截污能力，但建造工艺繁琐复杂，构造结构高达11层，一旦发生结构层损坏，则较难修复。左明明等[6]对其进行了结构优化，简化后的新型种植屋面的结构仅有4层，同样具有良好的处理能力。为评估传统和新型种植屋面的性能，可以建立模型，通过软件进行模拟分析。常用的海绵城市模拟软件有SWMM(storm water management model)、SCAD(sponge city aided design)、SWAT(soil and water assessment tool)等，其中，应用最为广泛的SWMM是美国环保局为解决日益严重的城市排水问题而推出的暴雨径流管理模型，可对单场暴雨或连续降雨产生的径流进行动态模拟。国内外众多学者[7-13]利用SWMM进行雨洪控制效果模拟，做了大量的工程研究。鸿业暴雨排水和低影响开发模拟系统(简称为“鸿业海绵软件”)依据《室外排水设计规范》、《海绵城市建设技术指南》等规范文件，以 AutoCAD 为平台，可实施低影响开发措施下的模拟计算。由于鸿业海绵软件推出时间较短，相关应用实践需进一步检验。

本文建立了传统和新型2类种植屋面改造方案，通过SWMM软件和鸿业海绵软件分别进行模拟分析，对不同建设情景的径流控制及污染物削减能力进行模拟评估和比较分析[8-10,13-15]，为种植屋面在海绵城市建设中的推广应用提供技术支持。

1 研究区域概况

本研究对象为安徽省合肥市某规划改造小区，共16栋楼，屋顶面积为7 680 m2，现状屋面无任何截留措施，径流系数为0.85。该区域地势平坦，地表坡度为3%。2种改造方案分别采用传统和新型种植屋面，其中，新型种植屋面主要是采用新型的防水涂料和沥青化学阻根防水卷材[6]，具有更优化的结构，如图1所示。

2 模型构建及参数率定

2.1 模型构建

结合研究区域的地图、降雨情况、土壤渗透性、街道清扫及面源污染情况等，利用SWMM和鸿业海绵软件分别进行分析建模。根据地形及雨水管网现状，将研究区域按楼栋划分为16个子汇水区域、12个节点、1个排出口、12个管段，研究区域的管网概化模型如图2所示。

2.2 研究方法及参数率定

暴雨重现期分别取2、10、100 a，通过SWMM软件和鸿业海绵软件分别拟合出不同设计重现期下的雨水滞蓄和净化效果，并进行比较[15-17]。选用芝加哥雨型，采用合肥市的暴雨强度公式，如式(1)。

(1)

其中：q——暴雨强度，L/(s·ha)，1 ha=0.01 km2；

P——重现期，取2、10、100 a；

t——降雨历时，取60 min。

基质层厚度为100 mm，渗入模型采用常用的HORTON模型，参考案例和软件用户手册[18]，参数设置如表1和表2所示。

改造方案流量径流系数为0.5，其中，传统种植屋面土壤的孔隙率为0.5，新型种植屋面孔隙率为0.8。土壤渗透性为6.1 mm/h，初始屋面雨水CODCr和SS含量分别为366 mg/L和302 mg/L。

表1 HORTON模型Tab.1 HORTON Model

表2 地表水污染物参数模型率定结果[19-20]Tab.2 Model Calibration Results of Pollutant Parameters in Surface Water[19-20]

3 模拟结果及分析

3.1 不同重现期下的2种模型水文模拟

(1)当重现期为2 a、降水为60 min时，情景模拟结果如图3所示。

图3 重现期2 a降雨历时1 h情况下的模拟结果Fig.3 Simulation Results with a Return Period of 2 Years and Duration of Rainfall for 1 h

由图3(a)可知，随着降雨历时的增加，总径流量先上升再下降，2种改造方案均具有显著的削减效果。其中，传统种植屋面与无LID措施相比，径流峰值减少了80%，新型与传统种植屋面模拟趋近。由图3(b)可知，传统种植屋面与无LID措施相比，径流峰值减少了78.9%；新型在传统基础上，减少了2.78%。可以看出，2个软件的模拟结果相近。

(2)当重现期为10 a、降水为60 min时，情况模拟结果如图4所示。

由图4(a)可知，2种改造方案均具有良好的削减效果。其中，传统种植屋面与无LID措施相比，峰值总径流量减少了80%，新型与传统模拟趋近。由图4(b)可知，传统在无LID的基础上，峰值总径流量减少了79.1%；新型在传统的基础上，减少了2.91%。

图4 重现期为10 a降雨历时1 h情况下的模拟结果Fig.4 Simulation Results with a Return Period of 10 Years and Duration of Rainfall for 1 h

(3)当重现期为100 a，降水为60 min时，情况模拟结果如图5所示。

图5 重现期100 a降雨历时1 h情况下的模拟结果Fig.5 Simulation Results with a Return Period of 100 Years and Duration of Rainfall for 1 h

由图5(a)可知，传统种植屋面与无LID措施相比，峰值总径流量减少了78.9%，新型与传统相比，减少了6.6%。由图5(b)可知，传统在无LID的基础上，峰值总径流量减少了79.3%；新型在传统的基础上，减少了2.7%。

基于前述不同设计重现期下总径流量的变化，为了直观地比较3种方案的产流量，进而分析2种改造方案的处理效果，做出不同降雨强度下的产流变化分析，如图6所示。

图6 不同重现期下产流量模拟结果Fig.6 Simulation Results of Runoff Flow under Different Return Periods

由图6可知，2种软件对3种情况下产流量模拟结果趋势相似。在相同设计重现期下，无LID措施时径流量及产流量较高，且随着降雨强度的增大而增加。由图5可知，相同重现期下的总径流量呈现先增大后减小的趋势，在35 min左右到达峰值。传统种植屋面和新型种植屋面方案对径流削减效果显著，其中，传统种植屋面对径流峰值的削减达到80%左右，对总产流量的削减在78%左右；新型种植屋面在传统屋面的基础上，对径流峰值和总产流量的削减率进一步提高2.8%和11.2%。这主要得益于新型种植屋面基质的高孔隙率以及优化的结构层[11,13]。传统种植屋面的土壤孔隙率仅为0.5，而新型种植屋面的孔隙率高达0.8，提高了60%的孔隙率，因此，具有更好的雨水滞蓄能力。同时，对结构层的优化，使得新型种植屋面的结构简单，与传统种植屋面相比，减少了7层的复杂结构。因此，更利于雨水的下渗及储蓄，从而提高了削减效果。

为了验证软件模拟与实际结果的差异，选取了合肥市2019年7月12日、2019年8月5日、2019年8月28日3次的自然降雨产流量情况，将3次降雨的产流量取平均值，进而与2个软件的模拟结果进行比较，如图7所示。

图8 地表径流COD含量模拟Fig.8 Simulation of Surface Runoff COD Content

图7 实测数据与软件模拟结果对比Fig.7 Comparison between Measured Data and Software Simulation Results

由图7可知，2种软件的模拟结果与实测值接近，均可作为实际工程建设中的辅助参考。

3.2 不同重现期下的2种模型水质模拟

选用雨水污染指标COD和SS的浓度变化进行模拟分析。

3.2.1 不同重现期下COD削减模拟

为了直观地比较无LID措施、传统屋面和新型屋面对雨水中污染物的处理效果，做出3种类型屋面地表径流COD含量变化，如图8所示。

在SWMM模拟结果中，由于SWMM在最大增长参数设置中未计入初始增长，数值相对于鸿业模拟结果较小。由图8可知，2种软件对3种地表类型COD含量变化模拟结果趋势相似。随着设计重现期的增加，地表径流COD含量随之增大，2种改造方案均具有良好的削减效果。图8(a)SWMM中，传统种植屋面的削减率为76.5%～77.1%，新型在传统的基础上提高了11.5%～12.1%。由图8(b)可知，若以传统种植屋面为改造方案，对COD的削减率约为87.9%～89.7%。新型种植屋面在传统种植屋面的基础上，能提高10%～12%。结果表明，新型种植屋面对雨水COD有更好的处理效果。

为了验证2种软件对COD削减的模拟结果与实测数据的差异，对3次自然降雨后进出水COD浓度变化进行测定，结果如表3所示。

表3 COD实测数据Tab.3 Measured Data of COD

图9 地表径流SS含量模拟Fig.9 Simulation of SS Content in Surface Runoff

由表3可知，对于传统种植屋面，COD的削减率为76.1%～76.9%；对于新型种植屋面，COD的削减率为88.0%～89.3%。实测结果与2个软件的模拟结果相近，软件模拟均具有可靠性。

3.2.2 不同重现期下SS削减模拟

不同设计重现期下的SS浓度变化模拟结果如图9所示。

由图9可知，2个软件的模拟结果趋势相近，随着重现期的增大，地表径流中SS的含量也随之增加。2种改造方案均具有良好的削减效果。SWMM模拟中，由于软件本身未将初始增长计入，模拟数据偏小。由图9(a)可知，与无LID措施相比，传统种植屋面对SS的削减率达到了75%～77.1%；新型在传统的基础上削减率提高了11.5%～13.4%。由图9(b)可知，传统在无LID措施基础上，对SS的削减率约为82%～87.1%，新型比传统提高了13.2%～15.9%。由此可知，新型种植屋面对雨水SS有更好的处理效果。

为了验证2种软件对SS削减的模拟结果与实测数据的差异，对3次自然降雨后进出水SS浓度变化进行测定，结果如表4所示。

由表4可知，对于传统种植屋面，SS的削减率为74.9%～77.0%；对于新型种植屋面，COD的削减率为82.3%～86.9%。实测结果与2个软件的模拟结果相近，软件模拟贴合实际。

4 结论

(1)针对规划改造小区，基于SWMM和鸿业海绵软件模拟分析2类种植屋面改造方案的处理效果。结果显示，2种方案对雨水的截留及截污效果显著，其中，新型种植屋面的处理效果更佳。分析原因，主要是新型种植屋面的土壤孔隙率更高，且具有简化后优良的结构层，更有利于雨水的下渗及污染物的削减，增强了处理效果。

表4 SS实测数据Tab.4 Measured Data of SS

(2)在水文模拟中，对于2类种植屋面改造方案，SWMM软件和鸿业海绵软件模拟情况总体相近。其中，传统种植屋面对径流峰值和总产流量的削减分别达到80%、78%；新型种植屋面在传统种植屋面的基础上，对径流峰值和总产流量的削减进一步提升2.8%和11.2%。

(3)在水质模拟中，2类种植屋面改造方案均具有良好的截污效果。其中，SWMM模拟结果显示，传统种植屋面对COD和SS的削减率分别约为77%和76%。鸿业模拟中计入了指标的初始增长，因此，增大了总削减量，结果显示，COD和SS的削减率分别为89%和85%。2个软件对新型种植屋面处理效果的模拟接近，结果显示，在传统屋面基础上削减率提高了12%。

(4)2种软件作为 LID 技术在规划设计和运用推广的有效工具，均能较好地进行雨水过程模拟，模拟细节的差异可以通过两者的联合使用进行补强，进而为实际工程建设提供技术支持与指导。