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1、基于 SWMM 模型的萍乡市老城区雨洪多情景模拟评价,李卓，谈力，李雪琪,摘要：城市化进程中，建设用地不断扩张和高强度的人类活动强烈干扰着原有的自然生态系统，导致了城 市出现了一系列的雨洪问题，如何更有效地在建成区进行雨洪调蓄已成为迫切需要解决的问题。本研究侧 重于从 LID 和绿地格局视角下提出多种规划措施进行城市雨洪管理的多情景比较研究，定量地评估不同情 景下研究区抗涝能力的提升效果，力图为城市雨洪管理提供新的思路和实证基础。研究结果发现（1）LID 和绿地景观格局优化都可以显著提升研究区的抗涝能力，综合两种措施的组合模式可以将研究区的抗涝能 力提升近一倍；（2）相比于中观尺度的绿地分布优
2、化，微观尺度的绿地分布优化如果能改变雨水地表径流 模式可以更显著地提升研究区的抗涝能力。,关键词：城市雨洪问题，SWMM 模型，低影响开发，绿地景观格局，多情景对比,1 引言,近年来，快速的城市化进程伴随着建设用地的急剧扩张，高强度的开发建设活动强烈 干扰着原有的自然生态系统，使得地表地理过程和景观结构发生强烈的变化。城市地区下 垫面特性的改变，尤其是不透水下垫面比例的增加，显著改变了原有的自然水文生态过程， 导致洪港灾害频发、水环境持续恶化以及水资源严重短缺等一系列城市雨洪问题。因此， 当前急需解决的问题是：怎样才能更加高效地在建成区进行雨洪调蓄？,2 文献综述,以往对城市雨洪问题的研究上主
3、要有以下几个角度：,在研究城市雨洪问题的技术方法上，城市雨洪模型是重要的技术方法。它根据现代水 文学、水力学原理，运用计算机对城市地区的雨洪产汇流特性进行分析计算模拟，以便科 学决策排水管网的规划设计、管理运行、风险评估等（陈守珊，2007；傅新忠，2012）。 应用于水文/水力领域的最早的计算机雨洪模型斯坦福模型 SWM 诞生于 20 世纪 60 年代 初，由美国人 Linsley 和 Crawford 共同开发。1971 年，WRE 公司、M&E 公司和 UOF 大 学联合开发出了暴雨洪水管理模型 SWMM。1990 年后，快速发展的 GIS 技术为 SWMM 模 型的发展提供了技术支持，
4、SWMM 模型软件中开始与 GIS 进行整合，增加了图形预处理 模块等。,在城市雨洪模型的应用上，国外学者已将研究应用于城市区域降雨径流模拟，情景分 析和方案评估等多个领域（Nguyen et al.，2000；Jang et al.，2007；Park et al.，2008；Lee et al.，2010）。国内的应用研究上，刘俊等（2001）率先在国内引入了 SWMM 模型，此 后越来越多的学者将其应用于国内各地的排水管网动态模拟和雨洪分析，如上海、北京、 郑州、长沙、陕西等地（赵雅娟等，2001；丛翔宇等，2006；任伯帜等，2006；陈鑫等，,2009；赵冬泉等，2009；李晓燕，2
5、013）。也有学者利用 GIS 对汇水区的划分和对空间结 构属性数据的快速提取，实现了 GIS 对 SWMM 模型的快速构建以及城市暴雨积水计算的 可视化（张书亮，2005；赵东泉，2008；沈冬冬，2013）。,在城市雨洪调蓄的理念上，在 20 世纪 90 年代初，美国马里兰州的环境资源部把场 地设计与生物滞留、最佳管理实践（BMPs）等理念相结合，逐步发展成系统的“低影响 开发”（Low impact development）雨洪管理理论与方法（Hinman，2005）。低影响开发技 术（LID）是一种雨水管理方法，其理念是通过源头控制来实现对雨洪的管理与利用，其 目标是尽量维护某个地区开
6、发前的自然生态水文特征。此外，LID 还可以对部分改造项目 进行一系列诸如生态池塘、下滲池、透水铺装等的滞留、调蓄、下滲处理，通过生态技术 手段调节改善区域雨洪的净流量、径流污染物负荷等等（王建龙等，2009；李楠等，2014）。 国内学者也应用城市雨洪模型对 LID 在城市雨洪调蓄中的作用进行了广泛的分析，很多研 究使用 SWMM 模型中的 LID 模块研究不同类型的 LID 措施对城市雨洪的控制效果（王文 亮等，2012；王静等，2012；何爽等，2013；徐海顺，2014）。,从创新城市雨洪调蓄的理念出发，近年来绿地景观格局对城市雨洪调蓄的影响开始受 到一些学者的关注。由于城市的不透水面
7、会直接影响城市的地表径流，城市的排洪压力又 与地表径流呈正相关，因此可以认为城市的绿地景观格局是能够缓解城市排洪压力的因 子。殷学文等（2014）运用景观格局指数和 GIS 研究了城市绿地景观格局与城市排水压力 空间的关系。刘冬冬（2014）探讨了景观格局对排水压力的影响，并据此提出了优化绿 地景观格局的空间策略，但缺乏绿地景观格局优化策略对实际雨洪调蓄能力提升效果的定 量测算。,综上所述，过去的城市雨洪模型研究侧重于传统的“以排为主”的雨洪管理理念，采 取管网工程的“硬排水”模式模拟研究，忽视了生态层面的雨洪管理研究。近年来引入了 LID 理念下的生态雨洪管理模式，但这是一种微观层面的改善，
8、忽视了中观层面绿地景观 格局对城市雨洪调蓄的影响。所以本研究侧重于从 LID 和绿地格局视角下提出不同的规划 措施进行城市雨洪管理的多情景比较研究，定量地评估不同情景下研究区抗涝能力的提升 效果，力图为城市雨洪管理提供新的思路和实证基础。,3 研究区概况,本文选择江西省萍乡市的老城区作为研究区。萍乡市位于江西省西部，全年雨量充沛，,市区多年平均降雨量为 1586 毫米，降雨集中于汛期 46 月，每年 10 月至次年 3 月为旱,期。,萍乡市老城区总面积为 5.53 平方公里，排水采用雨污分流体制，萍水河穿城而过，是 建模区域雨污水的最终受纳水体。研究区内老旧房屋多，整体空间无序而凌乱，建筑密度
9、偏 大，绿化极少，缺少开敞空间，街区道路不畅和狭窄，交通不顺，排水设施老旧，给水排水 不畅，防灾能力差，多次发生暴雨内涝。,图 1 研究区区位图,图 2 研究区土地利用现状图 资料来源：萍乡市中心城区片区控 制性详细规划.,资料来源：萍乡市中心城区片区,控制性详细规划.,4 数据与研究方法,4.1 数据来源和说明,本 次研 究 所需 数 据主 要 用于 SWMM 模型的建立和绿地景观格局 的评价。,SWMM 模型所需数据主要有子 汇水区数据、铰点数据、管渠数据和 降雨数据。子汇水区数据、铰点数据 和管渠数据来源于萍乡市中心城区 片区的控制性详细规划，其中子汇水,图 3 不同重现期降雨曲线 资料
10、来源：笔者自绘.,区的划定依据研究区控制性规划雨水规划图的子汇水区划定标准，子汇水区、铰点和管渠的 参数设定来源详见表 1、表 2 和表 3（Lionget al.，1991；Choiet al.，2002；Petersonet al.， 2006；史蓉等，2014；张翼强等，2015）。降雨数据采用萍乡市的暴雨强度公式：q=2619 （1+0.78lgP）/（t+10）0.74（式中 p 为暴雨重现期（年），t 为降雨历时（分钟），并根据芝 加哥降雨过程线模型拟合了本次研究的降雨文件，设计的暴雨降雨历时 t 设定为 120 分钟， 峰值系数 r 设定为 0.4，暴雨重现期设定了 3 种分别为
11、 1 年期、2.5 年期和 50 年期，拟合的 3 种降雨过程见图 3。,表 1 子汇水区参数设定 参数值释义或来源,参数名称 面积,研究区控规雨水规划 CAD 导入 GIS 统计 研究区控规雨水规划 CAD 测量特征长度，根据文献给出公式计算 根据研究区控规雨水规划 CAD 中子汇水区内道路标高计算平均坡度 排除绿地、河流后剩下硬质用地占总用地的比重，用 1 减去 GIS 统计 出的绿地率得到,特征宽度 坡度（%）,不渗透性（%）,不渗透性粗糙系数 N 值,文献、模型手册经验值,渗透性粗糙系数 N 值 不渗透性洼地蓄水 渗透性洼地蓄水 无洼地蓄水不渗透性,文献、模型手册经验值 文献、模型手册
12、经验值 文献、模型手册经验值 文献、模型手册经验值,表 2 铰点参数设定,参数名称 内地标高 最大深度,参数值释义或来源 研究区控规雨水规划 CAD,研究区控规雨水规划 CAD 中获取地面标高与内底标高的差值,表 3 管渠参数设定,参数名称 形状,参数值释义或来源 研究区控规雨水规划 CAD 参数对照模型手册确定 管径；研究区控规雨水规划 CAD 研究区控规雨水规划 CAD,最大深度 长度,粗糙系数,曼宁粗糙系数；模型手册经验值,绿地景观格局评价所需数据主要有研究区的绿地 分布、绿地斑块大小和绿地斑块数量，我们通过对 2017 年研究区谷歌影像图的数字化获得以上数据。发现现状 绿地占研究区总面
13、积的 14%，绿地的分布、斑块大小和 数量见图 4。,4.2 研究方法,4.2.1 研究思路和技术路线,本研究采用的方法主要是多情景比较研究，通过建 立研究区的 SWMM 模型（SWMM 模型建立方法见 4.2.2），依据 SWMM 模型进行两组多情景的模拟比较 研究。第一组侧重于定量地评估 LID、绿地景观格局优 化以及组合措施下对研究区抗涝能力的提升效果，第二,图 4 研究区现状绿地分布图 资料来源：笔者自绘.,组侧重于定量地比较不同绿地景观格局优化措施对研究区抗涝能力的提升效果。 第一组以现状为参照组，比较了LID、绿地景观格局优化以及组合措施下对研究区抗涝 能力的提升效果（技术路线见图
14、5）。四种情景的具体含义如下：,（1）现状情景是指依据研究区的现状排水管网进行雨洪模拟评价；,（2）LID 情景是指从现状情景出发，依据现状绿地对研究区内 25%左右的绿地模拟低影 响开发（LID），将绿地分割、改造为下凹绿地和雨水花园并进行雨洪模拟评价； （3）绿地景观格局优化情景是指从现状情景出发，通过景观格局指数评价现状绿地， 分析出排水压力大的区域，在排水压力的区域通过增加绿地、改变地表径流模式等措施优化 绿地景观格局并进行雨洪模拟评价；,（4）组合模式是指从绿地景观格局优化的情景出发，依据优化后的绿地对研究区内 25% 左右的绿地模拟低影响开发（LID），将面积较大的绿地改造为下凹绿
15、地和雨水花园，对沿路 新增的绿地布设植草浅沟，并进行雨洪模拟评价。,图 5 第一组多情景比较 资料来源：笔者自绘.,第二组以现状为参照组，比较了三种不同的绿地景观格局优化模式对研究区抗涝能力的 提升效果（技术路线见图 6）。四种情景的具体含义如下：,（1）现状情景是指依据研究区的现状排水管网进行雨洪模拟评价；,（2）绿地优化 1 情景是指从现状情景出发，通过景观格局指数评价现状绿地，分析出 排水压力大的区域，通过在排水压力大的区域新增绿地优化绿地景观格局并进行雨洪模拟评 价；,（3 绿地优化 2 情景是指从现状情景出发，将新增绿地平均地增加到每一个子汇水区 （新增绿地面积总量与绿地优化情景 1
16、 相同）来优化绿地景观格局并进行雨洪模拟评价； （4）绿地优化 3 情景是指从绿地优化 1 情景出发，通过改变新增绿地的分布（绿地总 量与绿地优化情景 1 和绿地优化情景 2 相同）来改变地表径流模式以优化绿地景观格局并进,行雨洪模拟评价（注 1）,。,图 6 第二组多情景比较 资料来源：笔者自绘.,4.2.2 SWMM 模型的建立,通过对汇水区的划分、排水管网的概化、相关参 数的设定以及降雨情景的模拟，建立了研究区的 SWMM 模型（见图 7）。建立的 SWMM 模型包含 123 个子汇水区、129 个铰点、129 条管渠和 15 个排放口。,4.2.3 LID 措施的实现,LID 措施的实现主要通过 SWMM 模型中的 LID 利用 控制模块，通过选用不同的 LID 控制模块和设定不同的 参数可以模拟实现不同的 LID 措施。在第一组比较中的 LID 情景使用了下凹绿地、雨水花园的 LID 措施，在组 合模式情景中使用了下凹绿地、雨水花园和植草浅沟 的 LID 措施，它们的参数设定见表 4、表 5 和表 6，参 数设定值来源于相关参考文献（McCutch
