基于SWMM 模型对工业园区的LID 方案设计研究

李顺

（1、安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽合肥 230601 2、水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室,安徽合肥 230601）

2012 年,“海绵城市”概念首次在中国被提出。在之后的研究探讨与实践中，我国从最开始借鉴发达国家的LID-低影响开发建设，到形成属于自己的一套海绵城市建设理论与指导方案，取得了一定的成果[1]。但由于我国地域跨度大，地形地貌复杂，2012 年前城市化已经得到快速发展，城市中不透水面积不断加大，这导致海绵城市理念提出后，需要面对一个棘手的问题：已建成区如何按照海绵城市理念进行科学改造。

1 研究区域概况

该研究区域位于安徽省合肥市经济开发区的一个工业园区内，该区属亚热带季风湿润气候，年平均气温15.5℃，年平均降雨量1120mm，地下基岩埋深10-15m，无明显地下河道，无地质断层[2]。区域总占地125 公顷，坡度0.3%～0.4%。区域实行雨污分流制，雨水总体沿着北→南走向流入玉屏路排水干管，随后流向下游的派河。

2 模型构建

2.1 SWMM 子汇水区划分

根据设计单位提供的管网布置图，再利用卫星影像和区域高程把研究区域划分为41 个子汇水区，57 个节点，68 个管段。雨水干管与支管根据设计图纸要求为钢筋混凝土管，曼宁系数取0.013[3]。详细划分见图1。

图1 研究区域SWMM 概化平面

2.2 设计降雨序列

芝加哥雨型是以暴雨强度公式为基础，引入暴雨雨峰位置参数，通过数学推导转换为瞬时雨强过程线，适用于城市短历时设计暴雨的时间分配[4]。本次模拟结合合肥暴雨强度公式[5],运用芝加哥雨型模拟重现期为5a、10a 的降雨过程曲线，雨型中峰值比例为0.5，降雨历时180min，降雨过程曲线如图2 所示。

图2 不同重现期暴雨的降雨过程线

合肥市降雨强度公式（1）

式中，Q 为合肥市设计暴雨强度（1/s.ha）；P 为重现期（a）；t 为降雨历时（min）。

3 现状模拟以及原因分析

SWMM 演算选用动态波模型，改造前对区域分别进行5a、10a,时长为6H 的模拟。节点的溢流等级见表1。

表1 节点溢流水位等级

2020 年6 月底的强降雨导致玉屏路与方兴大道交口以南350m 处路段积水严重，在本次模拟对应节点1-4 和1-4+2 产生的积水。主要原因有：a.节点所在的子汇水区不渗透面积占比过大;b. 玉屏路主管道所预留的侧边支管管径偏小。

4 LID 方案设计

LID 广义上指在城市开发建设过程中采用源头消减，中途传输，末端调蓄等手段通过渗、滞、蓄、净、用、排来降低强降雨带来的不利影响。相比于传统排水，低影响开发更注重源头与中间的雨水径流处理[6]。对研究区进行LID 设计并且寻找出最佳的参数设计范围。

绿色屋顶与下沉式绿地:

对研究区域分析得到不同子汇水区可实施的绿色屋顶面积占比，最高75%，最低为30%，集中为40%～45%。本研究采用狭义的下沉式绿地，其指低于周边铺砌地面或道路在200mm 以内的绿地[7]。

4.1 参数设定

绿色屋顶和下沉式绿地参数取值范围由SWMM 手册确定，部分参数选取经验值，经验值确定不了的敏感性低的参数直接采用SWMM 默认值，参数敏感性由相关文献确定[8]，详细参数见表2。

表2 绿色屋顶和下沉式绿地参数分析表

4.2 绿色屋顶的土壤层厚度

绿色屋顶土壤层厚度为中度敏感参数，在取值范围内设置为变量，研究变量对节点溢流的影响。以可改造绿色屋顶，面积占比较大，具有代表性的子汇水区1-21 为例，模拟P=5a、P=10a，绿色屋顶面积在该子汇水区占比为45%，75%时节点1-4+2（最大深度1.5m）溢流情况。结果发现P=5a 溢流不明显，P=10a 溢流水位的最高值和平均值如图3 所示。

由图3 可得：绿色屋顶占比45%，土壤层厚度105～135mm 时曲线非常平缓且无限接近，这说明变量在该范围内取值时接近最优消洪效果。占比75%，土壤层厚度=105mm 时，节点已无溢流，达到最优消洪效果。

图3 绿色屋顶占比、土壤厚度与节点水位关系（a b 分别表示绿色屋顶占比为45%、75%时节点水位的最高值和平均值）

4.3 下沉式绿地变量取值影响

下沉式绿地的消洪效果与表面层、土壤层的厚度有密切联系[9,10]。对多个子汇水区模拟发现下沉式绿地在表面蓄水深=110mm 和土壤层厚度=290mm 时节点水位不再下降。这说明该地区在进行下沉式绿地改造时表面蓄水层和土壤层厚度分别不应超过110mm、290mm，否则水位再降低的幅度很小。

4.4 上游LID 对相对下游LID 的影响

为了研究上游的子汇水区LID 措施对下游的子汇水区排水节点溢流的影响程度。选取上游的子汇水区1-19 和下游的子汇水区1-18，节点1-4+2 为研究对象。具体步骤：在P=2a，子汇水1-19 先后设置为有和无下沉式绿地（最优参数），子汇水区1-18 先后设置变量为最小和最优的下沉式绿地，最后模拟节点溢流水位（最优变量和最小变量是指在表2 中的参数，非变量直接取概定值，变量最优由4.1.3 节确定，变量最小为取值范围内最小值），带入P=5a，P=10a 重复上述步骤记录溢流水位。P=5a，P=10a 溢流水位见图4。

由图4 得：上游无LID 措施，相对下游LID 的优化在时间为2:24 后对降低节点水位起的作用越来越小；上游有LID措施，相对下游LID 的优化则对降低节点水位一直有可观的效果。

图4 上下游LID 之间联系

5 改造结果分析

将绿色屋顶，下沉式绿地对个别子汇水区域研究应用到所有可设置LID 的子汇水区域中，得到重要节点的溢流水位见表3。

对比表3 可以看出，几个重要的节点溢流水位有显著的降低且不再有重度积水现象，有近50%的节点在P=10a 时溢流水位<0.15m。

表3 P=10a，改造前后主要节点溢流水位对比

6 结论

6.1 在海绵城市建设改造中，不同地区绿色屋顶和下沉式绿地的敏感参数变量并不是在《指南》和相关规范规定范围内取值越高越好，要因地制宜，选择适当的土壤和蓄水层厚度不仅能够起到接近最优消洪效果，还能降低后期维护的困难。

6.2 对于整个区域排水系统，LID 措施加入子汇水区后会对该区域排水节点起到显著的消峰作用，对于下游节点也起到间接性作用，使其他各节点的溢流时间降低5～15min 不等，所以在海绵城市建设中有效地对上游进行改造起到的效果是更好的。