基于SWMM模型的透水路面径流削减效果评估

来源：论文查重 时间：2019-12-18 22:15:08

摘要通过SwMM模型对南京市丁家庄燕春路及周边地块进行建模分析，应用实测的透水路面各层厚度与渗透系数等相 关资料，对场地的降雨径流进行模拟，从而评估透水路面在不同降雨重现期下的径流削减效果。模拟结果显示，不同暴雨重 现期下，透水路面对峰值流量的削减率在31．o％左右，对径流系数的削减率在34．3％左右。模拟结果可为透水路面的实际应 用提供参考。
关键词 海绵城市 透水路面swMM径流削减
随着我国城市建设的飞速发展，城市原本的自 然环境发生了巨大的改变。原有的天然土壤和植被 不断被建筑物及不透水地面所取代，极大地降低了 原有地面的渗透性¨1，雨水难以直接通过土壤渗入 地下，对排水管网造成了较大压力，导致城市内涝事 件频繁发生。对此，习近平总书记于2013年12月 在中央城镇化工作会议的讲话中强调要“建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”，此后中共 中央、国务院出台了多项“海绵城市”相关政策，海 绵城市建设逐渐成为国家战略。
建设海绵城市，就是要实现雨水“渗、滞、蓄、 净、用、排”的生态化循环，通过改造城市下垫面条 件，实现以上六大功能。在国际上，海绵城市被称为 “低影响开发(10w impact development，LID)雨水系统 构建”。作为一种重要的uD技术，透水路面可以使 大部分天然降水渗入地下，能够有效地缓解城市排水 系统的泄洪压力，可对降水进行收集、净化和利用。
目前，在对透水路面等LID设施进行效果评估 时，常用雨洪管理模型(sto瑚water management model，swMM)进行建模分析。通过swMM模型对海绵城市改造效果进行模拟分析，可以科学地预测 改造后的径流控制效果嵋J。但目前，人们对swMM 中透水路面的各层厚度、孔隙率等相关参数多采用 用户手册∞1的推荐值或经验值，较少使用工程实际 资料，对具体方案的影响评价作用有限。本研究以 南京市丁家庄燕春路海绵道路为例，采用前期收集 的场地资料与制备的透水路面材料，使用SwMM模 型，对设计透水路面采用模型模拟的方法进行效果 评估。
1基础数据与研究方法
1．1场地基本资料
研究场地为南京市丁家庄燕春路(寅春路一燕 尧路，燕丹路一燕北路)及周边地块，道路全长约 1 030 m，场地总面积约0．154 km2。研究区域采用 分流制排水系统，雨水通过雨水管就近排人丁家庄 沟与北十里长沟。场地中部地势低洼，易发生内涝。 设计透水路面结构为土基+15 cm透水混凝土基层+ 8 cm透水混凝土面层，路面的设计参考2014年发 布的《海绵城市建设技术指南》HJ，路面结构如图1 所示。

1．2 降雨数据
降雨数据选用芝加哥雨型，采用南京市暴雨强 度公式。

本研究采用2、5、10、50年重现期，降雨历时为 120 IIlin。累计降雨分别为59．81、75．72、87．76、 115．71 mm，设计雨峰出现在r=0．475的位置。不同重现期降雨过程线如图2所示。

1．3研究方法
SWMM模型主要有三大功能：水文模拟、水力 模拟、水质模拟，本研究主要侧重对水文和水力进行 模拟。水文模拟主要用于处理城市小流域径流产生 的各种水文过程，水力模拟可以用来模拟径流和外 来水流在排水管道等中的流动。
(1)对于水文模拟中的下渗过程，SwMM模型 提供了3种方式：霍顿方程、格林一安普特方程与径 流曲线数值法"J。研究区域在长时间降雨过程中， 雨水下渗速率随着时间的变化符合霍顿方程模型， 因此，本研究选用霍顿方程对雨水下渗进行模拟。
(2)对于水力模拟中汇流计算，SWMM模型也 提供了3种方式：恒定流法、运动波法与动力波 法。对于本案例采用的钢筋混凝土雨水管道，采 用动力波法能够更好地模拟管网中的水流情况，因 此，本研究选用动力波法对水力过程进行模拟。
2 SWMM模型构建
2．1 子汇水区划分与管网设定
本研究旨在对研究区域进行模拟，并分析透水 路面的径流控制效果。因此，子汇水区参照雨水管 网的汇水分区进行划分，最终将研究区域划分为11 个子汇水区。研究区域的节点管网设定参照实际燕 春路雨水排水管网敷设，共有66个普通节点、3个 排放口节点与66条雨水管线。最终的分区情况如 图3所示。

2．2研究区域参数设定
模型模拟中需要设定的参数包括水文参数、水 力参数等。本研究基本参数设定参照研究区域道路 及雨水管网施工图纸，部分参数采用经验值和推荐 值。经验值主要参照蔡雨亭等_6 o对南京市鼓楼区部分地块的研究与唐瑭‘71对南京市建邺区秦新名 邸住宅区的研究中相关参数的设定，推荐值采用 SwMM用户手册‘31中的平均值，相关参数设定能较 好地模拟研究区域降雨情况。参数的具体设定如表1所示。

2．3透水路面参数设定
SwMM模型中，透水路面参数在水文模拟LID 设施子模块中进行设定。本研究根据透水路面设计 结构进行参数设定，如表2所示。

3模拟结果分析
将设计透水路面应用于研究区域模拟中，与不 透水路面的情况相比，各重现期下节点深度减小、积 水点个数均明显减少、积水时长也明显缩短，内涝情 况得到了明显缓解。研究区域的径流随时问变化曲 线如图4所示。

由图4可知，设计透水路面在不同重现期下对 研究区域的径流均有一定的控制效果，可以削减峰 值流量，也可以减小径流总量，但对峰值流量的延迟 作用不明显，与周易等。2 o的模拟结果相符。造成这 一结果的原因，可能是透水路面延缓峰值流量到来 时问较短，为5～10 min_8J，这一时问在为期4 h的 径流模拟中不明显。
设计透水路面对峰值流量有一定的削减效果， 研究区域应用透水路面后，5年一遇的峰值流量不 超过传统路面2年一遇的峰值流量，10年一遇的峰 值流量不超过传统路面5年一遇的峰值流量，甚至 50年一遇的峰值流量不超过传统路面10年一遇的 峰值流量，这与汤伟真等。9o的研究结果相符。不同 暴雨重现期下峰值流量平均削减率为31．00％，且 随着暴雨重现期的增大略微上升，这可能是因为随 着暴雨强度增大，峰值流量增大，通过透水路面下渗 的降雨量也增多。峰值流量及其削减率与重现期的 关系如图5所示。

设计透水路面对降低径流总量也有一定的效果。研究区域径流系数平均削减率为34．29％，且 随着暴雨重现期的增加略微下降。目前的研究均表 明，随着暴雨强度的增大，透水路面的径流削减率会 下降，这可能是因为随着暴雨强度的增大，路面的水 力压力增大，透水路面的蓄水作用发挥不充 分心，8，10]。径流系数及其削减率与重现期的关系如 图6所示。

4 结语
通过对南京市丁家庄燕春路及其周边地块进行 建模研究，分析设计透水路面的径流控制效果，主要 有以下结论。
(1)设计透水路面对径流总量与峰值流量的控制均有一定的效果，但对峰值流量的延迟效果不 明显。
(2)设计透水路面的峰值流量削减率随着暴雨 强度的增大略微增大，而径流系数削减率随着暴雨 强度的增大略微减小。
(3)单一透水路面对径流控制效果有限，实际 应用中可以加人雨水花园、生物滞留池等其他LID 设施。
(4)通过swMM模型对设计透水路面的水文 效果进行评估，为实际应用提供参考。
在今后的研究中可以通过细化子汇水分区，并 通过现场实测优化模型参数，从而得到更为精确的 模拟结果。

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