張士官 呂謀 劉春娜

摘 要：以青島市城區(qū)某小區(qū)為例，研究了低影響開發(fā)（LID）布設(shè)下區(qū)域雨洪控制效果?；赟WMM和GIS構(gòu)建區(qū)域概化模型，對比分析了現(xiàn)狀模式及布設(shè)生物滯留網(wǎng)格、綠色屋頂、透水鋪裝和3種LID設(shè)施組合布設(shè)方案下，研究區(qū)不同重現(xiàn)期水文與水質(zhì)變化情況，結(jié)果表明：相同降雨重現(xiàn)期下，LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)時(shí)，綠色屋頂對洪峰流量削減效果最好，透水鋪裝對徑流系數(shù)削減效果最佳、降雨控制率最高;LID設(shè)施組合布設(shè)方案優(yōu)于單獨(dú)布設(shè)方案，且降雨重現(xiàn)期越小，LID設(shè)施控制效果越好;LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)和3種LID設(shè)施組合布設(shè)方案下污染物削減能力由強(qiáng)到弱為LID設(shè)施組合>綠色屋頂>透水鋪裝>生物滯留網(wǎng)格。

關(guān)鍵詞：降雨控制率;低影響開發(fā);SWMM模型;LID設(shè)施組合

中圖分類號：TU992 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.015

Abstract：Taking a certain metropolitan area in the coastal area as an example， the effect of rainwater flood control under the LID layout was studied. Based on SWMM and GIS to build a regional generalization model， compared and analyzed the regional current situation mode and deploy bioretention grid， green roof， permeable pavement and three kinds of LID combination facilities under different return periods， runoff coefficient， flood peak flow and rainfall control rate changes. The study finds out that under the same rainfall return period， the green roof has the best effect on reducing the peak flow， the permeable pavement has the strongest ability to reduce the runoff coefficient and the rainfall control rate is the highest， while the three LID combinations are better， in terms of water quality simulation， the reduction of pollutant SS discharge rate by each LID measure is： combination LID>green roof>permeable paving>bioretention grid.

Key words： rainfall control rate; low impact development; SWMM model; LID combination

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市未開發(fā)前的池塘、濕地、河道被瀝青大道覆蓋，原有的植被、土壤等天然地面被透水性極差的硬質(zhì)路面、屋頂取代，以致區(qū)域降雨后出現(xiàn)了徑流速度加快、峰值流量增大、峰現(xiàn)時(shí)間提前等現(xiàn)象，增大了城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。在城市內(nèi)澇日益嚴(yán)重的情況下，海綿城市的發(fā)展理念應(yīng)運(yùn)而生。

海綿城市也被稱之為“水彈性城市”，是國家倡導(dǎo)的為緩解城市內(nèi)澇、促進(jìn)雨水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的全新城市管理方式。低影響開發(fā)（LID）作為建設(shè)海綿城市的基礎(chǔ)，其理念與技術(shù)體系是一種可持續(xù)城市雨水管理手段，既能有效收集、利用雨水資源，緩解城市用水緊張狀況，又能顯著減少城市地表徑流，提高城市排水安全性，以絕內(nèi)澇隱患。筆者以青島市城區(qū)某小區(qū)為例，基于GIS軟件與LID技術(shù)原理，利用EPA-SWMM模型對其進(jìn)行概化模擬，評估了現(xiàn)狀開發(fā)模式下與LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)和組合布設(shè)方案下區(qū)域雨水管理效果，以期為城市區(qū)域建設(shè)提供參考。

1 模型構(gòu)建

EPA-SWMM（暴雨洪水管理模型）是一種動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬模型，主要用于城市單場次降雨事件或長期水量和水質(zhì)模擬，并以多種形式將結(jié)果顯示出來。LID模塊通過收集雨水，合理利用景觀空間和采取相應(yīng)措施控制暴雨徑流，減少城鎮(zhèn)非點(diǎn)源污染。LID設(shè)施主要包括下凹式綠地、雨水花園、植被淺溝、綠色屋頂、透水路面等。

1.1 研究區(qū)域概況及雨水系統(tǒng)概化

青島市地處山東半島南部，東、南瀕臨黃海，地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，多年平均降水量775.6 mm，年內(nèi)降水量分布不均，夏季降水集中。青島市某小區(qū)土地利用類型以住宅、工業(yè)、道路、公園綠化為主，人口密度大，樓房較多，雨水管網(wǎng)排水壓力較大，尤其暴雨天氣，因雨水不能及時(shí)排出而形成內(nèi)澇，可以說是市區(qū)的一個(gè)縮影。

研究區(qū)總面積2.08 km2，其中透水面積0.325 km2，約占15.6%，以綠化用地與公園為主;不透水面積1.755 km2，約占84.4%，以樓房與市政道路為主。研究區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)與管道井?dāng)?shù)據(jù)由測繪單位提供，具體管道井x、y坐標(biāo)，上下游節(jié)點(diǎn)、井深、井底高程等由GIS提取。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果對研究區(qū)域進(jìn)行概化，共劃分為27個(gè)子匯水區(qū)、29條管道、27個(gè)節(jié)點(diǎn)與1個(gè)排放口，模型概化見圖1。

模型率定所需實(shí)測數(shù)據(jù)來源于物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測信息平臺，其中水文水力參數(shù)采用排放管流量率定，水質(zhì)參數(shù)以排放SS（懸浮固體顆粒物）濃度為率定標(biāo)準(zhǔn)。選取2018年6月17日與2018年7月5日兩場降雨進(jìn)行模型率定，選取2018年7月23日降雨進(jìn)行模型驗(yàn)證。根據(jù)研究區(qū)域場地特點(diǎn)，選用Horton入滲模型模擬研究區(qū)降雨產(chǎn)流入滲過程，匯流過程選用非線性水庫模型模擬。降雨信息及模型確定系數(shù)（R2）見表1，由率定結(jié)果可知，R2均大于0.75，與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合精度高，表明模型模擬效果良好。經(jīng)過對模型中各參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，最終模型參數(shù)率定值見表2。

1.3 LID設(shè)施布設(shè)及模擬過程

（1）LID設(shè)施布設(shè)。考慮到研究區(qū)域內(nèi)建筑物與不透水性市政道路較多，綠化用地較少，而雨水花園等設(shè)施占地面積較大，因此不考慮鋪設(shè)雨水花園等設(shè)施。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H狀況與LID設(shè)施特點(diǎn)，最終將3種LID設(shè)施布設(shè)于研究區(qū)內(nèi)，分別為生物滯留網(wǎng)格、綠色屋頂和透水鋪裝。各項(xiàng)LID設(shè)施參數(shù)選取主要參考SWMM手冊及文獻(xiàn)[1-4]。

生物滯留網(wǎng)格就是利用植物、土壤和微生物等滯蓄、凈化雨水，其規(guī)模較小、造價(jià)低，適宜布置在高密度建筑區(qū)。設(shè)施表層蓄水深度為100 mm，蓄水層厚度為400 mm;土壤層厚度為600 mm，導(dǎo)水率為3.302 mm/h，孔隙率為0.5。

綠色屋頂是一種在屋面種植植被以達(dá)到凈化雨水，蓄積雨水，削減屋面雨水徑流量，緩解熱島效應(yīng)的雨水生態(tài)利用技術(shù)。設(shè)施土壤層厚度為100 mm，孔隙率為0.5。

透水鋪裝是典型的通過增大城市透水面積比例來緩解雨水徑流，使雨水迅速滲入地表的LID調(diào)控措施。設(shè)施基層與透水層總厚度為220 mm，孔隙率為0.5;土壤層厚度為300 mm，導(dǎo)水率為3.302 mm/h，孔隙率為0.5;蓄水層厚度為300 mm。

（2）模擬過程。首先，對研究區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)狀模擬分析，獲取相應(yīng)的地表徑流等數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算出徑流系數(shù)、洪峰流量、降雨控制率及SS總量;然后，將3種LID設(shè)施分別單獨(dú)布設(shè)于研究區(qū)內(nèi)，即因地制宜將匯水區(qū)內(nèi)的屋頂改造為綠色屋頂，街道與廣場鋪設(shè)透水材料，街邊綠地改造為生物滯留網(wǎng)格設(shè)施;經(jīng)過模擬獲取對應(yīng)的地表徑流與管道流量數(shù)據(jù);接著將3種LID設(shè)施組合后布設(shè)于區(qū)域內(nèi);最后，分別將現(xiàn)狀模擬結(jié)果與LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)、LID設(shè)施組合布設(shè)模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.4 降雨條件設(shè)置

結(jié)合研究區(qū)地理位置及氣候條件，選取降雨重現(xiàn)期分別為2 a、5 a、10 a和20 a。選用芝加哥降雨模型來模擬降雨歷程，雨峰系數(shù)r取0.4，降雨歷時(shí)為180 min，時(shí)間步長為1 min。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀建設(shè)模式模擬與分析

將不同重現(xiàn)期的降雨序列依次輸入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分別得到現(xiàn)狀模式下不同重現(xiàn)期的區(qū)域徑流系數(shù)、洪峰流量、降雨控制率和SS總量，見表3。由表3可知，在現(xiàn)狀建設(shè)模式下不同重現(xiàn)期的徑流系數(shù)、洪峰流量都較大，并且隨著重現(xiàn)期的增大徑流系數(shù)與洪峰流量也增大。其原因是，現(xiàn)狀模式下城市化進(jìn)程加快，建筑面積與道路面積增大，不透水率增高，雨水不能及時(shí)下滲;河流與池塘等被填埋，而雨水管道存在老化、淤堵等問題，致使降水不能及時(shí)排出，形成內(nèi)澇，造成經(jīng)濟(jì)損失。

理想模式下徑流系數(shù)與降雨控制率應(yīng)該對應(yīng)，其和為1?，F(xiàn)狀模式下，由于存在內(nèi)澇，部分降水溢出管道，因此總排放量降低，降雨控制率變大。

2.2 LID設(shè)施布設(shè)模式模擬與分析

將3種LID設(shè)施與LID設(shè)施組合布設(shè)于區(qū)域內(nèi)，研究LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)與組合布設(shè)的關(guān)系，模擬計(jì)算出不同重現(xiàn)期條件下的徑流系數(shù)、洪峰流量與降雨控制率，見表4。由表4計(jì)算不同LID設(shè)施布設(shè)情況下徑流系數(shù)削減率、洪峰流量削減率、降雨控制提升率，結(jié)果見表5。不同LID設(shè)施布設(shè)方案對SS總量削減狀況見表5。

3種LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)情況下，研究區(qū)徑流系數(shù)和洪峰流量均有所下降，相應(yīng)的降雨控制率上升。在相同降雨重現(xiàn)期下綠色屋頂對洪峰流量削減作用最強(qiáng)，2 a重現(xiàn)期下可達(dá)43.5%;透水鋪裝對研究區(qū)徑流系數(shù)削減能力最好，降雨控制率提升效果最好，最佳徑流系數(shù)削減率與降雨控制提升率分別為44.4%和100%;生物滯留網(wǎng)格作用稍差。徑流削減的效果隨著降雨重現(xiàn)期的增大有所下降。主要原因是，研究區(qū)主要是樓房建筑與透水性較差的市政道路，LID設(shè)施布設(shè)后頂層樓面替換為綠色屋頂，覆蓋面積大，削減洪峰流量能力較強(qiáng);透水鋪裝取代了原來的市政道路，大大增加了雨水的下滲能力，因此地表徑流量減小，降雨控制率得以提升;由于生物滯留網(wǎng)格主要鋪設(shè)在區(qū)域綠地內(nèi)，所占面積較小，因此對徑流削減能力不如前兩者，但與現(xiàn)狀模式相比較，對區(qū)域內(nèi)澇調(diào)控效果好。

LID設(shè)施組合布設(shè)方案與各LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)相比較，徑流系數(shù)與洪峰流量削減效果更好，降雨控制率提升能力更強(qiáng)。徑流削減能力在2 a重現(xiàn)期下最顯著，徑流系數(shù)與洪峰流量分別降低了70.4%、62.5%;降雨控制率在2 a重現(xiàn)期下最高，隨著重現(xiàn)期的增大而降低，其降雨控制提升率在10 a重現(xiàn)期下最大，為164.0%。其原因是，3種LID設(shè)施在區(qū)域中共同布置，其中綠色屋頂布設(shè)在屋頂，面積大，攔截了大部分初期降雨，雨水滯留于頂層用于綠色植物后期生長;隨著降雨量的增大，雨水溢流至生物滯留網(wǎng)格，其上的植被可以滯留以及吸收周圍區(qū)域的雨水，減緩徑流;降落與溢流到道路上的雨水被滲透性良好的透水鋪裝設(shè)施吸收，使徑流在短時(shí)間內(nèi)入滲到更深層土壤中。3種LID設(shè)施之間優(yōu)勢互補(bǔ)，可以達(dá)到更好的徑流削減效果。

水質(zhì)模擬方面，由表5可知，LID設(shè)施組合布設(shè)方案對污染物SS總量削減能力最強(qiáng)，其次為綠色屋頂單獨(dú)布設(shè)，污染物消減能力由強(qiáng)到弱為LID設(shè)施組合>綠色屋頂>透水鋪裝>生物滯留網(wǎng)格。

3 結(jié) 語

基于SWMM對青島市城區(qū)某小區(qū)進(jìn)行LID設(shè)施布設(shè)下區(qū)域雨洪控制效果的模擬研究，發(fā)現(xiàn)LID設(shè)施可有效削減徑流系數(shù)、洪峰流量及提高降雨控制率，其中LID設(shè)施單獨(dú)布設(shè)條件下，綠色屋頂對洪峰流量削減效果最好，透水鋪裝對徑流系數(shù)削減效果最佳。LID設(shè)施組合布設(shè)方案優(yōu)于單獨(dú)布設(shè)方案，且降雨重現(xiàn)期越小，LID設(shè)施控制效果越好。

不同LID設(shè)施對徑流污染調(diào)控效果顯著，LID設(shè)施的布設(shè)增強(qiáng)了雨水滯蓄能力，凈化吸附雨水中的污染物，降低了面源污染，大大緩解了城市內(nèi)澇隱患。

不同LID設(shè)施布設(shè)時(shí)需要考慮相鄰子匯水區(qū)的影響，并且不同城市的參數(shù)不同，需綜合考慮造價(jià)、空間分布、管網(wǎng)運(yùn)行能力等情況設(shè)置參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)城市區(qū)域?qū)嶋H狀況比選出最優(yōu)LID設(shè)施組合方案，并進(jìn)行優(yōu)化組合方案設(shè)計(jì)，以提升LID設(shè)施處理效率。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】