基于排水模型的公园海绵城市改造效果评估

李德师，郑承军，张 晔，温子宁，任俊雯

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

海绵城市建设能有效缓解城市内涝积水、初期雨水污染、水环境污染等问题，近年来已成为市政行业发展的热点之一，排水模型应用于海绵城市建设效果评估已成为行业趋势。从国家到地方也发文或出台一系列的政策标准来支撑排水模型在海绵城市建设评估中的应用，例如《国家海绵城市建设试点绩效考核指标》中要求利用模型评估年径流总量控制率是否达标，GB/T 51345—2018海绵城市建设评价标准中规定“应采用模型模拟法进行评价，模拟计算排水分区的年径流总量控制率”，广州市也出台了《广州市海绵城市建设模型应用技术导则(暂行)》，其包含了海绵模拟的推荐方法以及应用评价。

然而目前大部分从业者只关注排水模型软件的使用，对其中的模型计算原理的理解不足，导致模型应用过程可能会存在结果偏差，不利于行业模型应用水平的提高。排水模型中Infoworks ICM是目前应用最广泛的软件之一，其以SWMM模型内核为计算原理，在利用ICM软件进行LID建模的相关文献中，鲜有研究者关注模型的计算原理，大多数文献未对LID设施建模方法进行详细阐述，导致从业者建模时无相关研究参考，不利于行业模型应用水平的提高。

本文阐述Infoworks ICM软件中LID设施的模拟方法，并举例分析LID模拟过程可能存在的误差，探究LID模拟方法中应注意的问题，为相关的LID设施建模项目提供参考借鉴，提高从业者对模型原理的理解。

1 研究区域概况

本文研究区域为汕头市一座公园，用地面积约9.1 hm2，分为南北两个功能片区，公园绿化面积为6.4 hm2，绿化率70.3%，现公园增设海绵设施，雨水经海绵设施消纳后经公园内部的雨水管网转输，最终排至周边市政雨水管。

公园改造前下垫面类型包含建筑、普通绿化和普通铺装三种，现拟增设下凹式绿地、植草沟、生态停车场、透水园路和雨水花园五种海绵设施。根据《汕头市海绵城市建设专项规划(2017—2030)》，研究区域目标年径流总量控制率为70%，年径流污染削减率42%。海绵设施增设前后的下垫面分布情况如图1所示。

2 排水模型海绵模拟方法

2.1 两种模拟方法原理

在ICM软件用户手册中，未见LID建模方法可能存在的误差说明，不利于从业者深刻掌握模型计算原理，对于得到的结果也难以判定合理性。因此有必要总结LID模拟方法，为相关工程项目提供参考借鉴。排水模型中通过将LID设施加入到子汇水区当中实现LID的模拟，在阐述LID设施的模拟方法之前，需要先了解子汇水区径流演算的原理。

ICM软件的海绵模块提供了SWMM模拟方法，SWMM模型中，子汇水区分为透水面积A1、有洼地蓄水的不透水面积A2、无洼地蓄水的不透水面积A3三种[1]，在模型计算时，子汇水区将被分割成上述三个面积。添加LID设施后，LID设施将会占据原子汇水区等量的非LID面积，子汇水区将被重新分割成四个子面积，各子面积的不渗透面积比和宽度两个参数将进行调整，其中宽度将按比例减小[2]，假设子汇水区面积为W，其中有W1面积的用地被改造成LID设施，原A1子面积的宽度为K，原子汇水区无洼地蓄水的不渗透面积比例为Z，则4种面积的属性见表1，添加LID前后子汇水区参数调整见图2。

表1 子汇水区重新分割后宽度调整

SWMM模型为每一个子汇水区提供三个子面积演算选项，分别为outlet,impervious和pervious，这三种面积演算选项的定义见表2。

表2 子汇水区面积演算选项含义

本文选择SWMM模块进行LID模拟，有两种方式实现LID设施的模拟，一是在汇水区内添加LID设施，取代子汇水区内等量的非LID面积；二是整个汇水区当做一种LID设施。文献[3]通过不同面积演算选项的排列组合验证得出，第一种LID模拟方法需要重新分割子汇水区，将导致子汇水区集合属性发生改变，从而引发水文过程的变化，因此无法定量分析LID设施本身对水文过程的影响。第二种LID模拟方法不会导致子汇水区的重新分割，但需保证添加LID前后子汇水区各物理拓扑属性相同。现有关于ICM建模的文献中，鲜见工程师关于LID建模方法选择的阐述，基本上未注意到第一种LID模拟方法带来的误差。

2.2 LID模拟误差分析

为直观说明由于子汇水区重新分割造成水文过程的变化，以一块面积为1 hm2的子汇水区A为例，不透水面积比例70%，无洼地蓄水的不渗透面积比例25%，按照SWMM产汇流原理，该子汇水区分成A1,A2和A3三个子面积，假设透水面积A1中的0.2 hm2用于建设LID设施，子汇水区重新分割前后的属性见表3，子面积演算采用outlet方式。

根据汕头市暴雨强度公式(1)(重现期P=10 a)，降雨场景采用芝加哥雨型生成设计降雨过程线，取雨峰位置0.4，降雨历时2 h。

(1)

其中，q为暴雨强度公式，L/(s·hm2);t为降雨历时，min。

表3 添加LID设施前后汇水区属性

按照SWMM模型中子汇水区等效分割的原理，利用SWMM模型构建两个方案，方案一为未添加LID设施的子汇水区分割方式，即包含A1,A2和A3三个子面积；方案二为按照添加LID设施后的子汇水区分割方式，但实际上为添加LID设施，即包含ALID,A1,A2和A3四个子面积。两个方案模拟结果的差值即由于子汇水区分割带来水文过程的变化，其中峰值流量选择汇水区出口管道J1的峰值流量(见图3)。两种方案模拟结果的比较见表4。

表4 两种方案模拟结果的比较

由表4可知，在设计降雨条件下，利用SWMM排水模型进行LID模拟时，如果LID设施不占据整个子汇水区的话，模型本身的产汇流计算原理将重新分割子汇水区，导致子汇水区属性的变化，由此带来水文过程的变化，和LID设施本身共同叠加影响水文过程，造成LID模拟误差，工程师无法定量分析仅LID设施的削峰减流效果。实际建模过程中，降雨数据的不同，每个子汇水区产汇流特性各异，又给LID模拟误差增加了诸多不确定性。因此建议有条件的情况下优先采用LID设施占据整个子汇水区的方法开展海绵城市建模，以尽量减小建模过程的误差。

3 ICM模型构建

本文采用Infoworks ICM模型作为评估模型，该模型包含排水管网水力模型、河道水力模型和二维城市/流域洪涝淹没模型[4]。本文涉及的是排水管网水力模型，其中的水文模块产流计算，不透水地面采用固定比例径流模型，透水地面采用Horton模型，汇流计算采用SWMM径流模型；管道水力计算采用动态波模型。

3.1 降雨数据

收集到汕头市2007年—2016年的实测日降雨数据，文献[5]中指出，一般而言，降雨数据的步长越长，雨峰将在一定程度上被拉平，使得土壤偏向持续饱和，下渗量减小，进而产生的径流量偏大，故在没办法收集到步长较小的降雨数据前提下，采用日降雨数据来评估海绵城市建设效果得到的年径流总量控制率结果会偏保守，在忽略模型误差的前提下，实际海绵建设效果比模型评估结果更良好。采用文献[6]中的方法确定降雨典型年。最终选择2016年降雨作为本文分析的典型年降雨，2016年实测降雨数据如图4所示。

3.2 管网及LID设施数据

管网和LID设施数据通过整理项目设计图和施工图得到，概化后的雨水管共200条，总长3.2 km。LID设施中下凹式绿地0.4 hm2、植草沟0.3 hm2、生态停车场0.1 hm2、透水园路0.1 hm2，雨水花园0.1 hm2。

本文的研究区域面积不大，为了定量分析LID设施本身对项目场地内的水文过程的影响，选择第二种LID模拟方法，单个LID设施即为一个子汇水区，通过设计及地形资料掌握场地内径流组织路径，合理划分子汇水区，厘清LID设施的排水出路。下垫面的产汇流参数见表5。

表5 下垫面产汇流参数

4 模拟结果分析

模型建立后评估年径流总量控制率和污染削减率，以汕头市典型年降雨(2016年，2 318 mm)作为降雨的输入条件，以SS为评判指标判定增设LID设施后面源污染控制效果。模拟得到公园改造前后年径流总量控制率和污染削减率结果见表6,表7。

表6 改造前后年径流总量控制效果

表7 改造前后SS控制效果

由此可见，增设LID设施后能有效控制外排径流总量及SS出流，最大峰值流量下降了49%，降低了排水管网的压力，有效提高排水管网排水能力，满足《汕头市海绵城市建设专项规划(2017—2030)》中年径流总量控制率70%和污染削减率42%的要求。

5 结论

1)模型法能量化评估海绵城市建设效果，反映添加LID设施后水文效应的变化情况，是未来海绵效果评估的趋势。从业者不仅需要掌握相关模型软件的使用，还应了解模型模拟的原理。

2)以SWMM模型LID模块为例，向子汇水区添加LID设施时，LID设施未占据全部子汇水区面积会使得子汇水区重新分割，由此带来的模拟误差会与LID设施本身引起的水文效应变化叠加，工程师无法定量分析LID设施本身的水文效应；LID设施全部占据子汇水区面积时不会造成子汇水区的分割，但需保持子汇水区物理拓扑属性不变。

3)当研究区域面积较小时，应尽可能选择LID设施全部占据子汇水区面积的方式进行模拟，模型从业者应提高对模型原理的认识，了解到误差来源后才可能推动后续模型的改进，以提高LID模拟准确度。

4)有条件区域还应安装监测设备，利用采集的监测数据来率定排水模型，以提高模型的精度，为海绵城市项目建设效果量化考核提供依据。