姜早龍，張偉博，張志軍，金波，馮曉哲

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南湖大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410082；3.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)，城市可透水面積占比迅速減少，而城市排水系統(tǒng)建設(shè)較為落后，在氣候愈發(fā)惡劣、暴雨天氣頻發(fā)的情形下，內(nèi)澇已成為中國許多城市面臨的問題。濱海地區(qū)受到降雨強(qiáng)度大以及海水潮位變化頻繁等因素的影響，內(nèi)澇問題尤為突出。為了改善城市內(nèi)澇問題，海綿城市理念和LID 技術(shù)廣泛運用于城市雨洪調(diào)控中［1］。同時雨洪管理模型也廣泛應(yīng)用于海綿城市相關(guān)研究中，如SWMM 模型。

國內(nèi)外許多學(xué)者對海綿城市和LID 技術(shù)方面展開了研究。湯偉真等［2］利用SWMM 模型分析了不同LID 措施的雨洪削減效果；Feng 等［3］研究了4 種LID設(shè)施及其組合在7 個不同降雨事件下的有效性；郭振清等［4］探討了滲水雨水井入滲流量的計算方法；Guerra 等［5］通過對比研究了不同滲透率土壤下LID結(jié)構(gòu)的徑流捕獲和污染去除能力；Saadatpour 等［6］以減輕洪水和污染為目標(biāo)對LID 技術(shù)的布局進(jìn)行了優(yōu)化；程樹斌等［7］研究了種植土-碎石綠化帶的入滲特征及其影響因素。部分學(xué)者針對中國一些特殊地區(qū)的海綿城市建設(shè)進(jìn)行了相關(guān)研究，例如西北干旱地區(qū)和山區(qū)［8-9］，也有部分學(xué)者通過研究指出濱海地區(qū)存在海綿城市建設(shè)效果不理想、排水系統(tǒng)不完善以及部分管控措施不適用等問題［10-12］。

根據(jù)上述研究，中國海綿城市建設(shè)主要以實現(xiàn)水文目標(biāo)為主，對建設(shè)所需要的高額成本還不夠重視，且濱海地區(qū)海綿城市研究中仍缺少對相關(guān)技術(shù)的定量分析。本文基于沿海大中型城市降雨歷時短、強(qiáng)度高且排水管網(wǎng)普遍存在潮汐頂托等問題，建立了研究區(qū)域的SWMM 模型，并同時考慮徑流控制率和建設(shè)成本對LID 技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化利用研究。

1 研究區(qū)域概況及特征

1.1 研究區(qū)域概況

媽灣跨海通道工程連接南山媽灣港區(qū)與寶安區(qū)大鏟灣港區(qū)，終點與沿江高速大鏟灣收費站、西鄉(xiāng)大道相接，線路全長8.05 km。研究區(qū)域為大鏟灣段城市主干道，雙向六車道，位于寶安區(qū)大鏟灣港區(qū)，屬深圳市西南部，為填海造陸區(qū)域，其地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

深圳市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為2 007.4 mm，最大年降雨量為2 382 mm。該區(qū)域降雨主要分布在夏、秋兩個季節(jié)，且該階段的降雨量高達(dá)全年降水量的85%。降雨徑流通過排水管網(wǎng)直接排放至附近海域，因此該市因降雨導(dǎo)致的城市洪澇災(zāi)害的可能性較大。

區(qū)域的原始地貌為濱海灘涂及濱海潮間帶，后經(jīng)過人工大量挖砂堆填等土地修復(fù)改造工程后形成現(xiàn)有地貌。區(qū)域地表土層主要為人工填土，其下為淤泥層，人工填土層為多類填筑物混合填入，無明顯分層現(xiàn)象。各土層性質(zhì)如表1 所示。

表1 土層性質(zhì)

1.2 南方濱海地區(qū)海綿城市特征

南方濱海地區(qū)由于環(huán)境條件特殊，其地區(qū)的海綿城市建設(shè)與內(nèi)陸其他城市有一定的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）降雨強(qiáng)度大、歷時短。深圳作為中國南方濱海城市，降雨強(qiáng)度非常大，年降雨量為中國內(nèi)陸干旱地區(qū)的3～5 倍，且多為短歷時降雨，容易在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量徑流，導(dǎo)致內(nèi)澇災(zāi)害。

（2）受潮汐作用影響。研究區(qū)域排放口連接附近海域，海水潮位呈周期性變化，當(dāng)潮位淹沒排放口時，雨水無法及時排放，容易導(dǎo)致地表積水嚴(yán)重，加大內(nèi)澇風(fēng)險。

中國南方濱海地區(qū)多為較發(fā)達(dá)的城市，開發(fā)程度高，對原有生態(tài)的破壞程度大；沿海地區(qū)普遍高程較低，內(nèi)陸腹地空間較少，導(dǎo)致城市調(diào)蓄能力有限。故濱海地區(qū)的海綿城市建設(shè)相對于內(nèi)陸普通城市會面臨更大的困難，也意味著需要付出更高的成本。

2 SWMM 模型建立

2.1 研究區(qū)域簡介和概化

研究區(qū)域總面積0.089 km2，該區(qū)域下墊面類型包括綠地、機(jī)動車道、非機(jī)動車及人行道路，分別占面積38%、42%和20%，不透水范圍占比較高，綠地范圍為普通綠化，且地勢較其他下墊面更高，無調(diào)蓄能力。根據(jù)研究區(qū)域的產(chǎn)匯流系統(tǒng)和管網(wǎng)，將研究區(qū)域概化如下：將該區(qū)域劃分為12 個子匯水區(qū)，將排水管網(wǎng)概化為12 段排水管道，12 個排水節(jié)點，2 個排水口，如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)域概化

2.2 雨型設(shè)計

為了模擬LID 在降雨中的效果，需要根據(jù)深圳當(dāng)?shù)亟涤晏攸c設(shè)計降雨事件。根據(jù)深圳市氣象局基于近幾十年的降水資料發(fā)布的暴雨強(qiáng)度公式計算降雨強(qiáng)度，如式（1）所示；采用芝加哥雨型，根據(jù)柴苑苑等［13］的研究取綜合雨峰位置系數(shù)為0.388 32，峰現(xiàn)時間在第47 min，設(shè)置暴雨歷時為2 h，由式（1）分別計算重現(xiàn)期為2 年、5 年、10 年的降雨序列。

式中：i為設(shè)計暴雨強(qiáng)度（mm/min）；P為設(shè)計重現(xiàn)期（年）；T為降水歷時（min）。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置和驗證

SWMM 模型的參數(shù)設(shè)置主要分為水文、水力和水質(zhì)3 個模塊，其中部分參數(shù)如匯水區(qū)面積、寬度、管徑和節(jié)點標(biāo)高等可以根據(jù)相關(guān)資料或?qū)嶋H測量得出。部分參數(shù)無法測量，需要參考參數(shù)率定結(jié)果。其中曼寧系數(shù)、不滲透性洼地蓄水深度和最大下滲速率對于模擬結(jié)果具有較大敏感性，需要謹(jǐn)慎選?。?4-16］。采用修正的Morris 篩選方法對參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，計算方法如式（2）。根據(jù)|S|值的大小，可衡量參數(shù)的敏感性：若1＞|S|≥0.2，則為高敏感性；若0.2＞|S|≥0.05，則為中敏感性［17］。

式中：S為敏感性因子；Y0為初始參數(shù)的輸出值；Yi為參數(shù)第i次變動對應(yīng)的輸出值；Pi為參數(shù)第i次變動相對于初始值的百分比；n為變動次數(shù)。

選擇重現(xiàn)期為5年的降雨事件，分別計算各參數(shù)對徑流總量和徑流峰值的|S|值。經(jīng)計算得出：對于徑流總量，最大下滲速率的|S|為0.246 8，即高敏感性，最小下滲速率的|S|值為0.062 2，即中敏感性；對于徑流峰值，不透水區(qū)和透水區(qū)曼寧系數(shù)|S|值為0.088 4 和0.099 4，最大和最小下滲速率|S|值為0.146 2 和0.073 7，皆為中敏感性。對于這些參數(shù)的取值需謹(jǐn)慎選取。

采用研究區(qū)域2020 年6 月26 日和8 月5 日的兩場降雨數(shù)據(jù)率定參數(shù)取值，最終參數(shù)率定值如表2 所示，模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比如圖3 所示。采用納什效率系數(shù)（CNSE）來驗證模型的準(zhǔn)確性，計算方法如式（3）所示。對于SWMM 模型一般認(rèn)為CNSE值大于0.5 時表示模型可以接受［18］。經(jīng)計算得到兩場降雨的CNSE值分別為0.813 9、0.879 6，表明模型能夠準(zhǔn)確反映研究區(qū)域的降雨和徑流情況。

表2 參數(shù)率定結(jié)果

圖3 SWMM 模型模擬結(jié)果對比

式中：Q0為觀測值；Qm為模擬值；Qt為第t時刻的某個值；Qˉ0為觀測值的總平均值。

2.4 LID 措施設(shè)計

根據(jù)研究區(qū)域的條件及LID 設(shè)施的適用性，研究區(qū)域可采用透水鋪裝、下沉式綠地、植草溝和雨水花園4 種LID 設(shè)施。非機(jī)動車道和人行道可以采用透水鋪裝，機(jī)非間隔綠化帶可以采用雨水花園、下沉式綠地和植草溝。由于研究區(qū)域為道路，各LID 設(shè)施呈線性布置，為了保證設(shè)施的連續(xù)性，盡量在同一布置范圍內(nèi)采用一種LID 設(shè)施。在研究區(qū)域設(shè)計了4 種組合方案，如表3 所示。

表3 LID 設(shè)施組合設(shè)計

各項LID 設(shè)施參數(shù)可參考SWMM 模型用戶手冊、其他工程實踐以及相關(guān)文獻(xiàn)來確定，各參數(shù)取值如表4 所示。根據(jù)設(shè)計的各組合方案在SWMM 模型各子匯水區(qū)中添加對應(yīng)的LID 設(shè)施。

表4 LID 措施參數(shù)設(shè)置

3 模擬分析

3.1 LID 組合方案徑流控制效果分析

為了比較各個方案的徑流控制效果，在重現(xiàn)期分別為2 年、5 年和10 年，降雨歷時為2 h 的情景下分別對未設(shè)置LID 設(shè)施和4 個組合進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表5 所示，并根據(jù)在3 種重現(xiàn)期降雨下產(chǎn)生的徑流量計算4 個組合在不同重現(xiàn)期降雨下的徑流削減率，結(jié)果如圖4 所示。

表5 徑流模擬結(jié)果

圖4 LID 措施組合徑流控制效果對比

由表5 可知：4 種LID 設(shè)施組合方案都具有較好的峰值流量削減效果，且峰現(xiàn)時間延緩了2～3 min。當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2 年和5 年時，峰值流量削減和峰現(xiàn)時間延緩方面組合1 相對其他組合較差；當(dāng)降雨重現(xiàn)期為10 年時，峰值流量削減效果最好的仍是組合3，組合1 和組合4 略次于組合3，洪峰出現(xiàn)最遲的是組合1，其他組合洪峰出現(xiàn)時間略微早于組合1。從峰值削減和延緩峰現(xiàn)時間方面來看，組合1 更能在高強(qiáng)度降雨下表現(xiàn)出較好的效果，分析原因為：植草溝和下沉式綠地的調(diào)蓄容積主要分布在接近地表的表面層和土壤層，而雨水花園層數(shù)較多，調(diào)蓄容積主要分布在較深的土壤層和蓄水層，由于雨水下滲需要時間，故植草溝和下沉式綠地在低強(qiáng)度降雨下更能直接削減峰值流量和延緩峰現(xiàn)時間；當(dāng)降雨強(qiáng)度較高且超出植草溝和下沉式綠地的調(diào)蓄能力時，雨水花園具有更大調(diào)蓄容積的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來。

由圖4 可知：在各降雨重現(xiàn)期下徑流削減效果最好的是組合1，且較其他組合具有明顯優(yōu)勢，組合3 在各重現(xiàn)期下徑流總量削減效果都是最差的；當(dāng)降雨重現(xiàn)期為10 年時，組合2 的總量削減效果出現(xiàn)明顯下滑，且落后于組合4。

3.2 潮汐影響下LID 運行效果分析

通過查詢研究區(qū)域附近港口近幾年潮汐水位數(shù)據(jù)，采用最不利條件進(jìn)行分析，近幾年最高潮汐水位出現(xiàn)在2020 年8 月20 日，為291 cm，故選用該潮汐水位進(jìn)行模擬分析。

3.2.1 檢查井水深分析

選取兩個位于中、下游的節(jié)點J3 和J10 進(jìn)行模擬分析（圖5、6），從而推斷潮汐作用對管網(wǎng)節(jié)點負(fù)荷的影響。

圖5 自由出流和潮汐頂托對比

由圖5 可知：檢查井J3 和J10 在潮汐頂托作用下，最大水深顯著增加，且在整個降雨過程中兩個檢查井的平均水深也顯著提升，證實了潮汐頂托作用下檢查井的負(fù)載顯著增大；由圖6 可知：LID 的使用使節(jié)點最大水深恢復(fù)為自由出流狀態(tài)甚至更低，而平均水深略高于自由出流狀態(tài)，4 種組合最大水深相近，而組合1 平均水深明顯低于其他組合。

圖6 各LID 組合節(jié)點水深對比

3.2.2 排放口負(fù)荷分析

在SWMM 模型中設(shè)置潮汐水位序列，對出水口情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如表6 所示。

表6 排放口出流量對比

由表6 可知：在潮汐作用下出水口的出流量會增加，出水口負(fù)荷會顯著增加，且采用LID 設(shè)施減少了排放口20%～24%的出水量，能夠緩解潮汐作用帶給排水管網(wǎng)的壓力；在4 個LID 設(shè)施組合中，組合1的出流量最小，其次是組合2，再次是組合4，最差的是組合3。

綜合來看，組合1 在徑流總量削減和緩解潮汐作用下管網(wǎng)負(fù)荷方面顯著優(yōu)于其他組合；在高強(qiáng)度降雨下峰值削減和延緩峰現(xiàn)時間方面也是最優(yōu)。故透水鋪裝+雨水花園組合最優(yōu)。

4 優(yōu)化模型設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 優(yōu)化模型構(gòu)建

已知透水鋪裝和雨水花園兩種LID 措施組合的雨洪控制效果最優(yōu)，為了確定如何布設(shè)兩種LID 措施能夠滿足沿海地區(qū)海綿城市建設(shè)方案既能達(dá)到低影響開發(fā)的目的又經(jīng)濟(jì)實惠，在建立模型的基礎(chǔ)上，還需利用多目標(biāo)優(yōu)化的方法尋找出多目標(biāo)最優(yōu)方案。以各匯水分區(qū)中布設(shè)透水鋪裝和雨水花園的面積為優(yōu)化模型的控制變量，同時以年徑流總量控制率和LID 措施總建設(shè)費用為優(yōu)化目標(biāo)，求得LID 措施優(yōu)化方案。優(yōu)化模型如圖7 所示。

圖7 LID 措施優(yōu)化模型

該優(yōu)化模型需要運用多目標(biāo)優(yōu)化算法求解，由于NSGA-Ⅱ算法具有運行速度快、收斂性好等優(yōu)點［19］，在解決許多工程類多目標(biāo)優(yōu)化問題中得到廣泛使用，因此選用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行目標(biāo)求解。

4.1.1 確定目標(biāo)函數(shù)

年徑流總量控制率可以根據(jù)容積法中設(shè)計調(diào)蓄容積與設(shè)計降雨量之間的關(guān)系反向推算求得，計算方法如式（4）所示：

式中：V為調(diào)蓄容積（m3）；H為設(shè)計降雨量（mm）；φ為綜合徑流系數(shù)，由各下墊面的徑流系數(shù)根據(jù)面積加權(quán)平均求得；F為總面積（hm2）。

本研究區(qū)域的生物滯留設(shè)施為在機(jī)動車與非機(jī)動車道分隔綠化帶上設(shè)置的雨水花園；且以下滲為主，無上部蓄水空間的透水鋪裝僅參與徑流系數(shù)的計算，則研究區(qū)域的調(diào)蓄容積與雨水花園的關(guān)系如式（5）所示：

式中：h為存水深度（m）；hi為各土層深度（m）；ei為各土層空隙率；sRi為第i個子匯水區(qū)雨水花園的面積（m2）；N為子匯水區(qū)個數(shù)，取12。

結(jié)合上式計算求得設(shè)計降雨量，然后根據(jù)深圳市年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量的關(guān)系曲線（圖8），可以求得目標(biāo)函數(shù)值f1。

圖8 年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量關(guān)系曲線

在估算總成本費用時一般采用全過程生命周期成本來估算，但是中國的海綿城市建設(shè)還不夠成熟，工程案例較少，缺乏數(shù)據(jù)積累，對于LID 措施在運營與維護(hù)方面費用的估算參差不齊，而且在不同地區(qū)的成本費用估算有較大差異，因此本次研究僅考慮建設(shè)成本。對于透水鋪裝與雨水花園兩種LID 措施的建設(shè)成本，可以通過該LID 措施的單位面積建設(shè)費用與建設(shè)面積相乘求得，根據(jù)選取的LID 措施參數(shù)和項目實際情況，透水鋪裝與雨水花園的建設(shè)費用 分 別 為300 元/m2和1 000 元/m2，則 總 建 設(shè) 成 本 費用函數(shù)如式（6）所示：

式中：sPi為第i個匯水分區(qū)中設(shè)置透水鋪裝的面積（m2）；CP、CR為單位面積透水鋪裝與雨水花園的建設(shè)成本（元）。

4.1.2 約束條件

在研究區(qū)域中，各種LID 措施的建設(shè)面積是有限的，雨水花園應(yīng)該設(shè)置在綠地中，透水鋪裝則應(yīng)在非機(jī)動車道和人行道范圍內(nèi)設(shè)置，根據(jù)設(shè)施最大及最小面積約束得到約束條件如式（7）所示：

式中：APimax、APimin為第i個匯水分區(qū)可以設(shè)置透水鋪裝面積的最大、最小值（m2）；ARimax、ARimin為第i個匯水分區(qū)可以設(shè)置雨水花園面積的最大、最小值（m2）。

4.2 優(yōu)化分析

在建立多目標(biāo)優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，根據(jù)建立的目標(biāo)函數(shù)和約束條件編寫NSGA-Ⅱ算法程序，選取種群個數(shù)為300、遺傳代數(shù)為200，經(jīng)過優(yōu)化計算后得出Pareto 最優(yōu)解集，其解集由一群非支配個體組成，每個個體都代表著達(dá)到相應(yīng)徑流控制目標(biāo)值所需建設(shè)成本最少的LID 措施方案，可供決策者選擇，這些個體構(gòu)成了一條Pareto 最優(yōu)曲線，如圖9 所示。由圖9可知：當(dāng)年徑流總量控制率達(dá)到83.0%時，若一味提高徑流控制目標(biāo)，會導(dǎo)致總建設(shè)成本迅速增加。

圖9 Pareto 最優(yōu)曲線

本文根據(jù)《深圳市海綿型道路建設(shè)技術(shù)指引（試行）》中的規(guī)定，要求年徑流總量控制率達(dá)到65%。根據(jù)上述要求在Pareto 最優(yōu)解集中選取一個優(yōu)化方案，并與原方案進(jìn)行對比，兩種方案的設(shè)計規(guī)模如表7 所示。原方案為了達(dá)到更高的徑流控制目標(biāo)，直接采用兩種LID 措施100%覆蓋可布設(shè)區(qū)域的方案，并沒有考慮成本。由圖9 可知：原方案并未在Pareto 最優(yōu)曲線上，證明存在同樣達(dá)到85%年徑流總量控制率而成本更低的方案，存在很大的優(yōu)化空間；優(yōu)化方案在同樣滿足徑流控制目標(biāo)的情況下，相對于原方案節(jié)省了29.06%的成本，共331.7 萬元。

表7 LID 措施布設(shè)方案

本文根據(jù)優(yōu)化方案與原方案中兩種LID 措施的規(guī)模，在建立SWMM 模型中設(shè)置LID 措施，并在不同降雨重現(xiàn)期和潮汐作用下進(jìn)行研究區(qū)域的產(chǎn)匯流模擬，對比兩種方案在較高降雨強(qiáng)度下的雨洪調(diào)控效果，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 LID 措施布設(shè)前后效果對比

由圖10 可見：優(yōu)化方案與原方案在潮汐作用和不同重現(xiàn)期降雨下都有較好的徑流削減效果，優(yōu)化方案與原方案在徑流控制作用方面相差不大，僅在徑流峰值削減方面有微弱的劣勢，但需要的建設(shè)成本更少。

5 結(jié)論

本文以媽灣跨海通道工程第二標(biāo)段地面道路海綿城市工程為例，通過建立SWMM 模型模擬分析在潮汐作用下LID 措施組合在不同重現(xiàn)期降雨中的徑流控制效果，建立一種LID 措施優(yōu)化模型，采用NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化LID 措施規(guī)模。得到以下結(jié)論：

（1）4 種LID 設(shè)施組合中，組合1（雨水花園+透水鋪裝）在重現(xiàn)期為2 年、5 年、10 年降雨下的徑流總量削減效果都是最好的；在強(qiáng)度較低的降雨下組合1峰值削減和延遲峰現(xiàn)時間能力較弱，但在強(qiáng)降雨下表現(xiàn)最為出色。

（2）潮汐頂托作用下，系統(tǒng)總出流量和節(jié)點水深會顯著增加，嚴(yán)重影響排水系統(tǒng)正常運行；LID 設(shè)施的使用能夠減少潮汐頂托作用增加的出流量，減輕潮汐給排水管網(wǎng)帶來的負(fù)荷。潮汐作用下組合1 的節(jié)點平均水深最低，且出流量最少，能夠更好地緩解潮汐影響。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計方法得到的海綿城市建設(shè)方案存在較大優(yōu)化空間，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對LID 設(shè)施的規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化方案在滿足徑流控制目標(biāo)的情況下，相對于原方案節(jié)省了29.06% 的成本，共331.7 萬元。