汇流路径对SWMM模型水量模拟结果的影响

传统的雨水排水系统规划设计一般采用合理化公式法，该方法基于降雨-径流面积线性增长，径流系数保持不变，最大流量发生在全部汇水面积产生雨水径流刚好到达排口时刻，并以该时刻流量作为管道设计流量[1]。对于雨水径流在场地内汇流路径对计算结果的影响考虑不足，导致计算结果与雨水径流实际流量过程存在较大误差。在雨水径流产汇流过程中，汇流路径直接影响区域水文特征。因此，在海绵城市、防洪排涝工程建设中，汇流路径的规划、设计十分关键。海绵城市建设中“蓄、滞、渗、净、用、排”的实现与雨水径流汇流路径密切相关。合理的汇流路径设计可实现源头雨水径流水量和水质的有效控制，此外，在排涝规划中汇流路径设计也是大排水通道构建的重要内容。

汇流路径对水文控制效果的影响主要是其改变雨水径流在不同下垫面与雨水管道间的传输路径，促进雨水在传输过程中下渗、调蓄、滞留、净化等。Shuster等[2]发现，不透水面积对流域水文有重要影响，不透水面积的增加缩短了降雨峰值与径流峰值的时间间隔，导致雨水径流外排总量和峰值流量增加；胡作鹏等[3]通过SWMM模型模拟了低影响开发措施对雨水径流的控制效果，发现无论单一或组合LID措施，对雨水径流均有削减、调控效果，通过措施组合能够实现径流控制效果的优化；赵冬泉等[4]通过研究子汇水区的划分对SWMM模拟结果的影响发现，各子汇水区之间汇流路径对模型模拟结果具有较大影响，在划分汇水区时应考虑子汇水区之间的汇流路径的影响，应使汇水区的径流特征更加符合实际过程，以保证模型模拟结果能更加准确地反映汇水区的汇流过程；宫永伟等[5]通过雨水断接对城市雨洪控制效果的影响研究发现，不同设计重现期降雨条件下，只采取雨落管断接对雨水径流总量削减率为10.4%～14.4%，而结合滞蓄设施进行综合断接时，雨水径流总量削减率为41.5%～78.8%。由此可见，雨水断接具有较好的雨水径流总量削减效果。断接是实现汇流路径改变的一种方式，在场地设计中，应因地制宜地采用多种汇流路径方式，综合考虑汇流路径和场内低影响开发设施的衔接关系，形成不透水区域与透水区域间汇流路径的良性“处理链”，以缓解城市开发过程中由于不透水区域面积增加带来的不利水文影响，场地开发对汇流路径的影响如图1所示。随着城市暴雨径流模型在城市规划设计中应用越来越广泛[6-8]，亟需开展汇流路径对模拟效果影响方面的研究，以期为未来汇流路径的设计及雨水控制与利用设施效果量化、评估等提供支撑。

1 汇流路径对雨水径流控制效果影响机理

雨水径流的汇流路径直接影响城市水文过程，而在传统城市场地开发过程中，汇流路径的设计尚未引起足够重视，导致来自建筑、道路、绿地等下垫面的径流通过雨水口进入雨水管道，快速地传输排入下游河道。随着城市不透水面积的增加，雨水径流外排总量及峰值流量也急速增加。充分考虑雨水径流汇流路径，可有效延缓场地内不同下垫面雨水径流进入雨水管道的时间，使雨水径流在场地不同下垫面之间形成“微循环”，增加雨水的下渗、调蓄、滞留、净化。当有低影响开发设施的情况下，汇流路径对雨水径流总量和峰值流量削减效果将进一步提高，汇流路径对雨水径流控制效果的影响原理如图2所示。

2 案例分析

2.1 区域概况

模拟汇水区域总面积约为104 m2，模型输入时将研究区域划分为10 m×10 m网格，单个网格面积为100 m2，总网格数100个，区域内主要包括建筑、道路、绿地3种典型下垫面。下垫面中建筑用地占比约为48%，道路用地占比约为20%，绿地占比约为32%，详见表1。

2.2 场地模型概化

根据场地内地形高程特点及排水管道布置，将场地概化为100个子流域、5段管道、5个检查井和1个排放口，其中LID设施以雨水花园形式体现，仅在绿地内设置，LID占比为LID设施面积占绿地总面积的比例。无汇流路径时，各子流域降雨径流通过就近原则排入临近检查井，有汇流路径时，建筑屋面雨水径流先进入绿地及LID设施后排入检查井(图3)。

2.3 模拟情景设置

模拟过程中采用不同重现期，对不同LID设施占比、有无汇流路径的场地分别进行模拟分析。因此，根据降雨重现期、汇流路径、LID设施占比设置不同模拟情形，分别对场地中0%LID设施、5%LID设施、10%LID设施、20%LID设施、30%LID设施、50%LID设置6种LID设施占比的雨水系统，模拟了3，5，10年一遇重现期下是否考虑汇流路径对雨水径流水量控制效果的影响。

2.4 模拟参数设置

本研究采用SWMM模型，24 h设计降雨雨型采用设计暴雨强度计算公式和同频率放大法推求，选取其中最大3 h的雨型分配过程，从而构建出步长为5 min，总历时为3 h的设计降雨过程。北京市中心城区3年一遇重现期最大3 h雨量分配过程的降雨总量为72.04 mm，最大5 min雨强为10.59 mm，5年重现期最大3 h雨量分配过程的降雨总量为83.16 mm，最大5 min雨强为12.22 mm，10年重现期最大3 h雨量分配过程的降雨总量为98.17 mm，最大5 min雨强为14.43 mm。采用Horton下渗模型，下渗参数采用在北京市方庄、亦庄区域实际监测数据率定后的参数[8](最大下渗速率为76 mm/h，最小下渗速率为20 mm/h，衰减系数为2.3)，LID设施采用雨水花园，调蓄水深为15 cm，曼宁系数为0.15，坡度为0.01，植被容量为0.1，土壤层高度为50 cm，孔隙率为0.3，计算采用动力波。

2.5 结果与分析

1)3年一遇重现期模拟结果。

3年一遇重现期下，0%、50%LID设施占比以及是否考虑汇流路径对雨水径流控制效果的影响见图5。可知:考虑汇流路径时雨水径流峰值流量和外排总量均明显低于未考虑汇流路径时的值，同时，考虑汇流路径时峰值时间也明显延迟(约8 min)。各种情形下雨水径流峰值流量及外排总量详见表2。可知:不考虑汇流路径时，LID设施占比由0%增加到50%时，管道出水口峰值流量从0.237 m3/s降低至0.228 m3/s，峰值削减率为3.80%，外排总量从492 m3降低至475 m3，外排总量削减率为3.46%。因此，不考虑汇流路径时LID设施对雨水径流外排总量和峰值流量削减效果不明显。考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%时，峰值流量从0.130 m3/s降低至0.088 m3/s，峰值削减率为32.31%，外排总量从437 m3降低至349 m3，外排总量削减率为20.14%，考虑汇流路径后，峰值流量和外排总量削减效果均明显增加。因此，汇流路径对LID设施雨水径流控制效果具有显著影响。

2)5年一遇重现期模拟结果。

5年一遇重现期0%和50%LID设施条件下，不考虑汇流路径和考虑汇流路径时管道出水口流量过程线如图6所示。图中径流曲线与其3年一遇条件下变化趋势基本相同，考虑汇流路径时，峰值时间也明显延迟(约7 min)。各种情形下雨水径流峰值流量及外排总量模拟结果详见表3。可知：不考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%，峰值流量从0.274 m3/s降低至0.264 m3/s，峰值削减率为3.65%，外排总量从582 m3降低至558 m3，外排总量削减率为4.12%。考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%时，峰值流量从0.163 m3/s降低至0.110 m3/s，峰值削减率为32.52%，外排总量由541 m3降低至453 m3，外排总量削减率为16.27%。因此，考虑汇流路径时雨水径流外排总量和峰值流量削减效果显著增加，即LID设施在考虑汇流路径时才能充分发挥作用。

3)10年一遇重现期模拟结果。

10年一遇重现期0%和50%LID设施条件下，不考虑汇流路径和考虑汇流路径时管道出水口流量过程线如图7所示。图中径流过程线与3年和5年一遇重现期条件下变化趋势基本一致，考虑汇流路径时峰值时间也明显延迟(约5 min)。各种情形下雨水径流峰值流量及外排总量模拟结果详见表4。可知：不考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%时，峰值流量从0.338 m3/s降低至0.326 m3/s，峰值削减率为3.55%，外排总量从717 m3降低至677 m3，外排总量削减率为5.58%。考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%时，峰值流量从0.208 m3/s降低至0.140 m3/s，峰值削减率为32.69%，外排总量从686 m3降低至596 m3，外排总量削减率为13.12%，因此，考虑汇流路径条件下仍具有较高的雨水径流总量和峰值流量削减效果。

通过3，5，10年一遇重现期模拟结果综合比较可知：当不考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%时，与无LID设施时相比，3，5，10年一遇重现期条件下，峰值削减率分别为3.8%、3.65%、3.55%，外排总量削减率分别为3.46%、4.12%、5.58%。峰值流量削减和外排总量削减效果均不明显，且峰值削减率随着重现期增加而降低，总量削减率随着重现期增加而增加，说明低重现期时LID设施尚未充分发挥作用。当考虑汇流路径时，LID设施占比从0%增加到50%，与无LID设施相比，3，5，10年一遇重现期条件下，峰值流量削减率分别为32.32%、32.52%、32.69%，外排总量削减率分别为20.14%、16.27%、13.12%。雨水径流峰值流量和外排总量削减效果均较好，外排总量削减效果随着重现期增加而降低，说明LID设施在低重现期时对外排总量的削减已充分发挥作用。

4)汇流路径对雨水径流外排总量削减效果的影响。

不同重现期条件下考虑汇流路径时雨水径流外排总量削减率计算结果见图8。可知：相同重现期条件下，考虑汇流路径时，雨水径流外排总量削减率随着场地内LID设施占比增加而增加，LID设施占比从0%增加到50%，考虑汇流路径时，外排总量削减率在3，5，10年一遇重现期条件下变化范围分别为11.18%～26.53%、7.04%～18.82%、4.32%～11.96%。由此可见，考虑汇流路径时对雨水径流外排总量削减效果较好，且随着重现期的增加，削减率降低。

5)汇流路径对雨水径流峰值流量削减效果的影响。

不同重现期条件下考虑汇流路径时雨水径流峰值流量削减率计算结果见图9。可知：相同重现期下，考虑汇流路径时，峰值流量削减率随着场地内LID设施的占比增加而增加。LID设施占比由0%增加到50%，峰值削减率在3，5，10年一遇重现期条件下变化范围分别为45.15%～61.40%、40.51%～58.33%、38.46%～57.00%，可见汇流路径对峰值流量削减效果较好。LID设施占比不变条件下，随着重现期的增加，峰值流量削减率逐渐降低，但与雨水径流外排总量削减率相比，考虑汇流路径时，不同重现期条件下峰值削减均保持较好的效果。

3 结论

1)是否考虑汇流路径对SWMM模型水量模拟结果有重要影响，在本研究中不同重现期下，与不考虑汇流路径相比，考虑汇流路径时雨水径流外排总量削减率为4.32%～26.53%，峰值削减率为38.46%～61.40%。当场地中有LID设施时，LID占比越高，汇流路径对雨水径流控制效果影响越大。合理设计汇流路径能够有效提升低影响开发设施对雨水径流的控制效果。

2)与雨水径流总量相比，汇流路径对峰值流量的影响更大，随着重现期增加，汇流路径对外排总量的影响逐渐降低，但对雨水径流峰值流量的影响依然显著，本研究中总量削减率最低时为4.32%，峰值削减率最低时为38.46%。考虑汇流路径时峰值时间会延迟，延迟时间随着降雨重现期的增加而降低。

3)随着重现期的增加，在合理的汇流路径下，LID设施仍具有较高的峰值削减效果。因此，通过汇流路径优化设计，可提高LID设施对雨水径流峰值控制效果。

[1] 任伯帜, 邓仁建. 城市地表雨水汇流特性及计算方法分析 [J]. 中国给水排水, 2006, 22(14): 39-42.

[2] SHUSTER W D, BONTA J, THURSTON H, et al. Impacts of impervious surface on watershed hydrology: a review [J]. Urban Water Journal, 2005, 2(4): 263-275.

[3] 胡作鹏, 刘志强, 彭森, 等. 低影响开发(LID)雨水径流控制效果模拟 [J]. 环境工程学报, 2016, 10(7): 3956-3960.

[4] 赵冬泉, 陈吉宁, 佟庆远, 等. 子汇水区的划分对SWMM模拟结果的影响研究 [J]. 环境保护, 2008, (8): 56-59.

[5] 官永伟, 宋瑞宁, 戚海军, 等. 雨水断接对城市雨洪控制的效果研究 [J]. 给水排水, 2014, 40(1): 135-138.

[6] 王晓霞, 徐宗学. 城市雨洪模拟模型的研究进展[C]∥中国水利学会2008学术年会论文集(下册), 2008.

[7] 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.

[8] 宋磊, 杜龙刚, 黄涛, 等. 基于管道流量监测数据的城市雨洪模型实用性研究 [J]. 水文, 2019, 39(3): 22-28.

汇流路径对SWMM模型水量模拟结果的影响

0 引言

1 汇流路径对雨水径流控制效果影响机理

2 案例分析

2.1 区域概况

2.2 场地模型概化

2.3 模拟情景设置

2.4 模拟参数设置

2.5 结果与分析

3 结论

EFFECT OF RUNOFF FLOW PATH ON WATER QUANTITY CONTROL EVALUATION BY SWMM MODEL

汇流路径对SWMM模型水量模拟结果的影响

0 引 言

1 汇流路径对雨水径流控制效果影响机理

2 案例分析

2.1 区域概况

2.2 场地模型概化

2.3 模拟情景设置

2.4 模拟参数设置

2.5 结果与分析

3 结 论

EFFECT OF RUNOFF FLOW PATH ON WATER QUANTITY CONTROL EVALUATION BY SWMM MODEL

0 引言

3 结论