陈文 周麟
武汉工程大学土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430074
摘要：文章以武汉市新城区阳逻开发区住宅区为研究对象，运用暴雨雨洪管理模型（SWMM模型），模拟不同LID组合在不同重现期（p=1a,p=5a,p=10a,p=20a)的雨洪控制效应，以评价海绵城市建设中LID理念以及技术的防洪减涝效果。结果表明:对于雨洪进流量效应控制，绿色屋顶>透水铺装>下沉式绿地；对于雨出进流量效应控制，下沉式绿地>绿色屋顶>透水铺装；对于径流系数的控制，透水铺装+下沉式绿地的组合具有更好的削减效应；运用好不同LID技术的特点，可有效缓解城市内涝问题。
关键词：LID；雨洪控制；SWMM模型
Analysis of rain flood control effect in urban residential area based on lid concept
Chen Wen, Zhou Lin*
School of civil engineering and architecture, Wuhan University of technology, Wuhan 430074, China
Lid concept development aims to manage the runoff generated by rainfall through decentralized and small-scale source control, so as to make the development area as close to the natural hydrological cycle as possible. Taking the residential area of Yangluo Development Zone in the new urban area of Wuhan City as the research object, the storm flood management model (SWMM model) is used to simulate the flood control effect of different lid combinations in different return periods (P = 1a, P = 5a, P = 10a, P = 20a), so as to evaluate the flood control effect of lid concept and technology in the construction of sponge city. The results show that: for the control effect of rainwater inflow factors, green roof > permeable pavement > sunken green space; For the rain inflow and outflow factors, sunken green space > green roof > permeable pavement; For the control of runoff coefficient, the combination of permeable pavement and sunken green space has better reduction effect;Using the characteristics of different lid technology can effectively alleviate the problem of urban waterlogging.
Key words: lid; Rain and flood control; SWMM model
1 前言
对城市径流进行控制，削减或者减轻其带来的负面影响已经成为建设生态城市中的关键环节和重要内容。想要改变城市化进程所带来的降雨径流问题，就必须从城市开发模式上着手，必须改变现有的不透水地表代替透水地表的开发模式，应该选择更为接近于原始自然环境的生态型开发模式，LID是指在项目区开发建设过程中，从降雨产流源头、汇流路径和排出汇水区前，用分散或组合的技术手段来实现人为干扰开发区区域后与开发前的水文特征变化不大[1]。其技术核心是维持开发前后的水文特征，包括径流量、洪峰流量和峰现时间等基本不变[2]。LID措施通过在产流源头截留、收集、加大雨水的入渗来保护雨水资源，利用接近自然景观的措施来净化水质，减少因冲刷地表和集中排放造成的雨水污染。LID措施通过增强下垫面入渗能力实现减少雨水径流、延迟峰现时间和降低发生城市内涝的几率。在新开发建设区的设计初期就考虑规划添加LID措施，可减轻排水系统的压力，延长管网的使用寿命。于此同时，LID措施的蓄水能力可减少雨水资源的流失，使城市景观更加优美的，为城市居民提供更舒适的生活环境[3]。
2研究区域模型建立
2.1 模型的选择
目前，国内外并广泛应用的一些雨洪控制模型，主要有：MIKE、InfoWorksCS、SWMM、UFDSM、Wallingford等。
Storm模型、SWMM[6]模型、InfoWork-Cs[4]模型和Mike[5]等水文模拟模型具有强大的水体流量质量模拟能力和对试验所得数据分析并综合研究的能力，且已广泛成熟的运用于现实案例中，再现化、实践能力强劲。但与其它三种模型相比，SWMM模型具备以下优点：
（1）作为开源软件，SWMM可以免费使用[7]，其他商业软件费用较高；（2）数据需求量小、实用性强、操作简便、容易上手；（3）能够模拟较为复杂的排水系统，包括径流、水动力、水质、LID等的模拟；（4）与地理信息系统技术（ArcGIS）能够充分融合，可以基于ArcGIS平台进行数据前处理和结果展示。因此，选取SWMM[8]模型作为研究的模拟工具。
2.2 研究区域概况
研究区域位于于武汉阳逻经济开发区，地处长江中游北岸，距武汉中心城区20公里，西临汉口，是武汉通向沿海地区的水路咽喉和华中地区对外联络的水上门户，是长江经济带的重要组成部分本项目总建筑面积97369m2,对研究区域的节点和管渠进行概化，现场调研雨水径流过程，划分子汇水区，对参数进行率定，完成模型的构建。
研究区域的下垫面包括建筑屋面、道路、绿地三大类。其中屋面面积25994.38m2，占总用地面积的26.7%，道路面积35685.37m2,占总面积的36.65%，绿地面积35689.28m2，占总用地面积的36.65%。模型中共划分229个雨水分区，其中面积最大的6155.2m2，面积最小的8.2m2，共布置管网39根，管径在400mm~800mm之间，总长度为1.5km，雨水井39座，排口3处。研究区域汇水分区SWMM概化图如下图所示。
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图1 研究区域概化后SWMM模型平面图
2.3 模型雨型的设置、参数的选定与率定
本文设计降雨历时选择1年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇的2小时短历时四个重现期降雨事件。
研究地区武汉市暴雨强度公式为：
本研究相关模型参数取值如下表所示。
表1 SWMM模型水文经验参数取值说明
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2.4基于LID理念的海绵化方案设计
确定在研究区域内进行LID配置拟定下沉式绿地、绿色屋顶、透水铺装等三种LID设施。根据研究区域建设现状，因地制宜选择三种LID设施，并将三种LID设施分为4种方案，分别为：海绵化方案一：17.5%下沉式绿地+13.25%透水铺装；海绵化方案二：17.5%下沉式绿地+13%绿色屋顶；海绵化方案三：13.25%透水铺装+13%绿色屋顶。
3 模拟结果与结论
3.1 不同重现期模拟分析
在不同降雨重现期下，对3种海绵化方案以及未增设LID措施方案进行模拟。
表：p=1a时不同海绵化方案雨洪调控表
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表1 重现期p=5a，不同方案削减率对比表
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表2 重现期p=5a，不同方案削减率对比表
通过模拟分析，在模拟低重现期p=1a与p=5a时，其中海绵化方案二对雨水进流量地抵御效果最好。海绵化方案二>海绵化方案三>方案一。在雨水出流总量的控制上，海绵化方案一，对雨水出流的控制效果最好，能够大量的积蓄雨水，而方案三和方案二也有不错的效果，三种方案种对于雨水出流量的控制上，海绵化方案一>海绵化方案三>海绵化方案二。在流量总削减率上，海绵化方案一削减率最高，其次是海绵化方案三，其削减率效果排序为：海绵化方案一>海绵化方案三>海绵化方案二。在雨洪峰值到来时，每种海绵化方案对整体区域均有较好的表现，均达到了50%以上。通过对比观察，在研究区域进行雨洪调控模拟时，不同不同海绵化方案在重现期p=5a和p=1a时表现类似，这说明在重现期较低时，不同海绵化方案对雨洪的调控效果均保持一致性，每种海绵化方案，都对雨洪的削减有一定效果。
表3 重现期p=10a，不同方案削减率对比表
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p=10a时，由于重现期较大，雨进流总量也随之增大，雨洪控制地难度也逐渐增大，模拟的四种海绵化方案，对雨水的进出流量的控制，均有一定的效果，未设置海绵化方案时，雨洪进流量为56424.81L，海绵化方案四对于雨进流量地抵御最为明显，雨进流总量削减至为30103.4L，削减率达到了46.65%，而方案二、方案三、方案一，对雨水进流抵御效果一般，四种方案雨水进流量削减率分别为24.63%、32.70%、29.23%、46.65%；在对于研究区域雨出流量的控制上，未设置LID措施时，研究区域总进流量为31589.5L，海绵化方案四对雨水出流量的调控效果较为突出，雨水出流量控制率达到了52.75%，其他三个方案对于雨水出流量的调控整体较好，其雨水出流量控制率分别为39.96%、27.63%、34.19%；随着重现期的增大，研究区域径流系数也逐渐增大，在与未增设LID措施的研究区域相比，设置了三种LID设施的海绵化方案四，对径流系数的削减最为明显，径流削减率达到了52.6%，而海绵化方案一和海绵化方案三也均有不错的效果，径流削减率分别为40.3%和34.5%。海绵化方案二径流削减效果一般，仅只有28.7%；随着重现期的增大，暴雨强度逐渐增大，不同海绵化方案对雨洪峰值的削减也呈现逐渐乏力的趋势，海绵化方案一、海绵化方案三、海绵化方案四的雨洪峰值削减率分别为53.59%、46.54%、49.05%。海绵化方案二雨洪峰值削减率最低，相比于重现期为5a的50%，雨洪峰值削减率仅有40.23%。
表4 重现期p=20a，不同方案削减率对比表
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通过分析，在研究区域模拟20年一遇的特大暴雨时，相对于重现期p=10a时，不同海绵化方案依然对总进流量的削减，依然有不错的效果，分别为24.63%、32.70%、29.23%、46.65%、在雨洪出流量的控制上，控制效果有所削弱，相对于重现期p=10a，不同海绵化方案雨出流量削减率、雨洪峰值削减率均减少了1%左右，但依然对研究区域起到了雨洪控制作用；此时随着重现期的增大，地表径流系数也逐渐增大，未设置海绵化方案时，径流系数为0.643，设计不同海绵化方案后，径流系数削减率分别为39.34%、28.75%、32.46%、51.72%，其中方案一、方案三、方案四径流系数削减率超过了30%，这是因为，海绵措施对雨洪的控制效果，不会随着重现期的增大而失效。
通过对研究区域不同海绵化进行不同重现期模拟，可以得知，由于重现期变大，不同海绵化方案对于雨洪的控制均有一定程度减弱，重现期的增大，不会导致海绵化措施的雨洪调控效果失效。
3.2模拟结论
对比海绵化方案一、海绵化方案二、海绵化方案三，得到了以下结论：在不同重现期里，设计了绿色屋顶的海绵化方案，能够更有效控制雨水进流量，其次是设计了透水铺装的海绵化方案，雨进流量控制效果排序为绿色屋顶>透水铺装>下沉式绿地；设计了下沉式绿地的海绵化，在雨水总出流量的控制上明显优于设计了其他海绵化措施的方案，说明在下沉式绿地对雨水的吸收有很好的吸收效果、其次是绿色屋顶，雨出流量控制效果排序为：下沉式绿地>绿色屋顶>透水铺装；在不同重现期里，海绵化方案一对雨径流系数的削减最好，说明下沉式绿地+透水铺装组合对雨径流系数的削减最好。
4 结语
本文选用SWMM模型，结合LID理念的三种LID技术布置并模拟场景，通过不同海绵化方案之间的对比分析，得出三种不同LID技术对雨洪调控效应结论，对今后的海绵城市建设以及雨洪调控研究提供参考一定的参考意义。
参考文献：
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[5]栾震宇,金秋,赵思远,蒋姣,卢翔.基于MIKE FLOOD耦合模型的城市内涝模拟[J].水资源保护,2021,37(02):81-88.
[6]栾震宇,金秋,赵思远,蒋姣,卢翔.基于MIKE FLOOD耦合模型的城市内涝模拟[J].水资源保护,2021,37(02):81-88.
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