席 璐, 石丽忠,1b , 周庆芳

(1. 沈阳大学 a. 建筑工程学院; b. 污染环境治理与区域生态安全重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 朝阳市水利规划勘测设计院, 辽宁 朝阳 122000)

随着现代经济的发展,城市规模不断扩大,城市水资源短缺,水质污染严重,再加上城市硬化面积逐渐扩大,我国城市的防洪排涝设施建设相对滞后,城市洪涝灾害造成的损失惨重.近年来,暴雨灾害频频发生,引起业内人士的广泛关注,2012年习近平总书记提出的“海绵城市”一词成为热词,海绵城市[1]简单来说就是城市像海绵一样能够蓄水、渗水、净水,在必要的时候将存储的水加以释放并且利用.海绵城市是新一代城市雨洪管理概念,指城市能够像海绵一样,在遇到雨洪等自然灾害时能够将这种灾害在短时间内减弱,并且在适应环境的变化时具有良好的处理效果.海绵城市以从源头到末端的全过程控制和循环利用为目标,对雨水的利用率明显提高.海绵城市的建设不仅起到排洪减灾的作用,并且起到绿化城市、改善生态环境的作用,提高了城市的观赏性.海绵城市建设是一项极其复杂的工程,涉及到城市的用地规划、园林景观、建筑类型等各个方面的研究.为了实现对暴雨的管理,经常利用暴雨管理模型(SWMM)对水质水量进行动态模拟预测.本文以典型小区作为实例来验证SWMM模型模拟的能力.

1 海绵设施分类及作用

1.1 绿色屋顶

绿色屋顶是指在小区各种建筑物的屋顶、天台、阳台等种植花草等一系列绿化设施.采用屋顶绿化(屋顶花园)不但可以美化环境、净化空气、改善城市雨水屋面溢流、减少排水压力、节约能耗、还补偿了建筑物占地的绿化面积.提高了城市的绿化覆盖率.

1.2 植草沟

植草沟指的是有植被的地表沟渠,植草沟代替了硬化沟渠,传输地表径流,在降低雨水地表流速、延长汇流时间的同时,利用沟内的植物和土壤截流、净化雨水,具有一定的污染控制功能,不仅能够提高场地景观环境质量,并且具有一定的生态效益.

1.3 雨水花园

城市小区建设的雨水花园也属于城市小区绿地的一种类型,雨水花园的作用是收集来自建筑屋顶的雨水或地面的径流雨水,经过花园内种植的植物、松散的土壤等的过滤净化作用,使暂时滞留在花园内的雨水渗入地下,对地下水资源进行补充,进而促进雨水蒸腾蒸发,使得空气湿度降低,减少了城市热岛效应.

1.4 道路透水铺装设

城市道路一般有人行道、车行道、园林道路、停车场、广场等, 针对不同的道路可以采用不同材料的透水设施. 例如:一般采用透水砖对人行道进行铺设, 而车行道则可以采用透水混凝土、透水沥青等进行铺设, 园林道路可以采用鹅卵石、碎石铺装, 停车场则可以采用植草砖等. 径流雨水透过透水设施渗入土壤, 从而可以达到避免路面积水的作用, 对道路表面的温度和湿度具有一定的调节功能、还可以起到涵养地下水水分的目的.

2 设计工艺

本次设计分区域采用多样化的设施,以及反映不同的设施对雨水的处理效果.

2.1 透水铺装

透水铺装减小路面径流,多余雨水经过路面排水系统进入管网.

主要工艺:透水铺装区域雨水→透水砖入渗→路面排水系统→市政雨水管道.

2.2 道路

设计道路均为不透水铺装.

主要工艺:路面雨水→开孔路缘石→碎石等消能设施→植草沟→雨水花园→(溢流)市政雨水系统.

2.3 停车位

主要工艺:停车场雨水→透水砖入渗→雨水花园→(溢流)市政雨水系统

3 海绵方案

3.1 小区概况

本文模拟的小区地处咸阳市, 位于沣渭大道西侧, 沣西新城管委会西南方向. 总占地面积23 135.6 m2, 绿化面积约为4 765.1 m2, 屋顶约为7 462 m2, 铺装面积约为10 908.5 m2(见图1).

图1 小区布置大样图Fig.1 Layout diagram of the residential district

3.2 雨水设计参数

暴雨强度公式:

式中:q为设计暴雨强度,L/(ha·s);p为设计重现期,取p=2a;t为降雨历时,min,取值(5,10,15,20,30,45,60,90,120).

3.3 汇水分区设计

整体地势较为平缓, 北高南低, 东高西低, 设计坡度介于0.3%～2.3%之间. 综合分析本小区地形, 市政雨水管接口等, 根据各分区设施布局图, 计算各类设施的服务面积, 明确设施进水口及溢水口位置, 保证服务面积内雨水均可经进水口进入设施, 且溢流雨水可由溢水口有组织流出, 依据设计标高及地块类型将区域详细划分了3个子汇水面, 分区域进行控制(见表1,图2).

表1 各分区下垫面统计表Table 1 Statistical table of surface of each subdivision m2

图2 项目汇水分区图Fig.2 Partition map of catchment of the project

3.4 海绵设施参数

本设计根据地下车库顶板高度、室外管网的埋深,通过调整种植土厚度及排水层厚度确定雨水花园等设施的深度.蓄水层厚度取200 mm,种植土厚度取500 mm,排水层厚度取250 mm(图3).

雨水花园等参与调蓄量计算的实际控制容积可参考表2.

图3 海绵布置大样图Fig.2 Layout diagram of sponge

汇水分区汇水面积m2绿色屋顶m2雨水花园m2植草沟m2透水铺装m2总调蓄量m3雨量综合径流系数φ可控制降雨量mm年径流总量控制率%1101680370202700136.00.6919.4685.27238047001157212042.260.5719.4385.2339163.6700304167521111.720.6319.4985.30合计23135.614007894411341289.98均值0.6319.4685.26

式中:A为设施面积,m2;V为设施可控制容量,m3;种植土孔隙率一般取0.3～0.5,砾石层孔隙率取0.5;容积折减系数,雨水花园取0.7,下凹式绿地取0.8.根据《海绵城市建设技术指南》,采用加权平均法计算小区综合雨量径流系数.各类下垫面雨量径流系数为:硬质屋面0.85、绿化屋面0.35、不透水铺装0.85、透水铺装0.30、绿地0.15.

4 模型构建

SWMM模型主要是一个动态的降雨-径流模拟模型,通过降雨、产流、汇流计算,SWMM可以得到任一时刻每一个子流域所产生径流的水质和水量;每一个管道、河道中水的流量、水深及水质等情况[2].

4.1 SWMM模型介绍

SWMM(Storm Water Management Model)模型是由美国环境保护局为了解决城市排水防涝问题而开发的暴雨管理模型,是一种综合性的数学模型.暴雨管理模型是排水系统设计、运行和管理的基本依据和重要工具.该模型主要用模拟动态的降雨-径流过程,用于城市区域径流水质和水量的单一事件或者长期(连续)模拟,能够完整地模拟城市降雨径流过程和污染物传输过程. SWMM最早开发于1971年,后来经过几次改进升级,一直在世界范围内被广泛应用于城市地区雨水径流、合流管道、污水管道和其他排水系统的规划、分析和设计.目前已经被升级为SWMM 5版本,提供了编辑研究区域输入数据,执行水文、水力和水质模拟,并且以各种格式浏览结果的集成环境,此版本在之前的基础上经过多次完善使其功能更加丰富,应用更为广泛.

SWMM模型主要用于处理城市区域径流产生的水文过程,包括了时变降雨量、地表水的蒸发、降雪累积与融化、洼地蓄水的降雨截留、不饱和土壤的降雨下渗、渗入水向地下含水层的穿透、地下水与排水管道的交换水量、非线性水库法计算坡面汇流量、利用各种类型的低影响开发(LID)设施布置捕获和滞留降雨径流.

4.2 排水系统概化及设计降雨

SWMM模型建立需要现有的管网资料、当地的降雨资料、土壤渗透率以及LID设施的布置情况及各参数.根据所给的地形及管网现状资料,本文将研究区域划分为3个子汇水面积(s1,s2,s3),2个排放口(PFK1,PFK2)、23个节点及22根管道(如图4所示).场地内雨水管线设计重现期为5 a,设计雨型选用芝加哥雨型生成器设计降雨,降雨历时选取2 h,雨峰系数选取0.18,总降雨量为49.88 mm,最大降雨强度为110.8 mm·h-1,其余参数依据当地暴雨强度公式而定(如图5所示).

图4排水区域管网摡化图
Fig.4 Pipe network of drainage area

图5 5年重现期降雨量Fig.5 Rainfall of five-year recurrence interval

4.3 模型参数率定

目前,国内一般采用的是Horton作为渗透模型,管网的汇流模型采用动力波法,汇水区的水全部通过排水节点,通过节点在管道中汇流,其渗透模型的最大入渗率为67.2 mm·h-1,最小入渗率为12.0 mm·h-1,入渗衰减系数为4 h-1[3].

4.4 模拟结果分析

研究区域管道超载状况以及节点溢流,模型结果时间序列为每分钟读取一次,设置模拟时间为2 h.根据现有的雨水管网资料等数据进行SWMM模型模拟[4-5].SWMM软件模拟具有查询功能,可以查询每一时刻小区汇水面、管道和节点处各项参数和计算结果.

(1) 原有场地雨水排水系统设计重现期P=2 a,综合径流系数为0.6.本次模拟设计雨型采取5年一遇降雨模型,图6为最不利情况下排水管道纵面图,从管道水力线可以看出小区管线标准高于设计标准,下游管线仍有一定的调蓄容积,连接18、19节点以及连接20、41处的管段在此情况下虽然满足设计要求,如遇更大暴雨时依然会出现管道超载状况,因此,可以采取增设调蓄池来预防此现象的发生.原有雨水管网资料的设计重现期为2 a,在此采取5年一遇降雨进行场地模拟,虽然布置了海绵设施,但是也可能出现极少管道超载,属于正常现象.

(2) 在此类降雨情景下,总共2个排放口,选择靠近排放口处的子汇水区域的峰值流量和峰现时间进行比较,图7中显示径流峰值流量比为:未加海绵设施(0.27 m3·s-1)>加入海绵设施(0.15 m3·s-1).从比较的数据可以看出,传统的雨水管网使雨水径流迅速达到峰值,且峰值流量为加入海绵设施的1.8倍;说明海绵设施提高了排水系统的雨洪调控能力,并且在一定程度上减少了城市“看海”的情况.

图6 管段水深Fig.6 Water depth of the pipeline

图7流量过程线
Fig.7 Discharge curve

(3) 根据模拟的结果,有6个节点可能发生溢流现象,导致整个小区发生内涝,但是从模拟的结果可知(表3),在5年一遇的雨型设计下,此类节点满足设计要求,18和20节点处最大积水深度临近节点深度,因此这2点处可以设置导流设施,在可能出现最大降雨时及时将雨水顺利排到其他地方(绿地、雨水花园等具有调蓄功能的场地),预防节点溢流状况的发生.

表3 节点积水深度情况Table 3 Water depth of nodes

5 总 结

(1) SWMM模型在模拟过程中能够有效地模拟城市排水管网的工作状态,可以用来作为对管网设计的校核和指导海绵设施的合理布置.根据模拟显示的结果,可以采取相应的措施预防管道超载状况,进而能够延长管道的使用寿命.

(2) 从模拟的结果可知,海绵设施对雨水径流具有一定的削减能力,对内涝的防治起到一定的作用,并且可以提高雨水的利用率.

(3) 节点溢流容易造成场地积水,进而引起区域内涝的风险,因此利用SWMM模型对各节点溢流状况进行模拟分析,对容易发生溢流的节点采取防治措施,减少洪水灾害的发生.

参考文献:

[1] 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[S]. 2014.

Ministry of Housing Construction. Sponge city construction technology guide[S]. 2014.

[2] 赵冬泉,佟庆远,王浩正,等. SWMM模型在城市雨水排除系统分析中的应用[J]. 给水排水, 2009,35(5):198-201.

ZHAO D Q,TONG Q Y,WANG H Z,et al. Application of SWMM in urban storm drainage network modeling[J]. Water & Wastewater Engineering, 2009,35(5):198-201.

[3] 王祥,张行南,张文婷,等. 基于SWMM的城市雨水管网排水能力分析[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2011,33(1):5-8.

WANG X,ZHANG X N,ZHANG W T,et al. Analysis of drainage capacity of urban conduits based on SWMM[J]. Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences), 2011,33(1):5-8.

[4] 王文亮,李俊奇,宫永伟,等. 基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟[J]. 中国给水排水, 2012,28(21):42-44.

WANG W L,LI J Q,GONG Y W,et al. LID stormwater control effect simulation based on SWMM[J]. China Water & Wastewater, 2012,28(21):42-44.

[5] 吴晓瑜,黄维,周密. 基于SWMM的某工业园区LID方案及模拟评估[J]. 中国给水排水, 2017(11):139-142.

WU X Y,HUANG W,ZHOU M. LID scheme and simulation evaluation of an industrial park based on SWMM[J]. China Water & Wastewater, 2017(11):139-142.