利用SWMM模拟LID在宣城海绵城市示范区的雨洪控制效果

利用SWMM模拟LID在宣城海绵城市示范区的雨洪控制效果

周子仪苏鹏汪云霞

关键词模拟雨洪控制暴雨管理模型低影响开发

目前，我国城市给排水建设主要面临水资源短缺、内涝频繁发生等问题。因此，有必要加强海绵城市的给排水建设，以改善城市居住环境，满足城市居民不断增长的供水需求，促进城市化健康发展。建设海绵城市的措施中，重中之重的是低影响开发技术的应用。美国环境保护署(EPA)发现，在绝大多数情况下，通过合理使用LID设施，不仅能够有效降低项目总成本，同时也有助于改善与保护水质。

所以，本研究中运用SWMM5.1、AutoCAD、ArcGIS10.1、GoogleEarth以及Excel等软件进行建模及数据处理。

1研究内容综述

1.1SWMM模型介绍

SWMM是EPA开发的一个比较完善的城市暴雨水量、水质预测和管理模型，可根据降水输入和系统特性模拟完整的城市降雨径流过程，具有较好的灵活性，通用性较好，准确性较高，与其他模型相比，SWMM的模拟结果与实测值更加相近，且模拟的径流量达到峰值所需要的时间更短。故SWMM被专业领域公认为现阶段城市地表径流研究的最佳模型。

1.2研究区域概况

随着全国范围内海绵城市建设浪潮的兴起，安徽省以海绵城市建设试点城市为契机，制定多项地方建设标准。

宣城市具有良好的自然生态条件，在以往的城建工作中，就融入了低影响开发的建设理念，在多个重点建设项目中率先提出要建设透水砖、植草沟、下沉式绿地等低影响开发措施。目前为了规范城市低影响开发雨水工程的规划、设计和实施管理，推动宣城市生态文明建设，落实海绵城市创建要求，在宣城市中心城区建立了海绵城市示范区，示范区总面积为20.54平方公里，包含两个完整的雨水分区以及以宛陵湖为主的特色生态区，可以充分发挥海绵城市建设项目源头控制的功能，同时整体连片也可以充分增强示范效果和关联性，通过对城区最大天然海绵体的保留、有限度的开发，体现了对原有生态系统的尊重。

2模型建立

2.1汇水区的划分

SWMM为分布式模型，研究面积可以分隔为任意数量的不规则子汇水面积。理想化的子汇水区域可概化为一个矩形表面，具有均匀的坡度和宽度，最后排向单一出水渠道。SWMM可以通过输入面积、宽度、坡度等参数集定义子汇水面积的水文特性。本研究中根据示范区的土地利用类型不同，将其划分为18个子汇水面积。图1子汇水面积的划分以及雨水管渠的分布

2.2LID设施的选择

SWMM中LID模块提供了生物滞留系统、草洼、渗透沟渠、雨水储存罐、透水铺装地面五种LID设施。不同LID措施具有不同的属性特征。本研究中模拟了两类LID设施：生物滞留系统和下凹式绿地。两类LID设施的定义项目及参数取值参考模型用户手册中的典型值及国内外目前已经研究过的经验数值。

2.3SWMM中主要数据来源

模型的建立必须有基础数据的支撑，本文的数据来源主要有以下途径：

（1）实测数据：采用安徽省宣城市中心城区土地使用规划图、示范区各地块规划下沉绿地面积分布图、示范区各地块规划生物滞留设施分布图、示范区雨水工程规划图、中心城区坡度分区遥感图以及宣城市海绵城市规划等。

（2）模拟数据：运用芝加哥雨型生成器，采取CHM（芝加哥暴雨过程线），通过宣城市暴雨强度公式合成不同强度的降雨数据。

（3）参考数据：主要为资料设定校准参数的初始值，其他依据国内外研究者验证较为准确的模型参数初始值，另参考了模型用户手册中的典型值及相关文献。

2.4设计降雨的选择

根据宣城市暴雨强度公式和芝加哥雨型合成重现期分别为2、5、10年，雨峰系数均为0.5，降雨历时均为3小时的三种不同重现期的短历时设计降雨，以暴雨强度公式为基础设计出典型的降雨过程。暴雨强度公式为：

q=167A(1+Clgp)/

式中，

q为平均暴雨强度，L/（s﹒）；

P为设计降雨重现期，年；

T为降雨历时，min；

A、C、b、n均为常数，根据宣城市暴雨强度公式可知A、C、b、n分别为2632.104、0.607、11.604、0.769。

不同重现期、降雨历时为3h，雨峰系数为0.5的设计暴雨结果见图2。

图2不同重现期（T=3h、r=0.5）降雨强度过程线

3模拟结果

3.1场降雨模拟结果

为了便于比较，分别模拟了示范区无LID设施与有LID设施（本文中假设下凹式绿地与生物滞留网格）在2、5、10年一遇典型降雨条件下的峰值流量，假设的3小时降雨下的情况。结果表明，传统示范区在以上三种降雨条件下的峰值流量分别为4.42、5.41、6.15m³/s，有LID设施的示范区的峰值流量分别为4.12、5.04、5.73m³/s，分别降低6.79%、6.84%、6.83%。另外三种情况的峰值流量相差不大，说明通过在示范区综合应用多种LID设施，可提高传统地区管网系统的排水能力。

三种情况下的无LID的示范区的地表径流深度分别为51.068、63.153、72.303mm;有LID的示范区的地表径流深度分别为48.117、59.268、67.712mm。

3.2结果分析

（1）SWMM5.1可有效的模拟LID下的水文状态，为建设海绵城市示范区提供技术支持及依据。辅助Arcgis等技术，可大幅度提高建模效率和模型的精度。

（2）对宣城市海绵城市示范区进行模拟，通过在示范区某些地段设置下凹式绿地和生物滞留网格相结合的低影响开发措施，可提高示范区的最终地表蓄水能力。

（3）在产流时间上，LID示范区的产流时间较传统无LID的示范区推迟，但峰值流量出现的时间无明显差异。

（4）相比传统无LID的示范区，LID的示范区对典型场降雨峰值流量有一定程度的削减，但削减量不太大。表明LID设施对大雨（大于2年一遇）或暴雨的控制作用有限。低影响开发措施削减了汇水区的洪峰流量和延后峰现时间，起到从源头控制和削减城市径流的作用，降低城市内涝发生的风险。

参考文献

【1】胡爱兵,任心欣,裴古中.采用SWMM模拟LID市政道路的雨洪控制效果.中国给水排水,2015,31（23）：131-133.

【2】何福力,胡彩虹,王民等.SWMM模型在城市排水系统规划建设中的应用.水电能源科学,2015,33（6）

项目基金来源：合肥工业大学2017年校级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：2017CXCY547）