基于SWMM-MIKE11的LID设施对区域水量水质控制

王 健，刘 畅，王新庆，李小龙，钱冬旭，陆敏博，杨小丽

(1.悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215123；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189)

1 研究背景

《中国水旱灾害公报》显示，2008—2018年我国每年大约有149座城市发生严重内涝。多数学者认为城镇化导致的下垫面硬化增加了暴雨内涝敏感性，破坏了原有的城市水文生态平衡[1- 2]。因此，海绵城市的理念应运而生，而LID(Low Impact Development，低影响开发)设施的构建是落实海绵城市建设理念、提高区域水量调控能力的关键举措[3]。

SWMM和MIKE11模型凭借其客观性和可视化的优点已成为区域海绵城市建设效果评估的重要工具。目前，SWMM被广泛应用于区域洪峰流量削减效果评估[4]、水质水量控制效果评估[5]、LID设施的成本效益研究[6]等方面。但SWMM无法模拟河道中污染物累积扩散及自净过程[7]，而MIKE11可用于模拟城市河道水环境变化过程，有效弥补了这一缺点[8]，SWMM和MIKE11模型耦合能够同时有效模拟评估区域与河道的水量水质控制效果，且具有较高的适用性和可靠性[9]。有研究者利用SWMM-MIKE11耦合模型评估管网系统排水能力和区域内涝风险[10]，但针对陆域面源污染对河道水质的冲击影响研究较少。同时，实际海绵城市建设过程中各地块LID设施都是按照各自服务面积的年径流总量控制要求单独设计，缺乏从区域年径流总量控制率的角度对水量控制效果进行整体评估和优化研究[11]。

因此，本文以南京海绵城市建设首批试点片区——丁家庄片区为研究对象，利用SWMM模拟不同设计降雨下的现有LID设施对区域水量控制，同时利用MIKE11模型模拟区域河道水质控制效果，并运用SWMM-MIKE11耦合模型优化LID设施建设方案，进而实现区域水量水质控制目标。

2 研究区域概况

(1)区域概况

研究区域位于南京市栖霞区迈燕片区丁家庄，面积约3.94km2。丁家庄片区目前已建设11条道路、5个公园绿地、20个小区公建等海绵项目，LID设施主要有透水铺装、下凹式绿地、旱溪等。片区排水体制为雨污分流制，其雨水管网的设计暴雨重现期为2～3年。

(2)水系现状

研究区域内包括一条主河(北十里长沟东支)，2条支河(丁家庄沟和柳塘沟)，2条支河均汇入主河，最后流入长江，如图1所示，各河道基本情况见表1。

图1 研究区域河道水系图

表1 研究区域各河道基本情况

(3)设计降雨特征

设计降雨反映了一个区域降雨变化规律，是城市雨洪管理工程和海绵设施建设的基本依据。本研究设计降雨量采用2014年修订的南京市暴雨强度公式(1)推求。综合考虑排水系统设计重现期和内涝防治设计重现期，本研究采用3、5、10、50a的设计降雨重现期，降雨强度随时间的变化过程由芝加哥雨型进行雨量分配的设计，雨峰位置系数r取0.4。

(1)

式中，q—设计暴雨强度，L/(s·ha)；P—设计降雨重现期，a；t—降雨历时，min。

3 模型构建

SWMM和MIKE11模型耦合能够同时有效模拟评估区域与河道的水量水质控制效果[12]，且具有较高的适用性和可靠性[13]。SWMM排口流量和污染物浓度结果可以作为点源的旁侧入流输入到MIKE11河网模型中，实现SWMM和MIKE11模型的耦合。

3.1 SWMM模型构建

3.1.1区域概化与参数初始化

在利用ARC GIS和CAD管网资料概化子汇水区的基础上，根据雨水管网走向和街道分布，研究区域共概化为198个子汇水分区、473个管段、458个节点和38个雨水排口，如图2所示。

参数初始化是模型能否顺利运行的关键，其直接影响模型计算结果的精度和可靠性。根据丁家庄片区海绵建设现状，选取生物滞留池、透水铺装、下凹式绿地、旱溪跌水等4种典型的LID设施进行建模。各LID设施的主要设计参数按照《南京市海绵城市规划建设技术基础图集》(2018)和SWMM用户手册进行取值，具体取值见表2。

3.1.2参数率定与模型验证

综合径流系数是衡量区域水量控制的综合指标，当研究区域缺乏实测流量和水位数据时，降雨径流模型可以通过综合径流系数来校准模型参数[14]。根据土地利用性质，将研究区域下垫面概化为屋面、路面和绿地，其径流系数参照GB 50014—2021《室外排水设计标准》进行取值[15]，将绿地径流系数定为0.15，屋面径流系数定为0.85，路面为0.60，经加权平均得到区域实际的综合径流系数为0.56。

图2 SWMM模型区域概化图

表2 LID设施的主要参数取值

根据GB 50318—2017《城市排水工程规划规范》要求，城市重要区域其设计降雨重现期一般为3～5年，0.56属于综合径流系数区间在0.45～0.6的城镇建筑较密集区，符合丁家庄片区目前的开发程度。因此，分别模拟计算降雨重现期为3a和5a下的综合径流系数，然后将模拟值与实际值比较，进行参数的率定和模型验证[16]。误差分析结果显示，3a和5a降雨情景相对误差分别为9.4%和5.7%。

根据城市排水系统模型应用规范，降雨模拟结果可接受的相对误差区间为(﹣20%，+10%)[17]。因此，3a和5a降雨情景下相对误差分别均在可接受区间内，表明模型具有一定的可靠性，能够大致反映出降雨后区域水量的变化规律，模型主要参数的率定结果见表3。

3.2 MIKE11模型构建

3.2.1河网概化与参数初始化

河网是水动力模块的基本“骨架”，也是主要的可视化对象。河网概化是MIKE11建模成功的基础和关键，河网概化遵循以下步骤：①建立河网文件；②建立变断面文件；③建立边界文件；④建立参数文件。最后，根据河道水质调查结果，将8次各污染物的均值作为旱期各河道稳定的初始浓度，即模型运行的初始条件。

3.2.2参数率定与模型验证

MIKE11水动力水质模型参数较多，为了提高参数率定的效率，选取污染物衰减常数、扩散系数等主要敏感参数进行率定。参数率定结果见表4。

3.3 SWMM-MIKE11耦合

SWMM和MIKE11模型构建完成后，进行2个模型的耦合，具体过程如下：①通过SWMM模型，模拟不同设计降雨情景下管网排口随时间变化的流量和污染物浓度；②根据确定的时间步长，将排口数据导入新建的时间序列文件中(MIKE ZERO Time Series)；③将此时间序列文件，按排口排入河道位置加载到MIKE11边界文件中，即可进行模拟计算。

4 不同设计降雨下LID设施的水量水质控制效果

由于LID设施在不同地块与不同降雨重现期的作用差异较大[18]，因此水量控制效果评估选择节点积水情况和年径流总量控制率作为评价指标，水质控制效果则选取河道水质监测结果和变化情况进行分析。

表3 SWMM模型主要参数的率定结果

表4 MIKE11模型主要参数率定结果

4.1 节点积水情况变化

根据GB 51222—2017《城镇内涝防治技术规范》的要求，道路积水深度不能超过15cm，各城市要因地制宜确定设计积水时间[19]。本研究以不同降雨重现期下节点积水的个数对区域内涝风险进行评估。SWMM模拟结果表明，在不同设计情景下LID设施建设前后节点积水数量最多的时刻均在降雨开始后的66min左右，如图3—4所示，图中的Node Depth(节点水深)表示检查井水深。

图3 不同重现期下区域LID设施建设前节点积水情况

图4 不同重现期下区域LID设施建设后节点积水情况

雨水管网资料表明，区域管网埋深均值约为2.4m，因此当节点深度大于2.4m时有发生内涝的风险，将其统计为一个积水点，图中用红色的点表示。从图3—4可以看出，LID设施建设前，当遭遇特大降雨时积水点主要分布在寅春路、和悦街和瑞丽路，这与海绵城市建设前丁家庄片区淹水隐患排查中易发生内涝积水的位置基本一致，表明模型能较好反映实际情况。LID设施建设后，区域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨时没有积水点产生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨时，积水点的消除率分别达到84.6%和70.9%，表明LID设施能有效降低区域内涝风险；但是LID设施截流、蓄水容量有限，区域积水点的个数随着降雨重现期的增大而增多。

4.2 年径流总量控制率评估

根据《海绵城市建设技术指南》[20](以下简称《指南》)的要求，年径流总量控制率是评估海绵城市建设成效的重要指标，即在年径流控制率对应的设计降雨量下不产生地表径流。按照《指南》要求和南京市降雨资料，其年径流总量控制率75%的要求对应的设计降雨量为24.6mm。该设计降雨量为长历时24h雨量，根据1984年版《江苏省暴雨洪水图集》提出的24h设计暴雨雨型对设计雨量进行分配，得到设计雨量的24h降雨过程，如图5所示。

图5 南京市24.6mm设计雨量24h降雨过程

将图5中步长为1h、长达24h时间序列的降雨数据输入SWMM模型中，评估年径流总量控制率。SWMM模拟结果表明，区域径流量为3.77mm，表明研究区域现有LID设施建设未达到年径流总量控制率75%的要求。

4.3 河道水质控制效果分析

4.3.1MIKE11水质模拟结果

本研究区域属于城市河网区，雨水管网和河道护坡建设相对完善，径流污染主要通过管网(排口)以点源形式排入河道[21]，因此，本文利用SWMM模型将径流污染(面源污染)转换为管网点源分别排入3条河道，并利用模型模拟计算不同重现期下各个雨洪排口污染物负荷，进而计算得到不同重现期下排入区域河道的径流污染总负荷，整个区域海绵建设前后径流污染变化情况如图6所示。

4.3.2水质实测结果

表5 北十里长沟的单因子污染指数和综合污染指数

图6 LID设施建设前后区域径流污染变化

5 基于成本效益分析的LID设施建设方案比选

5.1 现状分析

由模拟结果可知，现状条件下研究区域河道水质总体上能达到地表Ⅳ类，且在设计降雨径流对河道水质造成冲击影响后，河道水质可快速恢复；但研究区域年径流总量控制率不达标，故需进一步优化LID设施建设。由于子汇水区的地表径流量与汇水面积基本呈正相关[23- 24]，结合实际LID建设条件，对14个面积大于2ha的子汇水区进行优化调整，并保持其余子汇水区LID设施不变，分析区域水量控制效果。选取的14个子汇水区总面积为37.46ha，约占整个研究区域面积的10%。

实际工程应用中，需考虑工程建设成本。本研究参考《指南》推荐的LID设施建设单价，计算不同组合方案下的单位径流量削减量成本，计算公式如下：

(2)

式中，C—单位径流量削减量的成本，元/m3；M—LID设施造价，元；V—削减的径流量，m3。

5.2 方案比选

透水铺装和下凹式绿地在径流总量控制方面效果较好，且适用范围广；研究区域内屋顶面积占比为45.5%，且南京市规定新建小区绿色屋顶率不低于30.0%，所以新增绿色屋顶也是有效的控制方法；此外，雨水罐属于地面屋面均适用的灰色设施，径流总量控制效果好。因此，选取的14个子汇水区中可考虑增设透水铺装、下凹式绿地、绿色屋顶和雨水罐4种LID设施的优化组合；控制不同组合方案削减径流量相等，同时结合研究区域现状考虑增设LID设施的实施可行性。具体组合方案见表6，由表6可知，方案一的单位径流量削减量成本最低。因此，本研究区域为达到年径流总量控制率75%的要求，可考虑增设透水铺装和下凹式绿地。

6 结论

(1)基于地理数据资料和设计资料，辅以ARC GIS和CAD构建了SWMM-MIKE11耦合模型，以综合径流系数和实测河道水质数据为评价指标对模型进行验证，表明模型可靠性高，基本能够反映降雨后区域水量水质变化规律。

表6 不同LID组合方案下的区域水量平衡及成本

(2)LID设施建设能够明显降低区域内涝风险并控制径流污染。LID设施建设后，研究区域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨时没有积水点产生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨时，积水点的消除率分别达到84.6%和70.9%；河道水质达到控制要求。

(3)为提高研究区域径流削减能力，在现有LID设施建设基础上，对透水铺装、下凹式绿地、绿色屋顶和雨水罐等4种LID设施的不同组合方案进行了比选；结果表明，增设透水铺装和下凹式绿地可取得较好的径流削减效果。