基于SWMM模型的西安地铁停车场海绵城市建设效果模拟

彭思琪，代文江

（中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043）

0 引言

我国现阶段城镇化发展速度越来越快[1],城市建设快速发展使得地面硬化率迅速增大,渗透能力降低。城市降雨不能够截留,地表蓄流量减少,自然调蓄能力被削弱[2]。加上城市热岛效应和全球气候变暖的大背景,超大城市变得更加容易成为暴雨中心,这无疑加剧了城市内涝问题的几率[3]。为了应对这一问题,低影响开发（Low impact development,LID）理念在城市建设当中开始不断参与实施[4]。以LID建设为核心思想的海绵城市建设理念,通过下凹式绿地、生物滞留设施、绿色屋顶、透水铺装、雨水调蓄池等设施尽可能还原雨水的自然循环过程,使雨水径流可以从源头被消纳,进而减少或者削弱城市内涝的影响。

本文以陕西省西安市城市轨道交通地铁3号线鱼化寨停车场园区为研究对象,通过SWMM水文模拟软件对该园区采用低影响开发措施和现状条件下降雨过程模拟,从而分析和评价在不同重现期降雨条件下的径流控制和污染负荷削减情况。

1 研究区域背景概况

西安市城市轨道交通地铁3 号线鱼化寨停车场园区位于西安市主城西部,总占地面积10.58 hm2。陕西西安地处关中平原腹地,南邻秦岭。北至黄土高原；气候类型为暖温带半湿润大陆性季风型气候,平均气温13.3℃,年平均降雨量为629.9 mm。6月～10 月降雨较为集中,约占全年降雨量60%,且以短历时高强度前雨峰型降雨为主,易造成城市内涝灾害[5-6]。

2 SWMM模型构建

2.1 研究区域概化

根据综合管网布置平面图和实际勘察数据,对研究区域进行适当概化,将整个鱼化寨停车场园区概化为42个子汇水区域,55 个节点,55 条管渠,设置2 处管网排放口,具体划分见图1～图2。

图1 鱼化寨停车场卫星图

图2 鱼化寨停车场模型概化图

2.2 降雨数据生成

为使降雨数据准确反映工程不同重现期短历时的降雨过程,本文采用最新的西安市暴雨强度公式再利用芝加哥雨型公式进行该地区的降雨设计,作为SWMM模型的雨量输入数据。

西安市暴雨强度公式：

芝加哥雨型表达式：

将西安市暴雨强度公式转换为芝加哥雨型表达式：

参照《室外排水设计规范》《陕西省海绵城市规划设计导则》和国内外相关研究经验,本文设计暴雨重现期为2 a、5 a、10 a、20 a、50 a,设计降雨历时为120 min,雨峰系数为0.405。设计降雨过程线见图3。

图3 不同重现期2 h设计降雨过程线图

2.3 SWMM模型参数及优化验证

鱼化寨停车场SWMM模型参数设置主要通过两种方式,一是根据现有现状实测数据及海绵建设改造方案等实际资料确定雨水管道管长、管径、坡度以及子汇水面积区域下垫面性质、面积等参数；另一方面根据SWMM用户手册及相关文献[7-8]推荐的参考值确定透水区与不透水区曼宁系数、下渗模型等参数,其中排水区域主要参数见表1。

表1 排水区域主要参数表

2.4 LID设施分布及参数设置

在SWMM模型中设置有绿色屋顶、透水铺装、雨水桶等多种LID设施可根据不同下垫面性质进行敷设。本次根据鱼化寨停车场实际场地情况及海绵设计方案出发,主要在建筑物屋顶设置绿色屋顶；在园区道路及停车场设置透水铺装；在园区绿地设置生物滞留池（雨水花园）并在可能积水的重点区域设置雨水桶；在线路导轨区域设置排水渗渠。各种LID设施参数设置参考相关文献[9-10],见表2～表6。

表2 绿色屋顶LID参数设置

表6 渗渠LID参数设置

2.5 水质模块参数设置

通过SWMM模型模拟鱼化寨停车场园区COD、TN、SS三种常见污染物的地表汇集以及降雨冲洗过程。水质模块将所研究区域的土地利用概化为软质渗透区、可渗透区、硬质不渗透区三种类型,各个子汇水区根据情况分别赋予其三种土地性质的土地面积比。参考国内外相关文献和SWMM设计手册对不同土地性质选取不同函数进行污染物的累积与冲洗计算,其参数设置[11]见表7。

表7 土地利用污染物模型参数设置

表3 生物滞留池LID参数设置

表4 透水铺装LID参数设置

表5 雨水桶LID参数设置

2.6 实测数值参数率定

为了验证模型参数的选取值是否准确,采集两场实际降雨过程数据（20210401和20210403）进行验证,采用Nash-Sutcliffe纳什效率系数来判断模型的精度。图4为2021年4月两场降雨径流量的模拟值和实测值,经过两场降雨模拟结果的纳什效率系数R分别为0.93和0.90,均在0.8以上,由此可得该模型模拟效果良好,可信度高。

图4 SWMM模型参数率定与验证模拟结果

3 模拟结果分析

通过SWMM模型分别模拟不同重现期降雨情形下鱼化寨停车场在LID改造前后的径流过程与地表污染物质冲刷排放过程,对比分析海绵城市建设对区域径流及面源污染的控制效果。

3.1 径流量模拟结果分析

图5～图8分别展示了5 a、10 a、20 a、50 a重现期2 h降雨情形下,鱼化寨停车场在LID改造前后降雨径流过程线及径流变化趋势图。表8 对不同重现期下研究区域降雨径流过程的重要因素进行对比分析。通过分析可以发现LID改造可以有效降低地表径流峰值,缩短径流峰值的持续时间并且有效减少降雨带来的径流总量。从不同重现期的模拟结果来看,随着重现期的增大,径流总量削减不断增大,径流总量削减率基本相同,呈现出略微下降的趋势,分别是58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但随着重现期不断增大,径流峰值削减率却呈现出不断下降的趋势,分别为56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。分析可以得出LID设施面对降雨强度增加的时候对于径流总量的削减能力基本保持不变,但对于降雨峰值的削弱能力逐渐降低,研究区域LID减排设施存在饱和效应。

表8 不同重现期下研究区域降雨径流过程要素分析表

图7 P-10径流变化曲线趋势图

图8 P-5径流变化曲线趋势图

3.2 水质结果模拟分析

图9为在五年一遇的降雨条件下鱼化寨停车场排放口三种不同污染物COD、SS、TN排放过程。由图9可知,通过LID改造三种污染物的排放浓度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削减并延后。其中对于TN污染物排放总量的削减最为明显,对于SS污染物的削减滞后最为突出。对比一般设计,通过LID改造可以有效削减污染物随降雨过程的排放总量,滞后污染物排放的峰值出现,降低该区域水体的污染负荷。

图9 五年一遇降雨污染物COD、SS、TN排放过程模拟图

4 结论与建议

（1）通过SWMM软件对不同重现期下LID改造前后鱼化寨停车场降雨径流及降雨污染物冲刷过程进行模拟和分析,通过模拟结果对比分析可以发现,LID建设可以有效削减研究区域的径流总量,控制径流峰值,降低区域水体污染负荷,从而达到滞蓄雨水、净化利用的海绵城市理念。

（2）通过模拟5 a、10 a、20 a、50 a重现期2 h降雨情形下鱼化寨停车场LID设施改造前后降雨径流过程,LID改造可以有效降低降雨的径流总量,不同重现期下的削减率分别为58.99%、58.84%、58.07%、56.93%；但随着重现期增大,由于饱和效应径流峰值削减率却呈现出不断下降的趋势,分别为56.36%、47.37%、41.84%、30.70%。

（3）通过LID的改造三种污染物的排放浓度均被有效削弱,污染物排放的峰值被削减并延后,有效降低该区域水体的污染负荷。