基于SWMM模型的城市LID措施优选研究

王文川，陈 阳，康爱卿

(1.华北水利水电大学水利学院，郑州 4500462；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038)

随着福州城市化发展越来越迅速，植被的去除使得区域自然地貌和天然排水系统发生改变，导致区域不透水面积大幅度增加，再加上全球气候发生变化导致的极端暴雨事件增加，加剧了城市排水系统的压力[1- 2]，使福州市更容易遭受内涝风险。2015年8月8日，福州市受台风“苏迪罗”影响，城区共出现97处积涝点，受灾人数近48.66万人，造成了巨大的经济损失；2016年9月28日，受台风“鲇鱼”影响，全市普降暴雨，积涝点达40多处，部分路段积水深度超过30cm。日趋严峻的内涝问题已严重威胁到城镇居民财产及人身安全，可见加强城市暴雨内涝防治的研究十分紧迫。

目前解决城市内涝的工程性措施主要有管网改造和布设LID措施。李彦伟等[3]利用SWMM模型模拟排水系统现状，并提出了增大管径和改变节点高程两种措施缓解管道过载、减少溢流。刘冬梅等[4]通过管网改建多目标优化模型提出了管网改造方案，从而提升了管网排水能力、缓解城市内涝。武永新[5]等人研究了城区LID措施改造前后不同重现期降雨下的城市内涝情况；杨钢[6]等基于流域尺度雨洪模型，发现LID技术措施的组合布设对高频暴雨条件下的城市洪水的洪峰及洪量均具有较好的削减作用；周易[7]等研究了各重现期降雨情景下布设 LID 措施前后地表年径流总量的变化；潘文斌等[8]研究了组合和单个低影响措施对水质水量的削减效果。庞晶晶[9]探索模拟了不同暴雨重现期下城市防洪排涝水平，得出了不同暴雨重现期下易积水区域、积水时间、积水深度、积水面积以及管网承载力，并提出了缓解城区内涝的举措。以上研究均对管网改造和LID措施缓解内涝效果进行了较为系统的分析，从中可以看出，局部进行管网改造会使该节点的排水速度加快，从而导致下游节点积水量增加或下游非积水点转换为积水点，而仅布设LID措施虽然不会产生以上问题，但是费用高昂，因此本文对管网改造、LID组合方案应对城市内涝的能力进行研究、评价，以提高城市应对暴雨事件的能力。

本文通过SWMM模型，模拟了二十年一遇暴雨背景下城市内涝情况，根据模拟结果结合管网改造和LID措施提出了在二十年一遇暴雨背景下城市的改造方案，通过不同方案模拟了对城市洪涝的控制情况，并基于可变模糊优选决策理论模型对各方案进行优选，评价各方案应对暴雨事件的能力，以期为福州市城区防涝提供技术支持。

1 研究区概况

研究区为福州市某高密度居民区，总面积为11.48 ha。研究区属于亚热带海洋性气候，平均年降水量为900～2100mm，主要集中在5～9月，强降水频繁发生，占全年降水量的80%以上。研究区下垫面由不透水面积和透水面积组成，其中不透水面积主要由屋面、广场、停车场及道路等不透水面组成；透水面积主要由小区绿化组成。随着城市化发展导致不透水面积比例增大，加上自身防洪排涝体系没有及时更新，城市内涝时有发生。研究区位置如图1所示。

图1 研究区域

2 SWMM模型的构建

2.1 排水系统概化

研究区域的排水系统主要由众多检查井、排水管道等构成，沿城市主干道及建筑分布，管道内汇集的雨水直接就近排入河道。同时排水系统也担负着及时排除区域内雨水的任务，是城市排涝的关键因素。概化后排水管网节点78个、出水口6个、管段78条、管长为1.1～43.5m，管径为200～1200mm。

2.2 子汇水区划分

在本文中根据SWMM模型的应用要求，结合当地地形、土地利用类型等情况，将研究区概化为154个子汇水区，面积为0.002～0.67 ha。研究区平均坡度为2.73%。概化后的模型如图2所示。

图2 研究区检查井、排放口、管网及子汇水区分布

2.3 SWMM模型率定

对构建完成模型参数需进行参数率定，主要包括汇水区的产、汇流参数。本文利用两场降雨的检查井实测水位数据与模拟水位数据对模型进行率定。率定后的模型水位过程与实测水位过程如图3所示。从图3可以看出模拟水位过程与实测水位过程拟合度较好，率定后的模型可以应用于研究区的模拟分析。汇水区的产、汇流参数取值范围见表1。

图3 水位过程率定结果

参数名称取值范围子汇水区面积/ha0.002～0.67不透水百分比/%0～100特征宽度/m0.05～22.2平均坡度百分比/%0.07～14.7不透水地表曼宁系数0.01～0.24透水地表曼宁系数0.01～0.25不透水地表洼地蓄水深度/mm2～4透水地表洼地蓄水深度/mm2.5～4最大入渗速率/(mm/h)0～77.74最小入渗速率/(mm/h)0～24衰减常数/(1/h)0～37.5

3 城市改造方案设计与优选

3.1 城市改造方案设计

3.1.1现状管网分析

将降雨数据输入模型，模拟结果表明研究区内共有24处节点产生积水，主要由积水点下游管网排水能力不足引起，因此这些管网需要改造。如图4所示。研究中降雨事件采用重现期为20年的24小时设计暴雨，如图5所示。

图4 溢流点及管网改造分布图

图5 24h设计暴雨过程

3.1.2排水系统改造措施

管网改造是改善城市内涝的主要手段之一，通过管径扩建可以增加过水面积，从而提升系统排水能力。此外，LID措施对内涝防治也发挥着重要作用。LID措施布设要尽量减少不透水面积，延长径流路径，充分利用入渗能力以延长径流时间。通过王琼珊等[10]对不同类型的LID措施适用条件的研究，同时结合研究区特点，选出来雨水花园、绿色屋顶、透水铺装三种LID措施。为解决研究区内涝问题，需对现状排水系统进行适当改造。本文主要通过对管网管径提升和布设LID措施这两个方面来提升排水系统的排水能力。

3.1.3方案设计

通过LID措施与管网改造措施来提高城市应对内涝的能力，设定了5种方案，分别是(1)将积水点下游管道管径改造为0.5m；(2)对产生积水区域布设LID措施(LID措施占研究区总面积的11.3%)；(3)方案(1)与方案(2)结合；(4)对全局布设LID措施(LID措施占研究区总面积的32.5%)；(5)方案(1)与方案(4)结合。利用SWMM模型对以上方案进行模拟，并统计积水点数量、溢流总量、节点最大内涝历时、内涝开始延迟时间、洪峰消减率等信息。

3.2 基于可变模糊决策理论的方案优选

选取积水点数量、积水总量、节点最大内涝历时等为评价指标，使用可变模糊方案优选决策方法[11]对方案进行优选，具体计算步骤如下：

利用二次元比较法确定各个指标的“重要性”并排序，得到二次元比较矩阵为

(1)

式中，ekl仅在0、0.5、1中取值；ekl+elk=1；ekk=ell=0.5。

设n个方案的m个目标特征值矩阵为X(ij)，应对目标特征值进行规格化处理得到目标的相对优属度。

越大越优型：

rij=xij/maxxij

越小越优型：

rij=minxij/xij

式中，maxxij、minxij—全体方案第i个目标特征值的最大值和最小值；i=1，2…，m；j=1，2…，n。

由公式求出目标相对优属度矩阵

(2)

设目标的权重向量为W=(ω1，ω2…ωn)，满足∑ω=1，则方案j的相对优属度

(3)

式中，α—优化标准参数，p—距离参数。α的值取1和2时，分别表示最小一乘方准则和最小二乘方准则；p的值取2时，表示欧式距离。

4 结果分析

4.1 方案结果分析

选取积水点数量、积水总量、节点最大内涝历时、内涝开始延迟时间、洪峰消减率等控制指标分析不同方案的雨洪控制效果。

模拟结果表明，在未布设措施条件下，积水点数量、积水总量、节点最大内涝历时分别为24个、8.2×106L、15.8h。方案1至方案5与其相比分别使积水点数减少了10个、11个、15个、11个、16个，使积水总量分别消减了0.6×106L、1.3×106L、2.7×106L、2.8×106L、3.3×106L；使节点最大内涝历时分别减少了3h、2.1h、4.8h、2.3h、5h；内涝开始时间分别延迟了0.1h、1.5h、2.7h、1.7h、2.8h；洪峰消减率分别为0%、26%、26%、51%、51%；见表2。

可以看出5种方案对积水点数、内涝开始延迟时间、节点最大内涝历时、洪峰消减率以及积水量的控制均有调节效果。

(1)从积水点数来看，方案1到方案5均能够减少积水节点的数量，但是方案3、方案5效果较好，均使内涝点数减少50%以上。

(2)在内涝起始时间方面，方案3、方案5对内涝开始时间的延迟效果较为明显。通过对比可以看出，仅进行管网改造对内涝开始时间几乎没有延缓效果，仅布设LID可以延迟1.5-1.7h，而两种措施结合可以使内涝开始时间延迟2.7-2.8小时。

(3)从节点最大内涝历时来看，方案1、2、4效果相近，可以使积水时间减少了2-3h，方案3、5效果较好，均使积水时间减少了4.8h左右。

(4)对于积水总量，各方案均可以削减积水总量，其中方案5效果最好，消减率可以达到41.4%。在积水严重节点进行管网改造可能导致下游节点积水量增加，而与LID结合后可以缓解以上问题。如节点YS3273240017，布设方案1后积水量由0.017×106L增加到0.066×106L，布设方案3、方案5后积水消失。可以看出LID结合管网改造的组合方案对积水量具有最大的削减效果。

(5)对于洪峰消减率，仅进行管网改造对洪峰没有消减效果，仅布设LID对洪峰的消减率在26%左右，两种措施结合消减率可达到50%以上。

4.2 方案优选结果分析

在二十年一遇暴雨条件下，应用SWMM模型对5种方案进行模拟计算。以积水点数、积水总量、节点最大内涝历时、总溢流减少量、内涝开始延迟时间、费用、洪峰消减率作为各方案的评价指标，各指标如表2所示。应用可变模糊优选决策理论模型，分别计算出5种方案的相对优属度向量：

两种模型得出的方案相对优属度排序较为稳定，取两种模型得出的方案平均优属度向量为：

对优属度大小排序，得到：方案3>方案5>方案1>方案4>方案2，因此确定方案五为最优方案，其次为方案5，方案1，方案4，方案2。

表2 各方案积水情况及指标值

5 结论

本文模拟了二十年一遇暴雨背景下引起的小区内涝情况，并基于LID措施和管网改造措施提出了5种改造方案。主要结论如下：

(1)SWMM模型能够准确便捷模拟计算城市雨洪，根据计算结果显示，在不采取控制措施情况下，内涝点数、积水总量、节点最大内涝历时分别为24个、8.2×106L、15.8h。

(2)与其它方案相比，LID与管网改造组合方案(方案3、5)能更好的应对城市内涝问题。如与方案1、2、4相比方案3、5在对积水点数、内涝历时、洪峰消减率以及积水量的控制上均有更加明显的效果。

(3)在积水严重节点处进行管网改造能够减少内涝点数但也会导致下游节点积水量增加，而布设LID与管网改造组合方案后可以缓解以上问题。

(4)综合考虑了费用、积水点数、积水总量等因素，将可变模糊优选决策理论模型应用于城市改造方案优选中，得出方案1到方案5的相对优属度分别为0.650、0.599、0.720、0.649、0.718，即方案3为最优方案。因此，在积水严重节点处布设LID与管网改造组合方案是应对城市内涝的最有效方案。