基于SWMM模型的海绵城市水文过程模拟及优化研究

刘成帅， 邬 强， 胡彩虹， 姚依晨， 徐源浩， 陈游倩

(郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001)

引 言

近年来，中国经济飞速发展，伴随着经济发展的城市化进程也取得了瞩目成就[1]。但是在城市建设过程中，城市内涝现象越来越严重，给人们的财产安全和健康生活，甚至是生命安全都带来极大的隐患[2-3]。2012年北京7·21特大暴雨，79人死亡，受灾人口160余万人，10000余间房屋倒塌，经济损失达116.4亿元。2016年7月9日，新乡市突发降雨，市区6 h降雨量达345.3 mm，突破历史极值，受灾人口达47万人，2.71万公顷农作物受灾，经济损失高达6.61亿元。而郑州市也频频遭受暴雨侵袭,自2006年以来，平均每年因暴雨内涝灾害造成的经济损失高达2亿元，损失极大[4]。城市内涝给社会、人民带来的损失触目惊心，这一问题亟待解决。近年来，海绵城市作为研究热点颇受关注[5-6]。高校建设作为城市建设极为重要的一环，所充当的角色和发挥的作用更是极为重要的。以高校校区为研究区域，利用海绵城市理念及措施，构建暴雨洪水管理模型(SWMM)来研究城市雨洪管理问题，既有代表性，也十分必要。

SWMM模型是1971年由美国环境署开发，后经不断改进，是一款应用非常广泛的暴雨径流模拟软件，被广泛应用于模拟城市单一场次降水事件或长期的水量、水质模拟及海绵城市研究。SWMM模型是将排水系统概化为径流和污染物在不同功能模块之间的运移，并将排水系统概化为不同功能的模块，这些模块包括大气模块(降雨模块)、地表模块、地下水模块和运移模块[7]。随着城市化进程加快，城市水文过程的模拟研究需求就越来越大，这就使得SWMM模型在世界范围内有着广阔的应用前景[8]。

在现阶段的城市发展中，自然透水的下垫面被硬质非透水的下垫面所替代[9-10]，水文循环机制改变[11]，主要表现在加速城市径流的形成，从而导致城市洪涝灾害频发[12]。为了更好解决城市内涝问题，SWMM模型已经成为研究城市雨洪调蓄的首选模型之一[13]。宋鸿婕[14]运用SWMM模型软件来建立沈阳农业大学的雨水模型，证明LID(Low Impact Development, 低影响开发)措施对于降雨洪峰期的削减有很大作用。何儒权[15]以某大学校园局部作为研究区域,构建低影响开发雨水系统,并模拟LID措施前后研究区域径流流量、雨水管网超载情况和主要污染物浓度变化,通过模拟对研究区域的海绵城市改造前后进行了有效评估。李东[13]设计7种雨洪措施组合情景对贵安新区示范区进行模拟分析,评估不同雨洪措施组合对雨洪控制的效果,为城市新区海绵城市建设规划和雨水资源综合利用提供有效的技术支撑。以上研究都是基于实测降雨径流资料进行模型构建、校准、验证和应用，并未涉及SWMM在无实测资料地区适用性的说明。以郑州大学新校区为研究区，以解决校园内涝问题为立足点，利用暴雨洪水管理模型(SWMM 5.1 版本)和无实测资料降雨径流模型参数率定方法，结合海绵城市措施，以解决10 a一遇暴雨产生的内涝问题作为评估标准，提出适合郑州大学新校区未来进行雨洪管控改进发展的方案。

1 研究区域概况

郑州市位于112°42′-114°14′E、34°16′-34°58′N。属于北温带大陆性季风气候，夏秋炎热多雨、春冬寒冷干燥，多年平均降雨量542 mm。基本地势走向是西北偏低，东南偏高，汛期内涝现象严重[16]。郑州大学新校区位于郑州市西四环，学校内的气候特征和郑州市保持一致。学校现有四个校区：主校区、北校区、南校区和东校区。研究以主校区为研究区域，南北长约2100 m，东西宽约1100 m，面积约2.4 km2。整体上，郑州大学新校区建筑格局和排水管网呈网格化矩形分布，这对模型的子汇水区划分十分有利，土地利用类型的划分正是进行子汇水区划分的重要前提。采用实地考察和卫星图像目视解译相结合的方法，将研究区的土地利用划分为建筑物、绿地、广场、道路和水体5种类型(见图1、2)。

图1 郑州大学新校区土地利用类型划分简图

图2 郑州大学新校区土地利用类型占比图

2 模型构建

2.1 设计暴雨

研究区无实测暴雨资料，故采用中国市政工程中南设计院编制的郑州市暴雨强度公式合成设计暴雨作为模型的降雨输入[17]：

(1)

式中：q为平均暴雨强度(mm/min)；T为降雨历时(min)；P为设计暴雨重现期(a)；A、B、C、n均为常数，是用统计学方法确定的，这里直接采用郑州市暴雨强度公式中的确定值，A取3073、B取15.1、C取0.892、n取0.824，洪峰系数均为0.4，降雨历时为120 min[18](图3)。

由图3可得：重现期为2 a、5 a、10 a、50 a一遇的设计暴雨雨峰降雨强度分别为77.94 mm/h、 99.75 mm/h、116.25 mm/h、154.56 mm/h；累计降雨量分别为49.4、63.2、73.6和90.3 mm。采用这4种不同频率的设计暴雨作为模型降雨输入，模拟不同降雨强度下的郑州大学新校区排水状况。

图3 不同重现期降雨条件下2 h降雨过程

2.2 管网概化和子汇水区划分

根据我国现行《室外排水设计规范》要求对管网进行概化，并结合管网分布、地形、土地利用等数据，将研究区划分为29个子汇水区，37个节点、37条管道和2个总出水口，管道半径1 m，其中管道和出水口为自由出流(图4)。

图4 郑州大学新校区子汇水区概化图

2.3 模型参数确定

SWMM模型参数分为确定性参数和不确定性参数。确定性参数可以通过对已有的资料进行技术处理得到，如子汇水区的面积、特征宽度、平均坡度、不透水率等[13]。子汇水区面积和最大长度通过Google Earth软件处理获得，特征宽度是子汇水区面积除以最大长度所得，平均坡度通过处理数字高程数据(DEM)所得，不透水率是通过子汇水区内不同土地利用类型加权平均计算所确定，计算结果见表1。

表1 子汇水区信息

不确定性参数有渗透性粗糙系数、不渗透性粗糙系数、渗透性洼地蓄水、不渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水渗透性、衰减系数、透水区最大入渗速率和最小入渗速率等8个参数，由该研究区已发表的SWMM模型成果文献确定(表2)[19]。

表2 SWMM模型经验参数确定值

由于研究区无实测降雨径流资料，因此采用刘兴波于2009年针对校准数据稀缺条件下提出的基于径流系数的城市降雨径流模型验证方法[20]。基本原理是以合成单峰降雨作为降雨校准事件，以径流系数作为模型验证的目标函数，对比城市雨水管网设计中采用的综合径流系数和SWMM模型模拟计算所得的径流系数进行模型验证。选择研究区内6号子汇水区作为验证区域，其不透水率为64.83%，属于建筑较密的居住区，对应综合径流系数范围是0.5～0.7[21]。经5 a一遇合成降雨事件验证，6号子汇水区模拟径流系数为0.59，在合理范围内。

3 结果与分析

3.1 水文过程模拟

研究区属于半干旱半湿润地区，SWMM模型建立后，对研究区进行现状雨洪模拟均按照长期无雨状态。不同重现期下径流过程见图5。

图5 不同重现期降雨条件下现状径流过程模拟

通过对研究区现状水文过程的模拟不难看出：降雨过程持续120 min，径流过程持续360 min。不同重现期下洪峰出现时间比雨峰出现时间晚15 min左右。重现期为2 a一遇时，雨峰强度为77.94 mm/h，洪峰为15.86 m3/s；重现期为5 a一遇时，雨峰强度为99.75 mm/h，洪峰为22.64 m3/s；重现期为10 a一遇时，雨峰强度为116.25 mm/h，洪峰为28.1 m3/s；重现期为50 a一遇时，雨峰强度为154.56 mm/h，洪峰为41.66 m3/s。设计重现期越大，相应的雨峰强度、洪峰也越大，这符合不同设计频率对应的暴雨特征，现状水文过程模拟结果合理。

不同设计频率条件下的暴雨过程不一样，出现排水拥堵的严重程度也随之变化，具体问题见表3。

表3 不同重现期SWMM模型模拟结果

从表3可以看出：重现期为2 a一遇时，总降雨量为49.4 mm，入渗量为18.9 mm，地表径流为25.6 mm，地表蓄水为4.9 mm，节点、管渠排水运行正常，综合径流系数为0.52；重现期为5 a一遇时，总降雨量为63.2 mm，入渗量为19.0 mm，地表径流为37.3 mm，地表蓄水为6.9 mm，J29、J33节点超载，J29节点产生洪流，G35管渠超载，综合径流系数为0.59；重现期为10 a一遇时，总降雨量为73.6 mm，入渗量为19.0 mm，地表径流为46.7 mm，地表蓄水为7.9 mm，J9、J10、J14、J19、J29、J33节点超载，J9、J19、J29产生洪流，G8、G32、G35管渠超载，综合径流系数为0.63；当重现期为50 a一遇时，总降雨量为90.3 mm，入渗量为19.2 mm，地表径流为69.1 mm，地表蓄水为9.6 mm，J6、J9、J10、J14、J16、J17、J19、J29、J32、J33节点超载，J6、J9、J16、J19、J29、J32产生洪流，G8、G13、G26、G30、G32、G35管渠超载，综合径流系数为0.71。

通过模拟发现，在2 a一遇的设计暴雨条件下，学校排水管道运行正常，但是会产生地表径流和地表蓄水。在5 a一遇、10 a一遇、50 a一遇设计暴雨条件下，均有节点产生超载、洪流等现象，管渠也有超载现象。而且随着设计频率的不断减小，设计暴雨强度的加大，产生超载、洪流现象的节点、管渠也随之增多，综合径流系数也随之增大。更明显的是，地表径流量、地表蓄水增多，下渗量变化不大，这说明一场暴雨基本上可以使土壤含水量达到饱和，这是形成城市内涝现象的内因，为后续的海绵城市措施规划及海绵城市措施下的水文过程模拟提供了理论依据。

3.2 存在问题分析

结合模型模拟结果和实地考察发现，校园在雨洪管控上存在较大问题，主要有：(1)排水管网设计标准低，排水口年久失修，枯枝、落叶、淤泥等堵塞严重，造成排水不畅；(2)下垫面硬化率高达52%，大量的建筑用地改变了天然水循环状态，为径流快速形成提供了有利条件；(3)绿地占比为46%，但较为集中，地面高程多高于硬质路面，蓄渗效果不明显。基于这些问题，结合研究区雨洪管控实际情况和海绵城市理念，提出适合研究区的LID措施，并设置情景进行模拟分析。

3.3 LID情景设计

以单一措施和组合措施两种方式对研究区进行4种情景设计模拟研究，情景分类见表4。

表4 LID设计情景分类

表4中所选措施是参考前人研究成果[22-23]并结合研究区实际情况确定，设计面积是根据研究区土地利用类型和已有研究成果来确定的[15]。其中，绿色屋顶计划设计0.3294 km2，透水铺装计划设计0.9239 km2，下凹式绿地计划设计1.1120 km2，共计2.3653 km2，总设计面积基本覆盖校园。

3.4 LID参数设置

SWMM模型中LID模块技术参数的选取是通过查阅SWMM模型手册和相关的参考文献而得[10,24-25]，参数取值见表5。

表5 LID参数取值表

3.5 情景模拟

分别用表4中的情景1、情景2、情景3、情景4进行模拟分析，采用方法是将技术措施分别加入每一个子汇水区中来模拟水文过程。将人工添加的海绵城市措施输入到SWMM模型中，进行水文过程模拟及不同措施条件下水文过程的对比分析。不同重现期下径流模拟结果见图6、表6。

图6 2 a一遇(a)、5 a一遇(b)、10 a一遇(c)、50 a一遇(d)降雨条件下不同LID情景径流过程

表6 LID情景模拟结果

由图6、表6可知，海绵城市雨洪调蓄措施可以增加下渗、减少径流，但是对迟滞洪峰效果不明显，这是研究区过小造成的。整体来看，情景1、情景2和情景3等单一措施达到的雨洪调蓄效果大幅低于情景4组合措施达到的雨洪调蓄效果。其中，在单一措施中，透水铺装效果最佳，使研究区内洪峰流量平均下降67.1%，径流系数平均下降62.0%；绿色屋顶的次之，使研究区内洪峰流量平均下降37.9%，径流系数平均下降39.5%；下凹式绿地的最小，使研究区内洪峰流量平均下降29.4%，径流系数平均下降24.6%，这与下凹式绿地改造区原本就是绿地(透水区)有关。绿色屋顶+透水铺装+下凹式绿地作为组合措施起到的雨洪调蓄效果最明显，使研究区内洪峰流量平均下降90.45%，径流系数平均下降86.5%，管道运行正常，校园道路基本无积水现象，基本解决重现期为10 a一遇暴雨产生的内涝问题。

同时，选取了李东[13]在2019年对贵安新区城市洪涝(设计降雨事件同样为10 a一遇)研究成果中7种海绵城市措施中的4种组合情景进行对比经济分析，结果见图7。李东选取的4种情景的设计面积是3.79～5.79 km2，估算造价是28375.6万元～52456.0万元，模拟径流系数为0.36～0.50。本研究总设计面积为2.3653 km2，估算造价19487.6万元，地表径流系数为0.09，基本解决校园内涝问题。在设计面积相差不大、相同单位造价水平[26]、海绵城市措施相近情况下，情景4表现出更好的雨洪排蓄效果。情景1、情景2、情景3估算造价分别为3952.8、11086.8、9461.2万元，对应地表径流系数分别为0.48、0.25、0.38。三种单项措施估算造价虽然低，但是不能满足校园排蓄10 a一遇降雨的目标要求。综合来看，情景4为最优情景。

图7 10 a一遇降雨条件下海绵城市措施造价估算与径流系数关系虚线框内为李东在2019年对贵安新区海绵城市建设研究成果中的4种组合措施情景，实线框内为所设情景

4 结 语

基于SWMM模型和无实测资料降雨径流模型参数校准方法，构建了郑州大学新校区雨洪模型，模拟了现状条件下和LID措施下的郑州大学新校区降雨—径流过程，得到以下结论：

(1)以设计降雨作为模型输入、城市综合径流系数作为模型验证等方法，可以适当用于无实测降雨径流资料城市地区的SWMM模型构建。

(2)在重现期2 a、5 a、10 a、50 a设计暴雨条件下，现状条件下郑州大学新校区地表径流系数分别为0.52、0.59、0.63、0.71，暴雨重现期越大，降雨量和降雨强度越大，地表径流系数也越大，校园内涝程度越严重。同时，硬质地面占比高、雨水管网设计标准低、管网淤堵严重也是造成校园内涝的因素。

(3)绿色屋顶、透水铺装、下凹式绿地对增加下渗、减少径流都具有一定效果，但在研究区过小的情况下，迟滞洪峰效果不明显。在所设情景中，单一措施达到的效果大幅低于组合措施达到的雨洪调蓄效果。绿色屋顶+透水铺装+下凹式绿地组合措施在不同设计暴雨条件下，洪峰流量平均减少90.45%，地表径流平均减少86.5%，雨洪排蓄效果明显；在重现期为10 a以内的暴雨条件下，地表径流系数最大为0.09，排水管道运行正常，道路基本无积水，满足设计需求。通过造价水平对比分析，设计的LID组合措施具有更好的经济性，单位面积雨洪排蓄效果明显。

我国为加强城市排水防洪能力，大力推进海绵城市建设。因此，校园建设也应该响应国家号召，积极推广应用新的技术理念。在建设改进过程中也应当因地制宜，结合实际。本研究选择的透水铺装、绿色屋顶和下凹式绿地等措施均属于渗、透、蓄、滞措施，旨在通过增加下渗和蓄滞量以减少路面径流来解决校园内涝问题。这些措施不仅加强了城市水循环，也增加了校园的景观建设，提高了校园品位，对指导海绵校园建设具有一定的现实意义。