基于SWMM模型的植草沟调蓄效果研究

周家兵， 唐 琳， 解建光， 陈耿填

(1.南京市公路事业发展中心公路科学研究所，江苏 南京 210008；2.南京航空航天大学 土木与机场工程系，江苏 南京 211106)

0 引 言

随着城镇化的不断推进,地表硬质铺装导致了下垫面的硬化,削弱了雨水的渗透能力,地表径流总量随之增加[1]。近年来,我国在城市排水系统建设中投入了大量资源,但是城市内涝、区域积水等现象仍在雨季层出不穷,给人们的正常生活造成了困扰。植草沟作为一种低影响开发(low impact development,LID)设施,在替代雨水口或雨水井转输雨水的同时,由于沟内植物对径流的截留、过滤作用,能够去除径流中含有的部分污染物[2]。对城市排水系统而言,植草沟能够丰富市政排水系统层次,在降雨初期汇集汇水分区内的地表径流,延缓管网峰值流量大小和出现时间,从而缓解市政管网压力。通过水文模型模拟区域径流已广泛应用在海绵设施效果的评价上[3],本文结合区域实际情况和水文分区原则构建暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM),通过模拟不同重现期降雨情形下汇水分区内径流产生情况,为小尺度的海绵设施建设以及效果预估提供参考。

1 工程背景

360省道高淳西段改扩建工程全长13.36 km,其中阳江镇的镇政府路段长约200 m。

阳江镇位于江苏省南京市,根据已有气象数据,南京的年降雨量为1 090.6 mm,且降雨多集中在夏季,占全年降雨量的50%左右。阳江镇地区水网高度发达,镇政府周边环绕着以螃蟹养殖为主的水产养殖基地,各个养殖场的水体与自然水系相连通,对自然水系的水质有着较高要求。

设计在360省道靠镇政府一侧规划建造湿式植草沟,沿360省道走向横穿政府前的绿地,沟内种植黄花鸢尾、千屈菜、美人蕉和水葱等植物,在避免路面含污径流直接排入自然水体的同时兼具一定的景观效果。植草沟横断面采用梯形设计,湿式植草沟横断面如图1所示。

图1 湿式植草沟横断面

2 模型构建

SWMM模型是美国环境保护署基于水文学、水动力学开发的一个降雨-径流模拟模型,广泛运用在对LID设施的运行效果模拟上,由水文、水力、水质三个模块组成[4]。

2.1 研究区域概化

研究区域概化即依据研究区域自然地理条件,构建SWMM模型的过程。本文的研究区域包括镇政府前的广场、绿地以及沥青路面,依据研究区域的地形特征以及渗透性,遵循概化原则[5],将整个研究区域划分为子汇水区5个,排水网管道1段,末端排水口1个,划分结果如图2所示。

图2 研究区域概化图

2.2 模型参数

采用源头削减-中途传输-末端调蓄的径流排放体系[6],引入外源设计雨水,因地制宜且最大限度地布置湿式植草沟,在保证功能性、景观性的前提下,实现雨水渗透、传输和净化的目标。渗蓄排评估模型雨水径流路径如图3所示。

图3 渗蓄排评估模型雨水排放路径

结合研究区域土壤特性和模型原理,分别对硬质铺装和绿地两大类下垫面进行模拟。雨水下渗选用霍顿模型,根据种植土壤特性,最大入渗速率为76.2 mm/h,最小入渗速率为3.18 mm/h,衰减常数为4.12 h-1;地表径流模拟采用非线性水库模型,管道传输系统采用运动波方程;各项参数的取值综合参考模型用户手册中的典型值及相关文献,并根据场地地质勘察报告和施工方案设计的不同下垫面进行设定,湿式植草沟表面蓄水深度为1.2 m,原有蓄水高度为0.3 m,植被覆盖率为60%,纵坡坡度为0.5%,各子汇水分区的面积见表1。

表1 子汇水分区的面积

由于研究区域面积较小,故湿式植草沟的布置方式采用场地层布置。湿式植草沟的曼宁系数取0.3、硬质路面的曼宁系数取0.011。将LID设施作为一个独立的子汇水区,利用子汇水区的属性参数来表述植草沟的特征,并将定义好的LID设施在子汇水区范围内满覆盖。

2.3 设计雨型和雨量

雨型是降雨强度在时间尺度上的分配过程,能够精准地体现地面产流的过程和径流流量。芝加哥雨型是以暴雨强度公式为基础的设计降雨过程,通过计算暴雨强度公式,可以得出某一降雨重现期下降雨强度随时间的变化曲线。芝加哥降雨过程线模型引入参数雨峰系数r(0

通过芝加哥暴雨过程线求得不同降雨重现期、不同降雨历时下的设计雨量后,利用下式求得设计降雨在设定时间段内的时程分配。

式中:i(tb)、i(ta)为峰前、峰后降雨强度,L/(s·hm2);r为雨峰系数,0

选取设计重现期分别为0.33 a、1 a、3 a、5 a、10 a,降雨历时为3 h,雨峰系数r取0.34,不同降雨重现期下的180 min降雨过程线如图4所示。

图4 不同降雨重现期下3 h降雨过程线

3 结果与分析

计降雨选取降雨重现期分别为0.33 a、1 a、3 a、5 a、10 a,降雨历时3 h,模拟时间4 h。研究区域在渗蓄排评估模型下,末端排水口的径流总量随降雨强度的变化呈现不同的变化规律,1～10 a降雨重现期下的软件模拟结果如图5所示。

图5 径流调蓄效应曲线图

在降雨历时为3 h时,降雨重现期为0.33 a的渗蓄排评估模型末端排水口无产流,说明在降雨量较小的情况下,汇水分区内的径流流进植草沟中,植草沟发挥了蓄水功能,起到储水的作用。

由图4所示的降雨过程线可知,在降雨的前30 min内,各降雨重现期的暴雨强度差距不大,而后迅速上升,又因为雨水由不同汇水分区流入植草沟需要一定的时间。故而在其他4个降雨重现期下,植草沟末段出现径流的时间均在1 h左右,且随着降雨重现期的增大而提前。说明随着降雨过程的延续,降雨量超过植草沟容积时植草沟末端发生溢流现象。

通过分析植草沟末端出现径流的4个重现期下的产流特征,可以发现峰值流量的出现时间约在降雨发生后的2.5 h,相较于最大暴雨强度的出现时间延迟1.5 h,出现了迟滞现象。与降雨过程曲线较为突然的峰值相比,末端排水口的流量呈现缓慢下降趋势,这是由于重现期为1 a时的末端溢出的径流首先经历了0.5 h的迅速增长期,之后1 h增长速率逐渐放缓,总径流量于2.5 h到达峰值。

4 结 论

(1) 在降雨历时为3 h、降雨重现期为0.33 a时,渗蓄排评估模型末端排水口无产流,植草沟可以较好地收集并储存汇水分区内的雨水。

(2) 在降雨历时为3 h、降雨重现期分别为1 a、3 a、5 a和10 a时,植草沟无法完全储存汇水分区内的雨水,会发生溢流现象。此时,植草沟的曼宁系数相较于普通沟渠更大,起到了对峰值流量的削减作用,峰值流量的出现延后了1.5 h。

(3) 通过渗蓄排评估模型得出的峰值流量,可以为植草沟末端排水管道管径的设计提供依据。