基于SUSTAIN 模型的雨洪管理規(guī)劃

林偉斌，鄭郁善

(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州 350002)

基于SUSTAIN 模型的雨洪管理規(guī)劃

林偉斌，鄭郁善*

(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州 350002)

摘要：在我國推行海綿城市的背景下，各地區(qū)開始大量建設(shè)雨洪管理項目，但缺乏科學(xué)合理的前期評估方法。筆者采用EPA開發(fā)的SUSTAIN模型作為載體，以福建農(nóng)林大學(xué)下安校區(qū)作為研究基地，分析對比其在開發(fā)前、現(xiàn)狀場景、雨洪措施規(guī)劃場景下年徑流削減和污染物削減情況，結(jié)果表明，基于SUSTAIN的雨洪管理措施能有效減少徑流和污染物。

關(guān)鍵詞：海綿城市；SUSTAIN模型；校園綠地；低影響開發(fā)

隨著城市化和全球氣候變遷，我國很多城市在雨季都會發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)澇。近年來,北京、上海、廣州、深圳等大中城市都發(fā)生過嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。由于城市中大量綠地的高程普遍高于路面，道路容易被淹沒，導(dǎo)致道路周邊綠地形成綠島。國外城市發(fā)展的過程中也遇到過類似的問題，在應(yīng)對這些問題時，通常采用暴雨水最佳管理辦法[2](Best Management Practices,BMPs)、低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)[3]、綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施[4](Green Stormwater Infrastructure, GSI)等有效利用城市綠地進(jìn)行暴雨水管理的方法。根據(jù)我國國情，人們提出了海綿城市的概念，各地根據(jù)自身的氣候、區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況制定了各種海綿城市規(guī)范，如南寧市制定了南寧市海綿城市規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及南寧市海綿城市規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則。

美國EPA開發(fā)了搭載在ArcGIS平臺上的SUSTAIN模型，模型自帶有水文模擬軟件，其主要框架包括構(gòu)架管理模塊、土地模擬模塊、BMP模擬模塊、傳輸模擬模塊、優(yōu)化模塊和后處理模塊七類[5]。美國國家環(huán)保局(USEPA)支持開發(fā)的城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN),以ArcGIS為基礎(chǔ)平臺,綜合應(yīng)用了水文、水力和水質(zhì)分析模型,可以對BMP和LID的措施類型、安置地點(diǎn)和實(shí)施效果進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計與評估,對于我國開展暴雨管理措施的模型分析與設(shè)計評估具有很好的借鑒意義[6]。

1研究區(qū)域概況

福建農(nóng)林大學(xué)(簡稱“福建農(nóng)大”)，坐落于福建省省會福州市，是全國建校最早的農(nóng)林院校之一，是福建省重點(diǎn)建設(shè)高水平大學(xué)之一 ，是農(nóng)業(yè)部與福建省政府共建大學(xué)、國家林業(yè)局與福建省政府共建大學(xué)，是全國首批碩士學(xué)位授予權(quán)單位和全國第二批博士學(xué)位授予權(quán)單位，教育部本科教學(xué)工作水平評估優(yōu)秀高校，國家首批卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃改革試點(diǎn)高校。學(xué)校東臨閩江，西臨烏龍江，南倚妙峰山，北靠淮安山，校園三面被繁茂的山林所環(huán)繞，形成開口向西的馬蹄形丘陵谷地，全年氣候冬短夏長，溫暖濕潤，有利于各類生物的生長和繁殖。

下安校區(qū)為福建農(nóng)林大學(xué)在2007年進(jìn)行校園擴(kuò)建的校區(qū)，有誠智教學(xué)樓群、實(shí)驗樓群、下安桃山公寓樓、下安食堂，作為容納教學(xué)、科研、學(xué)生住宿多功能復(fù)合區(qū)域。然而，區(qū)域內(nèi)卻沒有進(jìn)行科學(xué)的雨洪規(guī)劃，在雨季經(jīng)常發(fā)生集水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常的教學(xué)、科研活動。區(qū)域內(nèi)有一個大型田徑場，保留有一個景觀濕地水池，誠智樓群和實(shí)驗樓群之間有大量的分散綠地。根據(jù)LID規(guī)劃要求，可以實(shí)施分散式的雨洪管理措施，從源頭開始控制雨水徑流。學(xué)校操場全貌見圖1，實(shí)驗樓樓間綠地見圖2。

圖1　學(xué)校操場

圖2　實(shí)驗樓樓間綠地

對于基地內(nèi)的主要雨洪問題歸納如下：

(1)缺乏基于雨洪管理的校園雨水專項規(guī)劃。福州地區(qū)大學(xué)校園規(guī)劃主要考慮通過溝渠、管道等傳統(tǒng)的雨水管理手段快速將場地內(nèi)的雨水外排，在雨水規(guī)劃上缺乏關(guān)于雨洪管理的內(nèi)容。在雨季，部分下水管容易發(fā)生溢流事件，地面大量垃圾物會堵塞雨水管道和雨水收集口。

(2)校園用地不透水下墊面面積大，雨季積水嚴(yán)重。大學(xué)校園規(guī)劃廣場、建筑、停車廠、運(yùn)動場等不透水下墊面占用比例大，在暴雨時產(chǎn)生較大的地表徑流，而校園場地設(shè)計的排水系統(tǒng)多為2～3年一遇的降雨標(biāo)準(zhǔn)，不能應(yīng)對極端氣候背景下短歷時的強(qiáng)降雨，極易造成部分交通干道、廣場用地積水，嚴(yán)重影響校園中師生出行，甚至造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

(3)雨水管理模式單一，缺乏雨洪管理措施的綜合應(yīng)用。福州地區(qū)大學(xué)校園的雨洪管理措施建設(shè)使用模式單一，多以透水鋪磚，大量綠地其標(biāo)高都高于路面，并沒有起到削減徑流、凈化水質(zhì)的作用。

(4)綠地整體布局不合理，豎向設(shè)計。在大學(xué)校園建設(shè)的初期并沒有從雨洪管理的角度去思考綠地布局，在城智樓與下安實(shí)驗樓之間存在大量的綠地空置。

2模型建立

在SUSTAIN模型準(zhǔn)備階段該需要大量的基礎(chǔ)資料，本研究以2015年全年每天每3小時的降雨數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他的氣象資料包括日平均氣溫、平均風(fēng)速、最高氣溫、最低氣溫等材料，根據(jù)SUSTAIN模型的資料識別要求，將降雨資料轉(zhuǎn)化為dat格式的材料，將氣象資料轉(zhuǎn)化成swm格式的材料。

本研究通過SUSTAIN模型中對雨洪管理措施物理限制條件的設(shè)定，借助ArcGIS強(qiáng)大的圖形資料的讀取和分析識別功能，讀取研究區(qū)域的數(shù)值地形圖、地下水位特征、土壤類型、集水區(qū)坡度、研究區(qū)域的道路信息等資料進(jìn)行各雨洪管理措施的篩選，經(jīng)過初步的現(xiàn)場調(diào)研，選取了雨水花園、綠屋頂、生態(tài)草溝、雨水桶、透水鋪裝作為建設(shè)雨洪管理措施的區(qū)域，最終選取出雨水花園適宜建設(shè)區(qū)域(見圖3)。可以看出，雨水花園適宜建設(shè)的區(qū)域主要位于樓間綠地、廣場周邊綠地，東部由于坡度較陡，適宜建設(shè)的綠地較少。綠屋頂?shù)倪m宜建設(shè)區(qū)域見圖4。從圖4可以看出，大部分屋頂都適宜建設(shè)綠屋頂，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，需要排除安新苑的坡屋頂建筑、實(shí)驗樓旁的實(shí)習(xí)基地的坡屋頂建筑。根據(jù)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的布局和現(xiàn)狀，調(diào)研研究區(qū)域的雨水收集井、雨水，本研究區(qū)域較小，雨水收集的時間均不超過一個小時，管網(wǎng)的流動時間可以忽略。根據(jù)現(xiàn)場校園排水管網(wǎng)的特征，為提高模擬的效率，同時在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將雨水井、雨水管道進(jìn)行概念化，在主要的高程變化點(diǎn)、管網(wǎng)拐點(diǎn)等區(qū)域設(shè)置雨水收集井。根據(jù)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)，主要為內(nèi)部渠道排水，本研究劃分了北部子集水區(qū)、南部子集水區(qū)、東部子集水區(qū)三個主要集水區(qū)，其主要的排水口分別與研究區(qū)域內(nèi)的排水溝渠相連。最后，展示的排水系統(tǒng)和排水渠劃分如圖5所示。

圖3　雨水花園適宜建設(shè)區(qū)域

圖4　綠屋頂適宜建設(shè)區(qū)域

根據(jù)場地內(nèi)雨洪管理措施優(yōu)化的結(jié)果，采取分散式的規(guī)劃布局，充分利用建筑周邊綠地、建筑屋頂操場周邊的綠地布置，通過分散式逐級削減的串聯(lián)雨洪措施，從建筑屋面的源頭開始控制，就地處理污染物。在北部集水區(qū)體育館和圖書館的建筑屋頂，將建筑周邊綠地改造為雨水花園，以管控來自建筑屋頂?shù)挠晁?。西部集水區(qū)充分利用實(shí)驗樓與教學(xué)樓之間的綠地設(shè)置雨水花園，并在教學(xué)樓與實(shí)驗樓屋頂設(shè)置綠屋頂。東部集水區(qū)因為坡度較陡，可以設(shè)置雨水花園的面積有限，因此結(jié)合雨水罐來控制來之屋頂?shù)膹搅?。LID雨洪管理措施布置圖如圖6所示。

圖5　集水區(qū)和雨水管網(wǎng)分布圖

圖6　LID措施規(guī)劃布置圖

3結(jié)果與討論

與開發(fā)前相比，開發(fā)后的場景北子集水區(qū)年徑流量增加了39 649 m3，漲幅159.1%;西子集水區(qū)年徑流量增加了89 746 m3，漲幅107.7%;東子集水區(qū)年徑流量增加了75 407 m3，漲幅85.8%?？梢?，開發(fā)后下墊面不透水面積的增大對年徑流總量影響很大，增幅北子集水區(qū)、西子集水區(qū)都在1倍以上。由于西子集水區(qū)存在較大的綠地緩沖，東子集水區(qū)有大片的水土保持科技園林地，故年總徑流增長較小。

加入LID措施后，北子集水區(qū)年徑流總量削減至35 845m3，削減了55.52%；西子集水區(qū)年徑流總量削減至57 932m3，削減了33.48%；東子集水區(qū)年徑流總量削減至69 867m3，削減了42.8%。從總體上看，加入LID措施之后，可以對場地內(nèi)的徑流進(jìn)行有效控制，可以看到北子集水區(qū)的控制效果最好，是因為在北子集水區(qū)內(nèi)綠屋頂增加的雨水花園面積比較大，可以更加有效地管控來自屋面和道路的地表徑流。

[參考文獻(xiàn)]

[1]林偉斌，林偉光，陳凌艷，等.低影響開發(fā)模式在風(fēng)景園林場地設(shè)計中的應(yīng)用[J].湖北工程學(xué)院學(xué)報，2015，35(6):99-103.

[2]黃新雨，張?zhí)?廣州城市河岸帶環(huán)境及最佳管理措施BMPs應(yīng)用初探[J].生態(tài)科學(xué)，2014(5):858-864.

[3]趙國翰. 基于低影響開發(fā)的城市排水系統(tǒng)改造研究[D].成都：西南交通大學(xué),2015.

[4]賈行飛，戴菲.我國綠色基礎(chǔ)設(shè)施研究進(jìn)展綜述[J].風(fēng)景園林， 2015(8):118-124.

[5]賈海峰，姚海蓉，唐穎，等.城市降雨徑流控制LID BMPs規(guī)劃方法及案例[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014(2):260-267.

[6]邢薇，王浩正，趙冬泉，等.城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN)介紹[J].中國給水排水，2012，28(2):29-33.

(責(zé)任編輯：張凱兵)

Stormwater Management Planning Based On SUSTAIN Model

Lin Weibin, Zhen Yushan*

(CollegeofLandscapeArchitecture,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)

Abstract：Under the background of the implementation of sponge city in China, several management projects on storm-water have been built in various regions. However, for the early projects, there seems to be a lack of scientific and reasonable evaluation process. This research, with the Xia’an campus of Fujian Agriculture and Forestry University as a research base, adopts the EPA development SUSTAIN model, analyzes the scenes before the development, the present situation under the conditions of the storm-water management measures, and compares the yearly runoff reduction and pollution reduction. It can be concluded that the storm-water management measures can effectively reduce runoff and pollution.

Key Words：sponge city；SUSTAIN model；greenland of campus；low impact development (LID)

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：林偉斌(1989-)，男，福建仙游人，福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院碩士研究生。

中圖分類號：TU986.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0071-04

鄭郁善(1960-)，男，福建閩清人，福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，本文通信作者。