唐雙成,單正清,葛有成,許 青

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

城市化的快速發(fā)展改變了地區(qū)原有水文循環(huán)機(jī)制,使得城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水體污染加劇[1-2]．采用源頭削減、中途轉(zhuǎn)輸、末端調(diào)蓄等多手段管理雨水徑流的思路已得到國內(nèi)外學(xué)者的一致認(rèn)可,以此各國提出了許多雨水徑流管理的理念．例如,美國的低影響開發(fā)(low impact development,LID)、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(water sensitive urban design,WSUD)以及中國的海綿城市建設(shè)等．這些新型雨水管理思路均提倡在源頭對雨水徑流進(jìn)行分散化處理,鼓勵雨水資源就地入滲,補(bǔ)充地下水,削減洪峰流量和徑流總量[3-4]．

源頭控制雨水徑流主要借助城市綠地來建設(shè)LID措施,硬化路面匯集的雨水徑流通過LID措施就地蓄滲．近年來,受城市規(guī)劃的制約和地上空間的限制,城市地下空間資源得到了充分的開發(fā)和利用,城區(qū)內(nèi)建設(shè)了大量的地下綜合管廊、地下停車場、地下商場以及隧道等地下基礎(chǔ)設(shè)施．受城市地下空間的影響,部分城區(qū)綠地下部中空,不適宜建設(shè)入滲型LID措施,屬于無效綠地．例如,住宅小區(qū)地下停車場上部綠地的覆土厚度一般為50～80 cm,若在此綠地上建設(shè)入滲型LID措施,入滲雨水徑流的流徑會受地下室頂板和側(cè)墻的影響,地下建筑的硬化面直接切斷了入滲雨水與地下水之間的通道,影響地下水流運(yùn)動,也對地下結(jié)構(gòu)的抗?jié)B和抗壓能力提出了新的挑戰(zhàn),尤其在淺埋地下水地區(qū),該問題更加突出[5-6]．王宏偉[7]針對不同滲透設(shè)施的使用環(huán)境,提出布設(shè)LID措施須在側(cè)向、豎向、底部設(shè)置防滲措施,以保證滲透的安全性．此外,施工回填的土壤可能會被過分壓實(shí),導(dǎo)致土壤入滲能力較差,降低了LID措施的水文效果[8]．國內(nèi)外學(xué)者針對不同LID措施布設(shè)下徑流削減和地下水位抬升效果,以及不同LID措施建設(shè)程度對地下基流的影響展開了研究,但未考慮城市地下空間對LID措施布設(shè)的影響[9]．本文以江蘇省蘇州市某建筑小區(qū)為研究區(qū),充分考慮城市地下空間分布與綠地有效性的關(guān)系,擬采用SWMM(storm water management model)建模研究城市地下空間對建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)目標(biāo)可達(dá)性的影響,結(jié)合末端調(diào)蓄措施優(yōu)化LID措施布設(shè)方案,模擬LID方案在面對超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度降雨的運(yùn)行效果,以期為海綿城市建設(shè)中LID措施的優(yōu)化布置提供技術(shù)參考．

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省蘇州市,年平均氣溫15.7 ℃,年平均降水量1 100 mm,降水年內(nèi)分配不均,主要集中在5—8月份．研究區(qū)總建設(shè)占地面積9.2 hm2,主要土地利用類型為屋面、綠地和道路．小區(qū)配套建設(shè)地下停車場,停車場頂板上部覆土厚度0.6～0.8 m,植物覆蓋類型以亞喬木、灌木和草皮為主．研究區(qū)排水系統(tǒng)采用雨污分流制,雨水徑流通過排水管道排放到小區(qū)西側(cè)的排澇河．

研究區(qū)的地下空間結(jié)構(gòu)主要包括地下停車場和地下管線管廊,根據(jù)綠地下方是否存在地下建筑結(jié)構(gòu),將研究小區(qū)綠地分為實(shí)土綠地和覆土綠地．建設(shè)入滲型LID措施的綠地除要滿足實(shí)土綠化外,《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中還要求LID措施與建筑物基礎(chǔ)外緣距離3.0 m以上,以保證入滲不對其構(gòu)筑物造成威脅．同時(shí),為確保入滲不受高滲透性管道基礎(chǔ)墊層影響以及施工方便,LID措施與管線管廊兩側(cè)距離1.5 m．

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)模型概化

根據(jù)SWMM模型建模要求,結(jié)合現(xiàn)有市政管網(wǎng)及景觀施工圖等資料,采取手工劃分方式,將研究區(qū)劃分為145個(gè)子匯水區(qū),255個(gè)節(jié)點(diǎn),255根雨水管渠,4個(gè)排放口,劃分結(jié)果如圖1所示．研究小區(qū)排水管網(wǎng)走向由中間排向四周,地表排水流向與管網(wǎng)一致．

圖1 研究區(qū)SWMM模型概化圖Fig.1 SWMM generalized diagram of study area

2.2 設(shè)計(jì)降雨計(jì)算

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)小區(qū)前期勘探資料,結(jié)合SWMM模型手冊[10]設(shè)置參數(shù),模型中透水區(qū)曼寧系數(shù)取0.24,洼地蓄水深度取7.6 mm;不透水區(qū)曼寧系數(shù)取0.015,洼地蓄水深度取1.9 mm;入滲過程采用Horton模型,初始入滲率為76 mm·h-1,穩(wěn)定入滲率為9 mm·h-1,衰減系數(shù)為4 h-1;匯流過程采用非線性水庫模型;管渠流量的水力演算模型采用動力波模型．考慮城市地下空間對研究區(qū)綠地有效性的影響,結(jié)合國內(nèi)海綿城市試點(diǎn)LID措施的建設(shè)與管理經(jīng)驗(yàn),選擇雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂和植草溝等四種LID措施,各LID措施在SWMM模型中設(shè)置為獨(dú)立子匯水區(qū),主要參數(shù)取值如表1所示．

表1 LID措施參數(shù)設(shè)置Tab.1 Setting of LID parameters

2.4 布設(shè)方案與模型驗(yàn)證

依據(jù)綠地有效性,對研究區(qū)不透水面匹配LID措施,模擬不同LID措施下的徑流過程,具體方案如下:

方案1:對小區(qū)建筑(4#、5#、6#、7#、8#、12#、15#、20#、26#、27#、28#、29#、30#樓)周邊的有效綠地布設(shè)雨水花園收集屋面匯流雨水,將地庫頂板外除消防登高地和消防通道外的硬質(zhì)鋪裝面設(shè)置為透水鋪裝,即72%的屋面配套雨水花園和10.7%的路面設(shè)置透水鋪裝．

方案2:在方案1的基礎(chǔ)上提高路面透水鋪裝比例至23.9%,在滿足最小覆土厚度(600 mm)的條件下,將地庫頂板內(nèi)除消防登高地和消防通道外的硬質(zhì)鋪裝面設(shè)置為透水鋪裝,底部設(shè)置防水層和排水層．

方案3:在方案2的基礎(chǔ)上增加13.9%的屋面綠色屋頂和11.4%路面配套植草溝,對地下頂板內(nèi)剩余5棟建筑(13#、14#、21#、22#、23#樓)屋面布置綠色屋頂(50%屋面面積),對地庫頂板外消防登高地和消防通道進(jìn)行植草溝處理．

采用基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法對模型進(jìn)行檢驗(yàn)[11],經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.58,針對模型在多種降雨重現(xiàn)期的穩(wěn)定性,設(shè)置0.5,1,2年降雨重現(xiàn)期進(jìn)行驗(yàn)證,通過模擬得到不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)綜合徑流系數(shù)分別為0.54,0.62,0.69,均符合綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值標(biāo)準(zhǔn),說明模型參數(shù)可用于研究區(qū)的模擬分析．

3 結(jié)果與討論

3.1 綠地解析

圖2為研究區(qū)土地利用類型分布情況．由圖2可知,研究區(qū)多數(shù)綠地位于地庫頂板覆土層之上,而入滲型LID措施匯集硬化面雨水徑流集中入滲,水量較大且集中,不適宜布置在地庫頂板上;地庫頂板之外的硬質(zhì)屋面和路面周邊均有可利用的有效綠地,有利于分塊匹配布置入滲型LID措施,地庫頂板上硬質(zhì)路面可考慮透水鋪裝,接納該區(qū)域降雨,硬質(zhì)屋面采用綠色屋頂．在LID措施布置上,實(shí)土綠地多以雨水就地入滲的LID措施為主,同時(shí)應(yīng)考慮地下管線和建筑防滲的情況,確定入滲設(shè)施的安全入滲范圍;地庫頂板綠地由于覆土厚度有限,不宜從其他硬質(zhì)面匯集大量雨水徑流直接入滲,應(yīng)以自身雨水消納為主．

表2為研究區(qū)各土地利用類型面積及比例.由表2可知,研究區(qū)總建設(shè)面積92 104.6 m2,分為綠化面和硬化面,分別占總建設(shè)面積的45.7%和54.3%;研究區(qū)綠地率較高,占總建設(shè)面積的45.7%,但扣除地下頂板以上、建筑物外緣以及管線管廊設(shè)計(jì)的無效綠地后,有效綠地僅占綠地總面積的38.0%,占總建設(shè)面積的17.4%．有效綠地呈塊狀分布在研究區(qū)四周,僅能用于處理鄰近硬化面匯集雨水徑流,地庫頂板上可用于建設(shè)LID措施的有效綠地虧缺,地庫頂板之外有效綠地盈余．因此,不能僅依據(jù)有效綠地占總面積的百分比來確定小區(qū)海綿城市目標(biāo)的可達(dá)性,應(yīng)對有效綠地和硬質(zhì)面進(jìn)行高精度匹配．

表2 研究區(qū)各土地利用類型面積及比例Tab.2 Area and proportion of each land use types in the study area

圖3為研究區(qū)無效綠地的構(gòu)成．由圖3可知,無效綠地中地下停車場占比最大,為89.52%,其余無效綠地由小區(qū)地下管線管廊和建筑基礎(chǔ)構(gòu)成,部分管線沿建筑物外圍布設(shè),兩者之間存在重復(fù)計(jì)算的無效綠地．小區(qū)硬化面與有效綠地的面積比為3.1∶1,參考一般生物滯留設(shè)施5∶1～20∶1的匯流比,在不考慮有效綠地與硬化面位置關(guān)系和水力連通的情況下,小區(qū)有效綠地面積仍然能夠消納硬化面的匯流雨水．但如上所述,有效綠地區(qū)綠地盈余,除地庫邊緣幾棟建筑屋面與有效綠地存在水力連通外,地庫頂板內(nèi)大多數(shù)建筑屋面和硬化路面都不能與有效綠地形成有效的水力連通,無效綠地區(qū)綠地虧缺,地下空間削減了小區(qū)有效綠地面積,阻礙了小區(qū)硬化面與有效綠地水力連通路徑,影響小區(qū)LID措施的整體規(guī)劃和布局．

圖3 研究區(qū)無效綠地構(gòu)成圖Fig.3 Composition of invalid green space in the study area

3.2 模擬結(jié)果分析

通過SWMM模擬得出,在設(shè)計(jì)降雨下綠地不產(chǎn)生徑流,說明年徑流控制率目標(biāo)為75%時(shí)只需對研究區(qū)硬化面配套LID措施．圖4為不同LID布設(shè)方案下設(shè)計(jì)降雨的徑流過程．由圖4可知,方案3徑流總量和峰值流量顯著降低．圖5為不同LID方案下徑流和峰值控制情況．由圖5可知,隨著LID措施布設(shè)規(guī)模的提升,研究區(qū)徑流總量和洪峰流量削減效果愈加明顯,徑流總量控制率從67.1%提升至76.6%;LID方案3徑流控制和峰值流量削減效果最好,與現(xiàn)狀相比,徑流控制率提升了51.1%,峰值流量削減了54.4%．

圖4 不同LID布設(shè)方案下的徑流過程Fig.4 Runoff processes of different LID layout schemes in the study area

圖5 不同LID方案徑流總量控制率和峰值流量Fig.5 Capture ratio of annual total runoff and peak flow under different LID layout schemes

3.3 LID方案優(yōu)化

LID方案1～3展示了研究區(qū)硬化面積配套LID措施布設(shè)方案的優(yōu)化過程．依據(jù)綠地有效性,優(yōu)先選擇匯集雨水徑流集中就地入滲;在最小厚度及承載力強(qiáng)度的限制下,對小區(qū)道路布設(shè)透水鋪裝;無法滿足上述要求的硬化面設(shè)置綠色屋頂和植草溝措施,通過多種LID措施在源頭對雨水進(jìn)行最大化消納．根據(jù)多年降雨資料統(tǒng)計(jì)得到的設(shè)計(jì)降雨量,研究區(qū)進(jìn)行海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì),面對小于等于設(shè)計(jì)降雨時(shí)的徑流總量控制率為100%,超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生溢流,方案3仍未滿足75%年徑流總量控制率目標(biāo)．這是由于方案3雖對硬化面進(jìn)行了配套LID措施的優(yōu)化,但仍存在14.1%的屋面(13#、14#、21#、22#、23#樓綠色屋頂按照50%的面積設(shè)計(jì))和64.7%的路面沒有配套相應(yīng)的LID措施．對于未配套LID措施的屋面,設(shè)置綠色屋頂占屋面面積的50%;對于未配套LID措施的路面,考慮到小區(qū)消防通道和消防登高地對于路面強(qiáng)度的要求,不宜對這部分路面設(shè)置透水鋪裝,經(jīng)過綠地有效性解析,路面周邊無匹配有效綠地,設(shè)置植草溝措施．常規(guī)的源頭配套LID措施達(dá)到研究區(qū)相應(yīng)規(guī)范的最大布設(shè)時(shí),仍有部分未配套LID措施的硬化面產(chǎn)生外排流量,為滿足75%降雨年徑流總量對應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量的控制要求,須在末端設(shè)置雨水調(diào)蓄池收集部分徑流．在設(shè)計(jì)降雨無外排情況下,現(xiàn)狀排放口O1～O4所需的調(diào)蓄容積分別為135,157,327,230 m3,方案3所需的調(diào)蓄容積分別為65,95,127,115 m3,即LID布設(shè)方案3使小區(qū)所需調(diào)蓄容積由92.2 m3·hm-2下降至43.6 m3·hm-2,降幅52.7%．

最終確定研究區(qū)LID布設(shè)方案如下:雨水花園(75%屋面面積)+透水鋪裝(23.9%路面面積)+植草溝(11.4%路面面積)+調(diào)蓄池(43.6 m3·hm-2),該方案滿足年徑流總量控制率75%的要求．為預(yù)測該方案下研究區(qū)遇到更高強(qiáng)度降雨時(shí)的運(yùn)行效果,選擇1,2,5年一遇的降雨,利用SWMM模型模擬研究區(qū)在LID措施配套后和現(xiàn)狀下在不同降雨重現(xiàn)期下徑流過程,如圖6所示．由圖6可知,在面對1,2,5年重現(xiàn)期降雨時(shí),研究區(qū)現(xiàn)狀徑流總量控制率分別為37.5%,30.9%,25.1%,峰值流量分別為1 015,1 344,2 004 L·s-1;配套LID措施后,徑流總量控制率分別為65.8%,56.0%,47.3%,峰值流量分別為522,834,1 252 L·s-1;與研究區(qū)現(xiàn)狀相比,徑流總量控制率分別提升了28.3%,25.1%,22.2%,峰值流量分別削減了48.6%,38.0%,37.5%,到達(dá)峰值流量時(shí)間分別推后了14,10,8 min．以現(xiàn)狀管網(wǎng)2年一遇的系統(tǒng)總出流量和峰值流量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為參照,LID方案布置后總出流量和峰值流量分別在5.5,6.1年一遇設(shè)計(jì)降雨情況達(dá)到該設(shè)計(jì)值．因此,布設(shè)LID措施方案后可較大幅度提高小區(qū)現(xiàn)狀防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)．隨著降雨重現(xiàn)期的增大,LID措施對徑流量和峰值流量的削減效果及峰值流量的滯峰效果逐漸減弱．這是由于降雨量逐漸增大,綠色屋頂、透水鋪裝等LID措施達(dá)到蓄滿容積開始產(chǎn)流,此時(shí)雨量和雨峰的削減僅依靠配套LID措施綠地的入滲,而入滲速度小于降雨強(qiáng)度,故其對徑流控制及峰值流量削減的效果隨之減弱;LID措施的滯峰效果受雨峰系數(shù)和蓄滿時(shí)間影響,在當(dāng)前單峰設(shè)計(jì)降雨條件下,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,LID措施到達(dá)蓄滿容積的時(shí)間逐漸縮短,所以對峰值流量的滯峰效果也隨之減弱．

圖6 不同重現(xiàn)期下LID配套措施與現(xiàn)狀徑流控制率與峰值削減情況Fig.6 LID supporting measures,current runoff control rate and peak reduction under different return periods

4 結(jié)論

城市地下空間造成了研究區(qū)有效綠地?cái)?shù)量的顯著減少,阻礙了部分硬化面利用有效綠地進(jìn)行雨水入滲,影響了LID措施的布設(shè)和配套．本文通過源頭設(shè)置不同LID措施(雨水花園+透水鋪裝+綠色屋頂+植草溝),添加設(shè)計(jì)規(guī)模為43.6 m3·hm-2的末端調(diào)蓄池,實(shí)現(xiàn)滲、蓄、用相結(jié)合的綜合雨水徑流控制功能．該方案在更高降雨重現(xiàn)期的模擬結(jié)果表明,徑流系數(shù)和峰值流量較現(xiàn)狀顯著降低,削減效果隨降雨重現(xiàn)期的增大而減?。送?無效綠地上建設(shè)LID措施須設(shè)置排水和防滲處理,該處理增加的建設(shè)費(fèi)用與雨水調(diào)控效果的經(jīng)濟(jì)性,以及不同LID措施布設(shè)下不透水面和LID措施內(nèi)部的水力連通優(yōu)化方案有待進(jìn)一步研究．