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道路LID措施基于SWMM的分析优化研究

2020-05-26 206 上传者：管理员

摘要：为量化研究道路LID措施优化效果,本研究基于SWMM构建湘潭市芙蓉大道雨洪模型,模拟分析无LID措施道路和4类LID措施组合成方案在降雨重现期分别为1、2、3、5和10年时的雨洪影响效果,对比分析4种方案在不同重现期下的雨洪影响,通过评估模拟效果,选出了最优LID措施组合方案并分析该方案效果。研究结果表明:布设LID设施在相对高频降雨(重现期较小)条件下的径流迟滞效果更为明显。在研究条件下,布设最佳优化方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)后,径流可实现完全削减,出流量削减率最高可达92.16%,峰值流量削减率最高可达91.49%。

关键词：
SWMM构建
低影响开发措施
建筑工程学
海绵城市
道路优化
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城市下垫面不断硬化,地表径流总量随之逐渐增加,极大地影响了城市水循环系统的正常运行继而引发一系列如洪涝灾害频发、水生态恶化、水资源短缺等城市水危机。为解决城市水危机,海绵城市建设理念日益发展完善,随着住房和城乡建设部颁布《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统建设》,国内各城市积极参与海绵城市申报和建设工作,专家学者们对如何建设海绵城市展开了深入思考和讨论[1]。源于美国的低影响开发措施(LowImpactDevelopment,简称LID)也被大量的借鉴在实际工程建设中。目前,国外对LID的研究应用比较成熟,国内的海绵城市理论发展也日趋完善,低影响开发建设逐步落实深化。我国一些城市和区域率先在海绵城市道路方面做出了探索:池州市[2]、西咸新区秦皇大道[3]、深圳市光明新区[4,5]等。但现有研究对道路的低影响开发设施组合的方式的研究还不够充分。本次研究立足于道路的LID措施改造,依托SWMM软件建立模型,通过比较各类道路LID设施的效果,从而得出适合的道路改造优化策略,为其他城区既有道路“海绵化”建设提供参考依据与数据支持。

1、项目概况与LID措施布置

研究区降水量较充沛,但季节分布不均,年际变化大,全年降水量为1200～1500mm。

根据道路设计施工图纸测量得出道路总长6.74km,总面积为383040m2,路幅宽60m。其中主路与辅路为100%不透水面积,人行道为50%不透水面积,两侧绿化带与中央分隔带为100%透水面积。不透水面积为265080m2,占总面积69.2%;透水面积为117960m2,占总面积30.8%。

2、SWMM模型构建

SWMM软件建模前所需的参数数据大致分为3大类:实际数据、经验参考数据、合成数据,上述数据来源于设计规划资料、规划手册[6,7]和相关文献,具体获得方法见表1。

2.1排水系统概化

以实际工程设计CAD图纸为底图,将道路排水井口概化为排水节点,概化后排水节点共169个,深度为5m,各节点底高范围为34.46～55.19m,雨水管段共332条,每段管长40m,管径1000mm,管段坡度为0.3%,末端排放口共10个。

2.2汇水区划分

本次研究将研究区域依据工程设计坡度数据,将道路平面划分为人行道区域、主(辅)路区域和绿化带区域,水流方向为:人行道→辅路→排水节点←绿化带←主路。规划子汇水区域,将研究区域划分为86个子汇水区划分区的形状各异,但面积不一。排水系统及子汇水区面积的概化结果详见图1。

2.3水文水力参数设置

产流演算模型采用动态波法,选用30s为计算时间步长;渗入模型采用Horton渗透模型。主要水文参数初始值经由SWMM用户手册及研究区域特征确定,具体选值见表2。管网参数取值主要依据工程设计图纸,节点深度范围为1.040～2.516m,节点内底标高为42.128～44.300m,管道横截面形状为圆形,管段最大深度为1m,粗糙系数查询用户手册后为0.015。

表1模型基本参数来源

图1概化部分图

2.4降水模型参数设置

芝加哥雨型在国内短历时上应用最为普遍[8],湖南地区峰值比例为0.33[9],暴雨历时宜为120min分别模拟重现期为1、2、3、5、10年的降雨序列。由于湘潭市暴雨强度公式尚未编制,且该项目位于湘潭与长沙交接处,故本次参照长沙市暴雨强度公式执行,计算式为i=(6.890+6.25lgP)/(t+4.367)0.602,式中:i为暴雨强度,mm/min;P为设计降雨重现期,a;t为降雨历时,min。

2.5LID参数设置

结合国内外研究经验,并根据研究区域水文环境和土壤条件等因素,对透水沥青路面、透水砖、植草沟设计详见表3。

2.6参数率定

在模型中设置雨量计记录降雨数据。模型模拟降雨事件及流量实测值来自湘潭市水文局监测的3场降雨,降雨事件的基本特征见表4。通过模型模拟开展区域内LID设施设计参数优化研究,其中2010、2012、2013年降雨量接近湘潭多年平均降雨量,可代表近年来典型降雨情况。

通过试错法对各个参数进行多次调试,最终得到各下垫面参数见表5。实测与模拟水量过程图见图2,修正参数后的模型,在3场降雨条件下纳什效率系数ENS依次为0.707、0.719与0.811,接近于1,说明模型模拟的径流过程线与实测径流过程线拟合度较高,模型表现出较好的适用性。

表2主要参数初始值

表4监测降雨事件的基本特征值

表3LID参数取值

图2实测与模拟水量过程图

表5参数率定后最终取值

在图2(a)、(b)、(c)的地表径流模拟连续性误差依次为-0.15%、-0.12%、-0.14%,流量演算模拟连续性误差依次为-0.11%、-0.09%、-0.05%,连续性误差在±10%以内。模型参数设置效果较好,可信度较高。

3、LID措施效益分析

模型建成并执行参数率定后,分别输入重现期为1、2、3、5、10年的降雨时间序列,并分别执行雨洪模拟运算,得出在无LID措施布设条件下的雨洪模拟数值组。在模型LID控制编辑器中输入透水沥青、透水砖以及植草沟参数,利用LID组编辑器,根据节1的布设方案,分别将LID设施赋予在相应的子汇水区上;将3类单一型LID措施组合成4种方案:方案一:透水沥青+透水砖;方案二:透水沥青+植草沟;方案三:透水砖+植草沟;方案四:透水沥青+透水砖+植草沟。分析LID措施组合对雨洪模拟过程的影响,选择最佳雨洪控制方案。

3.1LID措施组合分析

根据模型输出数据,绘制LID措施组合分析图(即图3),首先纵向分析在不同降雨重现期条件下各组合型LID措施对径流总量、峰值流量的削减效率和径流开始时间、峰值流量出现时间的延迟能力;其次横向比较不同降雨重现期条件下,各组合型LID措施的效果大小。

由图3可知,在研究的5个降雨重现期中,各方案径流削减效果差距明显,径流削减率大小分别为方案四>方案二>方案一>方案三。各方案径流开始时间延迟的效果大小为:方案四>方案二>方案一>方案三。当降雨重现期为1、2、3年时,峰值流量削减效果大小为:方案四>方案二>方案一>方案三;重现期为5和10年时,峰值流量削减效果大小为:方案四>方案二>方案三>方案一。

图3LID措施组合分析

降雨重现期为1、2、3年时,峰值流量出现时间延迟效果大小为:方案四>方案二>方案三>方案一降雨重现期为5、10年时,峰值流量出现时间延迟效果大小为:方案四>方案三>方案二>方案一。

方案四在同一重现期下的出流量削减效果、峰值流量削减效果、洪峰出现时间延迟效果以及径流开始时间延迟效果均好于其他方案。但随着重现期的增加,方案四的作用效果会逐渐减弱。研究结果表明:在只考虑作用效果的前提下,方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)为最佳优化方案。

3.2最佳方案效益分析

布设最佳优化方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)后,当降雨重现期为1、2年时,径流被完全削减。当降雨重现期为1、2、3年相对高频降雨时,总径流量削减率为依次92.16%、88.58%、84.77%,削减效果最好;当降雨重现期为5、10年相对低频降雨时,总径流量削减率为78.34%和69.81%,削减效果很好,但次于高频降雨。当降雨重现期为3年相对高频降雨时,径流开始时间延迟高达41.4min,但其他相对低频降雨的径流开始时间延迟了9.4～23.9min,较高频降雨的延迟效果差。降雨重现期为1、2、3、5年相对高频降雨时,峰值流量削减率为依次91.49%、90.64%、85.71%、78.23%,削减效果最好;当降雨重现期为10年相对低频降雨时,峰值流量削减率为68.57%,削减效果非常好,但次于高频降雨。当降雨重现期为3年时,峰值流量出现时间延迟高达55.6min,但其他相对低频降雨的峰值流量出现延迟了10.2～34min,延迟效果很好,但次于高频降雨。

4、结论

本研究基于SWMM构建湘潭市芙蓉大道雨洪模型,模拟分析无LID措施道路和4类LID措施组合成方案在降雨重现期分别为1、2、3、5和10年时的雨洪影响效果,对比分析4种方案在不同重现期下的雨洪影响,得出以下主要结论。

(1)在研究条件下,4类LID措施组合方案中,在只考虑作用效果的前提下,方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)为最佳优化方案。

(2)布设最佳优化方案四后,高频次降雨重现期条件下,径流可完全削减,出流量削减率最高可达92.16%,峰值流量削减率最高可达91.49%。

(3)各LID设施的效果与重现期有关:研究表明,布设LID设施后,地表透水比例变大,渗透性增加,降雨下渗量增大,因此总径流量与峰值流量减小,地表径流出现时间滞后,峰值流量出现时间延迟。与此同时,随着重现期越大,降雨强度相应变强,布设LID设施后的道路结构用于地表下渗量和滞纳量的时间越短,当降雨达到一定强度时,布设LID设施还未达到饱和就产生径流汇流,进而导致对径流总量、径流开始时间、峰值流量和峰值出现时间的削减或延迟效果降低。所以布设LID设施在相对高频降雨(重现期较小)条件下的径流迟滞效果更为明显。

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