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基于SWMM模型的海绵城市径流量控制有效评估方法

2023-09-18 29 上传者：管理员

摘要：当前，我国海绵城市管理出现诸多问题，传统的流量控制方法，难以科学有效的实现流量控制分析，使其流量出现评估不准确的情况。为了解决上述问题，提出了基于SWMM模型下的海绵城市径流量控制效果评估方法，该方法引入SWMM模型，实现实时跟踪模拟，确定SWMM模型在城市排水系统中的组成结构。SWMM模型主要由水文模块、水质模块、水力模块三个部分组成，分别对地面径流量和污染物累积进行计算，并得到水力模块的连续性方程。同时，也考虑到路面工程建设的改建、生物滞留设施、雨水花园、透水铺装几个方面对雨水径流关系的影响，对多个角度进行控制评估。实验结果表明，通过建立基于SWMM模型的连续降雨下的海绵城市径流量控制效果评估方法，针对连续降雨天气进行分析，海绵城市径流量提高了40%以上，对于保证城市维稳和运营有着显著的效果。

关键词：
SWMM模型
城市径流量
径流量控制
效果评估
海绵城市
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引言

海绵城市是利用现代材料使城市加强对降水资源的充分利用，促使雨水资源能够就近被净化和循环使用，建立SWMM（暴雨洪水管理模型）模型，将其利用到雨水资源净化系统中，并在水资源缺少时起到补充的作用。近年来，在实际建设发展过程中，各城市对海绵城市理念存在很多管理和认识上的误区，同时还存在对海绵城市径流量控制掌握不好的问题[1]。

为了实现对径流量控制效果的有效评测，在传统的实验研究方法中，一般采用监测法和模拟联合法。监测法虽然能够较为直观地反映数据，但在系统性综合监测以及全面性上仍有缺陷，对未达标的地区无法实现原因排查[2]。而模拟联合法虽然集合了监测法和模型法的优点，但是在一些特定地区的取值上仍然无法达到精度要求[3]。

针对上述问题，本文采用基于SWMM模型的方法对运用海绵城市市建设施的城市在连续降雨情况下径流变化情况进行统计分析。

1、连续降雨情况下城市化动态降水径流模型构建

为了综合评价城市化开发和海绵城市建设对雨水径流控制效果的影响，本文选取广东中山市某区域进行研究。在连续降雨的情况下，地表径流汇总量会逐渐增大，尤其是随着城市化水平的提高，路面硬化程度提高，地表的径流会在短时间内迅速变大，同时，受季风、台风影响，研究区雨量充沛，多年平均降雨量为1 197mm，年际变化较大，年内分布也不均匀。降雨主要集中在3—7月梅雨季节和4—10月台风雨季节，约占全年降雨量的80%[4]。

为了能够更加精准地监测在连续降雨条件下的城市降水径流总量变化，方便进行模拟分析，本文选用一种SWMM模型，这种模型在模拟城市单一或长期降水事件中，能够以动态形式和综合处理的方法进行实地模拟及数据跟踪，模拟每个子流域的径流量和径流水质、流量、水深等许多因素[5]。SWMM模型在城市排水系统中的组成结构如图1所示：

图1 SWMM模型在城市排水系统中的组成结构

根据图1可知，这一模型主要包括雨量计、汇水区、排水管道、管网节点、出水口、分流器、蓄水池、堰等多个部分，其中最重要的是前五个部分。

该模型下的LID调控能够实现以下类型的调控模拟：

(1）雨水花园、绿色屋顶中的植被能够起到很好的吸纳雨水和减少地表径流的作用。

(2）砖缝隙间的砂石砾在一定程度上能够截留和吸收一定的径流。

(3）由透水材料铺设而成的透水路面能够经过地表多孔结构储存一定的水量。

(4）雨水桶等容器能够在下雨的时候储存一定的径流，在晴天的时候释放这些存储的水量。

(5）在地势低洼的地带往往植被茂密，在低地势的情况下更能够很好地储存雨水，使地表径流流速减缓。

1.1模型框架设计

SWMM模型框架的构建最主要包括水文模块、水质模块、水力模块三个部分，对这三个部分的合理设计就能实现不同区域的雨水径流的模拟[6]。

水文模块主要由雨量计算机、各区域汇水面积、含水层、LID控制等组成。其工作原理主要是通过对单位时间内降雨、积雪、融雪、对渗入土壤层的雨水以及渗入地下水的水量和地表漫流的水量进行非线性演算，利用LID模拟的方式和对滞留的雨量径流进行模拟，实现模拟研究某个区域地表径流雨水汇总过程。根据各个子区域的计算结果汇总可以得到该区域总的径流总量。地面径流量计算公式为：

其中，rs为计算得到的地面径流量；i表示在这一时刻降雨量；e表示在降雨后雨水的蒸发量；fp表示降雨渗透在地面的雨水量[7]。

水质模块主要负责记录污染物和土地利用类型。利用水质模块辨别污染物类别、雨水中的污染物浓度情况，值得注意的是雨水中污染物浓度的情况从初始浓度到浓度逐渐衰减的过程都要记录。在模拟过程中，根据不同的土地类型在模拟器中模拟污染物在地表径流中逐渐累积、冲刷、运输和处理的过程[8]。在干旱过程时使用幂函数和指数函数计算并表示，在降雨过程时使用指数形式将地表降雨径流量和地表污染物的积累情况进行表达。污染物累积方式计算公式如下：

其中，B表示得到的累积污染物；C1表示在累积过程中最大的污染量，使用的单位为kg/hm2;C2表示累积过程的速率常数；t表示工作过程花费的时间，单位为min[9]。

水力模块主要负责对径流状况进行模拟，记录水泵等设施中的流动情况。在该模块中，采用三种模拟演算方法：一是恒定流演算，这个计算方法较为简单，需假定每个时段的流动都是均匀的；二是运动波演算，这一计算过程主要负责模拟管道内时间和空间变化的过程，通过方程组计算来模拟管道内蓄水、汇水、入流以及出流损失、逆流和损失流等数据；三是动态波演算，这一计算时间较长，主要由连续方程组构成。通过三种演算实现对管道等多种设施内的径流动态的监控与计算[10]。水力模块的连续性方程计算公式为：

其中，Q表示水流量；A表示水流在流转过程形成的断面面积，单位为m2;t表示工作过程花费的时间，单位为min。

1.2模型参数设定

由于SWMM模型对精度的要求较高，因此，水文、水质、水力模块受自然环境和地理条件的限制较大，有些参数的精度无法做到完全精确，对所获得的数据结果影响较大，所以在模拟过程中，要对不合格数据进行严格校正，提高本次所构建模型的可信度[11]。

参数设置基本原则如下：在取值范围内对于不确定的参数取一个值，将该值运行到模拟模型中，得到的数值可以作为最终取值。本文中可以选取某一参数，记录为X(i），在X(i）的取值范围内通过百分比进行分析，从而得到模型输出值Y(i），最终参考数据计算公式为：

U=[Y(i+1)-Y(i）]/Y(0)(4)

其中，U为得到的最终参考数据。

校准过程中，可以采用优化法，通过比较自变量和因变量的相关关系，实现参数的校准，同时引入下降单纯形法，从一个已知解得出另一个可行解的过程从而实现局部优化，提高所获得参数的校准效率。

2、连续降雨下的海绵城市径流量控制效果评估

在连续降雨条件下对海绵城市的径流量控制效果可以从降雨径流监测、水质监测、以及模拟地表径流三方面进行评估。

2.1降雨径流监测

在降雨流量搜集过程中，选用的雨量计的规格为：测量口径200mm，测量范围为0—4mm/min，最小分度为0.1mm。通过对三个月的径流量进行记录，分析得出该区域单次降雨趋于单峰型。

在径流监测中主要对排放出口流量和路面径流量这两项进行监测。排放出口流量采用的计算公式为：

其中，v表示指定时间内流出的体积；t表示出流体积指定时间；q表示排放出口流量。

路面径流量采用的计算公式为：

其中，q′表示路面径流量；z表示路面径流流速；s为路面径流断面面积。

2.2水质监测

城市径流中污染物来源主要有降水、地表以及排水系统。降水中的污染物主要是雨水经过与大气接触携带而来的大气污染以及雨水自身的污染。

在研究中，本文需对比两个区域排放口的水质监测结果，监测指标主要包括氨氮、磷、总氨、有机碳、固体总量等，采用比色法对氨氮含量进行测量，采用分光光度法对总氨含量进行测算。

通过对比监测结果，发现经过海绵城市改造后的区域总氨氮、磷、悬浮固体总量的平均浓度有所下降，该区域的雨水水质得到明显改善。

2.3模拟地表径流测试

为了检验不同海绵城市市化建设设施对地表径流的影响，本文分别采用透水路面、雨水花园、生物滞留单元三种设施，用原水对不同的设施的地表进行冲刷，模拟地表降雨情况，保证三种设施在原水冲刷时间、流速、容量上保持一致。

七天后对三种设施进行结果对比，得到的实验结果如下表所示。

实验结果发现，三种设施在影响城市径流总量上都起到一定的作用，对雨水中的污染物降解情况也有所作用，海绵城市径流量提高了40%以上。具体来说，三者都能够有效改善径流水质，其中，雨水花园和生物滞留单元对总氮、总磷、氨氮含量的改善状况较好，透水路面对固体悬浮物的改善情况较好。

3、SWMM模型构建下的海绵城市建设对雨水径流关系的影响评估

根据上文模型模拟公式计算结果可知，若想改善海绵城市的雨水径流，需要对城市的市化建设给予足够的重视。在对海绵城市的建设过程中，有许多因素制约了雨水径流。因此，本文要考虑到城市交通路面改建、生物滞留设施、雨水花园以及透水铺装几个方面对雨水径流的影响。

表1采用透水路面后的污染物浓度

表2采用雨水花园后的污染物浓度

表3采用生物滞留池后的污染物浓度

3.1研究区域概化

基于SWMM模型的应用要求，结合排水防涝规划及海绵城市建设实施方案对研究区域排水系统进行概化，共划分子汇水区12个，雨水管10条，检查井8个，排出口1个，调蓄水体1个。研究区域概化图见图2。

图2研究区域概化图

3.2路面改建和雨水径流关系的影响分析

在海绵城市概念下，路面改建是指采用减速带和路缘石开口的改造相结合的方式将路面的雨水汇集，从而达到灌溉道路外侧绿地的目的。对于有坡度的地方，无法利用上述方式，就采用阻水型路缘石，实现对地表径流的引导与汇集，从而实现吸收雨水、灌溉绿地的目的[12]。

路面改建后的水流过程如图3所示。

在雨水监控过程中，本文选取了便携式LS1206B型旋桨式流速仪，该测试仪在径流流量测定过程中具有良好的精确度，已被广泛应用于江河、湖泊等的流速测量。通过改造后的城市建设设施，在对其雨水径流进行监控，利用SWMM模型在流量演算的应用，可以计算得出径流总量，分析得出经过路面改造后的地表径流明显变小。

图3路面改建后水流过程

3.3生物滞留设施和雨水径流关系的影响分析

生物滞留设施是指通过植被以及土壤来实现雨水的入渗、滞留以及净化，在低洼地带得到了广泛的应用[13]。

在对生物滞留设施对雨水径流关系的影响计算中，本文采用Box-Behnken设计进一步对不同时期的汇流比、淹没区高度等进行计算，在不同水力负荷条件和不同植物配比条件下，生物滞留系统的雨水径流水文状况都呈现出指数增长，然后增幅逐渐变缓，最后趋于稳定的过程。雨水径流量与生物滞留系统之间的关系如图4所示。

图4雨水径流量与生物滞留系统关系图

3.4雨水花园和雨水径流关系的影响分析

雨水花园是指用于调蓄和净化雨水的设施。雨水湿地、调节塘、渗透塘等都属于雨水花园，雨水花园能够吸收雨水，并能够利用雨水花园的植被对雨水进行蓄积并净化[14]。雨水花园结构如图5所示。

图5雨水花园结构

观察图5可知，雨水花园结构包括休息平台、板石铺装、空心砖景墙、生物滞留池、缝隙花园、晖氧石、枯树花池、涂鸦墙等结构。对雨水花园降水量进行记录，得到平均降雨强度和平均降雨量的值。对改造后的雨水花园汇水区域的水文特征研究发现，雨水花园可以在短时间内迅速吸纳暴雨径流量，此外，还可以对径流中的污染物起到很好的净化作用[15]。

3.5透水铺装和雨水径流关系的影响分析

透水铺装主要是指对传统路面进行改造，根据路面结构，在保证安全性的前提下，使用透水材料或半透水材料来铺设路面，这种材料往往由具有一定级配的粗骨料、少量或无细骨料以及胶凝材料、掺合料等经过特殊工序加工制作而成。透水铺装透水性能如图6所示。

根据图6可知，雨水下渗过程主要包括基质入渗和大孔隙入渗两部分。因透水层所铺设的材料较多，在一定程度上可以保留所沉积的水分，提高径流量。

4、结语

本文通过基于SWMM模型下的水文软件设计，对海绵城市不同市化建设设施对城市径流总量的影响情况进行分析，对径流控制效果评估，对水质和降雨径流进行监测，在监测结果基础之上进行仿真现实模拟，实验结果发现，基于SWMM模型的海绵城市径流量控制评估方法，具有极大的发展前景，能够很好地解决我国城市化进程中带来的水资源短缺和水资源污染的问题，能够为城市的可持续发展带来新的增长潜力和发展生机。

参考文献:

[1] 刘家宏,丁相毅,邵薇薇,等.不同水文年型海绵城市径流总量控制率特征研究[J].水利学报,2019,50(9):1072-1077.

[2] 郭效琛,赵冬泉,辛克刚,等.基于在线监测的海绵城市源头项目径流控制效果评价研究[J].给水排水,2020,046(1):57-63.

[3] 郭效琛,杜鹏飞,辛克刚,等.基于监测与模拟的海绵城市典型项目效果评估[J].中国给水排水,2019(11):130-134.

[4]徐多.基于SWMM的海绵校园径流控制效果评估―——以萍乡市北星小学为例[J].水利水电技术,2019,50(7):32-39.

[5]印定坤,陈正侠,杨萌祺,等.基于在线监测+模型的海绵城市建设径流水量控制效果研究[J].环境工程,2020,38(4):154-160.

[6]宋剑英,王建龙,赵梦圆,等.海绵城市建设促渗保泉方案及其效果评估—-―以济南市海绵城市建设试点区为例[J]水利水电技术,2019,50(5)23-29.

文章来源:殷从焱.基于SWMM模型的海绵城市径流量控制有效评估方法[J].吉林水利,2023(09):37-41.