基于SWMM模型的海绵城市径流量控制有效评估方法.pdf

0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袁 促使雨水资源能够就近被净化和循环使用袁建立 SWMM渊暴雨洪水管理模型冤模型袁将其利用到雨水资源净化系统中袁并在水资源缺少时起到补充的作用遥 近年来袁在实际建设发展过程中袁 各城市对海绵城市理念存在很多管理和认识上的误区袁 同时还存在对海绵城市径流量控制掌握不好的问题1遥为了实现对径流量控制效果的有效评测袁在传统的实验研究方法中袁 一般采用监测法和模拟联合法遥 监测法虽然能够较为直观地反映数据袁但在系统性综合监测以及全面性上仍有缺陷袁 对未达标的地区无法实现原因排查2遥 而模拟联合法虽然集合了监测法和模型法的优点袁 但是在一些特定地区的取值上仍然无法达到精度要求3遥针对上述问题袁 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遥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袁 本文选取广东中山市某区域进行研究遥 在连续降雨的情况下袁地表径流汇总量会逐渐增大袁 尤其是随着城市化水平的提高袁路面硬化程度提高袁地表的径流会在短时间内迅速变大袁同时袁受季风尧台风影响袁研究区雨量充沛袁多年平均降雨量为 1 197mm袁年际变化较大袁年内分布也不均匀遥 降雨主要集中在 3要7 月梅雨季节和 4要10 月台风雨季节袁 约占全年降雨量的80%4遥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袁 方便进行模拟分析袁本文选用一种 SWMM 模型袁这种模型在模拟城市单一或长期降水事件中袁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袁模拟每个子流域的径流量和径流水质尧流量尧水深等咱文章编号暂 1009-2846 渊2023冤 09-0037-05第 09 期渊总第 496 期冤吉林水利圆园圆3 年 09 月咱收稿日期暂 2023-05-19咱作者简介暂 殷从焱渊1993-冤袁男袁回族袁安徽安庆人袁硕士袁研究方向为水文水资源遥基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制有效评估方法殷从焱渊广东建科创新技术研究院有限公司袁广东中山528400冤咱摘要暂 当前袁 我国海绵城市管理出现诸多问题袁 传统的流量控制方法袁 难以科学有效的实现流量控制分析袁使其流量出现评估不准确的情况遥 为了解决上述问题袁 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袁 该方法引入 SWMM 模型袁 实现实时跟踪模拟袁 确定 SWMM 模型在城市排水系统中的组成结构遥SWMM 模型主要由水文模块尧 水质模块尧 水力模块三个部分组成袁 分别对地面径流量和污染物累积进行计算袁并得到水力模块的连续性方程遥 同时袁 也考虑到路面工程建设的改建尧 生物滞留设施尧 雨水花园尧 透水铺装几个方面对雨水径流关系的影响袁 对多个角度进行控制评估遥 实验结果表明袁 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袁 针对连续降雨天气进行分析袁 海绵城市径流量提高了 40%以上袁对于保证城市维稳和运营有着显著的效果遥咱关键词暂 SWMM 模型曰 海绵城市曰 城市径流量曰 径流量控制曰 效果评估咱中图分类号暂 P 334+.92咱文献标识码暂 A37-许多因素5遥SWMM 模型在城市排水系统中的组成结构如图 1 所示院根据图 1 可知袁这一模型主要包括雨量计尧汇水区尧排水管道尧管网节点尧出水口尧分流器尧蓄水池尧堰等多个部分袁其中最重要的是前五个部分遥该模型下的 LID 调控能够实现以下类型的调控模拟院渊1冤雨水花园尧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遥渊2冤 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遥渊3冤 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遥渊4冤 雨水桶等容器能够在下雨的时候储存一定的径流袁在晴天的时候释放这些存储的水量遥渊5冤在地势低洼的地带往往植被茂密袁在低地势的情况下更能够很好地储存雨水袁 使地表径流流速减缓遥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尧水质模块尧水力模块三个部分袁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遥水文模块主要由雨量计算机尧 各区域汇水面积尧含水层尧LID 控制等组成遥其工作原理主要是通过对单位时间内降雨尧积雪尧融雪尧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袁 利用 LID 模拟的方式和对滞留的雨量径流进行模拟袁 实现模拟研究某个区域地表径流雨水汇总过程遥 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遥 地面径流量计算公式为院rs=渊i-e冤-fp渊i-e跃fp冤渊1冤其中袁rs为计算得到的地面径流量曰i 表示在这一时刻降雨量曰e 表示在降雨后雨水的蒸发量曰fp表示降雨渗透在地面的雨水量7遥水质模块主要负责记录污染物和土地利用类型遥 利用水质模块辨别污染物类别尧雨水中的污染物浓度情况袁 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遥 在模拟过程中袁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尧冲刷尧运输和处理的过程8遥 在干旱过程时使用幂函数和指数函数计算并表示袁 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遥 污染物累积方式计算公式如下院B=C1渊1-e-c2t冤渊2冤其中袁B 表示得到的累积污染物曰C1表示在累积过程中最大的污染量袁 使用的单位为 kg/hm2曰C2表示累积过程的速率常数曰t 表示工作过程花费的时间袁单位为 min9遥水力模块主要负责对径流状况进行模拟袁记录水泵等设施中的流动情况遥 在该模块中袁采用三种模拟演算方法院一是恒定流演算袁这个计算方法较为简单袁需假定每个时段的流动都是均匀的曰二是运动波演算袁 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袁 通过方程组计算来模拟管道内蓄水尧汇水尧入流以及出流损失尧逆流和损失流等数据曰三是动态波演算袁这一计算时间较长袁主要由连续方程组构成遥 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遥水力模块的连续性方程计算公式为院兹Q鄣t+兹A鄣t=0渊3冤其中袁Q 表示水流量曰A 表示水流在流转过程形成的断面面积袁 单位为 m2曰t 表示工作过程花费的时间袁单位为 min遥1.2模型参数设定由于 SWMM 模型对精度的要求较高袁因此袁水文尧水质尧水力模块受自然环境和地理条件的限制较大袁有些参数的精度无法做到完全精确袁对所获吉林水利基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制有效评估方法殷从焱圆园圆3 年 09 月图 1SWMM 模型在城市排水系统中的组成结构节点 2节点 3节点 1节点 5管渠 2管渠 1管渠 3管渠 5管渠 4管渠 7管渠 6排放口 1排放口 2泵站蓄水单元分流器38-时间/天污染物浓度渊mol/L冤104.58204.23303.96403.51503.22时间/天污染物浓度渊mol/L冤103.98203.54303.10402.74502.55采用透水路面后的污染物浓度表 1采用雨水花园后的污染物浓度表 2得的数据结果影响较大袁所以在模拟过程中袁要对不合格数据进行严格校正袁 提高本次所构建模型的可信度11遥参数设置基本原则如下院 在取值范围内对于不确定的参数取一个值袁 将该值运行到模拟模型中袁得到的数值可以作为最终取值遥 本文中可以选取某一参数袁记录为 X渊i冤袁在 X渊i冤的取值范围内通过百分比进行分析袁从而得到模型输出值 Y渊i冤袁最终参考数据计算公式为院U=咱Y渊i+1冤-Y渊i冤暂/Y渊0冤渊4冤其中袁U 为得到的最终参考数据遥校准过程中袁可以采用优化法袁通过比较自变量和因变量的相关关系袁实现参数的校准袁同时引入下降单纯形法袁 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袁 提高所获得参数的校准效率遥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尧水质监测尧以及模拟地表径流三方面进行评估遥2.1降雨径流监测在降雨流量搜集过程中袁 选用的雨量计的规格为院测量口径 200mm袁测量范围为 0要4mm/min袁最小分度为 0.1mm遥通过对三个月的径流量进行记录袁分析得出该区域单次降雨趋于单峰型遥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遥 排放出口流量采用的计算公式为院q=vt渊5冤其中袁v 表示指定时间内流出的体积曰t 表示出流体积指定时间曰q 表示排放出口流量遥路面径流量采用的计算公式为院q忆=zs渊6冤其中袁q忆表示路面径流量曰z 表示路面径流流速曰s 为路面径流断面面积遥2.2水质监测城市径流中污染物来源主要有降水尧 地表以及排水系统遥 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遥在研究中袁本文需对比两个区域排放口的水质监测结果袁监测指标主要包括氨氮尧磷尧总氨尧有机碳尧固体总量等袁采用比色法对氨氮含量进行测量袁采用分光光度法对总氨含量进行测算遥通过对比监测结果袁发现经过海绵城市改造后的区域总氨氮尧磷尧悬浮固体总量的平均浓度有所下降袁该区域的雨水水质得到明显改善遥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袁本文分别采用透水路面尧雨水花园尧生物滞留单元三种设施袁用原水对不同的设施的地表进行冲刷袁模拟地表降雨情况袁保证三种设施在原水冲刷时间尧流速尧容量上保持一致遥七天后对三种设施进行结果对比袁得到的实验结果如下表所示遥实验结果发现袁三种设施在影响城市径流总量上都起到一定的作用袁对雨水中的污染物降解情况也有所作用袁海绵城市径流量提高了 40%以上遥 具体来说袁三者都能够有效改善径流水质袁其中袁雨水花园和生物滞留单元对总氮尧总磷尧氨氮含量的改善状况较好袁透水路面对固体悬浮物的改善情况较好遥3SWMM 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袁若想改善海绵城市的雨水径流袁需要对城市的市化建设给予足够的重视遥 在对海绵城市的建设过程中袁有许多因素制约了雨水径流遥 因此袁本文要考虑到城市吉林水利基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制有效评估方法殷从焱圆园圆3 年 09 月39-图 4雨水径流量与生物滞留系统关系图图 2研究区域概化图时间/天污染物浓度渊mol/L冤107.21205.99304.57403.28500.52采用生物滞留池后的污染物浓度表 3图 3路面改建后水流过程交通路面改建尧生物滞留设施尧雨水花园以及透水铺装几个方面对雨水径流的影响遥3.1研究区域概化基于 SWMM 模型的应用要求袁 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袁 共划分子汇水区 12 个袁 雨水管 10条袁检查井 8 个袁排出口 1 个袁调蓄水体 1 个遥 研究区域概化图见图 2遥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袁 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袁从而达到灌溉道路外侧绿地的目的遥 对于有坡度的地方袁无法利用上述方式袁就采用阻水型路缘石袁实现对地表径流的引导与汇集袁从而实现吸收雨水尧灌溉绿地的目的12遥路面改建后的水流过程如图 3 所示遥在雨水监控过程中袁 本文选取了便携式LS1206B 型旋桨式流速仪袁该测试仪在径流流量测定过程中具有良好的精确度袁 已被广泛应用于江河尧湖泊等的流速测量遥 通过改造后的城市建设设施袁在对其雨水径流进行监控袁利用 SWMM 模型在流量演算的应用袁可以计算得出径流总量袁分析得出经过路面改造后的地表径流明显变小遥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尧滞留以及净化袁在低洼地带得到了广泛的应用13遥在对生物滞留设施对雨水径流关系的影响计算中袁 本文采用 Box-Behnken 设计进一步对不同时期的汇流比尧淹没区高度等进行计算袁在不同水力负荷条件和不同植物配比条件下袁 生物滞留系统的雨水径流水文状况都呈现出指数增长袁 然后增幅逐渐变缓袁最后趋于稳定的过程遥 雨水径流量与生物滞留系统之间的关系如图 4 所示遥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遥 雨水湿地尧调节塘尧渗透塘等都属于雨水花园袁雨水花园能够吸收雨水袁并能够利用雨水花园的植被对雨水进行蓄积并净化14遥 雨水花园结构如图 5 所示遥吉林水利基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制有效评估方法殷从焱圆园圆3 年 09 月2Y-2H10Y-2HMJ1MJ6MJ9MJ2J11G10G1J1MJ3MJ5MJ8MJ10MJ11MJ12MJ7MJ4G6G2G7G3G4G11G12G13X1J2J7J8J3J9J4J6J5石厝路新城中中路路场城道大钟洪3.02.52.01.51.00.50.00.020.040.060.080.100.120.140.160.18运行时间/t40-图 5雨水花园结构图 6透水铺装透水性能示意图观察图 5 可知袁雨水花园结构包括休息平台尧板石铺装尧空心砖景墙尧生物滞留池尧缝隙花园尧晖氧石尧枯树花池尧涂鸦墙等结构遥 对雨水花园降水量进行记录袁 得到平均降雨强度和平均降雨量的值遥 对改造后的雨水花园汇水区域的水文特征研究发现袁 雨水花园可以在短时间内迅速吸纳暴雨径流量袁此外袁还可以对径流中的污染物起到很好的净化作用15遥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袁根据路面结构袁在保证安全性的前提下袁使用透水材料或半透水材料来铺设路面袁 这种材料往往由具有一定级配的粗骨料尧 少量或无细骨料以及胶凝材料尧掺合料等经过特殊工序加工制作而成遥 透水铺装透水性能如图 6 所示遥根据图 6 可知袁 雨水下渗过程主要包括基质入渗和大孔隙入渗两部分遥 因透水层所铺设的材料较多袁在一定程度上可以保留所沉积的水分袁提高径流量遥4结语本文通过基于 SWMM 模型下的水文软件设计袁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袁对径流控制效果评估袁对水质和降雨径流进行监测袁在监测结果基础之上进行仿真现实模拟袁实验结果发现袁基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制评估方法袁具有极大的发展前景袁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袁能够为城市的可持续发展带来新的增长潜力和发展生机遥 阴参考文献院1刘家宏袁丁相毅袁邵薇薇袁等.不同水文年型海绵城市径流总量控制率特征研究J.水利学报袁2019袁50渊9冤院1072-1077.2郭效琛袁赵冬泉袁辛克刚袁等.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.给水排水袁2020袁046渊1冤院57-63援3郭效琛袁杜鹏飞袁辛克刚袁等.基于监测与模拟的海绵城市典型项目效果评估J.中国给水排水袁2019渊11冤院130-134.4徐多.基于 SWMM 的海绵校园径流控制效果评估要要要以萍乡市北星小学为例J.水利水电技术袁2019袁50渊7冤院32-39.5印定坤袁陈正侠袁杨萌祺袁等.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.环境工程袁2020袁38渊4冤院154-160.6宋剑英袁王建龙袁赵梦圆袁等.海绵城市建设促渗保泉方案及其效果评估要要要以济南市海绵城市建设试点区为例 J.水利水电技术袁2019袁50渊5冤院23-29.7罗英杰袁张娜袁李琪袁等.基于 SWMM 的地表径流量与城市下垫面和降雨特征关系的空间分析要要要以中国科学院大学雁栖湖校区为例J.中国科学院大学学报袁2020渊1冤院27-38.8俞茜袁李娜袁王杉袁等.低影响开发设施的综合效益评估指标体系研究J.水力发电学报袁2020袁39渊12冤院96-105.9杨默远袁潘兴瑶袁刘洪禄袁等.考虑场次降雨年际变化特征的年径流总量控制率准确核算 J.水利学报袁2019袁50 渊12冤院1510-1517袁1528.10毛旭辉袁许鲁萍袁刘哲袁等.基于 LID-BMPs 的历史文化区降雨径流管理方案及模拟评估J.环境工程袁2020袁38渊4冤院161-166.11陈垚袁何智伟袁张琦袁等.基于水文控制目标的中小尺度海绵城市改造方案评价J.水资源保护袁2019袁035渊6冤院1-8袁144.12顾正强袁龚强袁晁华袁等.辽宁省海绵城市建设中年径流总量控制率分区及其分布差异研究J.气象与环境学报袁2019袁35渊1冤院59-65.13贺靖雄袁李翠梅袁程桂袁等.海绵城市雨水花园水文水质过程模拟J.水电能源科学袁2019袁37渊4冤院15-18.14朱梅袁何君涛袁黎江少袁等.海绵城市建设中源头减排控制指标研究要要要以三亚市某新建小区为例J.建筑节能袁2020袁48渊5冤院133-138.15康宏志袁陈亮袁郭祺忠袁等.海绵城市建设地下水补给计算研究进展J.地学前缘袁2019袁26渊6冤院58-65.吉林水利基于 SWMM 模型的海绵城市径流量控制有效评估方法殷从焱圆园圆3 年 09 月面层保护层透水混凝土面层透水混凝土基层碎石垫层素土夯实41-