基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟

第２８卷第２１期２０１２年１１月

中国给水排水

ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ

Ｖ０１．２８Ｎｏ．２１

ＮＯＶ．２０１２

基于ＳＷＭＭ模型的低影响开发雨洪控制效果模拟

王文亮１，李俊奇２，宫永伟２，朱明靖５，张庆康３

（１．北京语言大学后勤服务集团，北京１０００８３；２．北京建筑工程学院城市雨水系统与

水环境省部共建教育部重点实验室，北京１０００４４；３．中国建筑设计研究院，北京１０００４４）

摘要：介绍了ＳＷＭＭ模型中低影响开发（ＬＩＤ）模块的模拟原理，通过案例介绍了场地ＬＩＤ雨水系统规划过程，并运用ＳＷＭＭ模型对传统管线设计进行了校核，对Ｔ．ＩＤ场地径流的控制效果进行了评价。对设计场降雨事件及连续降雨事件的模拟表明，场地ＬＩＤ雨水系统规划可实现峰值流量及年径流外排率恢复到开发前的状态，ＬＩＤ设施对污染物削减效果显著。

关键词：暴雨管理模型；低影响开发；雨洪控制

中图分类号：ＴＵ９９２文献标识码：Ｃ文章编号：１０００—４６０２（２０１２）２１—００４２～０３

ＬＩＤＳｔｏｒｍｗａｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＥｆｆｅｃｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄＯｉｌＳＷＭＭ

ＷＡＮＧＷｅｎ—ｌｉａｎ９１，ＬＩＪｕｎ－ｑｉ２，ＧＯＮＧＹｏｎｇ—ｗｅｔ２，ＺＨＵＭｉｎｇ－ｊｉｎ９１，ＺＨＡＮＧＱｉｎｇ—ｋａｎ９３（１．ＬｏｇｉｓｔｉｃｓＳｅｒｖｉｃｅｓＧｒｏｕｐ，ＢｅｉｊｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅａｌｌｄＣｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ万ＵｒｂａｎＳｔｏｒｍｗａｔｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ＞，Ｂｅｉｊｉｎｇ

ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅ彬ｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｈｉｎａＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎ

ａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＧｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＬＩＤｍｏｄｕｌｅｉｎＳＷＭＭｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｓｉｔｅＬＩＤｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｐｌａｎｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｃａｓｅｓｔｕｄｙ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｃｈｅｃｋｅｄｂｙＳＷＭＭｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅＬＩＤｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎｒａｉｎｆａｌｌｅｖｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒａｉｎｆａｌｌｅｖｅｎｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｉｔｅＬ１Ｄ§ｔｏｒｒｎｗａｌｅｒｓｙｓｔｅｍｐｌａｎｃｏｕｌｄａ—ｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｅａｋｆｌｏｗａｎｄａｎｎｕａｌｒｕｎｏｆｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅｂａｃｋｔｏｐｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌｅｖｅｌｓ．ＴｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｂｙＬＩＤｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｗａｓｒｅｍａｒｋａｂｌｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｒｍｗａｌｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ（ＳＷＭＭ）；ｌｏｗｉｍｐａｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏ】

暴雨管理模型（ＳＷＭＭ）经过数十年不断完善，集水文、水力及水质模拟功能于一身，使其广泛应用于城市排水管网、内涝控制系统设计、多功能调蓄与ＣＳＯ控制设施的设计及控制效果评价、ＢＭＰｓ控制效果评价等领域¨＇２。。最新的ＳＷＭＭ５．０版本增加了低影响开发（ＬＩＤ）模块，通过对场降雨事件及多年连续降雨事件的模拟，可实现ＬＩＤ对传统排水系统的设计影响、年ＣＳＯ发生频率及污染负荷的控制效果等评价。笔者以北京某拟建小区基于Ｉ，ＴＤ理念的雨水规划为例，运用ＳＷＭＭ模型的场降雨及连续

降雨模拟对ＬＩＤ控制效果进行评价。

１ＳＷＭＭ中ⅡＤ模块模拟原理

ＬＩＤ模块中提供了生物滞留、渗透铺装、渗透沟渠、雨水罐、植被浅沟五种分散的雨水处置技术，通过对调蓄、渗透及蒸发等水文过程的模拟，结合ＳＷＭＭ模型的水力模块和水质模块，实现ＬＩＤ技术措施对场地径流量、峰值流量及径流污染控制效果的模拟。ＬＩＤ设施结构的设置如表１所示，其他ＬＩＤ措施如过滤带、下凹式绿地、绿色屋顶等技术都可以经参数变换等相应处理后进行模拟。

?４２?

万方数据

王文亮，等：基于ＳＷＭＭ模型的低影响开发雨洪控制效果模拟第２８卷第２１期

表１ＬＩＤ技术的参数设置

Ｔａｂ．１ＳｅｔｔｉｎｇｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬＩＤ

种植土及底部项目表层铺装层排水层

过滤层排水管

生物滞留技术ＸＸＸ０

渗透铺装ＸＸＸＯ

渗透沟渠ＸＸＯ

雨水罐ＸＸ

植被浅沟Ｘ

注：ｘ表示必选；ｏ表示可选。

ＬＩＤ在场地中的布置方式有两种：

①场地层面。将ＬＩＤ设施设置为一个独立的子集水区，用子汇水区的属性参数来表达ＬＩＤ设施或将定义好的ＬＩＤ设施在子汇水区范围内并满覆盖，此方式使场地内雨水处置路径可视化，适用于小地块的ＬＩＤ集成技术及水质控制效果模拟，例如对过滤带与汇流路径打断技术的模拟等。

②子集水区层面。将预先定义好的ＬＩＤ设施直接应用到子集水区内。此方式无法明确指定ＬＩＤ设施的服务区域及处置路径，适合较大区域的ＬＩＤ模拟。应注意子汇水区的参数（如不透水率、特征宽度）在扣除Ｔ。ＩＤ设施面积后确定。

２模型应用

２．１研究区域排水系统概化

某小区总面积为１．３ｈｍ２，开发前不透水率为２６％，不透水区域为零散住宅屋面及道路，透水区域为耕地。开发后不透水率为７４％，由屋面及小区道路组成，透水区域为小区绿化。结合ＳＷＭＭ模型应用，对开发后排水区域进行概化，共划分子集水区１０个、设计雨水管线２０条、检查井节点２０个、排水口１个（如图１所示）。

圉１开发后排水区域概化及ＬｌＤ雨水规划后设施布置

Ｆｉｇ．１ＳｕｂｃａｔｃｈｍｅｎｔｓａｎｄＬＩＤｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｐｌａｎｏｆｐｏｓｔ－

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔＩｌｄｙａｒｅａ

２。２ＬＩＤ雨水系统规划

小区雨水系统规划基于ＬＩＤ理念，通过源头分散的雨水设施原位滞蓄消纳径流雨水。小区雨水系统规划结合场地竖向设计，将邻路绿地改造为植被浅沟输送雨水至雨水花园以渗滤净化后补充地下水，小区停车位改造为渗透铺装（如图２所示）。由于小区部分道路横断面设计并没有坡向绿地，且建筑雨水采用内排水方式排出，而且子集水区ｓｌ、ｓ２雨落管直接与雨水口连接，因此小区部分雨水未经ＬＩＤ设施而直接由管道排走。

Ｆ渗

图２小区内ＬＩＤ雨水处置路径

Ｆｉｇ．２ＵＤｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｄｉｓｐｏｓａｌｒｏｕｔｉｎｇ

２．３模型参数设置

除子集水区Ｓ４、Ｓ８和Ｓ９外均设置渗透铺装，ｓ１内部分绿地设置为雨水花园，布置方式为场地层面。子汇水区（Ｓ５—１）、（Ｓ５—２）、Ｓ６和Ｓ７内设置植被浅沟与雨水花园，布置方式为子集水区层面。渗透铺装的面层厚度为６０ｍｉｌｌ，空隙比为０．１，糙率为０．０１４；基层与垫层厚度为２５０ｍｉｌｌ，空隙比为０．４３。植被浅沟滞蓄深度为２００ｍｍ，宽度为３ｍ，坡度为０．４％，糙率为０．２４。雨水花园蓄水层深度为２００ｍｍ，植物体积比为１５％；种植土及填料层厚为５００ｍｍ，空隙比为０．１８；排水层厚为２５０ｍｍ，空隙比为０．４３。

其余模型参数取值参考模型用户手册中的典型值及相关文献¨’３Ｉ，渗透模型选用Ｈｏｒｔｏｎ模型，最大、最小入渗率分别为７６ｍｍ／ｈ和１８ｍｍ／ｈ，衰减系数为４ｈ～，透水和不透水地表糙率分别为０．１５和０．０１１，洼蓄量分别为１２ｍｍ和２ｍｍ。汇流模型为非线性水库模型，水力模型选用动力波模型。

水质模拟方面，污染物为ＴＳＳ，污染物累积模型和冲刷模型均选用指数模型，雨水花园对ＴＳＳ的平均去除率为９５％，忽略渗透铺装和植被浅沟的污染物净化能力。

２．４设计降雨模型

场地内雨水管线设计重现期为５年，设计雨型选用芝加哥模型，降雨历时为２ｈ，雨峰相对位置为

?４３?万方数据

第２８卷第２１期中国给水排水

０．４，降雨量为７１ｍｍ，其余参数依据北京暴雨强度公式而定。选用实地雨量计数据（２０１０年７月９日－２０１１年８月２６日）进行连续模拟。

３ＵＤ模拟结果分析

３．１雨水管线设计校核

场地雨水排水系统设计重现期Ｐ＝５ａ，综合径流系数为０．７１，利用ＳＷＭＭ模型对传统管线设计进行校核，需将模型参数设置为与传统管线设计条件等价，模型中渗透模型参数取值为零，场地不透水率及无洼蓄量的不透水面积率设置为１００％。将径流系数表征的雨损体现在设计雨型中ＨＪ。图３为管线最不利情况下纵断面，若不考虑下游市政管线造成的回水影响，从管道水力线可以看出小区管线标准高于设计标准，下游管线仍有一定的调蓄容积。

图３管道水力线纵断面

Ｆｉｇ．３Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｍｆｔｌｅｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ

３．２ＬＩＤ控制效果分析

场地内雨水花园面积为４５８ｍ２，占小区绿地面积的１３％；植被浅沟面积为３２０ｍ２，占小区绿地面积的９％；渗透铺装面积为９９３ｍ２。对于Ｐ＝５ａ的场降雨，ＬＩＤ设施流量控制效果如图４所示，可知基本维持开发前的峰值流量水平。

图４ＬＩＤ设施流量控制效果

Ｆｉｇ．４ＦｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｏｆＬＩＤｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ

对于连续性降雨模拟，其反映了真实降雨过程，并且考虑了蒸发量、降雨间隔时间及土壤对模拟的影响，是雨水设施设计校核及径流控制效果评价的有效手段。

ＬＩＤ对径流量及污染物（ＴＳＳ）外排率削减效果如表２所示。

表２ＬＩＤ径流量及污染物削减效果

Ｔａｂ．２ＲｕｎｏｆｆａｎｄＴＳＳｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｏｆＬＩＤ

峰值流量／场雨量年雨量ＴＳＳ总

场径年径项目流系流系

（ｍ３?Ｓ。１）／ｍ３／ｍ’量／ｋｇ

数数开发前０．１８３６０４．９３０．３８

场传统模式

０．５８７１３１７．６２Ｏ．７５降开发后

雨

ＬＩＤ系统

０．２０４１７４．８２０．４４

规划后

连开发前Ｏ．２７３５８０７６．５Ｏ．３１

续传统模式

０．５３７７１２３１３０．６７降开发后

雨

模ＬＩＤ系统

Ｏ．３０３５８６７３．７０．３１拟规划后

４结论

①ＳＷＭＭ模型能量化评价低影响开发雨水

设施及其系统对场地水文、水质的控制效果，对ＬＩＤ雨洪管理技术的推广应用提供了有效的技术支持。

②ＬＩＤ可有效缓解城市内涝、降低面源污染、

补充地下水、节约水资源，应结合开发场地条件推广实施ＬＩＤ系统，建立绿色雨水基础设施。

③ＬＩＤ雨水规划与城市竖向规划关系密切，

合理的竖向规划对城市内涝控制、雨水利用及面源污染控制具有举足轻重的作用。

参考文献：

［１］潘国庆．不同排水体制的污染负荷及控制措施研究［Ｄ］．北京：北京建筑工程学院，２００７．

［２］刘兴坡．基于ＳＷＭＭ的滨海城市河道防洪能力核算方法［Ｊ］．中国给水排水，２０１２，２８（３）：５７—５９．［３］刘俊，徐向阳．城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用［Ｊ］．海河水利，２００１，（１）：９—１１．［４］王磊．基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治研究［Ｄ］。北京：北京工业大学，２０１０．

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收稿日期：２０１２—０４—１７

万方数据

基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟

作者：王文亮， 李俊奇， 宫永伟， 朱明靖， 张庆康， WANG Wen-liang， LI Jun-qi， GONG Yong-wei， ZHU Ming-jing， ZHANG Qing-kang

作者单位：王文亮,朱明靖,WANG Wen-liang,ZHU Ming-jing(北京语言大学后勤服务集团,北京,100083)， 李俊奇,宫永伟,LI Jun-qi,GONG Yong-wei(北京建筑工程学院城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京,100044)， 张庆康,ZHANG Qing-kang(中国建筑设计研究院,北京,100044)刊名：