毛 麗，董 磊，李小莉

(江蘇大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引言

隨著科技的進(jìn)步與時代的發(fā)展，我國城市化進(jìn)程逐步加快，但由于城市的高速發(fā)展，越來越多的土地被過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境遭到破壞且無法發(fā)揮原有功能，地表不透水面積逐漸增多，地表徑流增大，匯水速度加快，自然水文流域也逐漸減少，導(dǎo)致城市區(qū)域洪澇災(zāi)害日益嚴(yán)重、水資源短缺以及水污染增加[1，2]。

為減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害的壓力和利用水資源，我國提出并實施海綿城市建設(shè)理念[3]。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等生態(tài)化技術(shù)，構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)自然循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了我國城市排水系統(tǒng)的缺陷。但是，目前我國已經(jīng)實施或者正在實施的海綿城市建設(shè)存在一部分問題，因此，對海綿城市的建設(shè)效果進(jìn)行評價是促進(jìn)海綿城市建設(shè)發(fā)展的重要舉措[4]。

本次采用的是SWMM(Storm Water Management Model)暴雨管理模型，主要用于城市區(qū)域低影響開發(fā)效果的模擬與評價，其內(nèi)部LID開發(fā)模塊操作便捷完善，能夠相對準(zhǔn)確模擬單場降雨或連續(xù)降雨的地表產(chǎn)流匯流過程[5]。現(xiàn)已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛用于城市暴雨洪水模擬、排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、城市非點源負(fù)荷運(yùn)算和內(nèi)澇風(fēng)險評估等過程中[6]，在海綿城市建設(shè)效果的績效評價中也有相應(yīng)的學(xué)術(shù)成果，例如劉一瑤等人借助SWMM模擬，設(shè)計清華大學(xué)學(xué)堂路區(qū)域的LID措施；楊鋼等人利用SWMM模型對北京大紅門排水區(qū)進(jìn)行降水模擬得到該區(qū)域的海綿設(shè)施效果評價；常曉棟等[5]人基于SWMM對北京市清河流域進(jìn)行城市雨洪模擬，得出海綿城市生態(tài)技術(shù)的組合應(yīng)用能夠有效實現(xiàn)洪峰流量-污染控制、雨水資源化利用等目標(biāo)，顯著降低城市內(nèi)澇風(fēng)險的相關(guān)結(jié)論[7]。

2 研究區(qū)域概況

江蘇大學(xué)校園內(nèi)海綿城市改造區(qū)域主要分為兩塊：玉帶河段與家屬區(qū)[8]，本次選定家屬區(qū)(圖1)作為研究對象，項目占地16.2 hm2，生態(tài)化排水工程主要為雨水花園8344 m2，下凹式綠地421m2，高位花壇340 m2，透水鋪裝3750 m2，雨水花壇40 m2，調(diào)蓄池200 m2，化糞池改造118個，檢查井新建200座。本次的研究目的是利用SWMM模型，對家屬區(qū)進(jìn)行典型降雨過程的模擬，調(diào)整模型參數(shù)，分析不同降雨條件下的產(chǎn)流與排水狀況，評估江蘇大學(xué)家屬區(qū)LID設(shè)施建設(shè)的效果。

圖1 研究區(qū)域概況

3 SWMM模型評估水文效應(yīng)

3.1 SWMM模型原理

SWMM模型主要用于模擬單一降水事件或長期降雨系列的水量或水質(zhì)動態(tài)，主要包括水文、水力、水質(zhì)3個模塊，廣泛應(yīng)用于LID設(shè)施布局效果評價和模擬復(fù)雜城市下墊面的暴雨徑流過程中。SWMM中的LID模塊其中的技術(shù)措施主要包括植草溝、生物滯留、滲渠、透水鋪裝、雨水桶等，通過對調(diào)蓄、滲透及蒸發(fā)等水文過程的模擬，本文結(jié)合SWMM模型的水力模塊，實現(xiàn)LID技術(shù)措施對徑流量的控制效果模擬[6]。

透水區(qū)模擬水流下滲主要有3種方式：SCS下滲曲線法、GREEN-AMPT模型、HORTON模型[9]。相比之下，HORTON模型能夠描述下墊面透水區(qū)域入滲率隨降雨歷時變化關(guān)系同時更加適用于小區(qū)域工程，因此本次采用HORTON模型，具體算式為:

fv=fc+(fo-fc)e-at

(1)

式(1)中：fp為土壤初始下滲損失量；fo為初期滲透率；fc為穩(wěn)定下滲率；t為暴雨歷時；α為滲透衰減的指數(shù)。

3.2 研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化

結(jié)合江蘇大學(xué)家屬區(qū)的地勢條件、下墊面類型等資料，將研究區(qū)域內(nèi)的排水系統(tǒng)概化為15個大小不同的子匯水區(qū)，8個匯接點，3個排水口，設(shè)置管段8條，構(gòu)建研究區(qū)域的SWMM模型，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域模型概況

3.3 參數(shù)選擇與率定

3.3.1 降雨設(shè)計

根據(jù)研究區(qū)域鎮(zhèn)江市在夏季暴雨強(qiáng)度較大和降雨歷時長的特點，重現(xiàn)期分別設(shè)定為2年一遇、5年一遇和10年一遇3種，降雨歷時設(shè)定為120 min，雨峰系數(shù)設(shè)定為0.4，時間間隔為1 min，鎮(zhèn)江市暴雨強(qiáng)度計算公式為：

(2)

式(2)中：q為降雨強(qiáng)度；t為暴雨歷時；p為降雨重現(xiàn)期。

本次主要采用芝加哥雨型生成器模擬不同重現(xiàn)期的降雨變化，圖3、圖4、圖5為不同重現(xiàn)期下時間與降雨量的關(guān)系圖，由圖可見，相同重現(xiàn)期下，時間——降雨量關(guān)系曲線在120 min降流模擬過程中先呈現(xiàn)單調(diào)遞增的變化達(dá)到峰值后單調(diào)遞減。將3種重現(xiàn)期降雨關(guān)系圖進(jìn)行對比得知，隨著重現(xiàn)期增加，降雨量也隨之增大，3種重現(xiàn)期的峰值時間基本一致(圖6)。

圖3 p=2a時降雨強(qiáng)度變化

圖4 p=5a時降雨強(qiáng)度變化

圖5 p=10a時降雨強(qiáng)度變化

圖6 不同重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度對比

3.3.2 LID措施參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況與相關(guān)資料得知研究區(qū)域內(nèi)的主要LID布置為雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝，LID設(shè)置參數(shù)主要結(jié)合《SWMM5.0使用手冊》及相關(guān)文獻(xiàn)[10]的參數(shù)設(shè)置情況。雨水花園：護(hù)堤高度150 mm、植被容積0.1、曼寧n值0.1、表面坡度0.1，厚度150 mm、孔隙率0.45、導(dǎo)水率120 mm/h、吸水頭50 mm。下凹式綠地：護(hù)堤高度250 mm、植被容積0.8、曼寧n值0.1、表面坡度0.1。透水鋪裝：護(hù)堤高度20 mm、曼寧n值0.115、表面坡度0.4、厚度120 mm、孔隙率0.2[11]。

3.4 LID效果評估

根據(jù)上述LID參數(shù)對匯水區(qū)進(jìn)行設(shè)置，再用SWMM模型進(jìn)行模擬，由此可得到LID前后研究區(qū)域的產(chǎn)流匯流數(shù)值變化。為更加直觀得評估對LID前后研究區(qū)域的水文效應(yīng)，將數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 不同重現(xiàn)期徑流模擬計算結(jié)果

其中，徑流系數(shù)為徑流量/總降雨量，徑流總量控制率為(總降雨量-徑流量)/總降雨量，下滲比例為下滲量/總降雨量。由表1可知，在LID布置后，研究區(qū)域下滲比例增加，隨重現(xiàn)期增加而增加；徑流系數(shù)明顯減少，仍隨重現(xiàn)期增加而增加；徑流總量控制率得到顯著提升，隨重現(xiàn)期增加而增加。綜上，對研究區(qū)域進(jìn)行LID改造能夠有效促進(jìn)雨水下滲，補(bǔ)充地下水；能夠減小徑流系數(shù)，減少地表徑流，降低內(nèi)澇風(fēng)險；能夠有效控制徑流總量，削減洪峰流量。

4 結(jié)語

本文對江蘇大學(xué)家屬區(qū)的海綿城市改造效果進(jìn)行了效果評估，主要針對研究區(qū)域內(nèi)的雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝3種LID設(shè)施在不同重現(xiàn)期下運(yùn)用SWMM模型進(jìn)行降流模擬，由此得到LID前后的水文效果對比，結(jié)果顯示LID改造后的區(qū)域在控制下滲比例、徑流系數(shù)、徑流總量上起到顯著效果。因此可以得知：①通過實行合理的LID技術(shù)能夠有效緩解江蘇大學(xué)校園內(nèi)的內(nèi)澇狀況，有效削弱研究區(qū)域洪峰流量和徑流總量，同時能夠涵養(yǎng)水資源，實現(xiàn)水資源的回收與再利用。②SWMM模型對LID模塊的雨洪管控效果的評估有明顯的作用，能夠做到量化評價海綿設(shè)施對江蘇大學(xué)校園場地的水文情況，可以為海綿建設(shè)規(guī)劃提供技術(shù)支持和量化管理依據(jù)。