冉小青，李元松，卓 浩，湯新能，陶文華

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073；2.華藍(lán)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，南寧 530011)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市道路、房屋等不透水面積不斷增加，城市徑流系數(shù)明顯增加，滲透系數(shù)降低，徑流量和洪峰量增大，洪峰流量提前出現(xiàn)等，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]。城市道路用地面積占城市建設(shè)用地面積的15%～20%[2]，是城市雨水徑流的主要用地類型。為解決日益突出的城市內(nèi)澇問(wèn)題，城市道路的雨洪控制顯得尤為重要。住建部、國(guó)務(wù)院及其他相關(guān)部門對(duì)各地區(qū)海綿城市的建設(shè)提供了指導(dǎo)意見(jiàn)，并于2015年起先后確定了30多個(gè)海綿城市試點(diǎn)[3-5]。

目前海綿城市建設(shè)理論體系還不成熟，現(xiàn)有的建設(shè)工程還處于探索階段，因此對(duì)于海綿城市道路雨洪控制方案研究具有重要意義。本文以江西省萍鄉(xiāng)市為研究對(duì)象，基于SWMM模型模擬研究區(qū)域在不同降雨情形下的徑流過(guò)程，對(duì)比分析設(shè)置不同海綿措施組合方案的雨洪控制效果。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選取江西省萍鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)武功山大道萍實(shí)北路--鵝湖路路段。該區(qū)全年降雨總量為1 585.2 mm，降雨汛期集中于4-6月，旱期為10月至次年3月。該研究區(qū)域面積為7.77 hm2，綠化率15%，地下排水系統(tǒng)為雨污水合流制排水體制，合流雨污水分別排入萍水河、五豐河及玉湖。根據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿城市辦2015年試點(diǎn)建設(shè)任務(wù)要求，年徑流總量控制率需達(dá)到65%。

2 SWMM模型建立

SWMM模型是主要用于模擬單一降雨事件或長(zhǎng)期降雨事件的水量或水質(zhì)動(dòng)態(tài)的降雨-徑流模型，模型的輸出結(jié)果可以顯示系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的水流和水質(zhì)狀況[6,7]。SWMM模型由計(jì)算模塊和服務(wù)模塊組成，計(jì)算模塊包括徑流、輸送和貯存/處理模塊等；服務(wù)模塊包括統(tǒng)計(jì)、圖表和降雨模塊等。本文主要用到了SWMM模型的降雨模塊、徑流模塊和輸送模塊。降雨模塊中降雨數(shù)據(jù)的輸入是影響輸出結(jié)果最為重要的變量，直接影響徑流總量；徑流模塊包含對(duì)水量和水質(zhì)的模擬，通過(guò)分水嶺表示子匯水區(qū)接受降雨，一部分滲入地下，另一部分進(jìn)入排水系統(tǒng)；輸送模塊包含的內(nèi)容是子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流通過(guò)雨水管道和溝渠進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程[8,9]。該模型可用于解決與城市排水相關(guān)的水質(zhì)水量問(wèn)題。

2.1 研究區(qū)域概化

根據(jù)研究區(qū)域地形、管網(wǎng)分布、道路分割線、硬質(zhì)場(chǎng)地坡向、雨落管位置以及就近綠地等原則進(jìn)行劃分，將研究區(qū)域劃分為135個(gè)子匯水區(qū)，73條雨水管道，72個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)排水口，概化結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域概化圖Fig.1 Study area generalization diagram

2.2 模型參數(shù)的選擇

SWMM模型參數(shù)主要包括水文水力和海綿設(shè)施參數(shù)[10]。其中，子匯水區(qū)的面積、坡度、管道的長(zhǎng)度等參數(shù)可通過(guò)直接測(cè)量獲??；曼寧粗糙率、地表洼蓄量和入滲模型等參數(shù)可參考SWMM模型應(yīng)用手冊(cè)和相關(guān)研究論文里給出的參數(shù)值范圍，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定后獲取[11]。海綿設(shè)施參數(shù)來(lái)源于設(shè)計(jì)資料、SWMM手冊(cè)等，模型設(shè)置的下凹綠地、透水磚和透水路面的海綿設(shè)施參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 海綿措施參數(shù)Tab.1 Sponge measures parameters

注：帶^號(hào)的值為默認(rèn)值，帶*的值來(lái)自設(shè)計(jì)文件，帶#的來(lái)自SWMM手冊(cè)或文獻(xiàn)[12]。

2.3 模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證

根據(jù)2017年7月該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)的一場(chǎng)降雨事件的實(shí)測(cè)降雨量和徑流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)SWMM模型進(jìn)行參數(shù)率定(見(jiàn)圖2)，該場(chǎng)降雨實(shí)測(cè)降雨量為14.4 mm，率定結(jié)果見(jiàn)表2。然后選取2017年8月該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)的一場(chǎng)降雨的徑流量過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)圖3)，該場(chǎng)降雨實(shí)測(cè)降雨量為9.6 mm。

圖2 模型參數(shù)率定結(jié)果Fig.2 Model parameter rate determination results

結(jié)果表明模型模擬的出水口徑流過(guò)程與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好，各測(cè)點(diǎn)各時(shí)刻模擬流量與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差為0～10%，洪峰流量誤差為6.59%，洪峰時(shí)間誤差為0，均在合理范圍10%以內(nèi)，說(shuō)明模型率定結(jié)果滿足精度要求，可用于研究區(qū)海綿措施雨洪控制效果模擬。

2.4 降雨條件設(shè)計(jì)

本文結(jié)合萍鄉(xiāng)市降雨情況，通過(guò)SWMM模擬年降雨過(guò)程和典型場(chǎng)降雨過(guò)程，分別得到年徑流總量控制效果和峰值流量控制效果。連續(xù)降雨選取萍鄉(xiāng)市某雨量站2017年測(cè)得的雨量記錄數(shù)據(jù)，由雨量站測(cè)得全年降雨總量為1 585.2 mm，同年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)所提供的大型蒸發(fā)量日值數(shù)據(jù)加權(quán)平均得到，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。典型場(chǎng)降雨選用芝加哥雨水生成器[13]與萍鄉(xiāng)市暴雨強(qiáng)度公式變換生成，降雨歷時(shí)取2 h，雨峰系數(shù)取0.45，得2、10和100 a一遇的萍鄉(xiāng)市短歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型，降雨總量分別為49.97、72.06、103.66 mm。萍鄉(xiāng)市降雨強(qiáng)度公式如下：

表2 水文水力參數(shù)率定結(jié)果Tab.2 Hydrological hydraulic parameters rate determination results

圖3 模型參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Model parameter verification results

(1)

式中：q為平均暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)，min。

圖4 萍鄉(xiāng)市2017年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)Fig.4 Pingxiang 2017 evaporation data

2.5 海綿道路方案設(shè)計(jì)

參考相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合道路的場(chǎng)地條件、空間要求、經(jīng)濟(jì)條件、地形地勢(shì)等特點(diǎn)[14-16]，優(yōu)選適用于萍鄉(xiāng)城市海綿道路的以下3種海綿措施：下凹式綠地；透水人行道；透水路面。

城市道路一般可利用場(chǎng)地小，兩側(cè)綠化帶為海綿措施建設(shè)中最主要的場(chǎng)地，每種方案中均采用，則方案一單獨(dú)選用下凹綠地布設(shè)，剩下2種方案則在前一種模式的基礎(chǔ)上增加一種海綿措施，最終選用以下3種海綿方案：下凹式綠地；下凹式綠地+透水人行道；下凹式綠地+透水人行道+透水路面。海綿措施規(guī)模則根據(jù)具體場(chǎng)地條件設(shè)置，3組方案布設(shè)見(jiàn)表3。

表3 海綿城市道路方案設(shè)計(jì) m2Tab.3 Sponge city road plan design

3 結(jié)果與分析

3.1 連續(xù)降雨條件下徑流狀況分析

分別模擬了傳統(tǒng)方案與海綿城市方案在連續(xù)降雨條件下的情況(見(jiàn)表4)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方案相比，3組海綿城市優(yōu)化方案全年雨水總蒸發(fā)量和總?cè)霛B雨量分別高出25.18%～95.28%、213.06%～320.51%，全年總徑流量減少44.95%～63.94%，3組海綿道路方案年徑流總量控制率分別為58.97%、70.39%、73.12%。說(shuō)明海綿道路方案對(duì)徑流總量的控制效果良好，但單獨(dú)設(shè)置下沉式綠地未能達(dá)到年徑流總量控制率的目標(biāo)。方案二和方案三能達(dá)到年徑流總量控制率65%的目標(biāo)。

表4 連續(xù)降雨條件下道路雨洪控制效果模擬結(jié)果 mmTab.4 Simulation results of road stormwater control effects under continuous rainfall conditions

3.2 場(chǎng)降雨條件下徑流狀況分析

分別模擬傳統(tǒng)方案及3組海綿道路方案在重現(xiàn)期P為2、10和100 a降雨條件下的徑流過(guò)程，海綿道路方案排放口的管道流量與傳統(tǒng)方案對(duì)比情況見(jiàn)圖5，海綿道路在重現(xiàn)期P為2、10、100 a降雨條件下，出水口流量峰值、峰現(xiàn)時(shí)間及出流總量指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 傳統(tǒng)方案與海綿措施方案出口流量過(guò)程對(duì)比Fig.5 Comparison of the export flow process between the traditional scheme and the sponge measures

表5 典型場(chǎng)降水下出水口的流量模擬結(jié)果Tab.5 Flow simulation results of typical field drop water outlets

結(jié)果表明：在2、10和100 a一遇場(chǎng)降雨條件下，方案一與傳統(tǒng)方案相比，洪峰流量分別減少9.32%、2.05%、0.20%，峰現(xiàn)時(shí)間分別推遲3、2、2 min，徑流總量分別減少24.46%、17.35%、12.69%。方案二與傳統(tǒng)方案相比，洪峰流量分別減少39.10%、27.94%、22.70%，峰現(xiàn)時(shí)間分別推遲5、3、3 min，徑流總量分別減少45.35%、37.90%、33.03%。方案三與傳統(tǒng)方案相比，洪峰流量分別減少59.69%、53.59%、48.77%，峰現(xiàn)時(shí)間分別推遲5、3、4 min，徑流總量分別減少63.99%、58.98%、55.65%。

4 結(jié) 論

利用SWMM模型對(duì)傳統(tǒng)方案和3種海綿措施方案的出口斷面徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)3種海綿措施方案在不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期下的雨洪控制效果不同，其中方案三的雨洪控制效果優(yōu)于其他方案。

(1)相比傳統(tǒng)方案，3組海綿城市優(yōu)化方案全年雨水總蒸發(fā)量和總?cè)霛B雨量分別高出25.18%～95.28%、213.06%～320.51%，全年總徑流量減少44.95%～63.94%，3組海綿道路方案內(nèi)年徑流總量控制率分別為58.97%、70.39%、73.12%。

(2)相比傳統(tǒng)方案，3組海綿城市優(yōu)化方案在2、10、100 a一遇的降雨條件下，洪峰流量削減率為0.20%～59.69%，徑流總量削減率為12.69%～63.99%，洪峰遲滯時(shí)間為2～5 min。

(3)海綿道路對(duì)降雨徑流具有削峰減量及推遲峰現(xiàn)時(shí)間的作用，但隨著降雨強(qiáng)度的增大，徑流削減率及遲滯時(shí)間會(huì)隨之減小，說(shuō)明在小降雨事件中的峰值流量控制效果要優(yōu)于大雨或暴雨事件。

(4)3組海綿道路方案，峰值和出流量削減率均表現(xiàn)為同一規(guī)律，方案三>方案二>方案一，但3組方案的峰值遲滯時(shí)間差別不大，說(shuō)明透水磚和透水路面對(duì)峰值和出流量具有一定的削減效果，但對(duì)峰值來(lái)臨的時(shí)間作用不大。