城市雨洪管理视野下SWMM评价现状及发展趋势分析.pdf

安徽建筑中图分类号：TU992.0文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0089-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0311海绵城市的建设背景及建设意义海绵城市又可以称为“低影响开发（LID）”，是我国解决城市水环境问题时所提出的城市雨洪综合管理概念。在雨水丰沛的时候，城市通过各项绿色基础设施，吸水、蓄水然后进行渗透以及净化；在城市缺水以及需要水的时候将这些水再进行释放。“海绵”是一种景观格局，它符合我国可持续发展的绿色发展政策。构建“海绵城市”最有效、最集约的途径就是建立以绿色、生态、可持续发展为发展方向的水生态基础设施。随着我国城市化的迅猛发展，城市内涝事件时有发生。以往雨洪管理系统的缺点更加显露，将雨水通过市政排水管道汇集到河流中，大量雨水资源未能得到高效利用，还会引发一系列水生态环境问题。住建部在2014年明确提出了海绵城市的构想，自构想提出到发展至今，海绵城市蓬勃发展1。国内对于海绵城市的研究相对起步较晚，对雨洪绩效评价等方面的研究相对较少。本文将采用SWMM模型对雨洪评价方法进行阐述，通常用于模拟单次短历时降雨事件、长期水文事件的径流和水质问题，可帮助规划、设计、评估城市排水设施，分析评价城市面源污染、雨洪管理措施，广泛适用于城市雨洪模拟、LID 措施效果分析、水质分析等研究方向。2国内外研究现状2.1国外研究现状西方国家对雨水管理的实践相对较早，大致可分为排捞蓄洪阶段、雨水污染的集中治理以及雨水可持续管理三个时期。排涝蓄洪阶段19 世纪早期通过建设管渠工程收集雨水、污水，通过管道运输到邻近的地面，迅速排放雨水，避免内涝的产生。点源污染治理阶段在1960年以后，工业革命带动了经济的快速发展，城市开始迅速的扩张，硬质率上升，环境污染越发严重，早期的仅通过管道进行雨洪排放已经满足不了城市发展的需要。为此西方进行了“点源”污染的治理，将雨水高速有效地排离城市，进行集中处理。雨水可持续管理阶段1990年代，低影响开发理念开始形成，首先在美国的普林斯乔治县开始实施低影响开发建设。LID技术经过近20年的发展丰富，已经成为现今西方许多发达国家普遍的城市内雨水综合管理措施。2.2国内研究现状国内对于雨洪管理的研究起步较晚，相对应的对于 SWMM 的研究起步也较晚，SWMM 包括对各种参数的敏感性分析、自动率定、以及与 GIS 进行耦合等多方面，为 SWMM 今后的发展以及完善奠定了理论基础。以CNKI文献搜索引擎为基础，选取雨洪管理为关键词进行期刊文献检索，限定条件为中文文献，共检索出1590篇文献，利用知网文献可视化功能对所检索文献进行分析。我国雨洪管理相对于国外来说起步较晚，1992年发文量仅1篇，篇名为 北京市雨洪利用可行性分析；2017年发文量为212篇，占总发文量的 13.3%。国内的低影响开发研究起步较晚，大致可分为三个时期，上个世纪90年代末-2014年为起步发展阶段；2014-2020年为蓬勃发展阶段；2020年至今为稳步发展阶段。图1发文量可视化根据对文章主题的可视化分析，以海绵城市为主题的文献为351篇，占总发文量的 24.14；以雨洪管理为主题词 的 文 献 为 155 篇，占 发 文 量 的10.66。从内容方面来看，国内的雨洪研究主要分为海绵城市、雨洪管理以及绿色基础设施的研究。本文将阐述SWMM平价发展现状以及未来发展趋势。3基于SWMM雨洪现状评价方法城市雨洪管理视野下SWMM评价现状及发展趋势分析任玉洁，汤巧香（天津城建大学，天津300380）摘要：文章主要阐述海绵城市的发展背景、建设意义以及在城市雨洪管理过程中利用SWMM模型进行雨洪现状评价的方法，分析了目前利用SWMM进行雨洪评价的不足，并总结了城市雨洪管理视野下SWMM未来发展趋势，为今后的雨洪实践研究提供相应的理论依据。关键词：雨洪管理；现状评价；海绵城市；发展趋势作者简介：任玉洁（1998-），女，河北廊坊人，硕士就读于天津城建大学风景园林专业。专业方向：风景园林。图2文献主题词可视化图3SWMM5.2操作界面水 电 暖通技术与应用89安徽建筑3.1 SWMM模型概述在对城市雨水资源进行综合管理时，通常使用由美国环境保护署开发的SWMM 数值模型。SWMM 中提供了LID的相应模块，包括生物滞留设施、透水性路面、渗透沟渠、雨桶以及植草沟五种分散的雨水处理技术。SWMM 通过对研究区域内的水文的调蓄、渗透及蒸发等过程的模拟，实现对研究区域内径流量、流量、峰值及径流污染控制效果的模拟。SWMM 模型通用性良好，软件中用户自由度较高，可自行设置时间步长、时间间隔、土壤结构、管道结构、土地利用和过流能力，结果准确可靠2。SWMM 经过历代开发，己经具有相当完善的功能选项。可以将研究区域划分为规模更小的子汇水区，对子汇水区每时刻的降雨径流、洪峰流量进行模拟，对每一节点的积水深度、总进流量进行记录分析。3.2 SWMM模型构建3.2.1资料收集SWMM 的软件操作简单，前期需要准备的数据分为三类。实际数据，包括子汇水区面积、宽度、平均坡度以及不透水面积率。合成数据，包括降雨历时、暴雨强度以及雨型。参考数据，较为常见的有透水区曼宁系数以及入渗水模型的参数，这类主要通过相关文献以及SWMM模型手册获取。3.2.2研究区域概化（子汇水区概化）对研究区域进行子汇水区的划分主要有以下三种方法。根据前期收集到的研究区域排水管网布置图，结合区域内建筑物以及主要道路的分布，由人工绘制子汇水区。该方法工作量大，适用于面积比较小且排水管布置简单的研究区域。利用 GIS 进行子汇水区的概化，采用泰森多边形划分法，可以通过区域内节点的布置划分子汇水区，这种方法节省了人工绘制的时间，更加省时省力，该方法对数据的完整度要求较高，准确度低于人工绘制的方法。将两者相结合的方法，当研究区域过大时，可以先利用人工划分较大的子汇水区，然后结合GIS进行进一步的子汇水区细化3。3.2.3基本参数设置首先是降雨雨型确认，目前国际上通常使用芝加哥雨型进行模拟降雨，这种模型降雨过程比较简单，容易操作且与实际最接近，芝加哥雨型在城市雨洪模拟的研究中被广泛运用。还包括均匀雨型、Huff雨型、三角雨型等。其次是设置研究区域的暴雨强度公式，暴雨强度指的是在研究区域面积内特定时间的历时降水体积，单位是L/（Shm2），短历时降雨的设计在 SWMM 模型中降雨数据资料非常重要，通常设计降雨历时一般在120180min之间。3.3研究区域雨洪绩效评估内容3.3.1研究区域雨水管网排水能力评估通过对研究区域的降雨设计，可以得到不同重现期下的出水口径流数据，为了继续研究区域的排水能力，通过不同重现期下的管段超载个数和节点溢流个数对研究区域内涝情况进行评价。3.3.2研究区域的积水评估根据住建部发布的 城镇内涝防治技术规范（GB 51222-2017），轻微积水、轻微内涝、严重内涝是城市积水的三个等级4。通过对研究区域进行设计降雨对比设计节点、积水深度和城市内涝评价标准对研究区域进行雨洪评价。3.4 SWMM中的LID模块SWMM 中的 LID 模块包括了五种分散的雨水处理技术：生物滞留、渗透铺装、渗透沟渠、雨罐以及植被浅沟。通过模型模拟多种水文过程，包括调蓄、渗透及蒸发。结合水力模块以及水质模块，用以模拟各项技术措施对研究场地的作用效果。3.4.1生物滞留池生物滞留池从外观看是具有一定规则形状的下凹式景观空间，通常由池壁以及池内平缓的纵坡组成，并在池中种植丰富的植物，起到对雨水径流水质净化和总量控制的作用，可以有效补充该区域的地下水以及减少地表的径流，降低管道的排放压力。3.4.2渗透铺装透水铺装被广泛应用在城市道路、广场或停车场等，在增加雨水下渗方面效果显著。透水铺装在海绵城市建设过程中应用广泛，在改善生态方面效果显著。3.4.3渗透沟渠渗透渠主要用于雨水的滞留和渗透，外形一般是拱形，在侧面设计较大的渗透条缝，有利于雨水的快速分散。在城市停车场、住宅区附近以及工业区内等可以布置渗透沟渠。3.4.4雨水罐雨水罐，可以储藏天然雨水，再利用回马桶、洗衣房以及室外水龙头。有些国外的社区安装雨水罐缓解缺水问题。3.4.5植被浅沟植被浅沟指在地面的明沟中种植一些植被，通过植被以及土壤的共同作用进行雨水截流以及过滤。通常布置在城市道路旁以及面积较大的、不透水区域周边。4SWMM发展趋势研究4.1 SWMM局限性SWMM发展至今，虽然功能众多，但在解决实际问题中仍存在一些不足。图4生物滞留池剖面（图片来源：作者自绘）图5渗透铺装结构（图片来源：作者自绘）图6雨水罐（图片来源：网络）图7澳大利亚哈塞特公园雨水设计（图片来源：网络）水 电 暖通技术与应用90安徽建筑就模型本身来说，并不能完全复刻重现，还具有很多局限性，对水动力模拟存在不足，例如没有地表下水体的水文、水质的分析模拟，研究区域的蒸发模拟等。缺乏耦合研究，例如地表径流和地下部分管网排水的数据交换。我国部分城市及乡村地区的下垫面数据、管网数据相对较难获取，当其中有部分数据缺失时，很难进行模型设置运行，影响实际问题的解决5。4.2 SWMM未来发展趋势当今的 SWMM 发展仍有很多不足，为今后的 SWMM 的发展以及研究提供了方向。丰富SWMM模拟功能。包括地表下的水质分析模块、泥沙沉积模块和生物过程模块、土地分析模块。地表与地下的耦合模拟。通过地表径流与地下管网之间的数据交换，耦合模拟水动力模型，用以计算出内涝的淹没深度。增加无完整数据地区的算法模拟。在SWMM中如何用不完善数据建立研究区域雨水管理综合模型。多种技术的的耦合实践。例如，利用遥感卫星获取研究区域的地表覆盖类型及其分布面积，把 SWMM 模型与GIS 技术相结合，实现对研究区域的的高精度、高效率的模拟分析。参考文献1王超.低影响开发在海绵城市建设中的意义分析J.居舍,2021(09):4-5+30.2任婕,田康宁.基于CiteSpace的中美雨洪管理研究进展比较J.绿色建筑,2021,13(01):43-47.3孙健.基于 SWMM 模型城市雨洪管理研究D.福州大学,2018.4何宁,冷如梦,吴力红,等.基于SWMM的城市片区雨洪模拟及 LID 效果评价J.宜春学院学报,2021,43(12):96-102.节点的耗能能力，充分发挥材料性能。2.3骨架曲线及延性对比如图 9所示，为不同翼缘宽厚比下节点模型的荷载-位移骨架曲线，由骨架曲线图可知，在加载初期，节点模型CBJ-6-CBJ-12 的骨架曲线的初始斜率相同；当位移加载至19.5mm时，各节点模型开始进入弹塑性阶段；随着位移不断增大，承载力也逐渐增大，但承载力增长速度逐渐放缓，当达到承载力峰值后，进入平台段。本文采用作图法、等效能量法、Park法取平均值来计算在不同翼缘宽厚比的工况下各节点模型的承载力及延性系数，如表3所示。极限承载力和屈服荷载随翼缘宽厚比的增大而增大，节点延性系数受翼缘宽厚比的变化影响较小。2.4耗能能力图10不同工况下累积耗能曲线图 10为不同梁翼缘宽厚比工况下节点模型的累积耗能曲线。加载初期，模型变形处于弹性阶段，耗能较小；加载至 40mm 时，CBJ-10 和 CBJ-12 模型的能量累积逐级增大，相较于CBJ-6和CBJ-8 模型的耗能能力差距较大。因此，不同梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的耗能能力影响较大，且加载至大位移工况下耗能影响尤为明显。3结论本文建立了4个复式钢管混凝土柱与钢梁连接有限元模型，研究H型钢梁翼缘宽厚比对连接节点抗震性能的影响，研究结果如下。钢梁翼缘宽厚比对连接节点变形能力影响较大，提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力。随翼缘宽厚比的增加，极限承载力和屈服荷载逐级增大，复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点延性系数受翼缘宽厚比的变化影响较小。不同梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的耗能能力影响较大，且加载至大位移工况下耗能影响尤为明显。参考文献1马玉辉.双钢管管幕结构的抗弯刚度与自重特征分