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SWMM计算现状年径流总量控制率方法研究任俊雯

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第12期作者：任俊雯

[导读] 《指南》提出了模型法可用于海绵城市专项规划的编制，但并未具体指导如何搭建模型用于模拟现状年径流总量控制率，尤其是城市尺度的模型，因为面积大

        广州市城市规划勘测设计研究院广东省广州市 510060
        摘要：《指南》提出了模型法可用于海绵城市专项规划的编制，但并未具体指导如何搭建模型用于模拟现状年径流总量控制率，尤其是城市尺度的模型，因为面积大、数据量多而较少以其作为切入点展开探讨分析。因此，研究借助SWMM软件搭建城市尺度模型以模拟现状年径流总量控制率，阐述搭建中的技术路线与模型要点，以能为海绵城市专项规划的编制提供参考与帮助。
        关键词：海绵城市；年径流总量控制率；SWMM

        引言：自2013年习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”理念后，近年来中央政府和各级部门都出台了一系列推进海绵城市建设的相关政策，《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建（试行）》1以下简称《指南》）提出了可使用模型法模拟现状年径流总量控制率。鉴于目前海绵城市建设在我国处于学习与探索阶段，对于在海绵城市专项规划编制过程中如何使用模型法计算城市尺度的年径流总量控制率，目前缺少相关指导2。为此，研究就模型法运用于现状年径流总量控制率模拟的技术路线展开探索，并通过工程实例进行解释说明。
        一、现状年径流总量控制率
        海绵城市专项规划编制中，需要先对现状年径流总量控制率进行研判，以确定在规划期限内合适的年径流总量控制率，依据海绵城市建设理念，建设后的径流系数不大于开发前，则规划年径流总量控制率应大于现状年径流总量控制率。因此合理评估现状年径流总量控制率能指导规划方案的比选，对于规划控制目标的确定具有重要意义。然而当前《指南》对于现状年径流总量控制率尚缺乏相应的指导，随着信息时代的发展和大数据时代的来临，基础资料愈加丰富详尽，本研究探索利用SWMM建立模型模拟现状年径流总量控制率的路线。
        二、模型构建
        根据《指南》定义，年径流总量控制率是指“根据多年日降雨量统计数据分析计算，通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸发（腾）等方式，场地内累计全年得到控制（不外排）的雨量占全年总降雨量的百分比”。对于现状年径流总量控制率的模拟，考虑采用典型年的长历时降雨序列作为降雨输入，模拟流域在真实降雨条件下的总径流量，再反算不外排的雨量，与全年总降雨量比值得到现状年径流总量控制率。
        （1）模型要点
        在全域模型概化中做如下假设：1）雨水管网不进行水力计算，子汇水区出水口直接为排放口，即假设雨水管网排水通畅，子汇水区的径流进入检查井后能迅速排出下游管道不顶托不影响后续径流排出，在该假设下计算出的年径流控制率为模型计算理论最小值；2）假定降雨在研究区域的各个子汇水面积上是均匀分布的，即各子汇水面积内各点上的降雨强度均相同。

        图1 白云区2011-2018年降雨量与多年平均降雨关系图
        （2）降雨选取
        对于同一个城市，虽然单场降雨具有随机性，但从长系列数据分析，降雨也有一定的规律性，如年降雨总量差别较小、年内降雨季节性明显等。因此，可以通过分析历年实测降雨资料，选取一组降雨数据，满足符合当地降雨实际情况、反映具体区域的降雨特性且包含当地真实的场降雨过程，即典型年降雨。在大尺度流域年径流总量模拟中，典型年降雨雨型比短历时雨型具有更贴近和更直观的效果。
        （3）参数确定
        城市尺度的模型概化在不考虑雨水管网即水力模型演算时，需搭建产汇流模型用于演算扣除地面蒸发、植物截留、地表填洼、土壤下渗等损失后的净雨量为外排径流量。可使用ARCGIS计算或参考SWMM模型手册及相关文献确定。
        三、工程实例
        研究以广州市白云区为研究区域，研究范围总面积为665km2。《广州市白云区防洪排涝规划》以排水出口为划分依据的将白云区划分为26个排水流域，本研究取26个排水流域作为子汇水区进行SWMM建模。
        设计降雨取自白云区气象局监测的2011-2018年年降雨监测数据，并与白云区近30年（1986-2018）年平均降雨量做对比，选取最接近平均降雨量的2018年降雨数据作为典型年降雨进行模型建立。
        子汇水区参数中：面积、坡度与宽度通过DEM于ArcGIS中计算得到，经验参数包括不透水曼宁系数、透水曼宁系数、不透水洼蓄深度、透水洼蓄深度及霍顿下渗参数，参考SWMM模型手册及相关文献3确定。最终取值如下表所示。
        表1 SWMM经验参数取值

参数名	Name	参数取值
透水地面曼宁系数	N-Perv	0.032
不透水地表洼蓄量	D-Imperv	2mm
透水地表洼蓄量	D-Perv	10mm
不透水区无洼地占不透水区比例	%Zero-Imperv	50
最大下渗率	MaxRate	103.81mm/h
最小下渗率	MinRate	11.44mm/h
衰减系数	Decay	2.75
排空时间	Dring Time	5

        图2 白云区SWMM模型概化图
        注：在SWMM导入子汇水区时可展示的节点不超过10000个，故显示时模型概化边界与白云区边界有出入，不影响计算结果。
        模拟结果表明，在2018年全年降雨情境下，总降雨量1890.2mm，按白云区现状土地利用图模拟得直接外排径流量为918.939mm，计算知全区现状年径流总量控制率为51.38%，其中建成区开发强度大，不透水密度高，年径流总量控制率仅为37%。依据《广州市海绵城市专项规划》与《广州市中心城区排水系统控制性详细规划（2012～2030）》对白云区各排水分区综合径流系数统计为0.533。比较模型计算模拟结果与综合径流系数算法接近，表明该技术路线与简化方法具有可行性，在条件允许情况下可利用模型法计算现状年径流总量控制率。
        结束语
        本研究在SWMM软件辅助下模拟得到白云区全区现状年径流总量控制率，并与综合径流系数加权结果做了对比，研究得两种方法的结果相近，表明该模型的假设和简化合理，技术路线具有一定的可行性。当前国内海绵城市建设处在蓬勃发展时期，相比较传统综合径流系数法，研究探索了一种更为合理和科学的模型构建路线，希望能为其他城市海绵城市专项规划的编制提供参考。
        参考文献：
        [1].中华人民共和国住房和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）.北京：中国建筑工业出版社，2014
        [2]刘慧，谢水波，曾凡勇，孙波.SWMM辅助海绵城市专项规划的指标分解方法研究[J].中国农村水利水电，2020（05）：73-77+83.
        [3]胡婷.基于低影响开发理念的广州高密度旧街区雨水设施模式研究[D].华南理工大学，2018.