基于SWMM模型的山地城市暴雨径流效应及生态化改造措施研究

近年来，因国内外城市大暴雨频发而导致的洪涝灾害不仅严重的威胁到人们的生命财产安全，同时给国家和个人造成了巨大的经济损失。因此，预防洪涝灾害已成为城市防洪的重中之重。目前，因高度城市化所致的用地布局的根本改变，极大的改变了水循环模式，并且导致了城市径流总量、径流峰值以及径流系数不断增加，这不仅给城市排水管网的安全运行构成了严重威胁，同时也已经成为引发城市洪涝灾害的重要隐患。这种现象在快速发展的山地城市尤为突出。因此，有必要针对上述问题展开不同用地布局情景下山地城市暴雨径流效应研究，为山地城市的防洪和排水管网的安全运行提供重要的技术支撑。论文率先将SWMM模型运用于山地城市暴雨径流效应的模拟，并基于不同用地布局情景下山地城市暴雨径流特征，展开了山地城市暴雨径流效应的系统研究。论文选取重庆大学城某区域作为试验研究对象，对研究区域现状建立SWMM模型，参数率定采用模型的推荐值，并且采用Nash-Sutcliffe效率系数和B%MSSE指数验证模型的准确性。通过模型模拟的径流量序列值和现场流量计的观测序列值，计算出Nash-Sutcliffe效率系数和B%MSSE指数均满足模型准确性的要求。研究区域具体参数如下：研究区域的面积为76900m~2，开发前用地布局情景的透水面积比例为91%，现状用地布局情景的透水面积比例为35%。基于以上试验条件论文针对透水面积比例大幅减小的情况，研究了在2a、5a、10a和20a一遇的不同降雨强度重现期下，开发前用地布局情景和现状用地布局情景的径流变化规律，同时研究了前峰型、中峰型和后峰型三种雨型对现状用地布局情景径流效应的影响，以及坡度对现状用地布局情景产流规律的影响。针对开发后的径流效应，采用低影响开发(LID)和最佳管理措施（BMPs）对现状用地布局情景改造，研究结果表明：①现状用地布局情景的累积雨量径流系数、径流持续时间、径流峰值、径流总量可分别达到开发前用地布局情景的7.01倍、2.28倍、6.98倍、7.06倍。②前峰、中峰和后峰三种雨型对现状用地布局情景径流效应的影响是：径流持续时间和径流总量随着雨峰系数的增大而增加。③坡度对现状用地布局情景径流效应的影响是：下垫面坡度越大，径流持续时间越短，径流峰值随着坡度的增大有增加的趋势。④LID具有双重的削峰减量效果，LID1（即绿色屋顶）用地布局情景能够分别削减现状用地布局情景径流峰值、径流总量48%、25%，它的径流峰值和径流总量分别是开发前用地布局情景的3.62倍，5.30倍；LID2（即绿色屋顶+渗透广场）用地布局情景能够分别削减现状用地布局情景径流峰值、径流总量79%、81%，它的径流峰值和径流总量分别可达开发前用地布局情景的1.27倍、1.30倍；⑤BMPs（即不透水调蓄池）用地布局情景不能削减现状用地布局情景径流总量，但是能够调节径流过程，延长径流时间，它可削减现状用地布局情景径流峰值的65%，它的径流峰值是开发前用地布局情景的2.66倍；⑥LID2+BMPs（即绿色屋顶+渗透广场+不透水调蓄池）用地布局情景可削减现状用地布局情景径流峰值、径流总量90%、81%，径流峰值、径流总量分别可达开发前用地布局情景的65.32%、1.3倍。⑦联合的LID+BMPs技术比单独的LID或者BMPs措施的削峰减量效果明显，是应对城市化暴雨径流效应的最佳改造措施。论文还针对山地城市坡度起伏大，城市化地区暴雨频发的现状，研究了下垫面在不同坡度（3°、5°、10°）和不同雨强（0.48mm/min、0.60mm/min、0.77mm/min）下的瞬时雨量径流系数变化规律：①在同一雨强下，坡度越大，瞬时雨量径流系数达到稳定值的时间越短，且不同的坡度下稳定瞬时雨量径流系数相同。②在相同的坡度下，雨强越大，瞬时雨量径流系数开始变化的时刻和达到稳定值的时刻越短。