劉成帥， 鄔 強， 胡彩虹， 姚依晨， 徐源浩， 陳游倩

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

引 言

近年來，中國經(jīng)濟飛速發(fā)展，伴隨著經(jīng)濟發(fā)展的城市化進程也取得了矚目成就[1]。但是在城市建設(shè)過程中，城市內(nèi)澇現(xiàn)象越來越嚴重，給人們的財產(chǎn)安全和健康生活，甚至是生命安全都帶來極大的隱患[2-3]。2012年北京7·21特大暴雨，79人死亡，受災(zāi)人口160余萬人，10000余間房屋倒塌，經(jīng)濟損失達116.4億元。2016年7月9日，新鄉(xiāng)市突發(fā)降雨，市區(qū)6 h降雨量達345.3 mm，突破歷史極值，受災(zāi)人口達47萬人，2.71萬公頃農(nóng)作物受災(zāi)，經(jīng)濟損失高達6.61億元。而鄭州市也頻頻遭受暴雨侵襲,自2006年以來，平均每年因暴雨內(nèi)澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高達2億元，損失極大[4]。城市內(nèi)澇給社會、人民帶來的損失觸目驚心，這一問題亟待解決。近年來，海綿城市作為研究熱點頗受關(guān)注[5-6]。高校建設(shè)作為城市建設(shè)極為重要的一環(huán)，所充當(dāng)?shù)慕巧桶l(fā)揮的作用更是極為重要的。以高校校區(qū)為研究區(qū)域，利用海綿城市理念及措施，構(gòu)建暴雨洪水管理模型(SWMM)來研究城市雨洪管理問題，既有代表性，也十分必要。

SWMM模型是1971年由美國環(huán)境署開發(fā)，后經(jīng)不斷改進，是一款應(yīng)用非常廣泛的暴雨徑流模擬軟件，被廣泛應(yīng)用于模擬城市單一場次降水事件或長期的水量、水質(zhì)模擬及海綿城市研究。SWMM模型是將排水系統(tǒng)概化為徑流和污染物在不同功能模塊之間的運移，并將排水系統(tǒng)概化為不同功能的模塊，這些模塊包括大氣模塊(降雨模塊)、地表模塊、地下水模塊和運移模塊[7]。隨著城市化進程加快，城市水文過程的模擬研究需求就越來越大，這就使得SWMM模型在世界范圍內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。

在現(xiàn)階段的城市發(fā)展中，自然透水的下墊面被硬質(zhì)非透水的下墊面所替代[9-10]，水文循環(huán)機制改變[11]，主要表現(xiàn)在加速城市徑流的形成，從而導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)[12]。為了更好解決城市內(nèi)澇問題，SWMM模型已經(jīng)成為研究城市雨洪調(diào)蓄的首選模型之一[13]。宋鴻婕[14]運用SWMM模型軟件來建立沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的雨水模型，證明LID(Low Impact Development, 低影響開發(fā))措施對于降雨洪峰期的削減有很大作用。何儒權(quán)[15]以某大學(xué)校園局部作為研究區(qū)域,構(gòu)建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng),并模擬LID措施前后研究區(qū)域徑流流量、雨水管網(wǎng)超載情況和主要污染物濃度變化,通過模擬對研究區(qū)域的海綿城市改造前后進行了有效評估。李東[13]設(shè)計7種雨洪措施組合情景對貴安新區(qū)示范區(qū)進行模擬分析,評估不同雨洪措施組合對雨洪控制的效果,為城市新區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃和雨水資源綜合利用提供有效的技術(shù)支撐。以上研究都是基于實測降雨徑流資料進行模型構(gòu)建、校準、驗證和應(yīng)用，并未涉及SWMM在無實測資料地區(qū)適用性的說明。以鄭州大學(xué)新校區(qū)為研究區(qū)，以解決校園內(nèi)澇問題為立足點，利用暴雨洪水管理模型(SWMM 5.1 版本)和無實測資料降雨徑流模型參數(shù)率定方法，結(jié)合海綿城市措施，以解決10 a一遇暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇問題作為評估標(biāo)準，提出適合鄭州大學(xué)新校區(qū)未來進行雨洪管控改進發(fā)展的方案。

1 研究區(qū)域概況

鄭州市位于112°42′-114°14′E、34°16′-34°58′N。屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏秋炎熱多雨、春冬寒冷干燥，多年平均降雨量542 mm?；镜貏葑呦蚴俏鞅逼停瑬|南偏高，汛期內(nèi)澇現(xiàn)象嚴重[16]。鄭州大學(xué)新校區(qū)位于鄭州市西四環(huán)，學(xué)校內(nèi)的氣候特征和鄭州市保持一致。學(xué)?，F(xiàn)有四個校區(qū)：主校區(qū)、北校區(qū)、南校區(qū)和東校區(qū)。研究以主校區(qū)為研究區(qū)域，南北長約2100 m，東西寬約1100 m，面積約2.4 km2。整體上，鄭州大學(xué)新校區(qū)建筑格局和排水管網(wǎng)呈網(wǎng)格化矩形分布，這對模型的子匯水區(qū)劃分十分有利，土地利用類型的劃分正是進行子匯水區(qū)劃分的重要前提。采用實地考察和衛(wèi)星圖像目視解譯相結(jié)合的方法，將研究區(qū)的土地利用劃分為建筑物、綠地、廣場、道路和水體5種類型(見圖1、2)。

圖1 鄭州大學(xué)新校區(qū)土地利用類型劃分簡圖

圖2 鄭州大學(xué)新校區(qū)土地利用類型占比圖

2 模型構(gòu)建

2.1 設(shè)計暴雨

研究區(qū)無實測暴雨資料，故采用中國市政工程中南設(shè)計院編制的鄭州市暴雨強度公式合成設(shè)計暴雨作為模型的降雨輸入[17]：

(1)

式中：q為平均暴雨強度(mm/min)；T為降雨歷時(min)；P為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期(a)；A、B、C、n均為常數(shù)，是用統(tǒng)計學(xué)方法確定的，這里直接采用鄭州市暴雨強度公式中的確定值，A取3073、B取15.1、C取0.892、n取0.824，洪峰系數(shù)均為0.4，降雨歷時為120 min[18](圖3)。

由圖3可得：重現(xiàn)期為2 a、5 a、10 a、50 a一遇的設(shè)計暴雨雨峰降雨強度分別為77.94 mm/h、 99.75 mm/h、116.25 mm/h、154.56 mm/h；累計降雨量分別為49.4、63.2、73.6和90.3 mm。采用這4種不同頻率的設(shè)計暴雨作為模型降雨輸入，模擬不同降雨強度下的鄭州大學(xué)新校區(qū)排水狀況。

圖3 不同重現(xiàn)期降雨條件下2 h降雨過程

2.2 管網(wǎng)概化和子匯水區(qū)劃分

根據(jù)我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》要求對管網(wǎng)進行概化，并結(jié)合管網(wǎng)分布、地形、土地利用等數(shù)據(jù)，將研究區(qū)劃分為29個子匯水區(qū)，37個節(jié)點、37條管道和2個總出水口，管道半徑1 m，其中管道和出水口為自由出流(圖4)。

圖4 鄭州大學(xué)新校區(qū)子匯水區(qū)概化圖

2.3 模型參數(shù)確定

SWMM模型參數(shù)分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)。確定性參數(shù)可以通過對已有的資料進行技術(shù)處理得到，如子匯水區(qū)的面積、特征寬度、平均坡度、不透水率等[13]。子匯水區(qū)面積和最大長度通過Google Earth軟件處理獲得，特征寬度是子匯水區(qū)面積除以最大長度所得，平均坡度通過處理數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)所得，不透水率是通過子匯水區(qū)內(nèi)不同土地利用類型加權(quán)平均計算所確定，計算結(jié)果見表1。

表1 子匯水區(qū)信息

不確定性參數(shù)有滲透性粗糙系數(shù)、不滲透性粗糙系數(shù)、滲透性洼地蓄水、不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水滲透性、衰減系數(shù)、透水區(qū)最大入滲速率和最小入滲速率等8個參數(shù)，由該研究區(qū)已發(fā)表的SWMM模型成果文獻確定(表2)[19]。

表2 SWMM模型經(jīng)驗參數(shù)確定值

由于研究區(qū)無實測降雨徑流資料，因此采用劉興波于2009年針對校準數(shù)據(jù)稀缺條件下提出的基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型驗證方法[20]。基本原理是以合成單峰降雨作為降雨校準事件，以徑流系數(shù)作為模型驗證的目標(biāo)函數(shù)，對比城市雨水管網(wǎng)設(shè)計中采用的綜合徑流系數(shù)和SWMM模型模擬計算所得的徑流系數(shù)進行模型驗證。選擇研究區(qū)內(nèi)6號子匯水區(qū)作為驗證區(qū)域，其不透水率為64.83%，屬于建筑較密的居住區(qū)，對應(yīng)綜合徑流系數(shù)范圍是0.5～0.7[21]。經(jīng)5 a一遇合成降雨事件驗證，6號子匯水區(qū)模擬徑流系數(shù)為0.59，在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文過程模擬

研究區(qū)屬于半干旱半濕潤地區(qū)，SWMM模型建立后，對研究區(qū)進行現(xiàn)狀雨洪模擬均按照長期無雨狀態(tài)。不同重現(xiàn)期下徑流過程見圖5。

圖5 不同重現(xiàn)期降雨條件下現(xiàn)狀徑流過程模擬

通過對研究區(qū)現(xiàn)狀水文過程的模擬不難看出：降雨過程持續(xù)120 min，徑流過程持續(xù)360 min。不同重現(xiàn)期下洪峰出現(xiàn)時間比雨峰出現(xiàn)時間晚15 min左右。重現(xiàn)期為2 a一遇時，雨峰強度為77.94 mm/h，洪峰為15.86 m3/s；重現(xiàn)期為5 a一遇時，雨峰強度為99.75 mm/h，洪峰為22.64 m3/s；重現(xiàn)期為10 a一遇時，雨峰強度為116.25 mm/h，洪峰為28.1 m3/s；重現(xiàn)期為50 a一遇時，雨峰強度為154.56 mm/h，洪峰為41.66 m3/s。設(shè)計重現(xiàn)期越大，相應(yīng)的雨峰強度、洪峰也越大，這符合不同設(shè)計頻率對應(yīng)的暴雨特征，現(xiàn)狀水文過程模擬結(jié)果合理。

不同設(shè)計頻率條件下的暴雨過程不一樣，出現(xiàn)排水擁堵的嚴重程度也隨之變化，具體問題見表3。

表3 不同重現(xiàn)期SWMM模型模擬結(jié)果

從表3可以看出：重現(xiàn)期為2 a一遇時，總降雨量為49.4 mm，入滲量為18.9 mm，地表徑流為25.6 mm，地表蓄水為4.9 mm，節(jié)點、管渠排水運行正常，綜合徑流系數(shù)為0.52；重現(xiàn)期為5 a一遇時，總降雨量為63.2 mm，入滲量為19.0 mm，地表徑流為37.3 mm，地表蓄水為6.9 mm，J29、J33節(jié)點超載，J29節(jié)點產(chǎn)生洪流，G35管渠超載，綜合徑流系數(shù)為0.59；重現(xiàn)期為10 a一遇時，總降雨量為73.6 mm，入滲量為19.0 mm，地表徑流為46.7 mm，地表蓄水為7.9 mm，J9、J10、J14、J19、J29、J33節(jié)點超載，J9、J19、J29產(chǎn)生洪流，G8、G32、G35管渠超載，綜合徑流系數(shù)為0.63；當(dāng)重現(xiàn)期為50 a一遇時，總降雨量為90.3 mm，入滲量為19.2 mm，地表徑流為69.1 mm，地表蓄水為9.6 mm，J6、J9、J10、J14、J16、J17、J19、J29、J32、J33節(jié)點超載，J6、J9、J16、J19、J29、J32產(chǎn)生洪流，G8、G13、G26、G30、G32、G35管渠超載，綜合徑流系數(shù)為0.71。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在2 a一遇的設(shè)計暴雨條件下，學(xué)校排水管道運行正常，但是會產(chǎn)生地表徑流和地表蓄水。在5 a一遇、10 a一遇、50 a一遇設(shè)計暴雨條件下，均有節(jié)點產(chǎn)生超載、洪流等現(xiàn)象，管渠也有超載現(xiàn)象。而且隨著設(shè)計頻率的不斷減小，設(shè)計暴雨強度的加大，產(chǎn)生超載、洪流現(xiàn)象的節(jié)點、管渠也隨之增多，綜合徑流系數(shù)也隨之增大。更明顯的是，地表徑流量、地表蓄水增多，下滲量變化不大，這說明一場暴雨基本上可以使土壤含水量達到飽和，這是形成城市內(nèi)澇現(xiàn)象的內(nèi)因，為后續(xù)的海綿城市措施規(guī)劃及海綿城市措施下的水文過程模擬提供了理論依據(jù)。

3.2 存在問題分析

結(jié)合模型模擬結(jié)果和實地考察發(fā)現(xiàn)，校園在雨洪管控上存在較大問題，主要有：(1)排水管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準低，排水口年久失修，枯枝、落葉、淤泥等堵塞嚴重，造成排水不暢；(2)下墊面硬化率高達52%，大量的建筑用地改變了天然水循環(huán)狀態(tài)，為徑流快速形成提供了有利條件；(3)綠地占比為46%，但較為集中，地面高程多高于硬質(zhì)路面，蓄滲效果不明顯?；谶@些問題，結(jié)合研究區(qū)雨洪管控實際情況和海綿城市理念，提出適合研究區(qū)的LID措施，并設(shè)置情景進行模擬分析。

3.3 LID情景設(shè)計

以單一措施和組合措施兩種方式對研究區(qū)進行4種情景設(shè)計模擬研究，情景分類見表4。

表4 LID設(shè)計情景分類

表4中所選措施是參考前人研究成果[22-23]并結(jié)合研究區(qū)實際情況確定，設(shè)計面積是根據(jù)研究區(qū)土地利用類型和已有研究成果來確定的[15]。其中，綠色屋頂計劃設(shè)計0.3294 km2，透水鋪裝計劃設(shè)計0.9239 km2，下凹式綠地計劃設(shè)計1.1120 km2，共計2.3653 km2，總設(shè)計面積基本覆蓋校園。

3.4 LID參數(shù)設(shè)置

SWMM模型中LID模塊技術(shù)參數(shù)的選取是通過查閱SWMM模型手冊和相關(guān)的參考文獻而得[10,24-25]，參數(shù)取值見表5。

表5 LID參數(shù)取值表

3.5 情景模擬

分別用表4中的情景1、情景2、情景3、情景4進行模擬分析，采用方法是將技術(shù)措施分別加入每一個子匯水區(qū)中來模擬水文過程。將人工添加的海綿城市措施輸入到SWMM模型中，進行水文過程模擬及不同措施條件下水文過程的對比分析。不同重現(xiàn)期下徑流模擬結(jié)果見圖6、表6。

圖6 2 a一遇(a)、5 a一遇(b)、10 a一遇(c)、50 a一遇(d)降雨條件下不同LID情景徑流過程

表6 LID情景模擬結(jié)果

由圖6、表6可知，海綿城市雨洪調(diào)蓄措施可以增加下滲、減少徑流，但是對遲滯洪峰效果不明顯，這是研究區(qū)過小造成的。整體來看，情景1、情景2和情景3等單一措施達到的雨洪調(diào)蓄效果大幅低于情景4組合措施達到的雨洪調(diào)蓄效果。其中，在單一措施中，透水鋪裝效果最佳，使研究區(qū)內(nèi)洪峰流量平均下降67.1%，徑流系數(shù)平均下降62.0%；綠色屋頂?shù)拇沃?，使研究區(qū)內(nèi)洪峰流量平均下降37.9%，徑流系數(shù)平均下降39.5%；下凹式綠地的最小，使研究區(qū)內(nèi)洪峰流量平均下降29.4%，徑流系數(shù)平均下降24.6%，這與下凹式綠地改造區(qū)原本就是綠地(透水區(qū))有關(guān)。綠色屋頂+透水鋪裝+下凹式綠地作為組合措施起到的雨洪調(diào)蓄效果最明顯，使研究區(qū)內(nèi)洪峰流量平均下降90.45%，徑流系數(shù)平均下降86.5%，管道運行正常，校園道路基本無積水現(xiàn)象，基本解決重現(xiàn)期為10 a一遇暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇問題。

同時，選取了李東[13]在2019年對貴安新區(qū)城市洪澇(設(shè)計降雨事件同樣為10 a一遇)研究成果中7種海綿城市措施中的4種組合情景進行對比經(jīng)濟分析，結(jié)果見圖7。李東選取的4種情景的設(shè)計面積是3.79～5.79 km2，估算造價是28375.6萬元～52456.0萬元，模擬徑流系數(shù)為0.36～0.50。本研究總設(shè)計面積為2.3653 km2，估算造價19487.6萬元，地表徑流系數(shù)為0.09，基本解決校園內(nèi)澇問題。在設(shè)計面積相差不大、相同單位造價水平[26]、海綿城市措施相近情況下，情景4表現(xiàn)出更好的雨洪排蓄效果。情景1、情景2、情景3估算造價分別為3952.8、11086.8、9461.2萬元，對應(yīng)地表徑流系數(shù)分別為0.48、0.25、0.38。三種單項措施估算造價雖然低，但是不能滿足校園排蓄10 a一遇降雨的目標(biāo)要求。綜合來看，情景4為最優(yōu)情景。

圖7 10 a一遇降雨條件下海綿城市措施造價估算與徑流系數(shù)關(guān)系虛線框內(nèi)為李東在2019年對貴安新區(qū)海綿城市建設(shè)研究成果中的4種組合措施情景，實線框內(nèi)為所設(shè)情景

4 結(jié) 語

基于SWMM模型和無實測資料降雨徑流模型參數(shù)校準方法，構(gòu)建了鄭州大學(xué)新校區(qū)雨洪模型，模擬了現(xiàn)狀條件下和LID措施下的鄭州大學(xué)新校區(qū)降雨—徑流過程，得到以下結(jié)論：

(1)以設(shè)計降雨作為模型輸入、城市綜合徑流系數(shù)作為模型驗證等方法，可以適當(dāng)用于無實測降雨徑流資料城市地區(qū)的SWMM模型構(gòu)建。

(2)在重現(xiàn)期2 a、5 a、10 a、50 a設(shè)計暴雨條件下，現(xiàn)狀條件下鄭州大學(xué)新校區(qū)地表徑流系數(shù)分別為0.52、0.59、0.63、0.71，暴雨重現(xiàn)期越大，降雨量和降雨強度越大，地表徑流系數(shù)也越大，校園內(nèi)澇程度越嚴重。同時，硬質(zhì)地面占比高、雨水管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準低、管網(wǎng)淤堵嚴重也是造成校園內(nèi)澇的因素。

(3)綠色屋頂、透水鋪裝、下凹式綠地對增加下滲、減少徑流都具有一定效果，但在研究區(qū)過小的情況下，遲滯洪峰效果不明顯。在所設(shè)情景中，單一措施達到的效果大幅低于組合措施達到的雨洪調(diào)蓄效果。綠色屋頂+透水鋪裝+下凹式綠地組合措施在不同設(shè)計暴雨條件下，洪峰流量平均減少90.45%，地表徑流平均減少86.5%，雨洪排蓄效果明顯；在重現(xiàn)期為10 a以內(nèi)的暴雨條件下，地表徑流系數(shù)最大為0.09，排水管道運行正常，道路基本無積水，滿足設(shè)計需求。通過造價水平對比分析，設(shè)計的LID組合措施具有更好的經(jīng)濟性，單位面積雨洪排蓄效果明顯。

我國為加強城市排水防洪能力，大力推進海綿城市建設(shè)。因此，校園建設(shè)也應(yīng)該響應(yīng)國家號召，積極推廣應(yīng)用新的技術(shù)理念。在建設(shè)改進過程中也應(yīng)當(dāng)因地制宜，結(jié)合實際。本研究選擇的透水鋪裝、綠色屋頂和下凹式綠地等措施均屬于滲、透、蓄、滯措施，旨在通過增加下滲和蓄滯量以減少路面徑流來解決校園內(nèi)澇問題。這些措施不僅加強了城市水循環(huán)，也增加了校園的景觀建設(shè)，提高了校園品位，對指導(dǎo)海綿校園建設(shè)具有一定的現(xiàn)實意義。