基于SWMM的海绵城市LID措施量化评价方法

技术领域

本发明涉及雨水管理技术，具体涉及一种基于暴雨管理模型(以下简称SWMM)的海绵城市LID措施量化评价方法。

背景技术

目前，我国大多数城市的雨水排水系统依照传统雨水排水设计方法建造。传统的城市 雨水排水设计多采用快速排出雨水的方式，在短期内保证了城市雨水排水系统安全。但是， 随着城市化水平的提高，城市不透水面积比例逐年增加，传统设计方式下的重现期水平已 不能满足现代城市的雨水排水需求。尤其是特大暴雨发生时，对短时间内汇集的大量雨水， 缺乏有效的、及时的排水方式是造成城市排水系统瘫痪和内涝的根本原因。近年来，随着 极端天气多发频发，我国许多城市频繁遭遇强暴雨袭击，引发严重的城市内涝，出现“逢雨 必涝，遇涝则瘫”的现象。北京、天津、上海、重庆、南京、武汉、长沙、西安、杭州等大城市暴雨积涝成灾的报道屡见不鲜。另外，对于我国这种淡水匮乏的国家，特别是我国的华北地区，淡水资源十分宝贵，但雨水这种污染轻，水量大的水资源的利用率却很低，每 年北京市平均产生20亿立方米的雨水，但雨水利用率不到10％，雨水资源的流失无疑是一 种巨大的浪费。还有，雨水对地面的快速冲刷和排放又会为区域水环境带来严重的面源污 染问题。

低影响开发(Low Impact Development，LID)这一术语最常用于新西兰和北美地区。“Low Impact Development”这个术语的首次出现是在1977年Barlow等人编写的美国佛蒙特州土 地利用规划报告中。该报告将LID描述为一种通过“自然设计”来试图尽量减少雨水管理成 本的方法。现有研究多关注LID措施单体的性能研究，缺少与设计要素，例如措施设计规 模，建设成本的关联。其次，部分研究从重现设计场景的角度出发，研究设计方案能达到 的控制程度。鲜有研究从设计目标出发，通过优化设计计算直接给出在满足预期设计目标 的情况下，LID措施的设计规模和建设成本。因此，为了将LID理念更好的融入城市区域 雨水管理系统，需要从LID规划设计出发，针对LID措施的雨水管理性能和城市区域特征建立一套可供设计工作者参考的优化设计体系。

现有暴雨管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)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。当前版本SWMM 5.0，提供了编辑研究区域输入数据，执行水文、水力和水质模拟，并以各种格式浏览结果的集成环境，可对生物滞留网格、透水路面、渗渠、雨水桶和草洼共计5种LID措施进行模拟。

目前针对LID性能量化评价主要采用的降雨环境有以下两种：采用年径流总量控制率 和单场次降雨径流控制率。在我国颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系 统构建(试用)》和地方发布的区域性海绵城市建设技术指南中对北京、天津、厦门等地 区的年径流总量控制率提出了明确的要求。LID措施的性能需要在一定的降雨环境中体现。 降雨模型中的降雨强度，降雨历时，洪峰位置等均会对LID措施的水文性能产生影响。因 此，需要一种加入降雨模型的LID措施的性能量化指标，从而在城市设计规划中能够通过 水文分析布置适量的LID设施，使LID设施与海绵城市建设相适配，既不出现设计效果超出预计，即LID措施的建设规模大于控制目标所需要的建设规模，从而增加建设成本，也 不会出现设计结果不能满足预期目标的情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于暴雨管理模型(SWMM)的海绵城市LID措施量化评价方法。本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种基于SWMM的海绵城市LID措施量化评价方法，包括：

所述SWMM模型包括雨量计模块，地表模块，地下水模块，运移模块；

步骤1：利用SWMM模型构建不渗透性为100％的上游区域，获得上游区域的不透水区域面积，以及构建LID措施作为下游区域获取下游区域的LID措施面积，所述LID措施 包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶；

获得不透水区域面积比例：

步骤2：采用雨量计模块以秒为时间间隔模拟降雨事件，调整获得的不透水区域面积比 例在0-100％的区间内按5％的涨幅变动，执行模拟，得出配有各类LID措施的汇水区域在 各类降雨事件下，对应不同不透水区域面积比例的开发前的径流系数；

步骤3：通过Matlab对不透水面积比例进行插值计算，以开发前径流系数为插值点， 得出相对应的不透水区域面积比例，计为可控制不透水比例；随后，获取有效承载系数(Effective Load Factor，ELF)：

式中，ELF表示有效承载系数；R

步骤4：当所述LID措施在对应降雨事件中的有效承载系数小于1时，说明所述LID措施无法有效控制上游区域的来水；依次在雨量计模块中设计降雨重现期，降雨历时，洪峰位置为变量分析比较各类LID措施的有效承载系数。

进一步的，在步骤4中，当以降雨重现期为变量，其他条件不变时：

1.对于生物滞留池和植草沟，当降雨重现期增加，降雨历时一定时，有效承载系数值 随降雨重现期的增加而降低；

2.对于透水路面，当重现期为5年时，有效承载系数等于1，这说明此时的透水路面只能将自身接收的雨水径流量控制在预期目标中，不能额外接收周围汇入的地表径流；当降雨重现期逐步增加时，透水路面对应的有效承载系数呈现不规则的变化，重现期为50年时有效控制范围最大，5年时最小；

3.对于绿色屋顶，在重现期为1年和5年，不存在外部径流进入的情况下依然不能满 足设计控制目标；在重现期为50年时，绿色屋顶可以有效控制周边小范围汇入的地表径流。

进一步的，在步骤4中，当以降雨历时为变量，其他条件不变时：

1.降雨重现期相同时，根据芝加哥雨型模型随着降雨历时的增加，降雨强度增强；对 于生物滞留池，虽然降雨强度的增强使得不透水区域单位面积的径流量增加，但是降雨历 时的延长降低了单位时间的降雨强度，使得长降雨历时情况下的有效承载系数大于短降雨 历时；

2.对于植草沟，降雨历时的延长使得降雨强度增加的同时，也减少了植草沟对周围汇 水区域的有效控制范围。

对于透水路面和绿屋顶，分别在其能有效发挥作用的设计降雨事件中，降雨历时的延 长对有效承载系数的影响有限。其中，在重现期为1年和50年时，降雨历时的变化分别对 透水路面和绿屋顶的有效承载系数值影响不大。

进一步的，所述步骤1中“构建LID措施作为下游区域”中包括录入所述LID措施参数， 所述措施参数包括表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

首先，提出一种既包括径流控制能力，又兼顾预设径流控制目标和措施径流有效控制 范围的量化指标体系；

其次，建立研究区域下垫面地理信息系统分析模型，进行径流流向、汇流等水文分析；

再次，在建立的量化指标体系和水文分析结果基础上加入措施建设运行等成本因素， 建立优化设计方案。

附图说明

图1是本发明所述的基于SWMM的海绵城市LID措施量化评价方法流程图；

图2示出实施例中在设计降雨事件中生物滞留池有效承载系数；

图3示出实施例中在设计降雨事件中植草沟有效承载系数

图4示出实施例中在设计降雨事件中透水路面有效承载系数

图5示出实施例中在设计降雨事件中绿色屋顶有效承载系数。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合 本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于SWMM的海绵城市LID措施量化评价方法，其中所述SWMM 模型包括雨量计模块，地表模块，地下水模块，运移模块。具体步骤如下：

步骤1：利用SWMM模型构建不渗透性为100％的上游区域，获得上游区域的不透水区域面积，以及构建LID措施作为下游区域获取下游区域的LID措施面积，所述LID措施 包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶；所述“构建LID措施”包括录入所述LID 措施参数，包括表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数。

其中，所述表面层的模拟参数包括蓄水深度，植被覆盖率，表面粗糙系数，和表面坡 度；其中所述蓄水深度是指LID措施的地表洼地蓄水高度，所述植被覆盖率是指蓄水区具 有植被的区域分数，所述表面粗糙系数是指透水路面和植草沟采用地表漫流的曼宁系数， 其他LID措施为0，所述表面坡度是指透水路面和植草沟的坡度百分比。

所述路面层的模拟参数包括厚度，孔隙比，不透水面积比，渗透性，堵塞因子；其中， 所述厚度是指路面层的厚度，典型值为100到150mm；所述不透水面积比是指模块系统的 不渗透铺砌材料与总面积比值；连续多孔路面系统为0；所述渗透性是指用于连续系统中混 凝土或者沥青的渗透性，或者用于模块系统中填料的导水率；所述堵塞因子是指为完全堵 塞路面时的路面层孔隙径流容积数，忽略堵塞时使用数值0。堵塞急剧降低了直接正比于径 流累积容积的路面渗透性。

所述土壤层的模拟参数包括厚度，孔隙率，产水能力，枯竭点，导水率，导水率坡度， 吸水头；其中，所述厚度是指土壤层的厚度。典型竖直范围，雨水花园、街道植物园和其他类型基于土地的生物滞留单元，从450到900mm；对于绿色屋顶为75到150mm；所述 孔隙率是指相对于土壤总容积的孔隙容积(分数)，所述产水能力是指相对于土壤允许完 全排干之后总容积的孔隙水容积分数，所述枯竭点是指相对于良好排干仅仅具有结合水土 壤总容积的孔隙水容积分数，土壤含湿量不能够低于该极限值；所述导水率是指完全饱和 土壤的导水率(mm/hr)，所述导水率坡度是指导水率与土壤含湿量曲线的坡度(无量纲)； 典型数值范围，砂子为5，粉质粘土为15，所述吸水头是指土壤毛细吸水沿着湿润锋县的 平均数值(mm)。

所述蓄水层的模拟参数包括高度，孔隙比，过滤速率，堵塞因子；其中，所述高度是指它是雨桶的高度或者砂砾层的厚度。碎石和砂砾层厚度一般为150到450mm，家庭雨桶 高度范围从600到900mm；

所述孔隙比是指相对于层中固体容积的孔隙容积。砂砾的典型数值从0.5到0.75；

所述过滤速率是指在首次建造之后，可以流过层底的水的最大速率(mm/hr)。砂砾的 典型数值为250到750mm/hr；所述堵塞因子是指完全堵塞需要的总径流容积除以层的孔隙 容积。忽略堵塞时使用数值0。

所述暗渠的模拟参数包括排水系数，偏移高度和排水滞后时间；其中，所述排水系数 是确定通过暗渠的流量系数C和指数n，作为排水渠高度之上蓄水高度的函数。所述偏移高 度是任何暗渠管道在蓄水层底之上或者雨桶的高度(mm)。和所述排水滞后时间雨水桶排 水前必须经过的旱季小时数。

获得不透水区域面积比例：

步骤2：采用雨量计模块以秒为时间间隔模拟降雨事件，调整获得的不透水区域面积比 例在0-100％的区间内按5％的涨幅变动，执行模拟，得出配有各类LID措施的汇水区域在 各类降雨事件下，对应不同不透水区域面积比例的开发前的径流系数；

步骤3：通过Matlab对不透水面积比例进行拉格朗日(Lagrange)插值公式进行插值计 算，利用公式如下：

f(a

式中，a

表1可控制不透水比例表

注：“-”表示LID措施只接收降落在措施范围的降雨(上游地表径流量为0)时，区域径流系数不能达到开发前径流系数。

以开发前径流系数为插值点，得出相对应的不透水区域面积比例，计为可控制不透水 比例；随后，获取有效承载系数ELF：

式中，ELF表示有效承载系数；R

表2 LID措施的ELF表

根据表2中不同设计降雨事件对应四类LID措施的有效承载系数数值可知：相同降雨 事件中，不同LID措施的有效承载系数不同；相同LID措施在不同降雨事件中的有效承载系数不同。

步骤4：当所述LID措施在对应降雨事件中的有效承载系数小于1时，说明所述LID措施无法有效控制上游区域的来水；依次在雨量计模块中设计降雨重现期，降雨历时，洪峰位置为变量分析比较各类LID措施的有效承载系数。

如图2-5示出实施例中在设计降雨事件中四类LID措施的有效承载系数。其中，横坐 标为设计重现期和设计降雨历时；纵坐标为有效承载系数；当缺失立柱时代表对应设计降 雨条件下该LID措施无法有效承接上游汇水区来水。依次以设计降雨重现期，设计降雨历 时，设计洪峰位置为变量分析各类LID措施有效承载系数的变化规律；在以相同设计降雨 事件为背景，比较不同措施之间有效承载系数的差异。

当以降雨重现期为变量，其他条件不变时：

1.对于生物滞留池和植草沟，当降雨重现期增加，降雨历时一定时，有效承载系数值 随降雨重现期的增加而降低；

2.对于透水路面，当重现期为5年时，有效承载系数等于1，这说明此时的透水路面只能将自身接收的雨水径流量控制在预期目标中，不能额外接收周围汇入的地表径流；当降雨重现期逐步增加时，透水路面对应的有效承载系数呈现不规则的变化，重现期为50年时有效控制范围最大，5年时最小；

3.对于绿色屋顶，在重现期为1年和5年，不存在外部径流进入的情况下依然不能满 足设计控制目标；在重现期为50年时，绿色屋顶可以有效控制周边小范围汇入的地表径流。

当以降雨历时为变量，其他条件不变时：

1.降雨重现期相同时，根据芝加哥雨型模型随着降雨历时的增加，降雨强度增强；对 于生物滞留池，虽然降雨强度的增强使得不透水区域单位面积的径流量增加，但是降雨历 时的延长降低了单位时间的降雨强度，使得长降雨历时情况下的有效承载系数大于短降雨 历时；

2.对于植草沟，降雨历时的延长使得降雨强度增加的同时，也减少了植草沟对周围汇 水区域的有效控制范围。

对于透水路面和绿屋顶，分别在其能有效发挥作用的设计降雨事件中，降雨历时的延 长对有效承载系数的影响有限。其中，在重现期为1年和50年时，降雨历时的变化分别对 透水路面和绿屋顶的有效承载系数值影响不大。

以洪峰位置为变量，其他条件不变时：

1.对于生物滞留池，随着洪峰越早到来有效承载系数有一定的增加，但是增加有限。 此外，随着降雨重现期的增长，洪峰位置的影响进一步减弱。

2.对于透水路面、植草沟和绿屋顶，洪峰位置对它们的有效承载系数几乎没有影响。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参 照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等 同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案 的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本 发明所要求保护的范围。