不同管網(wǎng)平面布置形式下低影響開發(fā)的雨洪控制效果研究

柯錦燕， 潘文斌， 鄭 鵬， 占 昕

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116)

不同管網(wǎng)平面布置形式下低影響開發(fā)的雨洪控制效果研究

柯錦燕， 潘文斌， 鄭 鵬， 占 昕

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116)

以福州市晉安區(qū)解放溪流域某居民區(qū)為研究對(duì)象， 選取3種不同的低影響開發(fā)措施(滲透鋪裝， 植被淺溝&雨水花園， 綠色屋頂)設(shè)計(jì)了4種布設(shè)情景. 根據(jù)芝加哥降雨過程線模型合成不同降雨重現(xiàn)期、 不同降雨歷時(shí)和不同雨峰位置的降雨情景， 基于PCSWMM軟件分析正交式和平行式排水管網(wǎng)平面布置形式下的低影響開發(fā)措施的雨洪控制情況. 研究結(jié)果表明： 在降雨重現(xiàn)期較小、 降雨歷時(shí)較長及雨峰位置靠前時(shí)， 平行式的低影響開發(fā)措施對(duì)出水口峰值流量的削減效果要優(yōu)于正交式. 在不同降雨特性下， 平行式的滲透鋪裝、 綠色屋頂和低影響開發(fā)組合措施對(duì)出水口懸浮顆粒物峰值濃度的削減效果要優(yōu)于正交式， 而正交式的植被淺溝&雨水花園措施對(duì)出水口懸浮顆粒物峰值濃度的削減效果要優(yōu)于平行式. 本研究可為海綿城市建設(shè)過程中排水管網(wǎng)的平面布置及低影響開發(fā)措施的選擇提供依據(jù)和借鑒.

低影響開發(fā)； 降雨特性； 正交式； 平行式; 排水管網(wǎng)； PCSWMM模型； 福州市; 晉安區(qū)

0 引言

近年來中國城市化進(jìn)程不斷加快， 而城市內(nèi)澇多發(fā)、 水環(huán)境污染和雨水資源大量流失等已成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[1]. 鑒于此， 中國政府提出“海綿城市”的構(gòu)想， 構(gòu)建“低影響開發(fā)(LID)雨水系統(tǒng)”是海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)， 其核心理念是通過采用多種分散的源頭控制措施， 維持和保護(hù)場地自然水文功能[2-3]. 基于低影響開發(fā)理念， 構(gòu)建將雨水源頭控制措施、 雨水排水管網(wǎng)和雨水集中處理設(shè)施統(tǒng)一結(jié)合的可持續(xù)城市雨水系統(tǒng)， 既可緩解降雨徑流引起的洪澇災(zāi)害， 又可充分利用雨水資源控制城市非點(diǎn)源污染， 更好地體現(xiàn)我國雨水管理要求[4-5].

低影響開發(fā)措施主要有滲透鋪裝、 植被淺溝、 雨水花園和綠色屋頂?shù)龋?各種低影響開發(fā)措施在不同尺度下對(duì)降雨徑流的控制效果已經(jīng)廣泛被國內(nèi)外學(xué)者研究和評(píng)估. Ahiablame等[6]使用L-THIA-LID模型模擬不同低影響開發(fā)措施在兩個(gè)高度城市化流域的控制效果， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 不同低影響開發(fā)布設(shè)情景可削減2%～12%的徑流量和污染物負(fù)荷量. Lee等[7]發(fā)現(xiàn)在一個(gè)大流域范圍采用低影響開發(fā)措施， 對(duì)50年一遇和100年一遇的暴雨徑流峰值的削減量可達(dá)7%～15%. 王文亮等[8]、 王雯雯等[9]和符銳等[10]基于SWMM模型對(duì)低影響開發(fā)措施進(jìn)行雨洪控制效果模擬， 均發(fā)現(xiàn)低影響開發(fā)措施能夠有效地起到徑流調(diào)控和雨水利用的作用， 減少研究區(qū)域的開發(fā)對(duì)水文循環(huán)的影響.

目前， 大多數(shù)人只研究低影響開發(fā)措施對(duì)地表徑流的控制效果， 沒有考慮到不同的城市排水管網(wǎng)布置形式對(duì)其控制效果的影響. 許多已建成區(qū)的低影響開發(fā)項(xiàng)目又過分強(qiáng)調(diào)削減和控制區(qū)域內(nèi)的排水量及洪峰流量， 忽略與已建成市政管道的銜接， 使得場地原有雨水管道沒有得到充分的利用. 另外， 部分城市排水管網(wǎng)布置形式不合理， 使得單獨(dú)依靠綠色基礎(chǔ)設(shè)施緩解內(nèi)澇較為困難. 基于此， 研究不同排水管網(wǎng)平面布置形式對(duì)低影響開發(fā)控制措施的影響， 以期為城市管網(wǎng)優(yōu)化和海綿城市建設(shè)提供指導(dǎo)性意見.

1 材料與方法

1.1 PCSWMM模型

PCSWMM是加拿大水力計(jì)算研究所基于EPASWMM開發(fā)的綜合性商業(yè)化軟件， 廣泛應(yīng)用于城市排水管道和暴雨管理研究中， 可模擬完整的污染物遷移和降雨徑流過程， 并為區(qū)域低影響開發(fā)管理提供決策性意見. PCSWMM模型提供的低影響開發(fā)控制模塊可以精確模擬不同類型的低影響開發(fā)調(diào)控(如對(duì)滯留、 下滲和蒸發(fā)的調(diào)控). 在模型中， 低影響開發(fā)調(diào)控可由一組連接在一起的垂向圖層表示(如表面層、 路面層、 土壤層和蓄水層等)， 每個(gè)圖層的參數(shù)單獨(dú)定義. 在PCSWMM運(yùn)行期間， 利用水量平衡方程可以跟蹤每個(gè)低影響開發(fā)圖層實(shí)時(shí)的出流和儲(chǔ)水情況[11].

1.2 研究區(qū)概況及其概化

圖1 兩種排水管網(wǎng)平面形式概化 Fig.1 Generalization map of two drainage pipe network plane layout forms

選取福州市晉安區(qū)解放溪流域一個(gè)高密度居民住宅區(qū)為研究區(qū)域， 小區(qū)中心的經(jīng)緯度為東經(jīng)119°18′39″， 北緯26°8′6″， 研究區(qū)地處福州市中心， 屬于亞熱帶海洋性氣候， 每年有1～2次臺(tái)風(fēng)登陸， 帶來短歷時(shí)的強(qiáng)降水， 平均年降水量為900～2 100 mm. 研究區(qū)面積1.279 hm2， 按下墊面特性分為屋面、 路面、 草地和水面這4種類型， 面積占比分別為30.276%、 38.228%、 30.866%和0.630%， 不透水率為69.134%， 平均海拔10.350 m， 平均坡度2.956%， 主要的土壤類型為壤土. 研究區(qū)排水管網(wǎng)現(xiàn)狀布置形式為正交式， 將其概化為38個(gè)子匯水區(qū)、 38個(gè)節(jié)點(diǎn)、 38條管道和1個(gè)出水口.

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況， 將排水管網(wǎng)布置形式重新概化為平行式， 也包括38個(gè)子匯水區(qū)、 38個(gè)節(jié)點(diǎn)、 38條管道和1個(gè)出水口, 詳見圖1. 為了減小其它因素對(duì)分析結(jié)果的影響， 使進(jìn)入同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的雨水量一定， 對(duì)雨水井選擇和子流域的劃分均相同. 在兩種管網(wǎng)布置形式中， 部分管道的坡度方向會(huì)發(fā)生改變. 為了不影響分析結(jié)果， 設(shè)計(jì)保持管道坡度不變， 但方向改變. 研究區(qū)正交式管網(wǎng)布置的支管管徑均為300 mm， 因此在平行式管網(wǎng)布置時(shí)仍設(shè)計(jì)成300 mm， 正交式主干管上的管徑有300、 400(C7-C11)和500 mm(C12-C14、 C37、 C38). 由于設(shè)置成平行式管網(wǎng)時(shí)， 主干管的位置發(fā)生了變化， 設(shè)此時(shí)主干管的管徑與正交式相對(duì)應(yīng)主干管的管徑相同(如正交式中的C7管道與平行式中的C7管道的管徑相同).

1.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 水文水力參數(shù)設(shè)計(jì)

研究區(qū)的子匯水區(qū)面積、 特征寬度、 平均坡度、 不透水率、 管道形狀、 斷面尺寸、 管道起止點(diǎn)偏置值、 檢查井內(nèi)底標(biāo)高和檢查井最大深度等確定參數(shù)是基于福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供的土地利用類型圖、 地形圖和排水管網(wǎng)信息， 并通過Arcgis 10.3 軟件分析獲取. 模型不確定參數(shù)缺省值主要結(jié)合小區(qū)實(shí)際情況， 并參考SWMM模型用戶指南的推薦值和國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行選取[8-10]， 最終利用劉興坡等[12]提出的基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法對(duì)不確定參數(shù)缺省值進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn). 降雨入滲過程采用霍頓方程(Horton)進(jìn)行模擬， 其中模型需要輸入的最大入滲率fmax、 最小入滲率fmin、 衰減系數(shù)a分別取102 mm·h-1， 14 mm·h-1， 4 h-1. 地表徑流的產(chǎn)流模型分為有洼蓄量的不透水地表、 無洼蓄量的不透水地表和透水地表3個(gè)部分， 各部分單獨(dú)計(jì)算， 其中， 透水地表和不透水地表的洼地儲(chǔ)蓄量分別為5.8， 1.5 mm， 透水地表、 不透水地表和管道的曼寧系數(shù)n分別為0.300， 0.012， 0.013. 地表徑流的匯流計(jì)算采用非線性水庫模型， 模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動(dòng)力波模型.

1.3.2 低影響開發(fā)布設(shè)情景設(shè)計(jì)

不同低影響開發(fā)措施的參數(shù)設(shè)置主要參考SWMM用戶手冊(cè)的推薦值及國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者給定的參考值[13-19]， 具體低影響開發(fā)參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 LID類型設(shè)計(jì)參數(shù)

采用5種不同的用地布局情景進(jìn)行分析， 分別為現(xiàn)狀用地布局情景(不采取任何的低影響開發(fā)措施)、 滲透鋪裝用地布局情景(LID1)、 植被淺溝&雨水花園組合用地布局情景(LID2)、 綠色屋頂用地布局情景(LID3)、 滲透鋪裝&植被淺溝&雨水花園&綠色屋頂組合用地布局情景(LID123). 本研究對(duì)4種低影響開發(fā)措施的情景設(shè)計(jì)具體如下：

1) LID1措施. 將小區(qū)內(nèi)每個(gè)子匯水區(qū)的硬質(zhì)不透水路面全部改裝為滲透路面， 布設(shè)的滲透路面總面積為4 890 m2.

2) LID2措施. 將小區(qū)內(nèi)每個(gè)子匯水區(qū)的普通綠地全部改裝為植被淺溝， 布設(shè)總面積為3 950 m2. 將小區(qū)內(nèi)每個(gè)子匯水區(qū)的水面全部改裝為雨水花園， 布設(shè)總面積為80 m2. 因雨水花園的布設(shè)面積較小， 故本研究將植被淺溝與雨水花園組合， 作為一種單獨(dú)的低影響開發(fā)措施來分析.

3) LID3措施. 將小區(qū)內(nèi)每個(gè)子流域的屋面全部改裝為綠色屋頂， 布設(shè)總面積為3 870 m2.

4) LID123措施. 將上述3種單獨(dú)的低影響開發(fā)控制措施組合布設(shè)， 各低影響開發(fā)措施的布設(shè)面積及設(shè)置均與其單獨(dú)布設(shè)時(shí)一致. LID123組合措施的布設(shè)總面積為1.279 hm2.

1.3.3 水質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)

懸浮性顆粒物(suspended substance， SS)是城市雨水中主要污染物， 以其為研究對(duì)象， 利用PCSWMM模型的污染物模塊、 土地利用模塊、 污染物累積模塊和污染物沖刷模塊進(jìn)行降雨徑流中懸浮性顆粒物污染負(fù)荷模擬， 其中地表污染物的堆積過程模擬采用飽和函數(shù)模型， 地表污染物沖刷模型選用指數(shù)函數(shù)模型. 根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況并綜合類似地區(qū)的研究結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)所確定研究區(qū)的水質(zhì)參數(shù)如表2所示[20-22]. 本研究中植被淺溝、 雨水花園、 滲透鋪裝和綠色屋頂對(duì)徑流懸浮性顆粒物負(fù)荷的去除率分別為60%， 80%， 90%， 80%. 根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況， 確定模型中街道清掃間隔天數(shù)為1 d， 地表累積污染物的清掃去除效率為70%. 設(shè)定模擬前期干旱天數(shù)為7 d， 降水中所含的懸浮性顆粒物為10 mg·L-1.

表2 各下墊面的懸浮顆粒物模擬參數(shù)

1.3.4 暴雨強(qiáng)度公式

陳奕[23]在對(duì)福州市暴雨強(qiáng)度公式優(yōu)化研究中得出， 福州市城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式為：

其中：q為t時(shí)間內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度， L·(s·hm2)-1；t為降雨歷時(shí)， min；P為降雨重現(xiàn)期， a.

本研究利用式(1)分別求出重現(xiàn)期P為0.5、 1、 2、 5、 10、 20、 50和100 a的降雨強(qiáng)度， 選取雨峰系數(shù)r=0.4， 降雨歷時(shí)2 h， 采用芝加哥降雨過程線模型(CHM法)合成降雨情景； 固定降雨量為90.527 8 mm， 雨峰系數(shù)r=0.4， 改變降雨歷時(shí)為1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0和3.5 h， 合成不同降雨歷時(shí)的降雨情景； 令降雨重現(xiàn)期P=10 a， 降雨歷時(shí)2 h， 雨峰系數(shù)r分別為0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9， 合成不同雨型的降雨情景. 不同降雨情景所采用的時(shí)間間隔為5 min， 降雨歷時(shí)為120 min， 模擬時(shí)間240 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種管網(wǎng)布置形式在現(xiàn)狀用地布局情景下的雨洪情況

在現(xiàn)狀用地布局情景下， 正交式和平行式管網(wǎng)在不同降雨特性下所產(chǎn)生的徑流深、 出水口峰值流量、 懸浮性顆粒物負(fù)荷量和出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的變化規(guī)律基本一致.

1) 出水口峰值流量隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增加. 隨著重現(xiàn)期P從0.5 a增加到100 a， 正交式管網(wǎng)的出水口峰值流量由0.136 m3·s-1增加到0.537 m3·s-1， 平行式管網(wǎng)的出水口峰值流量由0.130 m3·s-1增加到0.487 m3·s-1. 在不同降雨重現(xiàn)期下， 平行式排水管網(wǎng)的出水口峰值流量均低于正交式排水管網(wǎng)，當(dāng)降雨重現(xiàn)期P≤5 a時(shí)， 兩種管網(wǎng)布置形式的出水口峰值流量相差不大； 當(dāng)降雨重現(xiàn)期P>5 a時(shí)， 兩者之間差值增大.

2) 在不同降雨歷時(shí)下， 出水口峰值流量隨著降雨歷時(shí)的增加而減小. 隨著降雨歷時(shí)從1 h增加到3.5 h， 正交式管網(wǎng)的出水口峰值流量由0.575 m3·s-1減小到0.276 m3·s-1； 平行式管網(wǎng)的出水口峰值流量由0.549 m3·s-1減小到0.281 m3·s-1. 當(dāng)降雨歷時(shí)<2.5 h時(shí)， 平行式排水管網(wǎng)的出水口峰值流量小于正交式排水管網(wǎng)； 而降雨歷時(shí)≥2.5 h時(shí)， 則情況相反.

3) 出水口峰值流量在不同雨峰位置的變化規(guī)律不明顯， 當(dāng)r≤0.2， 兩種管網(wǎng)布置形式的出水口峰值流量相差不大； 當(dāng)r>0.2， 平行式的出水口峰值流量要明顯小于正交式.

不同降雨特性出水口峰值流量的變化如圖2所示.

圖2 兩種管網(wǎng)布置形式在不同降雨特性下的出水口峰值流量 Fig.2 Peak flow of outlet in two drainage network layout types under different rainfall characteristics

不同降雨特性出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的變化如圖3所示. 由圖3可見：

1) 兩種管網(wǎng)布置形式的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度在不同降雨特性下的變化略有不同. 正交式和平行式管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度隨著降雨重現(xiàn)期的增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢， 其最小值都出現(xiàn)在P=5 a， 分別為170.158、 174.290 mg·L-1； 正交式和平行式管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度隨著降雨歷時(shí)的增加逐漸降低， 分別降低了113.480和123.784 mg·L-1. 正交式和平行式管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度隨著雨峰位置的后移亦逐漸降低， 分別降低了229.380、 237.391 m· L-1.

2) 在不同降雨特性下， 正交式排水管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度均低于平行式排水管網(wǎng).

3) 降雨重現(xiàn)期越大、 降雨歷時(shí)越短、 雨峰位置越靠前時(shí)兩種排水管網(wǎng)平面布置形式的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度之間的差值越大.

圖3 兩種管網(wǎng)布置形式在不同降雨特性下的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度Fig.3 Peak suspended substance concentration of outlet in two drainage network layout types under different rainfall characteristics

不同降雨特性地表徑流深和懸浮性顆粒物負(fù)荷量的變化如圖4所示. 由圖4可見：

1) 兩種排水管網(wǎng)平面布置形式在相同降雨特性下所產(chǎn)生的徑流深和懸浮性顆粒物負(fù)荷量基本相同.

2) 隨著降雨重現(xiàn)期的增加和降雨歷時(shí)的縮短， 地表徑流深和懸浮性顆粒物負(fù)荷量均隨之增大.

3) 在不同雨峰位置下， 地表徑流深及懸浮性顆粒物負(fù)荷基本不變， 這是由于雨峰位置的改變并不影響降雨量和降雨強(qiáng)度， 故對(duì)地表徑流和懸浮性顆粒物負(fù)荷產(chǎn)生量影響不大.

4) 在不同降雨特性下， 由于懸浮性顆粒物在地表的堆積量基本不變， 所以徑流懸浮性顆粒物負(fù)荷的變化幅度比徑流深的變化幅度小.

圖4 兩種管網(wǎng)布置形式在不同降雨特性下的地表徑流深和懸浮性顆粒物負(fù)荷量Fig.4 Surface runoff depth and suspended substance load in two drainage network layout types under different rainfall characteristics

2.2 低影響開發(fā)措施在不同降雨特性下對(duì)兩種管網(wǎng)布置形式的雨洪削減效果2.2.1 低影響開發(fā)措施在不同降雨重現(xiàn)期對(duì)出水口雨洪的削減情況

對(duì)于兩種管網(wǎng)布置形式， 低影響開發(fā)措施在不同降雨重現(xiàn)期下的出水口峰值流量和出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率變化趨勢基本相同(如圖5和圖6所示).

圖6 兩種管網(wǎng)布置形式下的低影響開發(fā)措施在不同降雨重現(xiàn)期對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率Fig.6 Reduction percentage of LID measures for the peak SS concentration of outlet in two drainage network layout types under different rain return periods

LID1、 LID3和LID123措施在兩種管網(wǎng)布置形式的出水口峰值流量削減率均在P=0.5 a時(shí)達(dá)到最大值， 而后隨著降雨重現(xiàn)期的增大而逐漸減小. 正交式的LID2措施在P=10 a時(shí)達(dá)到出水口峰值流量削減率的最大值， 而平行式的LID2措施在P=5 a時(shí)達(dá)到出水口峰值流量削減率的最大值. 對(duì)于LID1、 LID2、 LID3和LID123措施， 在降雨重現(xiàn)期≤5 a時(shí)， 平行式管網(wǎng)的出水口峰值流量削減比率要高于正交式； 當(dāng)降雨重現(xiàn)期>5 a時(shí)， 情況則相反.

LID1、 LID2和LID3措施對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率均隨著降雨重現(xiàn)期的增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢. LID2措施在兩種管網(wǎng)布置形式下對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率差值較大， 正交式的LID2措施在P=2 a時(shí)達(dá)到最小值， 而平行式的LID2措施在P=1 a時(shí)對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率達(dá)到最小值； LID123措施對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率隨著降雨重現(xiàn)期的增加逐漸減小， 正交式和平行式的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率均在P=0.5 a時(shí)達(dá)到最大值100%. LID1措施在降雨重現(xiàn)期為0.5 a時(shí)， 對(duì)正交式管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度削減率要高于平行式管網(wǎng)； 當(dāng)降雨重現(xiàn)期>0.5 a時(shí)， 情況則相反. LID1措施對(duì)兩種管網(wǎng)布置形式的懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率雖略有不同， 但差值不大. LID2措施在不同降雨重現(xiàn)期對(duì)正交式管網(wǎng)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率要高于平行式管網(wǎng). LID3措施在不同降雨重現(xiàn)期對(duì)平行式管網(wǎng)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率要高于正交式管網(wǎng). LID123措施在降雨重現(xiàn)期≥2 a時(shí)對(duì)平行式管網(wǎng)懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率要高于正交式.

2.2.2 低影響開發(fā)措施在不同降雨歷時(shí)對(duì)出水口雨洪的削減情況

LID1、 LID2、 LID3和LID123措施在降雨歷時(shí)<2.5 h時(shí)， 正交式的管網(wǎng)布置形式對(duì)出水口峰值流量的削減百分比要比平行式的削減百分比大， 而當(dāng)降雨歷時(shí)≥2.5 h時(shí)， 則情況相反, 詳見圖7. 正交式和平行式管網(wǎng)布置形式的LID2措施對(duì)出水口峰值流量的削減比率變化趨勢相反， 達(dá)到削減率最大值的降雨歷時(shí)分別為2.0、 3.0 h； 正交式和平行式管網(wǎng)布置形式的LID3措施對(duì)出水口峰值流量的削減比率變化趨勢相反， 達(dá)到削減率最大值的降雨歷時(shí)分別為3.5、 3.0 h.

圖7 兩種管網(wǎng)布置形式下的低影響開發(fā)措施在不同降雨歷時(shí)對(duì)出水口峰值流量的削減率Fig.7 Reduction percentage of LID measures for the peak flow of outlet in two drainage network layout types under different rainfall durations

LID1、 LID3和LID123措施在不同降雨歷時(shí)對(duì)平行式管網(wǎng)布置形式的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率要高于正交式管網(wǎng)布置形式， LID1措施對(duì)兩種管網(wǎng)的出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率差值不大. LID2措施在不同降雨歷時(shí)對(duì)正交式管網(wǎng)的懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率要高于平行式管網(wǎng)， 兩者差值較大. 不同低影響開發(fā)措施對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減比率隨著降雨歷時(shí)的增加有逐漸減小的趨勢, 詳見圖8所示.

圖8 兩種管網(wǎng)布置形式下的低影響開發(fā)措施在不同降雨歷時(shí)對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率Fig.8 Reduction percentage of LID measures for the peak SS concentration of outlet in two drainage network layout types under different rainfall durations

2.2.3 低影響開發(fā)措施在不同雨峰位置對(duì)出水口雨洪的削減情況

LID2和LID123措施在雨峰系數(shù)r=0.1時(shí)， 平行式管網(wǎng)布置形式的出水口峰值流量的削減效果優(yōu)于正交式; 而當(dāng)雨峰系數(shù)r>0.1時(shí)， 則正交式的削減效果優(yōu)于平行式. LID1、 LID3措施在雨峰系數(shù)r≤0.2時(shí)， 在平行式管網(wǎng)布置形式下的削減效果要比正交式的效果好; 而當(dāng)r>0.2時(shí)， 則情況相反, 詳見圖9所示.

圖9 兩種管網(wǎng)布置形式下的低影響開發(fā)措施在不同雨峰位置對(duì)出水口峰值流量的削減率Fig.9 Reduction percentage of LID measures for the peak flow of outlet in two drainage network layout types under different rain peak position

LID1、 LID2和LID3措施對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率隨著雨峰位置的后移呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢； LID123措施對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率隨著雨峰位置的后移則逐漸減小. LID1、 LID3和LID123措施在不同雨峰位置對(duì)平行式管網(wǎng)布置形式的懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率要高于正交式管網(wǎng)布置形式. LID2措施在雨峰系數(shù)為0.1時(shí)， 對(duì)平行式管網(wǎng)懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正交式； 當(dāng)雨峰系數(shù)>0.1時(shí)， 則情況相反且隨著雨峰系數(shù)的增大， 差值逐漸減小， 最后趨于一致, 詳見圖10所示.

圖10 兩種管網(wǎng)布置形式下的低影響開發(fā)措施在不同雨峰位置對(duì)出水口懸浮性顆粒物峰值濃度的削減率Fig.10 Reduction percentage of LID measures for the peak SS concentration of outlet in two drainage network layout types under different rain peak position

3 結(jié)語

本研究利用PCSWMM模型及其中的低影響開發(fā)模塊研究不同降雨特性的降雨情景下， 不同低影響開發(fā)措施在兩種排水管網(wǎng)平面布置形式(正交式和平行式)的雨洪削減情況. 研究結(jié)果表明， 不同低影響開發(fā)措施在兩種管網(wǎng)布置形式下對(duì)研究區(qū)出水口峰值流量和懸浮性顆粒物峰值濃度的削減情況有所不同， 排水管網(wǎng)平面布置形式的選擇對(duì)于各種低影響開發(fā)措施能否發(fā)揮最大的作用進(jìn)而有效地緩解城市內(nèi)澇至關(guān)重要.

1) 在現(xiàn)狀用地布局情景下， 對(duì)于降雨歷時(shí)(≤2 h)而降雨重現(xiàn)期(P≥10 a)的地區(qū)宜采用平行式的排水管網(wǎng)平面布置； 對(duì)于降雨歷時(shí)(>2 h)的地區(qū)宜采用正交式的排水管網(wǎng)平面布置； 對(duì)于非點(diǎn)源污染較嚴(yán)重的地區(qū)， 宜采用正交式的排水管網(wǎng)平面布置.

2) 在低影響開發(fā)用地布局情景下， 對(duì)于降雨歷時(shí)(≤2 h)而降雨重現(xiàn)期(P≥10 a)的地區(qū)宜采用正交式的排水管網(wǎng)平面布置； 對(duì)于降雨歷時(shí)(>2 h)的地區(qū)宜采用平行式的排水管網(wǎng)平面布置； 對(duì)于非點(diǎn)源污染較嚴(yán)重的地區(qū)， 宜采用平行式的排水管網(wǎng)平面布置. 植被淺溝&雨水花園措施對(duì)非點(diǎn)源污染的削減效果最差， 采用低影響開發(fā)組合措施對(duì)雨洪削減效果更為顯著.

致謝 研究工作得到天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司提供的PCSWMM軟件支持及福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)支持， 在此表示衷心感謝!

[1] CARLE M V, HALPIN P N, STOW C A. Patterns of watershed urbanization and impacts on water quality[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2005, 41(3): 693-708.

[2] 徐振強(qiáng). 中國特色海綿城市的政策沿革與地方實(shí)踐[J]. 上海城市管理, 2015(1): 49-54.

[3] 車生泉, 謝長坤, 陳丹, 等. 海綿城市理論與技術(shù)發(fā)展沿革及構(gòu)建途徑[J]. 中國園林, 2015, 31(6): 11-15.

[4] 劉文, 陳衛(wèi)平, 彭馳. 城市雨洪管理低影響開發(fā)技術(shù)研究與利用進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(6): 1 901-1 912.

[5] DAVIS A P. Green engineering principles promote low-impact development[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(16): 338A-344A.

[6] AHIABLAME L M, ENGEL B A, CHAUBEY I. Effectiveness of low impact development practices in two urbanized watersheds: retrofitting with rain barrel/cistern and porous pavement[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 119: 151-161.

[7] LEE J M, HYUN K H, CHOI J S,etal. Flood reduction analysis on watershed of LID design demonstration district using SWMM5[J]. Desalination and Water Treatment, 2012, 38(1/2/3): 255-261.

[8] 王文亮, 李俊奇, 宮永偉, 等. 基于 SWMM 模型的低影響開發(fā)雨洪控制效果模擬[J]. 中國給水排水, 2012, 28(21): 42-44.

[9] 王雯雯, 趙智杰, 秦華鵬. 基于 SWMM 的低沖擊開發(fā)模式水文效應(yīng)模擬評(píng)估[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 48(2): 303-309.

[10] 符銳, 羅龍洪, 劉俊, 等. SWMM 模型中的低影響開發(fā)模塊在排水防澇系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2014, 32(9): 71-74.

[11] HUBER W C, ROSSMAN L A, DICKINSON R. EPA storm water management model SWMM 5.0[M]. Boca Raton: CRC Press, 2005: 339-361.

[12] 劉興坡. 基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法[J]. 給水排水, 2009, 35(11): 213-217.

[13] ZAHMATKESH Z, BURIAN S J, KARAMOUZ M,etal. Low-impact development practices to mitigate climate change effects on urban stormwater runoff: case study of New York City[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2014, 141(1): 04014043.

[14] QIN H P, LI Z X, FU G. The effects of low impact development on urban flooding under different rainfall characteristics[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 129: 577-585.

[15] LIAO Z, ZHANG G, WU Z,etal. Combined sewer overflow control with LID based on SWMM: an example in Shanghai, China[J]. Water Science & Technology, 2015, 71(8): 1 136-1 142.

[16] 李卓熹, 秦華鵬, 謝坤. 不同降雨條件下低沖擊開發(fā)的水文效應(yīng)分析[J]. 中國給水排水, 2012, 28(21): 37-41.

[17] ZHANG S, GUO Y. SWMM simulation of the storm water volume control performance of permeable pavement systems[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2014, 20(8): 06014010.

[18] ROSA D J, CLAUSEN J C, DIETZ M E. Calibration and verification of SWMM for low impact development[J]. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2015, 51(3): 746-757.

[19] LUCAS W C, SAMPLE D J. Reducing combined sewer overflows by using outlet controls for green stormwater infrastructure: case study in Richmond, Virginia[J]. Journal of Hydrology, 2015, 520: 473-488.

[20] 聶鐵鋒. 廣州市城區(qū)暴雨徑流非點(diǎn)源污染負(fù)荷核算技術(shù)研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué), 2012.

[21] 陳隱石. 城市降雨徑流控制 LID-BMPS 實(shí)證研究[D]. 蘇州： 蘇州科技學(xué)院, 2014.

[22] 王俊松. 3S 技術(shù)支持下基于 SWMM 的城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化研究[D]. 昆明: 云南師范大學(xué), 2008.

[23] 陳奕. 福州市暴雨強(qiáng)度公式優(yōu)化研究[J]. 給水排水, 2013, 39(10): 36-40.

(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Studyonstormwatercontroleffectsoflowimpactdevelopmentmeasuresunderdifferentdrainagepipenetworkplanelayoutforms

KE Jinyan, PAN Wenbin, ZHENG Peng, ZHAN Xin

(College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

This paper presents the results of orthogonal and parallel stormwater drainage network layout types impact on stormwater control effects of 4 low impact development (LID) measures (permeable pavement, vegetative swale & rain garden, green roof, LID combination) in a high-density residential area of the Jiefangxi watershed, Jin’an District, Fuzhou City. Stormwater runoff and LID controls under different rainfall characteristics (return period, duration and peak position) were modeled by the PCSWMM 2015 developed by the Computational Hydraulics International. The findings are that when in small rainfall return period, long rainfall duration and early rain peak occurrence, the reduction effects on outlet peak flow of 4 LID measures under parallel type was better than orthogonal type. Under different rainfall characteristics, the reduction effects of permeable pavement, green roof and LID combination measure on outlet SS peak concentration under parallel type were better, and the reduction effects of vegetative swale & rain garden on outlet SS peak concentration under orthogonal form was better. The study can provide scientific evidence to screen the optional choices from two types of stormwater drainage network layout and the LID measures in the process of sponge city construction.

low impact development(LID); rainfall characteristic; orthogonal form; parallel form; pipe network; PCSWMM model; Fuzhou City; Jin’an District

TU992.0； TV213.4

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0589

1000-2243(2017)04-0589-09

2016-05-23

鄭鵬(1983-)， 講師， 主要從事流域環(huán)境管理與規(guī)劃以及流域生態(tài)學(xué)研究， PengZheng@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J011719)； 福州大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2013-XY-10)； 福州大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(0060510028)