胡金輝 孫穎娜 申智鵬 張麗娜 龐傲璇

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院、中俄寒區(qū)水文水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概述

目前海綿城市建設(shè)作為我國(guó)現(xiàn)代城市水管理的重大戰(zhàn)略，而當(dāng)前隨著社會(huì)快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地利用變化劇烈、植被覆蓋率較先前迅速減少，不透水面增加，這些均對(duì)城市暴雨洪水、徑流等產(chǎn)生了很大的影響[1]。為了解決居住區(qū)發(fā)展與水資源之間的矛盾，市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與安全保障之間的矛盾，需要采用低影響開(kāi)發(fā)(low impact development，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LID)措施，提升居住區(qū)應(yīng)對(duì)極端惡劣天氣的能力[2]。低影響開(kāi)發(fā)是指提升海綿城市的對(duì)水資源利用能力，并且改善城市的內(nèi)澇現(xiàn)象，降低洪水災(zāi)害發(fā)生的頻次[3]。使用LID 是為了使城區(qū)的水循環(huán)更加接近于自然狀態(tài)下的水循環(huán)，主要是通過(guò)在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行源頭控制從而實(shí)現(xiàn)降低徑流和污染。SWMM暴雨管理模型是美國(guó)環(huán)境保護(hù)代理機(jī)構(gòu)研制出的一款軟件[4]。SWMM也是目前被認(rèn)為是在城市雨水徑流模擬中最廣泛使用的一款軟件[4]。在該模型中，用戶主要通過(guò)輸入降水資料、下墊面條件等來(lái)模擬產(chǎn)匯流過(guò)程，因此在城市雨洪管理中得到了廣泛應(yīng)用[5]。當(dāng)前研究大多基于大尺度，因而十分有必要進(jìn)行小尺度的低影響開(kāi)發(fā)研究。本文采用模型模擬方法，評(píng)估單獨(dú)和組合低影響開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)降水事件的徑流調(diào)控能力，為居住區(qū)低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)提供有益的參考。

2 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，地處黑龍江省哈爾濱市，降雨量隨時(shí)空分布不均，年平均降水量為530mm 左右。通過(guò)獲取該研究區(qū)域的高程和影像數(shù)據(jù)，在ArcGIS 中對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行坡度坡向分析，得出結(jié)論該小區(qū)總體地勢(shì)平坦，平均坡度為0.679%。研究區(qū)域總面積約為6.17hm2，研究區(qū)域不透水面積約占總研究區(qū)域的70%。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

構(gòu)建研究區(qū)域的SWMM模型主要需使用以下兩類(lèi)數(shù)據(jù)：

3.1 該老舊小區(qū)得排水管網(wǎng)圖及其他CAD 文件，通過(guò)衛(wèi)星地圖下載的研究區(qū)域的遙感影像、給排水等設(shè)計(jì)資料。SWMM模型水文、水力模塊中大部分?jǐn)?shù)據(jù)的初值來(lái)自于收集的管網(wǎng)資料和CAD 文件，對(duì)于其他的必要參數(shù)，通過(guò)查閱SWMM模型操作手冊(cè)，以及其他的相關(guān)文獻(xiàn)參考資料，最后使用徑流系數(shù)法率定模型參數(shù)獲得符合該老舊小區(qū)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值。

3.2 參考黑龍江省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院利用圖解法編制的暴雨強(qiáng)度公式，從而獲得該研究區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式，再結(jié)合芝加哥暴雨模型，據(jù)此進(jìn)行降雨情境的確定。

4 模型構(gòu)建

4.1 雨水管網(wǎng)及匯水區(qū)域概化

根據(jù)研究區(qū)CAD 給排水施工圖得到小區(qū)下墊面特征、排水管道布置走向、雨水井位置、檢查井位置，再概化研究區(qū)的布設(shè)，如設(shè)置節(jié)點(diǎn)、管道、子匯水面等元件，使模型最大可能接近原設(shè)計(jì)圖紙，另外增設(shè)雨量計(jì)作為模型的降雨參數(shù)輸入口。研究區(qū)的排水管道皆為圓管，設(shè)置管道參數(shù)時(shí)需要輸入每個(gè)管道的進(jìn)水和出水節(jié)點(diǎn)高程，管徑，以及斷面形狀參數(shù)等。設(shè)置節(jié)點(diǎn)參數(shù)時(shí)需要輸入節(jié)點(diǎn)的地面高程，以及井底高程。設(shè)置子匯水面時(shí)需要輸入該子匯水面的出口、寬度(可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得)、透水(不透水)面積比等參數(shù)。最終在根據(jù)現(xiàn)有的研究區(qū)域資料將研究區(qū)域概化為19 個(gè)節(jié)點(diǎn)，19 條管線。根據(jù)該老舊小區(qū)的管網(wǎng)圖以及現(xiàn)場(chǎng)的建筑物位置、坐標(biāo)，將老舊小區(qū)劃分為11個(gè)子匯水區(qū)域，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 子匯水面概化圖

4.2 降雨情景確定

要實(shí)現(xiàn)降雨時(shí)管段水流運(yùn)行過(guò)程，需通過(guò)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度的時(shí)間序列，從而為SWMM模型提供連續(xù)性降雨過(guò)程情景。根據(jù)黑龍江省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院利用圖解法編制的暴雨強(qiáng)度公式，結(jié)合芝加哥暴雨模型生成降雨歷時(shí)為2h，降雨重現(xiàn)期為2a、5a、10a、50a 的降雨過(guò)程，繪制降雨過(guò)程曲線，不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度過(guò)程線如圖2 所示。研究區(qū)域采用的暴雨強(qiáng)度公式(1)

圖2 不同重現(xiàn)期降雨過(guò)程線

式中，i 為降雨強(qiáng)度，mm/h；P 為降雨重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時(shí)，min。

4.3 模型參數(shù)輸入及其率定

研究區(qū)域的子匯水面積、不透水面積比例等，通過(guò)CAD 圖紙進(jìn)行測(cè)量獲取，坡度采用研究區(qū)域的平均坡度。其余初始的參數(shù)通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)以及SWMM用戶手冊(cè)獲取。子面積寬度采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)：

式中：w為寬度，m；k 為常數(shù)，取值一般為0.2～5.0；A 為子匯水區(qū)面積，m2。

因無(wú)實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，本文考慮使用徑流系數(shù)法對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行率定。徑流系數(shù)法指的是使城市綜合徑流系數(shù)與模擬的地表徑流系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)SWMM模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行率定[5]。劉興坡[6]等認(rèn)為徑流系數(shù)法可以滿足模型參數(shù)預(yù)校準(zhǔn)的要求。張倩等[7]在低影響開(kāi)發(fā)方面的研究也證明了劉興坡的關(guān)于徑流系數(shù)法的觀點(diǎn)，在一定程度上也表明徑流系數(shù)法的可行性。

針對(duì)研究區(qū)這一工程項(xiàng)目，采用加權(quán)平均法對(duì)不同土地利用類(lèi)型所占的面積比例進(jìn)行計(jì)算，從而得到該老舊小區(qū)的綜合徑流系數(shù)。計(jì)算出該老舊小區(qū)的的綜合徑流系數(shù)為0.617～0.718，暫取中間值為0.668。

選取重現(xiàn)期為10 年一遇和50 年一遇的2 小時(shí)降雨雨型進(jìn)行模擬，通過(guò)人為的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)參數(shù)并反復(fù)進(jìn)行試算，使研究區(qū)綜合徑流系數(shù)盡可能的接近0.668。由此得到SWMM模型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)率定結(jié)果，如表1 所示。

表1 率定結(jié)果

5 LID 參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

5.1 LID 設(shè)施參數(shù)值的設(shè)定

SWMM模型中一般的LID 設(shè)施主要為：植草溝、滲渠、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)?。本文研究本文的主要研究?duì)象為透水鋪裝、綠色屋頂。LID 措施的參數(shù)主要來(lái)源于SWMM用戶手冊(cè)和其他文獻(xiàn)，其他數(shù)據(jù)使用SWMM默認(rèn)值。

5.2 LID 方案模擬結(jié)果與分析

本文根據(jù)所研究的老舊小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料、CAD 圖紙文件及不同下墊面的分布情況，選取綠色屋頂和透水鋪裝兩種LID措施。在10a 和50a 降雨重現(xiàn)期下使用單一綠色屋頂改造措施、單一透水鋪裝改造措施、綠色屋頂和透水鋪裝結(jié)合的改造措施，三種方案進(jìn)行比選分析。

研究結(jié)果顯示單獨(dú)的透水鋪裝、綠色屋頂?shù)暮檎{(diào)控性能存在差異，不同的LID 方案均能使徑流減小，洪峰流量得到削減。此外，部分措施可以起到延緩峰值流量出現(xiàn)的時(shí)間。表2 顯示在10a 重現(xiàn)期下，單獨(dú)的透水鋪裝措施與未做低影響改造相比，在峰值流量削減率均＞30%，綠色屋頂?shù)南鳒p率＞20%；在50高重現(xiàn)期下，透水鋪裝削減率均＞27%，綠色屋頂＞20%；單獨(dú)的透水鋪裝措施效果好于單獨(dú)使用綠色屋頂?shù)拇胧?，可能是透水鋪裝相比綠色屋頂有更高的下滲率，能更顯著的降低不透水面積。組合方案融合了單獨(dú)措施的性能優(yōu)勢(shì)，峰、量的削減效果優(yōu)于單獨(dú)措施。兩種類(lèi)型LID 開(kāi)發(fā)組合措施比單一LID 措施控制效果好，組合方案可以極大的改善研究區(qū)域的排水現(xiàn)狀。從總體上來(lái)看，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，兩種單一的LID 措施和組合措施仍有著顯著的效果但是削峰減流的效果與低重現(xiàn)期相比略有減弱，即說(shuō)明對(duì)于極端降雨來(lái)說(shuō)LID 的改造效果仍然受限。研究結(jié)果在一定程度上證明了低影響開(kāi)發(fā)是傳統(tǒng)建設(shè)模式的有效替代方法，并保證了改造區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的多樣性。

表2 匯總結(jié)果

6 結(jié)論

6.1 通過(guò)SWMM 模型多次模擬，證明該模型(城市暴雨洪水管理)具有相當(dāng)完善的功能，可以為未來(lái)的海綿城市建設(shè)提供豐富的數(shù)據(jù)資料和模型模擬，為城市內(nèi)澇，水資源短缺提供更多的解決方案。

6.2 本文在模擬時(shí)選擇使用芝加哥雨型，盡管該雨型使用廣泛，但由于研究區(qū)域有自身的特點(diǎn)，難免會(huì)產(chǎn)生小幅度誤差，因而如果有研究區(qū)域的實(shí)測(cè)將與數(shù)據(jù)，可以與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行修正，提高模型的準(zhǔn)確性。此外，模型的部分參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式，一些參數(shù)僅僅通過(guò)查閱文獻(xiàn)進(jìn)行選定，因而模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際情況只具有一定的參考意義。