摘要：隨著城市化的快速發(fā)展，城市內(nèi)澇問題日益嚴重。為解決城市內(nèi)澇問題，以南昌工程學院瑤湖校區(qū)為研究區(qū)域，利用 SWMM（Storm Water Management Model）構建了暴雨洪水管理模型，并加入低影響開發(fā)設施（Low Impact Development，LID），分析在LID設施建設前后，不同重現(xiàn)期暴雨情況下 LID設施對研究區(qū)域降雨徑流的控制效果，為海綿校園的建設提供科學依據(jù)和參考。結果表明：①研究區(qū)域內(nèi) SWMM模型雨洪模擬的結果在參數(shù)調整后與實際情況比較吻合，表現(xiàn)出較好的適用性；②LID設施對降雨徑流有較好的控制效果；③LID設施建設后對研究區(qū)域排水口峰值流量有較好的削減效果，隨著暴雨重現(xiàn)期的減小，削減率基本維持不變，對排水口峰現(xiàn)時刻延遲效果增強；④LID設施建設后對研究區(qū)域內(nèi)各子匯水區(qū)峰現(xiàn)時刻的徑流量減少了約0.02 m3/s，學生宿舍、圖書館等降雨徑流較大的區(qū)域峰現(xiàn)時刻的徑流量可降低至0.05 m3/s左右，減小了降雨徑流對師生出行的影響。

關鍵詞：SWMM模型；城市內(nèi)澇；LID；雨洪控制

中圖分類號：TV992；TV213.9文獻標識碼：B文章編號：1001-9235（2024）06-0118-09

Storm Water Control Effect of Low Impact Development Facilities Based on SWMM： A Case Study of Yaohu Campus of Nanchang Institute of Technology

ZHANG Jingrong1， LIU Weilin1*， WAN Yifan2， LIU Jianwu1， ZHONG Jinghao1， LIU Lina1

（1. School of Water Conservancy and Ecological Engineering， Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330099， China;2. ThreeGorges Smart Water Technology Co.， Ltd， Shanghai 200050， China）

Abstract： With the rapid development of urbanization， the problem of urban waterlogging is becoming increasingly serious. In order to solve the problem of urban waterlogging， the Yaohu Campus of Nanchang Institute of Technology was studied， and a storm water management model （SWMM） was constructed. In addition， low impact development （LID） facilities were added to analyze the control effect of LID facilities on rainfall runoff in the study area under different return periods of rainstorms before and after the construction of LID facilities， so as to provide a scientific basis and reference for the construction of a sponge campus. The results indicate that ：① The storm water simulation results of SWMM in the study area are in good agreement with the actual situation after parameter adjustment， demonstrating good applicability;② LID facilities have a good control effect on rainfall runoff;③ The construction of LID facilities can better reduce the peak flow of the drainage outlet in the study area. With the reduction of the rainstorm return period， the reduction rate basically remains unchanged， and the delay effect on the peak moment of the drainage outlet is enhanced;④ After theconstruction of LID facilities， the runoff at the peak moment of each subcatchment area in the study area is reduced by about 0.02 m3/s， and the runoff at the peak moment of areas with large runoff such as dormitories and libraries can be reduced to about 0.05 m3/s， reducing the impact of rainfall runoff on the travel of teachers and students.

Keywords： SWMM; urban waterlogging; low impact development （LID）; storm water control

改革開放以來，隨著城市化建設的快速發(fā)展，城市的自然地表逐漸由不透水面取代［1］，伴隨著氣候變化導致的降雨頻發(fā)，許多城市都出現(xiàn)了內(nèi)澇頻發(fā)的問題。頻發(fā)的內(nèi)澇嚴重影響了市民的出行，阻礙了社會經(jīng)濟的發(fā)展，甚至威脅到了城市的安全。

19世紀以來許多西方國家在城市中建造了大量的灌渠工程，將雨水直接排入河道，實現(xiàn)了雨水徑流的快速排放，但這種傳統(tǒng)的方法在許多方面都存在著隱患，因此國內(nèi)外逐步邁向更高效并且可持續(xù)發(fā)展的雨洪管理方式。20世紀90年代美國馬里蘭州首先使用了低影響開發(fā)雨洪管理策略［2］，隨后逐步在美國其他州得到應用和推廣，目前在美國、英國、法國等國家均有采用［3］。2014年住房和城鄉(xiāng)建設部出臺了《海綿城市建設技術指南（試行）》［4］，該指南是中國首部用于指導海綿城市規(guī)劃、設計和建設的標準［5-6］，其中海綿城市的核心為低影響開發(fā)（LID）［7］。低影響開發(fā)是指在基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制的理念實現(xiàn)雨洪控制與利用的一種雨水管理方法。LID設施可以通過滯蓄、沉淀、植物吸收等功能削減洪峰、延緩徑流的產(chǎn)生時間［8］。不同的 LID設施也因為結構特性的不同，可能具備一種或多種降雨徑流控制作用，對降雨徑流流量的影響效果也不同。

本文以 SWMM模型為基礎，選取南昌工程學院瑤湖校區(qū)作為研究區(qū)域，通過分析國內(nèi)外的研究，結合校園的實際情況選擇了幾種較適宜校園的 LID 設施，分析設置 LID設施后對不同重現(xiàn)期暴雨情況下降雨徑流的影響。

1研究區(qū)域概況

本文選取南昌市南昌工程學院瑤湖校區(qū)為研究區(qū)域，其位于南昌市高新技術開發(fā)區(qū)。學院北以東為瑤湖西大道，西為天祥大道，南北分別為瑤湖西一路和瑤湖西二路，總面積達128.32 hm2，地勢總體呈西北高、東南低，其范圍內(nèi)高程大約為15～23 m，見圖1。

2低影響開發(fā)設施

本文配置 LID 設施模式，主要是想通過各項LID設施攔蓄雨水、補充地下水、減少雨水在硬化地面的直接徑流，利用 LID技術對研究區(qū)域進行改造，使之前直接通過道路、屋頂流走的雨水能夠充分利用起來，既能用來保證雨水減排，也能增加校園的綠化面積，美化校園的生態(tài)環(huán)境，同時研究區(qū)域LID設施配置目標還包括減少雨水徑流總量，削弱徑流峰值，緩解路面積水，減輕排水管網(wǎng)壓力，使研究區(qū)域雨水就地入滲，增加雨水利用率，提高研究區(qū)域美觀度。

不同的 LID設施有不同的特點和作用，合理選擇和使用 LID設施，能夠實現(xiàn)雨水資源的合理利用，減少地表徑流和污染，實現(xiàn)雨水良性循環(huán)和可持續(xù)利用。本文選取了3種適合校園設置的 LID設施：透水鋪裝、綠色屋頂和雨水花園。

a）透水鋪裝。透水鋪裝是在路面上鋪設透水磚，透水磚的材質一般有透水水泥混凝土、聚合物纖維混凝土、透水瀝青混凝土和生態(tài)砂基透水磚等，透水鋪裝路面具有一定的分層結構，包括透水磚面層（60～80 mm）、透水找平層（20～30 mm）、透水基層（100～150 mm）和透水底基層（150～200 mm）以及土基層（土壤透水系數(shù)應大于等于0.001 mm/s），特殊情況時透水基層中埋設有 PVC 排水管。透水鋪裝路面具有一定的孔隙率，使其具備透水性。

b）綠色屋頂。綠色屋頂是一種在建筑屋頂進行綠化的 LID設施，傳統(tǒng)的建筑屋頂為硬化屋面，降雨直接通過下水管道排走，雨水資源白白流失，綠色屋頂則一部分攔蓄雨水，充分利用雨水資源，在建筑屋頂建設綠地，需要做好防水工作和阻根層，對屋頂進行保護，以免發(fā)生漏水，在防水層和阻根層（保護層）上面，分別為排水層、過濾層、基質層和植物層。

c）雨水花園。雨水花園是一種造價較高的 LID 設施，即通過在低洼處種植多種花草樹木達到攔蓄雨水、減少徑流量、凈化污染物的效果，在小區(qū)進行布設，具有很好的景觀效果。

本次海綿城市試點選擇在南昌工程學院內(nèi)，考慮學校經(jīng)濟狀況及現(xiàn)運行狀態(tài)，對校園內(nèi)澇風險較大的區(qū)域進行 LID設施設置，減小降雨徑流對師生出行的影響。根據(jù)相關文獻［9］，隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，南昌工程學院內(nèi)澇風險區(qū)主要集中在學校西大門與圖書館附近區(qū)域，校園東南角校園東側以及各學生宿舍間的道路中間，對于學校師生的生活出行具有很大的威脅，所以對上述區(qū)域選取了3種不同的 LID設施進行設置，在宿舍區(qū)樓頂設置綠色屋頂，區(qū)域內(nèi)綠地處設置雨水花園，區(qū)域內(nèi)的道路設置為透水路面。其中雨水花園在整個宿舍樓區(qū)域 LID設施面積占比在45%左右，綠色屋頂在35%左右，透水路面在20%左右。對人流量大且內(nèi)澇情況比較嚴重的西大門處設置透水路面，在西大門與圖書館之間的綠地處設置雨水花園與透水鋪裝。對于人流量較少且模擬結果中淹沒程度不大的區(qū)域暫不做處理，具體 LID設施占各流域面積見圖2。

3 SWMM 雨洪模型的構建

3.1模型介紹

目前，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了幾種雨水模型，包括MIKE、Info Works CS、SWMM、UFDSM 和Wallingford 等。其中，暴雨雨洪管理模型（SWMM）最初由美國國家環(huán)境保護局（EPA）于1971年開發(fā)。 SWMM 模型免費且代碼開源，在國內(nèi)外被廣泛應用［10-11］，且基于 SWMM 與其他研究工具耦合開發(fā)出了許多衍生模型［12］。SWMM 不僅主要用于模擬城市某個區(qū)域的水量或水質的單一事件或長期連續(xù)的模擬［13］，并且可以應用于城市地區(qū)雨水徑流、污水管道、合流管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和分析。SWMM 模型被廣泛應用于城市地區(qū)內(nèi)澇風險分析、城市管網(wǎng)規(guī)劃、分析、設計以及低影響開發(fā)設施布局效果評價等領域。

3.2研究區(qū)域概化

研究區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)排水系統(tǒng)的排水體制為雨污分流制，本次建模主要選取雨水排水管進行概化，并根據(jù)地面坡度、管道走向、建筑物分布等人工劃分子匯水區(qū)。根據(jù)調查研究區(qū)域雨水產(chǎn)匯流系統(tǒng)和節(jié)點管段分布，通過概化將研究區(qū)域劃分為1524個子匯水區(qū)，2732個雨水節(jié)點，2717條雨水管線，5個排水口，1個雨量計。概化詳情見圖3、4。

3.3土地利用類型數(shù)據(jù)

土地利用類型反映土地的利用形式和功能，是區(qū)分土地利用空間地域組成單元的過程。對土地利用類型進行較為明晰的劃分，可以更好地確定各子匯水區(qū)的參數(shù)，進而幫助率定工作的開展。研究區(qū)域主要包括4種下墊面，分別為屋面、草地、路面和塑膠地面。根據(jù)學校衛(wèi)星遙感影像及下墊面建設情況，繪制南昌工程學院瑤湖校區(qū)土地利用情況，見圖5。

3.4設計暴雨

本研究城市暴雨雨型選用芝加哥雨型［14］。根據(jù)《南昌市海綿城市建設技術導則（試行）》可知暴雨強度為式（1）：

q =（1）

式中：q 為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；P 為重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時，min。

本次以南昌市暴雨強度公式及芝加哥雨型分別計算得出5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇，歷時為120 min，雨峰系數(shù)為0.35的降雨過程線，用于模型的內(nèi)澇風險模擬研究。圖6為不同重現(xiàn)期下南昌市短歷時暴雨過程線。

3.5模型參數(shù)設置

SWMM模型中的參數(shù)主要有基本選項（包括日期、時間步長、動態(tài)波等）、水文（包括雨量計、子匯水面積、LID控制等）、水力（包括節(jié)點、管渠等）和時間序列等［15］。因模型涉及參數(shù)較多，部分參數(shù)作為基礎數(shù)據(jù)可通過其物理特性利用 ArcGIS 軟件進行提取并賦值，如節(jié)點高程、坡度、形狀、最大水深、子匯水區(qū)面積、特征寬度、坡度；還有一部分參數(shù)需要借助模型參考手冊以及根據(jù)實測數(shù)據(jù)率定驗證后來確定，例如曼寧系數(shù)、洼蓄量、霍頓參數(shù)公式等［16］。

3.5.1排水管網(wǎng)的參數(shù)設置

研究區(qū)域內(nèi)排水管道為圓管，雨水排水管道均為順坡，無水泵等壓力設施，根據(jù)管道形狀、材質及出口排水方式，并參照入口閉合導管中的曼寧系數(shù)表對其初始糙率進行賦值，管道出口處及沿程水頭損失系數(shù)參照入口管線損失系數(shù)表進行設置，排水管網(wǎng)的基礎參數(shù)設置見表1、2。

3.5.2子匯水區(qū)的參數(shù)設置

子匯水區(qū)的基礎參數(shù)主要包括面積、坡度、特征寬度、不透水百分比等；其他參數(shù)如糙率及洼蓄深度等。①子匯水區(qū)面積單位為 hm2，面積分布見圖7a。②特征寬度。子匯水區(qū)的特征寬度表示暴雨產(chǎn)流的地表水流動路徑的特征寬度，子匯水區(qū)特征寬度分布見圖7b。③平均坡度。對研究區(qū)域地形坡度的分析中得到整個區(qū)域的地表坡度分布，再將得到的地表坡度分別賦予每一個子匯水區(qū)，子匯水區(qū)平均坡度分布見圖7c。④不透水百分比。不透水百分比主要是考慮研究區(qū)域中每個子匯水區(qū)里不透水下墊面占子匯水區(qū)下墊面的比例，具體不透水情況分布見圖7d。⑤子匯水區(qū)洼蓄量。洼蓄量包括透水部分及不透水部分，《暴雨洪水管理模型用戶手冊》提供了不同下墊面的洼蓄量取值范圍，基于此范圍對研究區(qū)域展開調查，在給定初始值得基礎上對模型子匯水區(qū)的洼蓄量進行調整，表3為子匯水區(qū)洼蓄量取值范圍及初始值選定。⑥子匯水區(qū)曼寧系數(shù)。子匯水區(qū)曼寧系數(shù)包括透水區(qū)和不透水區(qū)兩部分，根據(jù)每個子匯水區(qū)的下墊面土地利用種類并參照《暴雨洪水管理模型用戶手冊》中的“坡面匯流的曼寧系數(shù) n 值表”對子匯水區(qū)曼寧系數(shù)進行賦值，結果見表4。

4結果分析

4.1模型驗證分析

為驗證模型的精度，本次將選取實測降雨積水深度對其進行驗證，由于 SWMM模型是將研究區(qū)以子匯水區(qū)為單元來進行劃分的，對于地面積水來說主要包括低洼地區(qū)地表積水及管網(wǎng)溢流積水兩部分，其分別從模型結果中的子匯水區(qū)徑流結果及節(jié)點的洪流中獲得［17］，將兩部分結果進行疊加后除子匯水區(qū)面積可得到單個子匯水區(qū)的積水深度，見式（2）。

h =

式中：Qdb為子匯水區(qū)地表徑流總量，m3；Qy為管網(wǎng)節(jié)點溢流水量，m3；S 為子匯水區(qū)面積，m2。

圖8為實際測量積水深度，選取測點分布較廣泛的6月19日降水進行模型驗證，結果表明模擬結果積水點分布與實際較為吻合，提取模型相應點的積水深度與實際積水深度進行對比，因此認為模型模擬效果較好，見圖9。

4.2不同重現(xiàn)期排放口進流控制效果分析

表5可知，在不同重現(xiàn)期暴雨情況下，海綿城市 LID設施建設后，研究區(qū)域5個排水口的峰值流量基本上都得到了一定程度的削減，同時其峰值流量出現(xiàn)時間也有一定程度的延后，如在50年一遇情況下，各排放口峰值流量削減比為0.34、0、0.06、0.05、0.01，其峰現(xiàn)延后時間為0、0、2、1、0 min，各排水口峰值流量的削減比在不同重現(xiàn)期下基本一致，最大流量削減比為0.34，但隨著重現(xiàn)期減小，對峰現(xiàn)出現(xiàn)時間的推遲效果越來越強，在重現(xiàn)期為5 a一遇時，對峰現(xiàn)時間的推遲效果最好，排水口最大延后時間為5 min。

4.3不同重現(xiàn)期子匯水區(qū)徑流控制效果分析

由4.2節(jié)可知在不同重現(xiàn)期情況下，改造前后排水口峰值出現(xiàn)在降雨開始后44 min左右，本次取44 min 時刻。圖10為50年一遇暴雨情況下 LID設施建設前后峰現(xiàn)時刻子匯水區(qū)徑流對比圖，由圖可知，在 LID設施建設前，研究區(qū)域在遭遇50年一遇降雨情況下時間達到44 min 時，子匯水區(qū)徑流量小于0.05 m3/s（深藍色）的區(qū)域較少，主要分布在逸夫樓前的草地與清心廣場、文化長廊之間以及教師公寓東側的球場處；徑流量在0.05～0.07 m3/s（淺藍色、綠色）的區(qū)域主要分布在機電樓與西側墻間的草地以及學生宿舍間的草坪區(qū)域；徑流量在0.07 m3/s（黃色、紅色）以上的區(qū)域主要分布在西門外、西南部教學南北樓與圖書館區(qū)域、東北部教師公寓區(qū)域、東部學生宿舍區(qū)域以及東南部的體育館附近和部分草地。

LID設施建設后，在遭遇50年一遇降雨情況下時間達到44 min 時，子匯水區(qū)徑流量小于0.05 m3/s 的區(qū)域明顯增加。對于學校西門及教學南北樓和圖書館附近等徑流量較大的區(qū)域，其徑流情況均得到了很好的緩解，徑流量相比改造前降低了約0.02 m3/s；徑流量在0.05～0.07 m3/s 的區(qū)域主要分布在西部逸夫樓與機電樓間的草坪區(qū)域；徑流量在0.07 m3/s 以上的區(qū)域整體減少，其剩下部分區(qū)域人流量較少；對學生宿舍區(qū)域徑流的影響較為明顯，改造后學生宿舍區(qū)域的徑流量在0.05 m3/s左右，相比改造前也降低了約0.02 m3/s。由此可見，在海綿城市 LID設施建設后，子匯水區(qū)在峰現(xiàn)時刻的徑流量具有一定的削減，同時也從側面表明 LID設施建設后對各子匯水區(qū)的峰現(xiàn)時刻具有一定的延后性。

5結論

本文以南昌工程學院為研究區(qū)域，基于 SWMM 模型，構建區(qū)域暴雨洪水管理模型，分析在 LID設施建設前后，不同重現(xiàn)期暴雨情況下其對研究區(qū)域內(nèi)降雨徑流的控制效果，得到以下結論。

a）基于 SWMM模型，對整個研究區(qū)域進行暴雨徑流模擬，模型模擬的結果在參數(shù)調整后與實際情況比較吻合，表現(xiàn)出較好的適用性。

b）LID設施對降雨徑流有較好的控制效果。①隨著暴雨重現(xiàn)期的減小，LID設施建設后對研究區(qū)域排水口峰值流量的削減率基本維持不變，最大達到0.34；對排水口峰現(xiàn)時刻延遲效果增強，最大可達5 min。②LID 設施建設后對研究區(qū)域內(nèi)各子匯水區(qū)峰現(xiàn)時刻的徑流量具有一定的削減作用，對于徑流量較大的區(qū)域，其峰現(xiàn)時刻的徑流量減少約0.02 m3/s，其中在學生宿舍、圖書館區(qū)域，大部分子匯水區(qū)的峰現(xiàn)時刻的徑流量降低到0.05 m3/s左右，減小了內(nèi)澇對師生出行的影響。

c）針對 LID設施建設前后對降雨徑流的控制效果開展研究，但仍存在改進之處，如本文只采用了一種 LID設置情景進行雨洪模擬研究，未來可采用不同的 LID設置情況，分析不同 LID設施對降雨徑流控制效果，進而研究 LID設施的合理設置方案。

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（責任編輯：程茜）