潘若平
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)
SWMM 軟件是美國環(huán)保局1971 開發(fā)的雨洪管理模型軟件, 該軟件已多次更新, 現(xiàn)已發(fā)展至SWMM Version5, 目前該軟件包含4 個(gè)模型: 水文模型、 水力模型、 水質(zhì)模型和低影響開發(fā)(LID)模型[1-4]。 其中LID 模型可以模擬7 種海綿城市設(shè)施模塊, 包括生物滯留網(wǎng)格、 雨水花園(下凹綠地)、綠色屋頂、 滲渠、 連續(xù)多孔路面系統(tǒng)(透水鋪裝)、雨桶(或者水槽)、 草洼[4-6]。 近年來, 由于SWMM模型具有代碼開源、 可操作性強(qiáng)的特點(diǎn), 現(xiàn)已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪水模擬、 海綿城市設(shè)施模擬等過程中。 官奕宏等[5]運(yùn)用SWMM 模型模擬LID 措施對場地水量及水質(zhì)的控制效果; 張宇等[4]構(gòu)建SWMM 模型, 模擬透水鋪裝和蓄水池等LID 措施對住宅小區(qū)年徑流總量控制率的影響; 林辰松等[7]基于SWMM 情境, 模擬外源雨水型公園綠地雨洪控制效果。
本文以杭州低影響開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域, 運(yùn)用SWMM 模型模擬采用下凹綠地、 透水鋪裝的組合LID 措施來消減雨水徑流, 并于管網(wǎng)末端設(shè)置調(diào)蓄池, 以達(dá)到徑流總量控制的目標(biāo)。
杭州市低影響開發(fā)區(qū)地勢西南高, 東北低, 雨水徑流由西南的丘陵地區(qū)流向東北河網(wǎng)密集地區(qū)。研究地塊位于杭州市低影響開發(fā)區(qū)的未來科技城東北片區(qū), 南臨文一西路, 西臨高教路, 北側(cè)為新建規(guī)劃道路, 東側(cè)為已建住宅區(qū), 項(xiàng)目總用地面積為265 669 m2, 開發(fā)后綠地率僅為20%, 地塊內(nèi)排出管設(shè)置5 根, 本研究對其中1 根排出管匯水區(qū)域進(jìn)行SWMM 建模分析, 研究區(qū)域總面積為71 224 m2。
根據(jù)《浙江杭州未來科技城(海創(chuàng)園)低影響開發(fā)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》及《杭州未來科技城低影響開發(fā)(LID)管理技術(shù)指南》的要求, 由于本區(qū)域在高強(qiáng)度降雨條件下周邊河流水位升高較大, 為保障下游水位在大暴雨的情況下不超過安全水位, 特制定較為嚴(yán)格的雨水控制要求。 位于低影響開發(fā)區(qū)的新建項(xiàng)目, 需滿足以下控制目標(biāo):
(1) 低影響開發(fā)以滯留型和滲透性為主, 設(shè)施總占地面積或處理匯水面積不得小于開發(fā)區(qū)域總面積的40%。
(2) 按本區(qū)域100 a 一遇降雨重現(xiàn)期, 即24 h降雨量276 mm, 須滿足雨水收集調(diào)蓄比例不低于場地徑流量的50%。
經(jīng)計(jì)算, 研究區(qū)域雨量徑流系數(shù)ψzc為0.509,故需控制雨水厚度為h =(1-ψzc+50%ψzc)×276 =205.7 mm, 總控制率為74.5%。
本研究包括3 種模式下場地徑流情況, 分別為①傳統(tǒng)模式, ②組合LID, ③組合LID +蓄水池,此3 種模式也是構(gòu)建本項(xiàng)目LID 的3 個(gè)步驟; ①傳統(tǒng)模式: 場地僅計(jì)算綠地(20%)及透水鋪裝(31%)對徑流系數(shù)的影響, 未計(jì)算透水鋪裝的滲透量及下凹綠地的蓄水量; 研究目標(biāo)為排出管徑流量。 ②組合LID: 為每個(gè)子匯水面積賦予31% 的透水鋪裝及9%的下凹綠地, 并計(jì)算透水鋪裝在降雨時(shí)滲透雨水量及下凹綠地的蓄水量(200 mm), 此項(xiàng)設(shè)計(jì)用于滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的第1 個(gè)目標(biāo), 即設(shè)置滯留型和滲透性LID 設(shè)施至少40%; 研究目標(biāo)為排出管徑流量。 ③組合LID+蓄水池: 在第②項(xiàng)的基礎(chǔ)上, 在排出管GQ8 后增設(shè)有效容積為3 700 m3的蓄水池, 此項(xiàng)設(shè)計(jì)用于滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的第2 個(gè)目標(biāo), 即對100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨(276 mm)徑流量收集調(diào)蓄比例不低于50%; 研究目標(biāo)為蓄水池的溢流量。
提取項(xiàng)目用地中獨(dú)立的一處區(qū)域進(jìn)行概化處理, 并運(yùn)行SWMM 軟件模擬, 雨水系統(tǒng)概化模型如圖1 所示。
圖1 場地管網(wǎng)概化模型Fig. 1 Generalized model of site pipe network
本區(qū)域總面積為71 224 m2, 共分為6 個(gè)子匯水面積, 為簡化管網(wǎng)計(jì)算, 每個(gè)匯水面積賦予一個(gè)出水節(jié)點(diǎn), 最終匯合后通過雨水管道GQ8(DN 1 000 mm)流至排放口。 為每個(gè)子匯水面積賦予31%的透水鋪裝、 9%的下凹綠地, 并在管網(wǎng)末端設(shè)置3 700 m3 蓄水池。
各子匯水面積、 管線長度均通過CAD 精確統(tǒng)計(jì), 其中管道及匯水面積的其他參數(shù)均按照《雨水管理模型SWMMH(5.0 版)使用手冊》取值, 并根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況及經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行調(diào)整[7-11], 參數(shù)設(shè)置見表1、 表2。
研究采用杭州市暴雨強(qiáng)度公式, 暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式:
式中: i 為暴雨強(qiáng)度, mm/h; P 為重現(xiàn)期, a;t 為降雨歷時(shí), min。
采用芝加哥雨型模擬短歷時(shí)暴雨過程, 雨峰系數(shù)參照DB31/T 1043—2017《暴雨強(qiáng)度公式與設(shè)計(jì)雨型標(biāo)準(zhǔn)》[12]取值r =0.4, 降雨時(shí)間間隔t =5 min,降雨歷時(shí)2 h。 杭州市不同重現(xiàn)期下2 h 降雨強(qiáng)度分布, 如圖2 所示。
表1 水文水力參數(shù)值Tab. 1 Hydrological hydraulic parameters
表2 LID 設(shè)施設(shè)置參數(shù)Tab. 2 Design parameters of LID Facilities
圖2 不同重現(xiàn)期下2 h 降雨強(qiáng)度分布Fig. 2 Distribution of 2 h rainfall intensity in different recurrence periods
5 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為72.5 mm, 10 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為84.8 mm, 20 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為97.1 mm, 30 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為104.3 mm, 50 a 重現(xiàn)期2 h 總降雨量為113.3 mm, 100 a重現(xiàn)期2 h 總降雨量為125.6 mm。 降雨高峰發(fā)生在第48 min 位置。
根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》要求, 本項(xiàng)目的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取5 a,場地綜合流量徑流系數(shù)經(jīng)計(jì)算為ψzm=0.62(各類下墊面ψm值取上限), 集水時(shí)間t =15 min, 經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為q5=330.8 L/(s·ha), 本次研究的排水區(qū)域總面積為71 224 m2, 故設(shè)計(jì)排出管(GQ8)設(shè)計(jì)流量為Q8=1 457.8 L/s。 選用管徑DN 1 000 mm 的塑料排水管(n =0.01), 敷設(shè)坡度i =0.003, 則此DN 1 000 mm 排水管最大排水能力為1 706.4 L/s,滿足規(guī)范要求。
通過SWMM 模擬結(jié)果顯示, 在5 a 重現(xiàn)期降雨條件下, 場地排水高峰流量為1 461 L/s, 稍微超過推理公式法的計(jì)算值(1 457.8 L/s), 管網(wǎng)排水順暢, 各排水管段無超載現(xiàn)象, 設(shè)計(jì)滿足要求。
本研究通過SWMM 模型模擬了3 種模式在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流控制情況, 模擬結(jié)果如圖3及表3 所示, 其中模式③中, 增加了蓄水池, 僅僅降低了排出口的流量, 對蓄水池前各管段、 節(jié)點(diǎn)均無影響, 故表3 中模式②同模式③。
通過圖3、 表3 可知, 組合LID 可以減少高峰徑流, 并隨著降雨量的增加, 對高峰徑流的削減作用逐漸減小, 5、 10、 20、 30、 50、 100 a 重現(xiàn)期降雨時(shí), LID 組合對高峰徑流削減率分別為30.9%、30.4%、 23.3%、 18.2%、 10.4%、 3.9%; 另外, 增設(shè)LID 設(shè)施后, 場地溢流區(qū)域及溢流時(shí)間極大減少, 在小于50 a 重現(xiàn)期降雨情況時(shí), 場地?zé)o節(jié)點(diǎn)溢流; 在50 a 重現(xiàn)期時(shí)排出管(GQ8)基本可以滿足場地排水, 并且僅1 處節(jié)點(diǎn)(J4)產(chǎn)生溢流, 且溢流時(shí)間僅3 min。 100 a 重現(xiàn)期時(shí)排出管(GQ8)短時(shí)超過排水能力, 并且僅4 處節(jié)點(diǎn)(J1、 J3、 J4、 J5)產(chǎn)生溢流, 但溢流時(shí)間僅3 min。
增加蓄水池后, 在5 ~30 a 重現(xiàn)期降雨條件下, 蓄水池沒有產(chǎn)生溢流, 場地降雨全部控制于場地內(nèi); 而50 a 重現(xiàn)期降雨時(shí), 在2 h 降雨時(shí)間內(nèi)蓄水池?zé)o溢流, 蓄水池開始產(chǎn)生溢流的時(shí)間為降雨停止后的20 min, 最大流量不及20 L/s。 100 年重現(xiàn)期降雨時(shí), 由圖3(f)所示, 蓄水池在100 min 時(shí)產(chǎn)生溢流, 最大溢流量為300 L/s, 與傳統(tǒng)模式相比高峰徑流量減少84.5%。
圖 3 3 種開發(fā)模式下排出管流量Fig. 3 Flow of rainwater networks at three modes
表3 管網(wǎng)溢流節(jié)點(diǎn)及排出管高峰流量對比Tab. 3 Comparison of peak flow rates of pipe network overflow nodse and discharge pipe
在100 a 重現(xiàn)期2 h 短歷時(shí)降雨情況下, 根據(jù)SWMM 模型, 組合LID 下滲雨水44.5 mm、 滯留雨水22.0 mm(含少量地面積水及下凹綠地存水)、 蓄水池貯存雨水51.9 mm(3 700 m3), 場地總控制雨水量約為118.4 mm, 占2 h 總降雨量的94.3%。
由于低影響開發(fā)區(qū)控制目標(biāo)為24 h 降雨量,通過上述分析, 短歷時(shí)降雨情況下下凹綠地及蓄水池已達(dá)到蓄水容量, 如增加控制雨水量, 只能通過綠地、 透水鋪裝在24 h 的下滲解決。 本研究采用的芝加哥雨型為短歷時(shí)降雨模型, 對長歷時(shí)降雨不適用, 且無杭州市100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨分布資料,故考察透水鋪裝及綠地下滲量時(shí), 賦予SWMM 模型的降雨模式為均勻降水, 即將總降水量276 mm 平均分配至每小時(shí), 為11.5 mm/h。 根據(jù)熊向隕等[13]使用SWMM 模擬深圳市光明新區(qū)海綿城市措施的結(jié)果顯示, 低強(qiáng)度降雨有利于海綿設(shè)施的雨水下滲, 故采用均勻降水, 可以充分發(fā)揮綠地及透水鋪裝的滲透作用, SWMM 模型運(yùn)行結(jié)果顯示, 整個(gè)場地下滲量為119.5 mm。
針對100 a 重現(xiàn)期24 h 降雨, 下滲雨水119.5 mm、 滯留雨水22.0 mm、 蓄水池貯存雨水51.9 mm,總控制雨水量為193.4 mm, 控制率為70%, 略低于74.5%的控制目標(biāo)。
模擬結(jié)果低于理論計(jì)算值的原因是, 在理論計(jì)算時(shí), 場地雨量徑流系數(shù)ψzc(0.509)取值較低, 即每次降雨均有49.1% 在場地內(nèi)下滲, 但實(shí)際情況是在低強(qiáng)度降雨時(shí)可以達(dá)到49.1%, 但高強(qiáng)度降雨很難實(shí)現(xiàn), 見表3 所示傳統(tǒng)模式下的場地徑流。 另外, 根據(jù)趙康乾等[14]對SWMM 模型12 種參數(shù)的靈敏度研究, 降雨雨型、 子匯水面積、 子匯水面積滿流寬度、 不透水比例等參數(shù)均對下滲雨水量有不同程度的影響, 故本次模擬結(jié)果, 控制率達(dá)到70%, 基本滿足LID 的要求。
(1) 組合LID 設(shè)施可以降低場地徑流及高峰流量, 針對5、 10、 20、 30、 50、 100 a 重現(xiàn)期的2 h 短歷時(shí)降雨情況, 高峰流量削減率分別為30.9%、 30.4%、 23.3%、 18.2%、 10.4%、 3.9%, 場地雨水徑流系數(shù)降至0.50 以下, 顯著低于傳統(tǒng)模式。 場地內(nèi)溢流節(jié)點(diǎn)在50 a 重現(xiàn)期僅1 處, 100 a重現(xiàn)期4 處。
(2) 組合LID+蓄水池, 在2 h 短歷時(shí)降雨情況下, 100 a 重現(xiàn)期以下場地基本無外排雨水, 100 a 重現(xiàn)期時(shí)高峰流量削減84.5%, 對125.6 mm 的降雨厚度, 滯留地塊內(nèi)118.4 mm, 場地雨水徑流量率僅5.3%; 但對長歷時(shí)降雨, 在缺乏降雨資料的情況下, 通過將276 mm 降水均勻分布后, 模擬場地總滲透量, 結(jié)果顯示, 可以控制24 h 降雨量的70%, 基本滿足杭州市低影響開發(fā)區(qū)的要求。