張萬輝，羅群英，安關(guān)峰，張 蓉

(1.廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060；2.廣州市市政集團(tuán)設(shè)計院有限公司，廣州 510060)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城區(qū)人口迅速集中，城市面積急劇膨脹，使城區(qū)及其附近區(qū)域的自然、文化和生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)生了顯著的改變，對城市的水文過程產(chǎn)生重要的影響。城市化發(fā)展改變了城市局部的自然地貌，使原先相當(dāng)部分的自然流域被不透水表面所覆蓋，造成雨水匯流速度加大，從而導(dǎo)致一系列相異于天然流域的城市水文問題[1-3]。加之近年來暴雨頻發(fā)，暴雨內(nèi)澇對城市的基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大的破壞，對城市居民的生命安全和財產(chǎn)構(gòu)成巨大的威脅。

面對日益嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問題，世界各國積極開展針對城市內(nèi)澇的實踐及研究，其中低影響開發(fā)技術(shù)(Low impact Development，簡稱LID)是一種行之有效的內(nèi)澇防治方法，該技術(shù)在美國得到了廣泛研究，并有成功的工程案例[4-6]。LID是土地開發(fā)的一種可持續(xù)途徑，是基于保護(hù)生態(tài)、控制徑流源頭的城市暴雨管理措施，它包括一系列場地規(guī)劃策略及實踐技術(shù)。目前，我國主要采用LID的徑流源頭控制理念，對城市新建區(qū)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，應(yīng)用比較成功的例子為深圳光明新區(qū)[7]。但是，該技術(shù)在城市住宅小區(qū)設(shè)計階段應(yīng)用較少。城市住宅小區(qū)作為城市組成的基本單元，既是城市雨洪的排出單元又是主要受納體。若是在小區(qū)設(shè)計階段將LID理念引入，將會從源頭降低徑流量，達(dá)到城市內(nèi)澇消減的目的。

本文選取廣州市一處于園林景觀設(shè)計階段的城市住宅小區(qū)作為研究對象，利用模型模擬的方法，分析城市小區(qū)開發(fā)過程中對城市徑流過程的影響，模擬研究下凹式綠地、透水地面、屋面雨水收集系統(tǒng)及其組合模式對雨洪控制的作用，并對其工程經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析，尋求出城市住宅小區(qū)園林設(shè)計的最優(yōu)方案，達(dá)到既美化環(huán)境又實現(xiàn)雨洪的防治，以期為未來城市小區(qū)園林景觀設(shè)計提供新的思路和方法。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選取廣州市一設(shè)計過程的住宅小區(qū)作為研究區(qū)域，總面積1.7 hm2。該小區(qū)位于廣州市天河區(qū)車陂街道內(nèi)，該區(qū)域是1980年底建立起來的典型城鄉(xiāng)結(jié)合部，地處天河區(qū)東面，管轄的地域橫跨中山大道、黃埔大道，東靠東環(huán)高速公路，西至車陂路，南臨珠江，北接廣深高速公路。近年來，隨著廣州市城市化進(jìn)程的擴(kuò)展，該區(qū)域已成為主要的中心城區(qū)，不斷建成大量的商業(yè)住宅小區(qū)。

根據(jù)初步設(shè)計資料獲知，小區(qū)地勢東高西低，地面情況相對較為簡單，主要有樓房、綠地、道路和空地。綠地面積8.3 hm2，道路和廣場面積4.4 hm2，樓房占地面積4.3 hm2，分別占小區(qū)面積的48%、26%和25%。區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)主要沿道路設(shè)置，在小區(qū)北側(cè)和南側(cè)設(shè)計了兩套獨(dú)立的排水管網(wǎng)，沿兩側(cè)主干道下各設(shè)計一DN300的干管，分別通過接口O1和O2接入市政管網(wǎng)。

1.2 子匯水區(qū)劃分及排水管網(wǎng)概化

子匯水區(qū)的劃分方法為：將導(dǎo)入到GIS的CAD圖換算成矢量數(shù)據(jù)，添加相關(guān)屬性后，利用3D分析生成TIN表面，然后再轉(zhuǎn)換成DEM數(shù)據(jù)；采用流向分析工具從DEM圖層獲取流向分析結(jié)果；然后利用水文分析中的Basins工具提取自然匯水區(qū)，并借助Thiessen多邊形工具對獲得的自然匯水區(qū)進(jìn)行二次劃分，使每一個出水口對應(yīng)一個匯水區(qū)；最后通過GIS分析提取相關(guān)數(shù)據(jù)，并經(jīng)修正后輸入到SWMM模型中。

通過上述方法將研究區(qū)域劃分為14個子匯水區(qū)(面積變化范圍0.03～0.39 hm2)，各子匯水區(qū)的地表徑流直接排入到最近的排水設(shè)施檢查井節(jié)點，每個子匯水區(qū)對應(yīng)一種土地利用類型。根據(jù)上述GIS的劃分結(jié)果以及該區(qū)域排水管網(wǎng)資料，遵循管徑、管材、坡度基本保持不變的原則，將研究區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)概化為16條管道(渠)、18個節(jié)點和2個出水口(市政管線入口)，建模區(qū)概化結(jié)果見圖1。

圖1 建模區(qū)概化結(jié)果Fig.1 Generalized map of study area

1.3 地表徑流模型的確定

SWMM模型中，地表徑流采用Green-Ampt，SCS和Horton 3種模式，其中Green-Ampt模式對土壤的要求較高，SCS模式適用于大流域，Horton模式所需資料較少[8]，因此本研究采用Horton模式。Horton模式描述了入滲率由最大值隨時間呈指數(shù)級下降至最小值的下滲過程，其公式為：

f=f∞+(f0-f∞)e-ht

(1)

式中：f為下滲率，mm/h；f∞為穩(wěn)定下滲率，mm/s；f0為初始下滲率，mm/s；t為降雨歷時，s；h為下滲衰減系數(shù)。

1.4 模型初始基準(zhǔn)參數(shù)的確定

SWMM模型中所需參數(shù)包括水文模型參數(shù)和水力模型參數(shù)。水文模型參數(shù)直接測量或根據(jù)實測資料推求；水力模型參數(shù)主要為排水管網(wǎng)特性數(shù)據(jù)，通過本小區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計資料獲取。

采用Horton入滲模型模擬降雨入滲過程，模型需要輸入的最大入滲率、最小入滲率和衰減系數(shù)等依據(jù)實地勘測數(shù)據(jù)和手冊典型值，見表1。匯流采用非線性水庫模型模擬，主要參數(shù)包括地表坡度、透水面、不透水面、管道的曼寧系數(shù)、透水地表和不透水地表的洼蓄量等。根據(jù)實際下墊面的情況獲得，透水地表、不透水地表和管道的曼寧系數(shù)參照典型值，見表2。透水地表和不透水地表的洼蓄量參照典型值，見表3。

按照上述原則確定參數(shù)的取值，模型模擬計算采用Dynamic Wave，計算時間步長為30 s。SWMM模型中的主要參數(shù)見表4。

表1 研究區(qū)涂層飽和土壤滲透率Tab.1 Saturated infiltration rates of test soil in study are

表2 地表曼寧系數(shù)典型值Tab.2 Manning coefficient typical values

表3 洼地儲蓄量典型值 mm

表4 SWMM模型基準(zhǔn)參數(shù)值Tab.4 Parameter calibration results of SWMM

2 研究結(jié)果

2.1 小區(qū)開發(fā)前后雨洪特征

開發(fā)前本區(qū)域為城市郊區(qū)綠地、林地和農(nóng)田，開發(fā)后該區(qū)域成為城市住宅小區(qū)，地表被建筑物、硬化地面和綠化帶覆蓋。如圖2，在地表處于原始狀態(tài)下(硬化率為0)，假若區(qū)域遭遇3年一遇暴雨，出口1處的最大徑流量為0.063 m3/s，其洪峰值出現(xiàn)在1小時25分，隨著地表硬化率的增加出口的最大洪峰流量逐漸增大，當(dāng)硬化率達(dá)到100%時洪峰量增加到0.31 m3/s，此時洪峰出現(xiàn)的時間提前到了55分。因不透水地表的入滲量幾乎為零，致使徑流量隨著硬化率的提高而增大；不透水地表的高徑流系數(shù)使得雨水匯流速度極大提高，從而使洪峰出現(xiàn)時間提前[9]。

圖2 O1出口在3 a重現(xiàn)期暴雨下不同地表硬化率時徑流量Fig.2 Comparison of outlet discharges of different surface hardening rates

2.2 不同模式下小區(qū)雨洪模擬分析

2.2.1 不同綠地模式下小區(qū)雨洪模擬分析

本小區(qū)的總面積為1.7 hm2，建筑規(guī)劃面積為0.43 hm2，廣場和道路規(guī)劃面積0.44 hm2，空地面積為0.83 hm2。為到達(dá)綠化環(huán)境并收集雨水的效果，除規(guī)劃外的廣場和道路外，其余空地全部建設(shè)成綠地。而在住宅小區(qū)綠地通常分為平式綠地和下凹式綠地2種，目前住宅小區(qū)應(yīng)用較多的為平式綠地，但是這種綠地的布置對小區(qū)雨洪的消減并未發(fā)揮明顯的效果。為優(yōu)選出本小區(qū)較宜采用的綠地類型，對2種綠地對雨洪的消減作用進(jìn)行模擬。

如圖3～圖5所示，對4種設(shè)計暴雨下不同綠地模式的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。下凹式綠地相比于平式綠地能較好地消減地表徑流，在3～20 a重現(xiàn)期暴雨下其對地表徑流的消減量為31%～43%，特別是對于3～5 a暴雨重現(xiàn)期下的小強(qiáng)度降雨，其消減量可達(dá)40%以上。下凹式綠地對地表徑流的消減作用主要來自于地表蓄積和下滲作用。由于綠地的地質(zhì)狀況一定，改變地表的形式對綠地下滲作用并無明顯改變，下凹式綠地和平式綠地在不同暴雨強(qiáng)度下的滲透量只有1%左右；但下凹式綠地對雨水的蓄積具有明顯作用，在3～20 a重現(xiàn)期暴雨下，34%～41%的雨水在下凹式綠地的地表進(jìn)行了蓄積，而平式綠地對雨水的蓄積量小于10%，并且下凹式綠地相對于平式綠地對雨水的蓄積量高達(dá)80%以上。

圖3 不同綠地模式入滲量對比Fig.3 Comparison of infiltration in different green space modes

圖4 不同綠地模式徑流量對比Fig.4 Comparison of outlet discharges in different green space modes

圖5 不同綠地模式蓄積量對比Fig.5 Comparison of accumulation in different green space modes

研究區(qū)出水口的洪峰流量及時間在3～5 a重現(xiàn)期暴雨下模擬結(jié)果如圖6所示，表明采用下凹式綠地使區(qū)域內(nèi)平均徑流系數(shù)減少約0.25，出口洪峰流量減少15%，約0.02 m3/s，洪峰出現(xiàn)時刻推遲了5 min。這主要由于下凹式綠地地表涂層根系發(fā)達(dá)，土壤相對疏松，而且在地表深水處，水不易流失，其滯留入滲作用時流域產(chǎn)流系數(shù)降低，洪峰流量減少[7]，洪峰出現(xiàn)時間延后。但是，對于高強(qiáng)度暴雨，以10～20 a重現(xiàn)期暴雨為例，下凹式綠地對消減洪峰流量和延遲洪峰出現(xiàn)時間并未發(fā)揮明顯優(yōu)勢。這主要是由于在高強(qiáng)度暴雨下，地表滲透和蓄積能力都已達(dá)到極限，則剩余高強(qiáng)度雨水則只能通過徑流進(jìn)行排放。因此，下凹式綠地適用于城市住宅小區(qū)小強(qiáng)度暴雨內(nèi)澇的防治，此時的下凹式綠地不僅可以美化小區(qū)環(huán)境，而且能夠大幅度地消減地表徑流，減少小區(qū)內(nèi)澇的可能性；但是，對于高強(qiáng)度暴雨，小區(qū)內(nèi)澇的防治不能單純依靠下凹式綠地的作用，應(yīng)耦合其他的內(nèi)澇防治措施。

圖6 不同強(qiáng)度降雨下下凹式綠地和平式綠地下O1出口處的徑流量Fig.6 Comparison of outlet discharges between different green belt in different rainfall intensities

2.2.2 不同透水面積模式小區(qū)雨洪模擬分析

建設(shè)透水路面是解決小區(qū)內(nèi)澇的另一重要措施，其可以降低城市徑流系數(shù)，減少城市路面徑流中污染物的含量，降低熱島效應(yīng)，并能提高城市路面的實用性[10]。并且透水路面是我國城市綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)中實施的重要內(nèi)容，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50378-2006中明確規(guī)定住宅建筑和公共建筑室外透水地面面積不得低于45%和40%[11]。

本小區(qū)原規(guī)劃不透水地面0.44 hm2，其中包括廣場、道路、人行道和停車場，通過改變透水地面比率進(jìn)行本小區(qū)雨洪的模擬。由表5可以看出，隨著透水地表的比率的增加，出口徑流量、洪峰流量和徑流系數(shù)逐漸減小，尤其是透水地面的比率大于40%后洪峰消減的趨勢更加明顯。當(dāng)透水地面的比率為0時，洪峰出現(xiàn)在55分，當(dāng)采用透水地面后洪峰被延后5 min。

為考察透水地面對小區(qū)內(nèi)澇的防治作用，采用100%的透水地面，對3～20 a暴雨重現(xiàn)期下雨洪進(jìn)行模擬，如表6所示。由表6可以看出，進(jìn)行透水地面改造后，小區(qū)內(nèi)的地面徑流量、洪峰流量和徑流系數(shù)都有不同程度的降低。以3 a重現(xiàn)期暴雨為例，透水地面對小區(qū)內(nèi)徑流量的消減為27%，洪峰的消減為13%，徑流系數(shù)降低44%。但是，其對10～20 a重現(xiàn)期暴雨的洪峰的消減率小于5%，表明透水地面對高強(qiáng)度降雨的洪峰的消減作用不甚明顯。

表5 研究區(qū)內(nèi)不同透水地面徑流數(shù)據(jù)對比Tab.5 Simulating results of studied area in different permeable ground

表6 研究區(qū)內(nèi)透水地面改造前后徑流數(shù)據(jù)對比Tab.6 Simulating results of different rainfall intensity with pre and post-development

2.2.3 屋頂雨水收集模式下小區(qū)雨洪模擬分析

為貫徹執(zhí)行節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，本小區(qū)大力推進(jìn)綠色建筑的建設(shè)。其中，屋頂雨水收集是我國綠色建筑評價的重要指標(biāo)。本小區(qū)擬建設(shè)屋頂雨水系統(tǒng)，收集的雨水經(jīng)簡單的處理，用于園區(qū)綠化、清洗和景觀。并且，在暴雨季節(jié)，屋面收集系統(tǒng)可以收集大量雨水，減少地表徑流量，可用于小區(qū)內(nèi)澇防治。本小區(qū)規(guī)劃屋頂面積0.43 hm2，若收集系統(tǒng)應(yīng)對100 mm的降雨，則收集雨水體積約430 m3。根據(jù)建筑物的分布和屋面面積，可在S1、S2、S3、S4、S10和S11六個子區(qū)域分別設(shè)置40、40、40、50、120和130 m3的屋面雨水收集系統(tǒng)。

應(yīng)用SWMM模型對3～20 a重現(xiàn)期暴雨下的本小區(qū)雨洪進(jìn)行模擬，出口O1處的流量如圖7所示。小區(qū)建設(shè)屋面雨水收集系統(tǒng)后，能夠有效地降低地面徑流量、洪峰值和徑流系數(shù)，例如在3 a重現(xiàn)期暴雨下地面徑流量、洪峰值和徑流系數(shù)的消減率分別為21%、31%和34%。并且，屋面雨水收集系統(tǒng)能夠有效地延遲洪峰出現(xiàn)時刻，在5 a重現(xiàn)期暴雨下，洪峰延遲了25 min，而在10和20 a重現(xiàn)期暴雨下洪峰延遲了10 min。另外，430 m3規(guī)模的屋面雨水收集系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)對低強(qiáng)度降雨，而對高強(qiáng)度降雨防治作用不甚明顯，例如本收集系統(tǒng)在3 a重現(xiàn)期暴雨下對地面徑流量和洪峰的消減率為21%和31%，而在20 a重現(xiàn)期暴雨下二者值降為11%和2%。

圖7 采用屋面雨水收集系統(tǒng)時O1出口在不同重現(xiàn)期暴雨下徑流量Fig.7 Comparison of outlet discharges in different rainfall intensity with roof rainwater collection systems

2.2.4 組合模式下小區(qū)雨洪模擬分析

為最大程度地降低小區(qū)內(nèi)澇產(chǎn)生的可能性，擬在小區(qū)內(nèi)采用凹式綠地、滲透地面和屋面雨水收集3種組合模式，模擬結(jié)果如圖8所示。由圖可以看出，進(jìn)行組合模式改造后，不同強(qiáng)度的降雨下小區(qū)內(nèi)的地面徑流量、洪峰流量和徑流系數(shù)較原有設(shè)計都有大幅度地降低，并且能夠延遲洪峰出現(xiàn)時刻。以3 a重現(xiàn)期暴雨為例，小區(qū)內(nèi)徑流量的消減為80%，洪峰的消減56%，徑流系數(shù)降低82%，洪峰延遲5 min。

圖8 不同模式下O1出口的徑流量Fig.8 Comparison of outlet discharges in different LID situations

在3a重現(xiàn)期降雨下，在原設(shè)計下底面地面出現(xiàn)積水點個數(shù)為6個，分別采用凹式綠地、透水地面和屋面收集系統(tǒng)雖然可以減少積水點數(shù)量，但受下游管段的管徑和流速的限制，管段下游并不能消除積水點；采用組合模式后，由于雨水下滲量和屋面雨水蓄積量的增加，地面徑流進(jìn)入管道雨水量相應(yīng)減少，并適應(yīng)原管道設(shè)計的要求。

3 結(jié) 語

本文以城市新建住宅小區(qū)為對象，建立了SWMM模型，模擬了城市化前后小區(qū)內(nèi)雨洪過程的變化，比較分析了下凹式綠地、透水地面及屋面雨水收集系統(tǒng)對小區(qū)內(nèi)雨洪的控制作用。小區(qū)開發(fā)后將會改變原始的地面徑流特征，在相同降雨條件下區(qū)域排水口徑流量增多，峰值提前；采用凹式綠地、透水地面和屋面雨水收集系統(tǒng)，可以有效地增加地面雨水蓄積、較少徑流和洪峰量，但是透水地面對高強(qiáng)度降雨洪峰的消減作用不甚明顯。小區(qū)采用組合模式能夠有效地應(yīng)對各種 強(qiáng)度暴雨的侵襲，以3a重現(xiàn)期暴雨為例，透水地面對小區(qū)內(nèi)徑流量的消減為80%，洪峰的消減56%，徑流系數(shù)降低82%，洪峰延遲5min，并能實現(xiàn)430m3雨水的回用。

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