鄧智彬

（東莞市橫瀝鎮(zhèn)工程建設(shè)中心,廣東 東莞 523000）

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展,原有的天然土壤和植被不斷被建筑物及不透水地面所取代,極大降低了原有地面對雨水的滲透性,從而引發(fā)了城市的洪澇災害。因此建設(shè)具有“自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”逐漸成為市政工程規(guī)劃的研究熱點[1]。透水路面作為海綿城市規(guī)劃設(shè)計中排水管網(wǎng)設(shè)計和片區(qū)規(guī)劃設(shè)計等工作的重要基礎(chǔ)指標,對其進行科學合理的模擬預測將極大地提高地表徑流削減效果。因此,分析基于暴雨強度及透水路面鋪裝方式的模擬研究具有重要意義,進一步地,可以為研究區(qū)域透水路面徑流削減工藝的選定提供有力的理論依據(jù)。

目前,國內(nèi)外諸多學者借助由美國環(huán)保署研發(fā)的暴雨洪水管理模型（StormWaterManagementModel,SWMM）對海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵工藝進行模擬[2]。王建富等[3]以遷安典型片區(qū)為例,結(jié)合設(shè)計資料、人工試驗和自然降雨條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù),參考相關(guān)文獻,提出基于SWMM模型的海綿城市設(shè)計模擬中的參數(shù)選擇和率定方法。梁華秋等[4]通過SWMM軟件構(gòu)建模型,根據(jù)實際情況重新定義雨水徑流凈化設(shè)施面積與場地總面積的比值為建設(shè)強度,并得到不同坡度下典型雨水徑流凈化設(shè)施的使用效益結(jié)果,經(jīng)回歸分析證明各效益與建設(shè)強度存在線性關(guān)系。研究結(jié)果表明：山地村落雨水徑流凈化設(shè)施的最適建設(shè)強度區(qū)間分別為7%～9%,該研究為山地村落雨水集蓄系統(tǒng)的建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。葉陳雷等[5]運用SWMM模擬研究了在不同的降雨情景下,街區(qū)地表二維淹沒與危險性分布。本研究結(jié)果可以為城市街區(qū)尺度下的洪澇模擬及危險性評估提供一定的借鑒作用。黃誠等[1]使用基于GIS技術(shù)的SWMM模型,模擬了城市區(qū)域在發(fā)生暴雨后的內(nèi)澇問題和探討低影響開發(fā)措施對城市雨洪的調(diào)控效果。研究表明低影響開發(fā)措施設(shè)計方案對海綿城市雨洪調(diào)控效果明顯,可為當?shù)貎?nèi)澇治理提供參考。

現(xiàn)階段應用SWMM軟件的研究范圍內(nèi)率定參數(shù)的選取均基于國外研究報道或數(shù)據(jù),尚未有利用SWMM軟件對實際規(guī)劃區(qū)域內(nèi)透水路面工程徑流削減特征模擬的相關(guān)研究?；诖?本文利用SWMM5.0 軟件對研究區(qū)域內(nèi)不同暴雨強度下透水路面徑流削減效率進行模擬,研究結(jié)果以期對市政工程規(guī)劃中不同暴雨強度下的透水路面徑流削減工藝的選定及預期提供一定的理論指導。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣東省某北部區(qū)域,淮河下游,該地區(qū)地形起伏相差較小,絕大部分為平原地形區(qū),海拔在10 m～18 m之間,其中平原地形主要占到研究區(qū)域總體面積的95%。總體氣候?qū)倥瘻貛騺啛釒н^渡的季風氣候,受季風氣候影響,四季分明,雨量集中,雨熱同季,常年平均氣溫為13.6℃。研究區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

3 研究區(qū)域管網(wǎng)模型及匯水區(qū)劃分

為了探究研究地區(qū)透水路面徑流削減特征,對研究區(qū)域內(nèi)的排水系統(tǒng)管網(wǎng)進行模型概念化,并導入SWMM5.0軟件進行建模。如圖2所示,該規(guī)劃雨水系統(tǒng)為分流制強排系統(tǒng),研究區(qū)域總體面積為28.5 hm2,共設(shè)5 路總管,管徑范圍為DN500～DN3000,研究區(qū)域的節(jié)點管網(wǎng)設(shè)定參照實際規(guī)劃雨水排水管網(wǎng)敷設(shè),共有62 個普通節(jié)點、4個排放口節(jié)點,雨水泵站設(shè)置于系統(tǒng)北部,泵站近遠期規(guī)劃規(guī)模分別為25 m3/s及45 m3/s,三用一備。

圖2 排水系統(tǒng)模型概化

進一步地,根據(jù)規(guī)劃設(shè)計管網(wǎng)及部分施工圖紙,對研究區(qū)域內(nèi)SWMM模型建模所需參數(shù)進行確定,主要包括水文模塊、水力模塊及透水路面參數(shù)等,結(jié)果見表1。

表1 SWMM模型參數(shù)表

4 研究區(qū)域透水路面徑流削減特征模擬

4.1 研究區(qū)域透水路面徑流削減模擬方法

美國環(huán)境保護署（EPA）的雨洪管理模型（SWMM）是一種動態(tài)降雨徑流路徑模擬模型,用于對主要城市地區(qū)的徑流數(shù)量和質(zhì)量進行單次事件或長期（連續(xù)）模擬。SWMM的徑流部分在接收降水并產(chǎn)生徑流和污染物負荷的子匯水面積集合上運行。SWMM的選路部分通過管道、渠道、儲存/處理設(shè)備、泵和調(diào)節(jié)器系統(tǒng)輸送徑流。SWMM跟蹤每個子匯水面積內(nèi)產(chǎn)生的徑流的數(shù)量和質(zhì)量,以及在模擬期間劃分為多個時間步長的每個管道和渠道中的流量、流深和水質(zhì)[4]。連續(xù)透水路面系統(tǒng)是用礫石填充并鋪有多孔混凝土或瀝青混合料的開挖區(qū)域。連續(xù)滲透路面系統(tǒng)是用礫石填充的挖掘區(qū)域,并用多孔混凝土或瀝青混合料鋪設(shè)（圖3）。連續(xù)滲透路面模塊化砌塊系統(tǒng)與其相似,只是使用了透水砌塊攤鋪機。通常所有的降雨都會立即通過路面進入下面的礫石儲存層,以自然速率滲透到場地的原生土壤中。路面層的高度通常為30 mm～50 mm,而礫石儲存層的高度通常為100 mm～150 mm。降雨滲流的捕獲率是指處理區(qū)域（街道或停車場）被可滲透路面取代的百分比[6]。

圖3 透水路面結(jié)構(gòu)模型

本研究主要探究某研究區(qū)域透水路面徑流削減演變模擬特征,運用SWMM5.0模型計算典型的透水路面徑流削減效率與透水路面鋪設(shè)位置、降雨強度等影響因子的關(guān)系,以期為相關(guān)工程實踐提供參考。在模擬過程中,輸入模型的參數(shù)包括子匯水區(qū)面積、透水路面鋪裝設(shè)置及暴雨強度等[7]。

4.2 研究區(qū)域暴雨強度

選取研究區(qū)域的暴雨強度公式,進一步對暴雨強度進行分析。公式如下[8]：

式中：i為暴雨強度,mm/min或mm/hm2；t為降雨歷時,min；P為重現(xiàn)期,年。本次計算降雨歷時t取120 min,重現(xiàn)期P取1年、3年及5年。計算結(jié)果見表2。

表2 降雨強度表 單位：mm/hm2

進一步地,根據(jù)表2數(shù)據(jù),繪制不同降雨重現(xiàn)期下的暴雨強度圖（見圖4）。如圖4所示,在降雨歷時區(qū)間為0～40 min內(nèi),重現(xiàn)期對暴雨強度的影響相對較大。具體來說,隨著研究區(qū)域內(nèi)暴雨重現(xiàn)期的提高（1年～5年）,暴雨強度也不斷增大（141.52 mm/hm2到212.75 mm/hm2）。進一步地,暴雨強度隨著降雨時長的增加,其強度大小及變化逐漸趨于緩和。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)暴雨強度

4.3 研究區(qū)域芝加哥雨型強度

式中：Ia、Ib分別為雨峰前雨強,雨峰后雨強；A,b,n等均為地方降雨參數(shù)（取自地方數(shù)據(jù)）；r為降雨過程線雨峰的相對位置參數(shù),一般取值為0.3～0.5；ta為峰前降雨歷時；tb為峰后降雨歷時。根據(jù)相關(guān)文獻報道及經(jīng)驗,本研究模擬過程雨峰位置選取為0.45。根據(jù)公式（3）～（4）得到研究區(qū)域在暴雨重現(xiàn)期分別為1年、3年及5年的芝加哥雨型強度,見圖5。

圖5 不同降雨重現(xiàn)期下的雨型

如圖5所示,通過積分計算芝加哥合成暴雨過程線在降雨歷時內(nèi)的平均降雨量,進而得到在1 min～120 min降雨歷時內(nèi),對應降雨重現(xiàn)期為1 年、3 年及5 年的芝加哥雨型。具體來說,在0～120 min降雨歷時內(nèi),雨峰的位置出現(xiàn)在54 min時。研究區(qū)域內(nèi)的雨型展現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。

4.4 研究區(qū)域透水路面徑流削減模擬分析

利用SWMM5.0軟件,對根據(jù)不同暴雨重現(xiàn)期下的透水路面徑流削減效率進行分析。如圖6所示,采用透水路面將極大地削減地表徑流量。進一步地,隨著降雨強度的增加,透水路面徑流削減效率呈現(xiàn)遞減的趨勢。具體來說,當市政規(guī)劃采用透水鋪裝方式且P=1 年、3 年及5 年的情況下,透水路面徑流削減效率分別為55.1%、42.4%及36.3%。

圖6 降雨設(shè)計重現(xiàn)期對透水路面徑流削減效率的影響

5 結(jié)論

基于對某研究區(qū)域不同暴雨強度重現(xiàn)期下暴雨強度及雨型的計算與分析,本文利用SWMM5.0 軟件對研究區(qū)域透水路面徑流削減特征進行模擬,得到了如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域內(nèi)的暴雨強度隨著降雨重現(xiàn)期的提高而增加,但雨型變化不明顯。

（2）SWMM5.0 對透水路面徑流削減占比模擬結(jié)果表明,透水路面將極大地提高地表徑流削減,但隨著暴雨強度的提高,透水路面徑流削減效率會降低。