SWMM模型在年径流总量控制率计算中的应用

发表时间:2018/12/7   来源:《防护工程》2018年第21期   作者:吴海春
[导读] 城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎,然而,快速城镇化的同时,也造成硬化面积大幅度增加,改变了城市地区原有的水文条件。

深圳市城市规划设计研究院有限公司  深圳  518000
  摘要:随着海绵城市建设进行的如火如荼,人们普遍采用SWMM模型法计算年径流总量控制率,然而,由于SWMM模型添加LID措施后计算的复杂性,大部分人未能正确设置,致使计算结果存在较大误差。本文提出了一套SWMM模型在年径流总量控制率计算中的使用方法,介绍了其在使用过程中需注意的事项,如需更改不透水率、添加LID措施两种方案以及调整子汇水区宽度和LID措施的宽度计算。以玉田河流域为例,参考相关文献,经模拟计算得出年径流总量控制率为42.4%。
  关键词:海绵城市;LID措施;SWMM模型;年径流总量控制率
  
  
  城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎,然而,快速城镇化的同时,也造成硬化面积大幅度增加,改变了城市地区原有的水文条件。为应对城市发展带来的水文条件改变、内涝和污染加剧等问题,2013年12月,习近平总书记在中央城镇化工作会议上提到要建设“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市;2014年11月,住建部颁布《海绵城市建设指南—低影响开发雨水系统构建》[1];2015年4月,住建部联合财政部评选出16个海绵城市试点城市,后又于2016年4月评选出14个海绵城市,共30个海绵城市试点城市,海绵城市建设进行的如火如荼。目前,由于雨水下渗过程的复杂性,人们普遍采用SWMM模型法输入典型年降雨和当地土壤参数计算年径流总量控制率。然而,由于SWMM模型添加LID措施后计算的复杂性,大部分人未能正确设置,致使计算结果存在较大误差。鉴于此,研究SWMM模型在年径流总量控制率计算中的应用就显得十分必要和迫切。本文以深圳市玉田河流域为例,基于SWMM模型,介绍其在年径流总量控制率计算中的使用方法。
  1. LID计算原理
  SWMM模型将LID措施概化为一个蓄水池,并根据各种低影响开发设施的基本原理概化为7种LID调控措施,不同的LID措施含有不同的层组成,如表面层、土壤层、路面层、蓄水层和排水层。以生物滞池为例,介绍LID计算原理,其他LID措施类似,在此不再一一介绍,具体可参看EPA-SWMM模型官网所出版的《Storm Water Management Model Reference Manual Volume III – Water Quality》,该手册中对LID计算原理有详细介绍[2,3]。
  
 

  式中:p为调整后子汇水区不透水面积百分比,本质即不透水区占非LID部分的百分比,%;A为子汇水区的面积,m2;f为调整前子汇水区不透水面积百分比,%;Aimper,v为该子汇水区由不透水部分变为LID措施的面积,m2;ALID为调整后该子汇水区中LID措施所占面积,m2。
  2.3添加LID措施
  根据设计方案,计算各子汇水区中LID措施面积,并将其输入SWMM模型。在子汇水区中添加LID措施有两种添加方法可供选择,不同的添加方法计算过程不同,具体可根据特定的工作方案选择。第一种为在一个子汇水区内添加多种LID措施,各个LID措施仅负责其对应收水范围内的降雨,各个LID措施之间互不关联,相互之间以并联关系计算,即无法设定为从一个LID措施流出的雨水作为另一个LID措施流入的雨水;第二种为各个LID措施以串联的形式连接计算,允许LID措施占据整个子汇水区,可计算从一个LID措施流出的雨水可以作为另一个LID措施流入的雨水。同时添加LID措施时可勾选LID措施雨水是否流入子汇水区透水部分继续下渗。以及如图1所示,可接收来自不透水区范围内雨水,需设定有多少比例的不透水区径流流入该LID措施。
  2.4调整子汇水区宽度和计算LID措施宽度
  SWMM模型手册[3]中仍提到需对各子汇水区宽度进行调整,但如何调整手册中并未给出详细说明,仅给出如图2所示。由图2可知,添加LID措施后,SWMM模型将LID部分和非LID部分分开计算,且添加LID前后子汇水区的流长属性未变,漫流宽度变短。经总结可知,添加LID后需调整子汇水区宽度,子汇水区宽度属性按非LID部分面积除以原定子汇水区流长得到,LID部分宽度属性计算按LID面积除以原定子汇水区流长得到,具体参考如图2所示。
  
  图2  添加LID后宽度属性调整示意图
  3. 模型构建
  3.1 研究区域概况
  研究区域为玉田河流域,位于国家低影响开发示范区—深圳市光明新区,为茅洲河上游一级支流,总面积13.6km2,属海洋性热带季候风区,盛行季风,夏、秋季节常受台风影响。年均气温22℃,多年平均相对湿度79%,年均水面蒸发量为1345.7mm。年降雨量约为1700~2000mm,降雨量季节分配极不均衡,主要集中在4~9月份,降雨量占全年降水的85%以上。
  3.2 模型构建
  根据研究区域排水管网图如实提取检查井和管网,但考虑到雨水篦子仅具有收水功能,较多短管则模型易不稳定,故将雨水篦子删除,并合并较短管网。根据研究区域地形图、道路、管线及建筑物分布等对其进行子汇水区划分,由于研究区域地势平坦,在子汇水区划分过程中更加重视街道和社区单元的分布情况,将较小子汇水区调整合并共划分为194个子汇水区、186个节点、185根管道。子汇水区参数主要可分为确定性参数和不确定性参数,如坡度,面积,下垫面比例等为确定性参数,根据地形图等资料计算各子汇水区的平均坡度,根据遥感影像图提取各子汇水区不透水率现状。不确定性参数可参考相同或相近地区其它学者所做研究的参数,本研究参考紧邻玉田河流域的鹅颈水流域相关文献,选取吴亚男等[4]在鹅颈水流域所做研究,具体水动力参数如表1所示。
  表1  子汇水区水动力参数取值
  Table1  Values of the hydrodynamic parameters of sub-catchment area
 
  3.3 添加LID措施
  参考《海绵城市建设指南—低影响开发雨水系统构建》,各LID措施具体参数如表2所示。根据《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》,玉田河流域位于深圳市西部雨型区,采用适用于该地区年降雨数据和蒸发数据,参照吴亚男等[5]在鹅颈水流域所做指标分解结果,输入模型,并分别按前文所述方法添加LID措施,经计算研究区域年径流总量控制率为42.4%。
  
  表2  不同LID措施设计参数
  
  4. 结论
  (1)提出了一套基于SWMM模型在年径流总量控制率计算中的使用方法,介绍了其在使用过程中需注意的事项,如需更改不透水率、添加LID措施两种方案以及调整子汇水区宽度和LID措施的宽度计算,详细介绍了其计算方法。
  (2)按上述设置方法,以玉田河流域为例,参考《海绵城市建设指南—低影响开发雨水系统构建》和《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》,经模拟计算得出年径流总量控制率为42.4%。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国住房城乡建设部. 海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)[S]. 2014-10-15.
  [2]ROSSMAN L A,HUBER W C. Storm Water Management Model Reference Manual Volume III – Water Quality [M]. Cincinnati,Ohio,United States of America:Environmental Protection Agency,2016.
  [3]ROSSMAN L A. Storm Water Management Model User's Manual,Version 5.1 [M]. Cincinnati,Ohio,United States of America:Environmental Protection Agency,2015.
  [4]吴亚男,熊家晴,任心欣,等.深圳鹅颈水流域SWMM模型参数敏感性分析及率定研究[J].给水排水,2015,51(11):126-131.
  [5]吴亚男. 基于SWMM的海绵城市径流总量控制指标分解及验证[D].西安:西安建筑科技大学,2016.

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