基于SWMM的城市道路低影響開(kāi)發(fā)研究

相洪旭，郭 林，劉 利，孟祥宇，曹玉燭

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 266101）

0 引言

城市道路雨水排水系統(tǒng)是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，在城市發(fā)展和生態(tài)建設(shè)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。市政排水設(shè)施設(shè)計(jì)以城市道路為主要載體，目的在于快速排除降落在道路界限范圍內(nèi)的雨水徑流，以防止道路路基損壞，同時(shí)避免形成城市內(nèi)澇等災(zāi)害[1]。

傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)理念中，道路排水系統(tǒng)主要以“快排”為主要目標(biāo)，采用“道路匯水面積—雨水口—市政管線—河湖水系”的排水方式，導(dǎo)致路面徑流污染嚴(yán)重、雨水資源流失等問(wèn)題，對(duì)城市水環(huán)境和水生態(tài)等構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

2014年10月，《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》發(fā)布，國(guó)家提出了基于低影響開(kāi)發(fā)（Low Impace Development，LID）的可持續(xù)綠色道路排水理念，其核心是采用源頭消減、過(guò)程控制等技術(shù)措施，通過(guò)模擬自然水文過(guò)程，實(shí)現(xiàn)雨水入滲滯留、徑流污染控制、消減峰值流量和徑流總量的目的，為緩解我國(guó)道路徑流水質(zhì)污染、城市內(nèi)澇、環(huán)境污染的問(wèn)題提供政策引導(dǎo)[2]。

暴雨雨洪管理模型（Stormwater Management Model，SWMM）是由美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，主要用來(lái)模擬城市在某一單一或者長(zhǎng)期降水條件下的降水-徑流過(guò)程。目前，給排水設(shè)計(jì)人員多采用暴雨強(qiáng)度公式轉(zhuǎn)化為芝加哥雨型法來(lái)模擬短歷時(shí)降雨-徑流過(guò)程，結(jié)合年徑流總量控制率來(lái)確定LID設(shè)施規(guī)模。本文利用SWMM軟件結(jié)合水利部門(mén)的長(zhǎng)歷時(shí)典型設(shè)計(jì)雨型，模擬城市道路的長(zhǎng)歷時(shí)降雨-徑流過(guò)程，著重研究評(píng)價(jià)短歷時(shí)和長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下LID設(shè)施對(duì)城市道路范圍內(nèi)地面徑流產(chǎn)生的影響[3-4]。

1 研究區(qū)域概況

結(jié)合青島市1981～2010年降雨蒸發(fā)數(shù)據(jù)，該市多年平均降雨量為664 mm/a，如圖1所示。

圖1 青島市多年降雨量統(tǒng)計(jì)圖

青島市多年平均蒸發(fā)量為1 189.4 mm/a（2004和 2005年數(shù)據(jù)不完整，予以剔除），如圖2所示。

本案研究設(shè)計(jì)道路位于青島市李滄區(qū)西部，規(guī)劃為城市主干路，排水管道設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5 a一遇，道路寬60 m，雙向八車(chē)道，采用9.25 m（綠化帶）+2.5 m（人行道）+1.5 m（側(cè)分帶）+15 m（車(chē)行道）+3.5 m（中央分隔帶）的斷面型式，道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖見(jiàn)圖3。

圖2 青島市多年蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)圖

圖3 道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖

結(jié)合《青島市海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃（2016～2030年）》提出的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)年徑流總量控制率為75%，對(duì)應(yīng)控制降雨量為27.4 mm。年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系圖

根據(jù)《青島市海綿城市道路建設(shè)技術(shù)指南》，本次設(shè)計(jì)采用的海綿技術(shù)路線如圖5所示：側(cè)分帶設(shè)置下凹綠籬自然下滲，無(wú)法入滲的雨水經(jīng)溢流口進(jìn)入市政雨水管；人行道設(shè)置透水鋪裝，無(wú)法入滲的雨水進(jìn)入綠化帶；中央分隔帶雨水自然入滲，無(wú)法入滲的雨水散排進(jìn)入車(chē)行道，車(chē)行道雨水經(jīng)橫向排水溝進(jìn)入綠化帶；在綠化帶內(nèi)設(shè)置淺凹植草溝轉(zhuǎn)輸雨水，生物滯留設(shè)施消納雨水，綠化帶內(nèi)雨水經(jīng)溢流口進(jìn)入市政雨水管排放。

圖5 道路海綿措施技術(shù)路線圖

2 子流域概化

研究區(qū)域道路總面積為44 906 m2，范圍內(nèi)各子流域面積如表1所示。

表1 道路各分區(qū)面積比例表

結(jié)合道路各子流域面積分界線和道路豎向，劃分匯水區(qū)域，在SWMM5.1中文版模型軟件中繪制雨水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將研究區(qū)域進(jìn)行概化，共設(shè)置4個(gè)排出口，如圖6所示。

圖6 道路子流域雨水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)雨型

3.1 芝加哥雨型

Keifer和Chu提出了用于短歷時(shí)的合成雨量過(guò)程線，其芝加哥模式雨型計(jì)算方法見(jiàn)式（1）、式（2）。

峰前暴雨強(qiáng)度ia（mm/min）為：

峰后暴雨強(qiáng)度ib(mm/min)為：

青島市設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q（L/（s·hm2））可用下式計(jì)算:

上述式中：r為雨峰位置參數(shù)，可取0.3～0.4，本次設(shè)計(jì)取 0.4；t為降雨歷時(shí)，min，取 120 min；A、C、b、n均為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算確定為：A=1 919.009，C=0.997，b=10.74，n=0.738；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a。

當(dāng)時(shí)間間隔為1 min時(shí)，得到青島市在不同重現(xiàn)期下的芝加哥雨型降雨過(guò)程線，如圖7所示。

圖7 青島市芝加哥雨型降雨過(guò)程線

3.2 膠東地區(qū)1 h雨型

根據(jù)《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見(jiàn)》，得到膠東地區(qū)常用1 h雨型（適用雨量100 mm），如圖8所示。

圖8 膠東地區(qū)常用1 h雨型圖

4 概化模型參數(shù)選擇

結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)土壤表層為素填土，以回填粗礫砂、黏性土及碎石為主，原地面高程3.5～4.2 m，地下水位高程1.3～2.27 m，設(shè)計(jì)路面高程4.34～5.81 m。道路填方處理方式為：車(chē)行道及兩側(cè)各1 m范圍內(nèi)，清表30 cm后采用風(fēng)化砂回填至路床底面；人行道部位采用風(fēng)化砂回填；綠化帶區(qū)域采用素土回填，頂部采用種植土回填。區(qū)域內(nèi)滲透系數(shù)取2.8×10-5m/s，滲入模型采用HORTON模型，不受地下水的影響[5-6]。

子匯水區(qū)域中設(shè)置LID設(shè)施：

側(cè)分帶內(nèi)全部設(shè)置下凹植草溝：表層蓄水100mm，種植土層500 mm。

人行道全部設(shè)置透水鋪裝：透水鋪裝120 mm,級(jí)配碎石墊層150 mm。

綠化帶設(shè)置轉(zhuǎn)輸型植草溝和生物滯留設(shè)施消納雨水。生物滯留設(shè)施：表層蓄水250 mm，土壤層500 mm，級(jí)配碎石層 300 mm[7]。

5 模擬計(jì)算

5.1 短歷時(shí)模擬

道路子流域內(nèi)側(cè)分帶、人行道LID設(shè)施規(guī)模不變，綠化帶內(nèi)生物滯留設(shè)置的規(guī)模直接影響到控制降雨量。在相同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（P）下，生物滯留設(shè)施規(guī)模與控制降雨量之間的關(guān)系如表2所示。

表2 控制降雨量與生物滯留設(shè)施規(guī)模和重現(xiàn)期關(guān)系表

在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=5時(shí)，當(dāng)達(dá)到年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量時(shí)，生物滯留設(shè)施占綠化帶的比例不應(yīng)小于20%；但在同樣的生物滯留設(shè)施條件下，當(dāng)重現(xiàn)期P較小時(shí)，卻達(dá)不到海綿城市控制降雨量為27.4 mm的要求，比如，在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=1時(shí)，生物滯留設(shè)施占綠化帶面積需增大至約40%時(shí)方可達(dá)到要求。

徑流系數(shù)與生物滯留設(shè)施規(guī)模和重現(xiàn)期關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 徑流系數(shù)與生物滯留設(shè)施規(guī)模和重現(xiàn)期關(guān)系表

由表3可知，徑流系數(shù)隨重現(xiàn)期減小及生物滯留設(shè)施比例的提高而減小。

生物滯留設(shè)施規(guī)模確定后，模型其他參數(shù)不變，由上述計(jì)算可知，控制降雨量和徑流系數(shù)的不同主要受不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度影響。

5.2 長(zhǎng)歷時(shí)模擬

選取2010年全年日降雨、日蒸發(fā)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，日降雨量按圖8膠東地區(qū)常用1 h雨型進(jìn)行時(shí)程分配，用于長(zhǎng)歷時(shí)模擬，得到年控制降雨量與生物滯留設(shè)施規(guī)模的關(guān)系，如表4所示。

表4 控制降雨量與生物滯留設(shè)施規(guī)模關(guān)系表

由模擬結(jié)果可知，隨著生物滯留設(shè)施規(guī)模增大，蒸發(fā)量增大、地面產(chǎn)生的徑流量減小，年控制降雨量逐漸增大。

2010年日降雨量大于2 mm的降雨統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖9。

結(jié)合2010年日降雨數(shù)據(jù)，由設(shè)計(jì)范圍內(nèi)年徑流總量控制率為75%，控制降雨量為27.4 mm可知，2010年全年需控制的降雨量為541.6 mm。同理，對(duì)青島市1981～2010年30年降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到年徑流總量控制率為75%時(shí)，年平均控制降雨量為490.66 mm。由表4模擬結(jié)果可知，綠化帶內(nèi)生物滯留設(shè)施規(guī)模占比達(dá)到40%時(shí)，仍無(wú)法滿足年平均控制降雨量490.66 mm的要求。

長(zhǎng)歷時(shí)模擬時(shí)，在相同生物滯留設(shè)施規(guī)模條件下，無(wú)法達(dá)到年徑流總量控制率下平均控制降雨量的要求，主要受實(shí)際降雨為某一時(shí)段的連續(xù)降雨（如2010年8月22日至2010年8月28日），生物滯留設(shè)施無(wú)法連續(xù)消納雨水的影響。

圖9 2010年日降雨量大于2 mm的降雨統(tǒng)計(jì)圖

6 結(jié)語(yǔ)

（1）由短歷時(shí)芝加哥雨型模擬結(jié)果可知，為達(dá)到相同的徑流總量控制率，在下墊面相同條件下，道路海綿LID的規(guī)模主要受降雨強(qiáng)度、重現(xiàn)期的影響。道路海綿設(shè)計(jì)時(shí)，可忽略排水管道設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的影響，按P=1的條件進(jìn)行模擬計(jì)算，確定生物滯留設(shè)施的規(guī)模。

（2）當(dāng)LID設(shè)施規(guī)模不變時(shí)，結(jié)合膠東地區(qū)常用1 h雨型分配進(jìn)行全年模擬，生物滯留設(shè)施受連續(xù)降雨無(wú)法持續(xù)消納雨水的影響，造成實(shí)際能夠消納的雨水量比理論計(jì)算量小。

（3）長(zhǎng)歷時(shí)模型模擬時(shí)，應(yīng)以水力部門(mén)的雨型分配為基礎(chǔ)，得到LID設(shè)施實(shí)際能夠控制的雨水量，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

（4）城市主干道路海綿LID設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)分帶、人行道LID設(shè)施規(guī)模不變，受車(chē)行道面積占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠化帶面積占比影響，為達(dá)到海綿城市規(guī)劃年徑流總量控制率要求，綠化帶內(nèi)需設(shè)置較大規(guī)模的生物滯留設(shè)施。建議在進(jìn)行前期城市道路海綿城市規(guī)劃時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低指標(biāo)，給出道路設(shè)計(jì)范圍內(nèi)徑流總量控制率，不應(yīng)嚴(yán)格遵守整個(gè)城市的年徑流總量控制率，以免造成LID設(shè)施規(guī)模過(guò)大，投資浪費(fèi)。