技术领域
[0001] 本
发明涉及海绵城市规划技术领域，具体为一种基于SWWM模拟的北方滨海地区海绵城市规划方法。
背景技术
[0002] 海绵城市建设应遵循生态优先等原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排
水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和
净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护，建设“海绵城市”并不是推倒重来，取代传统的排水系统，而是对传统排水系统的一种“减负”和补充，最大程度地发挥城市本身的作用。
[0003] 针对北方海绵城市降水季节性变化较大提出弹性应对措施，解决北方降水季节性变化大，夏季雨水集中，春秋干旱，雨水利用率低的难题；解决北方冬季除
雪困难，初学剂容易造成二次污染的难题，而重点解决以下技术问题：
[0004] 北方滨海地区，地表高程较低，由于长期受
海水冲刷，
地下水位高，土地
含水量饱和程度高，盐
碱化状态严重等特点，属城市中的极易内涝的区域；
[0005] 水生态问题：由于海域被分隔成
块，原来宽阔的海面，被围堰阻隔。雨水难以入渗，快速流入大海，
淡水资源大大浪费。冬季降雪后缺乏堆雪空间，容易造成二次污染；
[0006] 水安全方面：受海水潮位水位顶托，
排水管道积水，造成雨水排放不畅。基地北高南低，因此在汛期，雨水管道受海水顶托，无法迅速排出，导致市区内积水；
[0007] 水资源方面：受地形、
地貌、降雨的影响，基地水资源
时空分布不均；
[0008] 水环境问题：现状面源污染未经过任何控制削减措施直接进入
水体，对水环境造成巨大影响。
发明内容
[0009] 本发明提供一种基于SWWM模拟的北方滨海地区海绵城市规划方法，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。
[0010] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于SWWM模拟的北方滨海地区海绵城市规划方法，包括计算模块和服务模块；
[0011] 所述计算模块对雨水的径流和调蓄的路径进行模拟，对SWMM输入的研究区
基础资料对研究区进行径流模拟，对不同管渠进行动态水流模拟，对污染物的迁移过程进行模拟；
[0012] 所述服务模块对计算模块进行辅助，所述服务模块包括统计模块、绘图模块、联合模块和降雨模块；
[0013] 所述绘图模块输出各
节点、管段、汇水区的径流和污染物浓度变化曲线；
[0014] 所述统计模块减轻后期数据
整理的负担；
[0015] 所述联合模块实现各文件的相互转化，可以将前一步的计算结果作为后续处理的输入文件；
[0016] 所述降雨模块读取输入的降水和雪数据，作为计算模块的模拟所用。
[0017] 根据上述技术方案，模型的基本要素包括雨量计、子汇水区、汇接点、排放口和管渠。
[0018] 根据上述技术方案，所述雨量计为降雨数据的添加点，通过关联的降雨时间序列对各子汇水区在计划时间内提供降水量，通过设置记录时间间隔和降雨数据类型影响结果的输出；
[0019] 所述子汇水区是模型的通过对研究区域内的用地规划图概化后，绘制相对独立的子汇水区，通过赋予的雨量计名称与降雨时序连接，而通过规定其排放口或汇接点的
位置与城市排水系统相连，其需要赋予的属性因子有土地利用值以及对应的冲刷及增长值，表面积、不渗透性、坡度和根据当地气象
气候、地质地貌决定相对的下渗模型、渗透性N值参数；
[0020] 所述汇接点是连接雨水管网的节点，是架连子汇水区与雨水管网的
桥梁，设置参数主要有各汇接点的内底标高、初始点水位、进水量和最大深度指标，其中分流器是汇接点的另一种形式，用于汇接点流入两个管渠时分定两个管渠的分配比例；
[0021] 所述排放口是排水系统的终点，需要标注内底标高以及边界条件类型；
[0022] 所述管渠是城市雨水管网的概化形式，通过调整管渠形式表述其断面状态，还需设置管渠长度和管渠坡度指标。
[0023] 根据上述技术方案，所述降雨模块中降水进行预测时，首先要对降雨量进行预测，规划雨水流量按下式计算：
[0024]
[0025] 式中：
[0026] Q—规划雨水流量(L/s)；
[0027] q—暴雨强度(L/s.ha)；
[0028] F—汇水面积(ha)；
[0029] —径流系数；
[0030] 暴雨强度q按暴雨强度公式计算，雨水系统设计重现期采用20年一遇标准:
[0031]
[0032] 式中：
[0033] q—降雨强度(l/s.ha)；
[0034] p—重现期(年)；
[0035] t—降雨历时(分钟)，其中t＝t1+mt2；
[0036] t1—起始断地面集水时间取10分钟，m-折减系数，取2；
[0037] t2—管道内雨水流行时间；
[0038] 规划本区域内雨水排放采取重
力自流排放原则，规划沿
地块主要道路铺设雨水干管，规划中小管径的雨水管道均采用塑料加筋管，管径大于400，采用
钢筋
混凝土管；
[0039] 在降水量预测阶段，由于上述对气候和降水现状的特点分析后，按照降雨和降雪两种降水形成形式分别加以预测。
[0040] 根据上述技术方案，模型构建步骤如下：
[0041] S1、确定对象属性，对研究区进行子汇水分区划分，确定研究区各汇水分区的子汇水面积、特征宽度、坡度、不渗透百分比、不渗透面积粗糙系数、渗透面积粗糙系数、不渗透面积洼地蓄水、渗透面积洼地蓄水、非洼地蓄水不渗透面积百分比、渗入模型；
[0042] S2、铰点位置及赋值的确定；
[0043] S3、降水选择；
[0044] S4、绘制研究区域物理组件的网络图，在SWMM
软件中对研究区域进行
可视化处理，包括雨量计，子汇水面积、节点、管段和地图标签，添加雨量计、子汇水面积、节点、管段、地图标签和非可视化对象；
[0045] S5、编辑系统构成对象的属性；
[0046] S6、选择一组分析选项；
[0047] S7、执行模拟；
[0048] S8、显示模拟结果；
[0049] S9、模拟结果分析，确定具体改造区域。
[0050] 根据上述技术方案，所述步骤S8中进行模拟得到目标函数y(x)＝y(x1，x2，x3，……，xn)的值，用影响值ei判断参数变化对输出值的影响程度，如下式计算：
[0051] ei＝(y*-y)/△i；
[0052] 式中：Y*为参数变化后的输出值；
[0053] y为参数变化前的输出值；
[0054] △i为参数i的变幅；
[0055] 将所选变量以固定步长百分率变化，然后计算Morris系数的多个平均值，求得敏感性判别因子S，如下式：
[0056]
[0057] 式中：S为敏感性判别因子；
[0058] Yi为模型第i次运行输出值；
[0059] Yi+1为模型第i+1次运行输出值；
[0060] Y为参数调整后计算结果初试值；
[0061] Pi为第i次模型运行参数值相对于校准后参数值的变化百分率；
[0062] Pi+1为第i+1次模型运行参数值相对于校准后参数值的变化百分率；
[0063] n为模型运行次数。
[0064] 根据上述技术方案，规划包括如下步骤：
[0065] A1、通过
地理信息系统模拟土地上的径流路径：在前期的分析中，通过GIS对北方城市滨海地区进行径流的汇水路径模拟，恢复这些应有的生态景观河渠，加强北方城市滨海地区的防洪防涝建设，以此为基础进行接下来的空间格局优化；
[0066] A2、优化地表水系空间格局；根据潜在的径流分析，形成新的城市水系循环后，根据分区管控及雨洪管理系统的空间模式，对城市水系统进行空间格局优化。
[0067] 根据上述技术方案，所述步骤S1中汇水路径模拟对海绵城市北方季节性应对：应对北方城市滨海地区北方季节性变化大的城市特点，城市水系的连通及循环，从而城市冬季降雪融化后雪水的排放有促进。
[0068] 根据上述技术方案，所述步骤S1中防洪防涝建设合理安排蓄水空间应对滨海
风暴潮灾害，水系的连通有利于城市蓄水空间的规划设计，分级规划城市蓄水区，在集中大面积蓄水区，给滨海地区规划足够的蓄水空间，作为城市主要蓄水区、汇水区，应对滨海
风暴潮的发生。
[0069] 根据上述技术方案，所述步骤S2中水系空间格局优化要考虑几个城市现状基础条件，根据排水分区划分确定各个排水分区的汇水区和各排水分区之间根据地形变化及水系分布，也会有水资源的互相交换流通，滨海地区的水系连通对防止滨海地区的雨水内涝有重要帮助，确定滨海地区内各个级别排水分区内的汇水区，分级作用，共同形成整体的便于雨洪管理、防止城市内涝的城市水系。
[0070] 与
现有技术相比，本发明的有益效果：以大排水系统为城市的“大海绵骨架”，通过地表排水体系和地下排水体系相结合，同时辅以相关海绵设施从源头控制
地表径流，着重从产业基地空间体系出发，探讨海绵城市构建设计的可行性措施选择，探索可靠的规划编制数据与可操作的规划路径，对于完善海绵城市、设计与实践的技术扩建，推动海绵城市建设在特殊地区的适用性具有很强的现实意义，不止为北方滨海城市的海绵城市建设提供借鉴，通过检验，探究适合于北方地区的技术体系，更可推广应用于其他北方滨海城市；
[0071] 借助SWMM计算机软件进行模拟验算，其一分析改造前研究区域的主要问题以及改造重点，运用模拟数据推算得出对应的排水体系建构，其二，模拟改造规划方案，分析方案在不同降水情况下的应对机制以及模拟结果，验证评价规划的可行性，并对其在北方滨海地区海绵城市适用性进行研究，为相关地域的海绵城市建设提供新的方向及思路。
附图说明
[0072] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与本发明的
实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0073] 在附图中：
[0074] 图1是本发明的SWMM排水系统概化图；
[0075] 图2是本发明的模型构建步骤示意图；
[0076] 图3是本发明的规划步骤示意图；
[0077] 图4是本发明的研究区域下垫面不透水面积率表图；
[0078] 图5是本发明的子汇水区参数设置表图；
[0079] 图6是本发明的城市用地不透水率表图；
[0080] 图7是本发明的铰点、管渠参数设置表图；
[0081] 图8是本发明的铰点管渠参数表图；
[0082] 图9是本发明的研究区域SWMM模拟概化图；
[0083] 图10是本发明的模型参数敏感性分析列表图；
[0084] 图11是本发明的水文参数模拟灵感度分析雷达图；
[0085] 图12是本发明的SWMM雨水径流模拟示意图；
[0086] 图13是本发明的海绵城市规划需解决排放口表图；
[0087] 图14是本发明的模拟结果需求分析图。
具体实施方式
[0088] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0089] 实施例：如图1所示，本发明提供技术方案，一种基于SWWM模拟的北方滨海地区海绵城市规划方法，包括计算模块和服务模块；
[0090] 计算模块对雨水的径流和调蓄的路径进行模拟，对SWMM输入的研究区基础资料对研究区进行径流模拟，对不同管渠进行动态水流模拟，对污染物的迁移过程进行模拟；
[0091] 服务模块对计算模块进行辅助，服务模块包括统计模块、绘图模块、联合模块和降雨模块；
[0092] 绘图模块输出各节点、管段、汇水区的径流和污染物浓度变化曲线；
[0093] 统计模块减轻后期数据整理的负担；
[0094] 联合模块实现各文件的相互转化，可以将前一步的计算结果作为后续处理的输入文件；
[0095] 降雨模块读取输入的降水和雪数据，作为计算模块的模拟所用。
[0096] 根据上述技术方案，模型的基本要素包括雨量计、子汇水区、汇接点、排放口和管渠。
[0097] 根据上述技术方案，雨量计为降雨数据的添加点，通过关联的降雨时间序列对各子汇水区在计划时间内提供降水量，通过设置记录时间间隔和降雨数据类型影响结果的输出；
[0098] 子汇水区是模型的通过对研究区域内的用地规划图概化后，绘制相对独立的子汇水区，通过赋予的雨量计名称与降雨时序连接，而通过规定其排放口或汇接点的位置与城市排水系统相连，其需要赋予的属性因子有土地利用值以及对应的冲刷及增长值，表面积、不渗透性、坡度和根据当地气象气候、地质地貌决定相对的下渗模型、渗透性N值参数；
[0099] 汇接点是连接雨水管网的节点，是架连子汇水区与雨水管网的桥梁，设置参数主要有各汇接点的内底标高、初始点水位、进水量和最大深度指标，其中分流器是汇接点的另一种形式，用于汇接点流入两个管渠时分定两个管渠的分配比例；
[0100] 排放口是排水系统的终点，需要标注内底标高以及边界条件类型；
[0101] 管渠是城市雨水管网的概化形式，通过调整管渠形式表述其断面状态，还需设置管渠长度和管渠坡度指标。
[0102] 根据上述技术方案，降雨模块中降水进行预测时，首先要对降雨量进行预测，规划雨水流量按下式计算：
[0103]
[0104] 式中：
[0105] Q—规划雨水流量(L/s)；
[0106] q—暴雨强度(L/s.ha)；
[0107] F—汇水面积(ha)；
[0108] —径流系数；
[0109] 暴雨强度q按暴雨强度公式计算，雨水系统设计重现期采用20年一遇标准:
[0110]
[0111] 式中：
[0112] q—降雨强度(l/s.ha)；
[0113] p—重现期(年)；
[0114] t—降雨历时(分钟)，其中t＝t1+mt2；
[0115] t1—起始断地面集水时间取10分钟，m-折减系数，取2；
[0116] t2—管道内雨水流行时间；
[0117] 规划本区域内雨水排放采取重力自流排放原则，规划沿地块主要道路铺设雨水干管，规划中小管径的雨水管道均采用塑料加筋管，管径大于400，采用
钢筋混凝土管；
[0118] 在降水量预测阶段，由于上述对气候和降水现状的特点分析后，按照降雨和降雪两种降水形成形式分别加以预测。
[0119] 如图2所示，根据上述技术方案，模型构建步骤如下：
[0120] S1、确定对象属性，对研究区进行子汇水分区划分，确定研究区各汇水分区的子汇水面积、特征宽度、坡度、不渗透百分比、不渗透面积粗糙系数、渗透面积粗糙系数、不渗透面积洼地蓄水、渗透面积洼地蓄水、非洼地蓄水不渗透面积百分比、渗入模型；
[0121] S2、铰点位置及赋值的确定；
[0122] S3、降水选择；
[0123] S4、绘制研究区域物理组件的网络图，在SWMM软件中对研究区域进行可视化处理，包括雨量计，子汇水面积、节点、管段和地图标签，添加雨量计、子汇水面积、节点、管段、地图标签和非可视化对象；
[0124] S5、编辑系统构成对象的属性；
[0125] S6、选择一组分析选项；
[0126] S7、执行模拟；
[0127] S8、显示模拟结果；
[0128] S9、模拟结果分析，确定具体改造区域。
[0129] 根据上述技术方案，对研究区进行汇水区域划分，是对其进行SWMM模拟的基础，汇水分区进行合理划分对SWMM模拟结果正确性有很大影响，学习SWMM划分汇水分区的方法，为研究区划分汇水区，在本次模拟中，依据以下原则进行划分：
[0130] 1、根据研究区的地貌特点、规划道路及排水管网系统对研究区进行子汇水分区划分；
[0131] 2、城市降雨在正常情况下是不均衡的，雨水并不是平均分布在城市空间内，每次降雨的雨水分布情况都不尽相同，技术条件有限，为了更方便的对研究区进行模拟，需假定城市降雨时均匀分布在研究区的各个子汇水分区上的，每部分的降雨强度都相同，在这个假定条件下进行降雨模拟；
[0132] 3、自然条件下，雨水不会完全按照人工规定的路径进行径流排放，一个子汇水分区可能有多个进水口，为保证模拟的顺利进行，选取离子汇水分区最近的一个作为该区域模拟的进水口；
[0133] 4、城市排水管网错综复杂，本次模拟只选取干路排水管网划入雨水管网中，不对支路管网进行模拟计算。
[0134] 模拟参数的选择依据主要是依托SWMM模型中得出，其由子汇水区、管渠以及铰点三部分组成；
[0135] 如图4-5所示，根据上述技术方案，通过坡度、地表高程、用地性质造成的渗水量的不同对每个地块、进行赋值，需要对研究区的各汇水分区的各类参数进行确定，其中包括面积、平均坡度和不透水面积率，子汇水区域面积及坡度通过CAD模型以及坡度分析得出，子汇水区域不透水面积率通过前文对下垫面城市用地性质的分析结合《海绵城市建设指南》的径流量相关内容设置。
[0136] 在SWMM计算机模型模拟中，针对于子汇水区方面，需要面积、坡度、不渗透性和土地利用机动数据以及稳定下渗率、初始下渗能力、下渗能力衰减系数、不透水地面低洼蓄量和透水地面糙率参数值组成，其中，面积可以通过CAD计算机软件测算得出；子汇水面的坡度由研究区域内部自身建设决定，但总体形势仍与道路坡度相一致，因此，其坡度参考周围道路坡度；不渗透性即不透水面积率，土地利用参考研究区域总体规划的规划方案加上第一节对下垫
面层的分类得出，研究显示，城市用地性质的不同，其不透水率也各有不同，居住类开发强度较高的用地的不透水率较高，而文化教育娱乐与工业绿化占比高、开发强度低的用地不透水率较低。
[0137] 如图6所示，对研究区内各类用地的不透水率进行规定：居住用地的不透水率为50％，绿地用地的不透水率为15％，商务、商业用地的不透水率为65％，商住用地的不透水率为55％，广场用地的不透水率为70％，市政用地的不透水率为85％，医疗、文化、体育用地的不透水率为50％。
[0138] 如图7-8所示，根据上述技术方案，铰点与管渠共同组成总体规划中雨水管网规划，其中铰点是SWMM中独有的，用来连接子汇水区和管渠的连接点，同时雨水管网遵循两点形成一线的原则绘出，因此，在SWMM软件中，管渠应在研究区域铰点规划出之后绘出。
[0139] 在铰点中需对其的位置和赋值两部分进行阐述，在设置方面，遵循子汇水区较近，可连接，且处于管网规划中管线的节点处；在赋值上，需设置内底标高和最大深度两个指标，其中内底标高设置原则因雨水管网为重力管网，因此依据管渠降落方向，由高到低的排落，即落出点低于落入点，而最大深度则与总体规划中雨水管径密切相关。
[0140] 最大深度为雨水管线的管道埋深，一般道路的雨水管埋深为0.9m，机动车道路考虑道路称重问题，埋深为1.2m，埋深即最大深度。
[0141] 如图9所示，模型构建以初步构建的地表分区为基础，依据城市雨水管网规划而构建的下述模型，模型共划分为83个子汇水区域，20段雨水管道，管径变化范围在300mm～2000mm，,5个末端出水口，各个子汇水区域的数值确定。
[0142] 可确定各个道路下雨水管的管径，内底标高的计算方式为管道埋深减去管壁厚度，由上面最大埋深的数据减去管壁厚度，可得到各处铰点的内底标高。
[0143] 如图10-11所示，根据上述技术方案，步骤S8中进行模拟得到目标函数y(x)＝y(x1，x2，x3，……，xn)的值，用影响值ei判断参数变化对输出值的影响程度，如下式计算：
[0144] ei＝(y*-y)/△i；
[0145] 式中：Y*为参数变化后的输出值；
[0146] y为参数变化前的输出值；
[0147] △i为参数i的变幅；
[0148] 将所选变量以固定步长百分率变化，然后计算Morris系数的多个平均值，求得敏感性判别因子S，如下式：
[0149]
[0150] 式中：S为敏感性判别因子；
[0151] Yi为模型第i次运行输出值；
[0152] Yi+1为模型第i+1次运行输出值；
[0153] Y为参数调整后计算结果初试值；
[0154] Pi为第i次模型运行参数值相对于校准后参数值的变化百分率；
[0155] Pi+1为第i+1次模型运行参数值相对于校准后参数值的变化百分率；
[0156] n为模型运行次数；
[0157] 选取10％作为固定步长对各个参数进行改变，在其他参数不变的情况下，变化某一待分析的参数，取值分别为各初始值的-30％、-20％、-10％、10％、20％、30％，再模拟分析水文参数对洪峰流量、相对误差及相关系数的敏感性，SWMM模型水文参数对洪峰流量、相对误差及相关系数的敏感度计算结果及排序如表所示：对不同输出变量而言，各参数敏感性排序也有所不同。
[0158] 从中，可以看出不透水面曼宁系数(即不透水粗糙系数)以及最大下渗率影响相对较大，在降雨量较小时，不透水面粗糙系数对洪峰流量值影响较大，而当降雨量较大时，最大下渗率相对较高，总的来说，不透水面粗糙系数的敏感度最高，对模拟结果影响较大。
[0159] 如图3所示，根据上述技术方案，规划包括如下步骤：
[0160] A1、通过地理信息系统模拟土地上的径流路径：在前期的分析中，通过GIS对北方城市滨海地区进行径流的汇水路径模拟，恢复这些应有的生态景观河渠，加强北方城市滨海地区的防洪防涝建设，以此为基础进行接下来的空间格局优化；
[0161] A2、优化地表水系空间格局；根据潜在的径流分析，形成新的城市水系循环后，根据分区管控及雨洪管理系统的空间模式，对城市水系统进行空间格局优化。
[0162] 根据上述技术方案，步骤S1中汇水路径模拟对海绵城市北方季节性应对：应对北方城市滨海地区北方季节性变化大的城市特点，城市水系的连通及循环，从而城市冬季降雪融化后雪水的排放有促进。
[0163] 根据上述技术方案，步骤S1中防洪防涝建设合理安排蓄水空间应对滨海风暴潮灾害，水系的连通有利于城市蓄水空间的规划设计，分级规划城市蓄水区，在集中大面积蓄水区，给滨海地区规划足够的蓄水空间，作为城市主要蓄水区、汇水区，应对滨海风暴潮的发生。
[0164] 根据上述技术方案，步骤S2中水系空间格局优化要考虑几个城市现状基础条件，根据排水分区划分确定各个排水分区的汇水区和各排水分区之间根据地形变化及水系分布，也会有水资源的互相交换流通，滨海地区的水系连通对防止滨海地区的雨水内涝有重要帮助，确定滨海地区内各个级别排水分区内的汇水区，分级作用，共同形成整体的便于雨洪管理、防止城市内涝的城市水系。
[0165] 如图12-14所示，通过模拟，地表径流的五片区以及对基地外围拦截的径流量分别为45.7、53.99、78.54、25.25、118.12、122.46mm，这些即为建设海绵城市需要解决的目标值。
[0166] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
