李 朋，賀 佳，吳朱昊，唐仕勤

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；2.上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市200080）

0 引 言

我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，城市面貌日新月異，同時(shí)也有著開(kāi)發(fā)強(qiáng)度高、硬質(zhì)下墊面增多等問(wèn)題[1-2]，城市原有的生態(tài)本底和水循環(huán)特征遭到破壞，造成“大雨澇、雨后旱”的特點(diǎn)，帶來(lái)水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水資源等各種水問(wèn)題，而“海綿城市”的理念提出正是立足于我國(guó)的水情特征和水問(wèn)題[3-4]。

研究區(qū)位于東南沿海首批海綿城市試點(diǎn)城市廈門，研究區(qū)作為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)布局多，目前城市建設(shè)已初具規(guī)模，也是海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域。此外，區(qū)域嚴(yán)重缺水，水環(huán)境日趨惡化，也需要開(kāi)展海綿城市建設(shè)工作。

結(jié)合管控單元分區(qū)，將指標(biāo)進(jìn)一步分解到地塊，通過(guò)對(duì)地塊內(nèi)部建筑密度、綠化率、建筑布局、綠地分布、地形地勢(shì)、經(jīng)濟(jì)合理性等狀況，將建設(shè)工程任務(wù)按項(xiàng)目地塊實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率、年雨水利用總量等指標(biāo)，最終達(dá)到單元總體指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5]。

水文模型模擬是城市化區(qū)域雨洪管理的有效工具，也為海綿城市建設(shè)的徑流控制提供科學(xué)的決策手段[6-8]。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于廈門市海綿建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域，占地面積2.57 km2。研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，熱量充足，6 月和8 月是全年降水的高峰期，3—9 月雨量占全年雨量的83%。地勢(shì)從北往南逐漸降低，年總降水量的分布也呈現(xiàn)相同分布趨勢(shì)，多年平均降水量1259.2 mm。研究區(qū)土地規(guī)劃類型主要包括居住用地、商業(yè)用地、道路交通設(shè)施用地、綠地及水系等。

1.2 模型概化

SWMM（storm water management model）模型是美國(guó)環(huán)保署在20 世紀(jì)70 年代提出的為管理城市雨洪開(kāi)發(fā)的一個(gè)綜合性數(shù)學(xué)模型。SWMM 是一個(gè)動(dòng)態(tài)降水徑流模型，常被用來(lái)對(duì)某一事件中或長(zhǎng)期持續(xù)降雨過(guò)程中城市化地區(qū)徑流的流量和水質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。通過(guò)模擬計(jì)算，可以輸出任一節(jié)點(diǎn)模擬過(guò)程中的徑流過(guò)程和水質(zhì)污染過(guò)程，提供模型中各點(diǎn)的水力和水質(zhì)信息[9-10]。

模型主要由核心模塊和拓展模塊兩部分組成，其中核心模塊主要計(jì)算產(chǎn)匯流和水力流場(chǎng)等，由徑流模塊（Runoff）和輸送模塊（Transport）組成[11]。城市產(chǎn)生的污水和降雨資料作為模型的輸入，被賦值給核心模塊中的管道節(jié)點(diǎn)屬性（Inflow）和降雨屬性（Rain Gages），為計(jì)算模擬提供基礎(chǔ)。拓展模塊則包含擴(kuò)充輸送模塊（Extended Transport）、調(diào)蓄/ 處理模塊（Storage/Treatment）和收納水體模塊（Receiving Water）等。

在應(yīng)用SWMM 時(shí)，匯水分區(qū)的合理確定能夠使得模型的模擬結(jié)果更加契合實(shí)際情況。本文基于GIS 水文分析劃分功能的方法及規(guī)劃排水管網(wǎng)分區(qū)。研究區(qū)域控制單元?jiǎng)澐秩鐖D1 所示。

圖1 研究區(qū)域控制單元分片

將研究區(qū)域控制單元繼續(xù)劃分為175 個(gè)子匯水區(qū)，概化節(jié)點(diǎn)159 個(gè)、管段180 個(gè)、排放口29個(gè)。研究區(qū)域模型概化圖如圖2 所示。

圖2 SWMM 模型概化圖

1.3 參數(shù)選取

在子匯水區(qū)域確定后，計(jì)算出每一子匯水區(qū)域的坡度、面積等SWMM 模型所需要的參數(shù)，為建立模型提供保障，主要參數(shù)包括子匯水區(qū)面積、坡度、出水口、降雨、曼寧糙率、透水及不透水區(qū)占比、土壤下滲參數(shù)等[12]。模型數(shù)據(jù)類型及獲取方法匯總見(jiàn)表1。

選 用 SWMM 模 型 的 Rainfall/Runoff、Flow Routing 模塊，入滲采用霍頓公式，采用公制單位，流量單位為m3/s。此次根據(jù)地塊的土地利用類型分布，按SWMM 模型提出的方法分析確定各子流域不透水面積比。

Horton 下滲公式包括最大下滲率、最小下滲率及衰減系數(shù)三個(gè)參數(shù)。最大下滲率（mm/h），取決于土壤類型、覆蓋植被和土壤含水量。根據(jù)區(qū)域土地類型和模型手冊(cè)，最大下滲率裸土取40 mm/h，覆蓋草皮的取70 mm/h。穩(wěn)定下滲率根據(jù)研究區(qū)土壤條件，取2.2 mm/h。

透水下墊面洼蓄：下凹式綠地取10 mm，其他區(qū)域取5 mm。不透水下墊面洼蓄：新城區(qū)取1 mm。此次無(wú)洼蓄的不透水面積百分比按經(jīng)驗(yàn)采用25%。

根據(jù)模型用戶手冊(cè)并結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不透水區(qū)糙率取0.015，透水區(qū)糙率城建區(qū)取0.24。子流域坡度依照地塊實(shí)際地形及規(guī)劃資料取值[13]。

相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表2～表4。

表1 模型數(shù)據(jù)類型及獲取方法

表2 SWMM 模擬參數(shù)取值

1.4 設(shè)計(jì)降雨

根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》對(duì)我國(guó)近200 個(gè)城市1983～2012 年日降雨量的統(tǒng)計(jì)分析，分別得到各城市年徑流總量控制率及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值關(guān)系。其中研究區(qū)域位于Ⅳ區(qū)，以區(qū)域年雨水徑流總量控制率不低于75%為標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為32.0 mm。

表3 海綿城市建設(shè)措施參數(shù)一

表4 海綿城市建設(shè)措施參數(shù)二

分析研究區(qū)降雨規(guī)律，以芝加哥雨型對(duì)年徑流控制率對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量進(jìn)行2 h 過(guò)程分配，作為不利降雨條件進(jìn)行模型模擬。其降雨過(guò)程如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)降雨過(guò)程

2 結(jié)果分析

2.1 LID 措施布置方案

根據(jù)各地塊用地下墊面類型，通過(guò)有效利用設(shè)施布局，合理布置各項(xiàng)低影響開(kāi)發(fā)措施，場(chǎng)地內(nèi)調(diào)蓄雨水以優(yōu)先入滲為原則，不小于開(kāi)發(fā)前的地下水補(bǔ)給量，將雨水利用于綠地灌溉、道路澆灑等[14-15]。綜合采用綠色屋頂、雨水花園、透水鋪裝、生物滯留池、植草溝、濕塘等措施進(jìn)行區(qū)域低影響開(kāi)發(fā)措施布置改造。

以SWMM 模型模擬設(shè)計(jì)降雨下各子匯水區(qū)的LID 措施效果。通過(guò)比較設(shè)計(jì)降雨下片區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)流削減及排水口出流情況，分析不同片區(qū)海綿措施對(duì)該區(qū)域產(chǎn)流、峰值流量和徑流控制的影響（見(jiàn)表5、圖4）。

表5 不同控制單元海綿措施布置面積 hm2

圖4 模型子匯水區(qū)域的LID 措施占比

2.2 徑流控制

采取低影響開(kāi)發(fā)措施后，產(chǎn)流階段的徑流總量一般會(huì)有明顯降低。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表6 列出各市政管道出水口徑流流量與對(duì)應(yīng)雨濕塘調(diào)蓄能力關(guān)系。

表6 主要出水口出流統(tǒng)計(jì)值和對(duì)應(yīng)濕塘調(diào)蓄能力對(duì)比

低影響開(kāi)發(fā)措施緩解雨水管網(wǎng)排水壓力，多數(shù)出水口出水量小于對(duì)應(yīng)調(diào)蓄濕塘容積，實(shí)現(xiàn)徑流控制要求。不同的控制單元作用也有所差異，通過(guò)模擬分析可以為對(duì)應(yīng)控制單元的雨濕塘調(diào)蓄容積的調(diào)整提供依據(jù)。

2.3 峰值流量

海綿措施具有徑流控制和峰值削減的雙重效果，同時(shí)還對(duì)峰現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)有所貢獻(xiàn)。應(yīng)用模型計(jì)算各子匯水面積采用海綿城市改造前后在設(shè)計(jì)降雨條件下各控制單元的出水口排放量，各控制單元的出流過(guò)程對(duì)比如圖5～圖7 所示。

圖5 控制單元a 低影響開(kāi)發(fā)前后出流過(guò)程對(duì)比

對(duì)比圖5～圖7，各控制單元峰值流量均有顯著降低，其中控制單元a 峰值流量削減82.15%，峰現(xiàn)時(shí)間推遲6 min；控制單元b 峰值流量削減88.63%，峰現(xiàn)時(shí)間推遲13 min；控制單元c 峰值流量削減84.91%，峰現(xiàn)時(shí)間推遲17 min。各控制單元海綿措施有效控制單元峰值流量，有利于雨洪資源回用、補(bǔ)充地下水并減小區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 控制單元b 低影響開(kāi)發(fā)前后出流過(guò)程對(duì)比

圖7 控制單元c 低影響開(kāi)發(fā)前后出流過(guò)程對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用SWMM 模型模擬海綿城市建設(shè)措施在徑流控制中的功效，結(jié)果顯示，低影響開(kāi)發(fā)措施有效緩解雨水管網(wǎng)排水壓力，多數(shù)出水口出水量小于對(duì)應(yīng)調(diào)蓄濕塘容積，實(shí)現(xiàn)徑流控制要求。模擬分析可以為對(duì)應(yīng)控制單元的雨濕塘調(diào)蓄容積的調(diào)整提供依據(jù)。

各控制單元峰值流量均有顯著降低，峰值流量削減比例在82.15%～88.63%，峰現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)6～17 min，有利于研究區(qū)雨洪資源回用，補(bǔ)充地下水并減小區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)。