下凹綠地與雨水花園在小區(qū)尺度應(yīng)用中的對(duì)比

羅 鳴，葉興成，王 飛，朱程亮，欒 慕，韓璐遙，劉 俊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.宿遷市水務(wù)局，江蘇 宿遷 223800；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014)

低影響開發(fā)(LID)是由美國(guó)所提出的一種通過一系列小規(guī)模、分布式的源頭控制設(shè)施來達(dá)到對(duì)地面徑流和污染物控制目的的城市雨水管理技術(shù)。下凹綠地和雨水花園作為兩種較為常見的LID設(shè)施，在適用范圍和作用效果上存在一定的重疊性及相似性。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大多集中在LID組合設(shè)施模擬方面，對(duì)功能相似的LID設(shè)施的對(duì)比研究則較少。作為兩種常見的低影響開發(fā)措施，在實(shí)際工程運(yùn)用中，對(duì)于下凹綠地和雨水花園往往存在選擇難題。進(jìn)行兩者的對(duì)比研究，為在適建性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩種LID設(shè)施經(jīng)濟(jì)且合理地選擇奠定基礎(chǔ)。

對(duì)于LID設(shè)施的對(duì)比研究，可采用SWMM的LID模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)LID設(shè)施對(duì)雨水徑流及污染物控制效果的模擬和評(píng)估。目前這種模擬多停留在區(qū)域中等尺度層面。何爽等[1]模擬了下凹式綠地、滲透路面、植被淺溝單獨(dú)布設(shè)和組合布設(shè)場(chǎng)景下的雨洪控制利用效果。較大尺度的LID模擬都是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行高度的抽象概化，難以精確反映研究區(qū)土地利用的實(shí)際情況，且具體過程不可控，可比性不足。因此，基于小區(qū)尺度的下凹綠地和雨水花園兩種設(shè)施的對(duì)比研究就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選取桐廬縣某小區(qū)構(gòu)建SWMM模型，模擬比較下凹綠地和雨水花園的雨洪控制利用效果，并采用層次分析法對(duì)兩種LID設(shè)施進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選。

1 下凹綠地與雨水花園效能分析

1.1 下凹綠地

下凹綠地有廣義和狹義之分。廣義的下凹綠地泛指具有一定調(diào)蓄容積的綠地，包括洼地、滲透塘、雨水濕地、調(diào)節(jié)塘等生態(tài)雨水設(shè)施。狹義的下凹綠地是指低于周邊地面高程200 mm以內(nèi)的綠地，又叫低勢(shì)綠地或下沉式綠地。與“花壇”相反，下凹綠地是利用綠地本體積蓄雨水，達(dá)到下滲徑流、減少外排的作用。不同于“線狀”的植被淺溝，其主要是“面”能夠承接更多的雨水。本論文選取狹義的下凹綠地進(jìn)行研究。

作為一種形式簡(jiǎn)單且應(yīng)用普遍的雨水滲蓄設(shè)施，下凹綠地能夠承接、貯存和下滲自身及周邊地面徑流，起到滯蓄雨水、減少地面徑流等作用，具有去除污染、美化環(huán)境的功能，其下滲的雨水有補(bǔ)給地下水資源、減少綠地澆灌水的作用。根據(jù)植物耐淹性能和土壤滲透性，通常綠地的凹陷深度宜為50～100 mm[2]。研究資料表明[3]當(dāng)凹陷深度為100 mm時(shí)，遭遇5年一遇降雨時(shí)下凹綠地對(duì)降雨的攔蓄率可達(dá)99.33%。

下凹綠地適用于道路、廣場(chǎng)、公共綠地、城市公園以及城市建筑與小區(qū)，具有適用區(qū)域廣，建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用均較低等特點(diǎn)。其建設(shè)成本為40～50 元/m2，管理維護(hù)2.5～3.5 元/(m2·a)，維護(hù)管理需定期清理沉積物。不足之處在于如果雨水中有大量的懸浮物和沙質(zhì)會(huì)降低下凹綠地的滲透性能，大面積應(yīng)用易受地形等條件影響。

1.2 雨水花園

雨水花園是自然形成或人工挖掘的淺凹綠地，又稱生物滯留池。它通過利用植物和土壤的降解、過濾作用凈化雨水，同時(shí)消納承接貯存的部分初期徑流，下滲涵養(yǎng)地下水，對(duì)緩解城市缺水問題具有重要意義[4]。依據(jù)目的劃分，雨水花園又可分為以控制雨洪為主的入滲型和以降低徑流污染為主的過濾型兩類。前者主要起到滯滲雨水的作用，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于居住區(qū)等雨水污染較輕的地區(qū)。后者著重水質(zhì)的凈化，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，常出現(xiàn)在如城區(qū)道路、城市中心廣場(chǎng)等初期雨水污染相對(duì)嚴(yán)重的地區(qū)。本論文研究基于小區(qū)層面選取前者。

雨水花園樣式豐富、使用范圍廣，徑流污染控制效果非常好，但因需設(shè)計(jì)濾料層，部分設(shè)計(jì)單元還有溢流口，滲管等其他附屬物，較復(fù)雜的構(gòu)造使得建設(shè)費(fèi)用也相對(duì)下凹綠地較高，其建設(shè)成本為150～800 元/m2，管理維護(hù)30～80 元/(m2·a)，維護(hù)管理需定期修剪、除草、澆灌。與下凹綠地相比，雨水花園能夠給人以豐富的視覺景觀感受。由于雨水花園利用的一般是本地植物物種，為許多種屬的野生生物提供了適宜的生存環(huán)境，增加了城市地區(qū)的生物多樣性。利用植物的蒸騰作用可以改善空氣的溫度和濕度，另外植物的吸塵能力和消解城市噪音等功效也能夠改善城市微環(huán)境。

2 SWMM及LID雨水系統(tǒng)的構(gòu)建

SWMM是美國(guó)環(huán)保署開發(fā)的一款用于模擬單一降水事件或長(zhǎng)期降雨系列的水量或水質(zhì)動(dòng)態(tài)的適用于城市地區(qū)的暴雨管理模型[5]。最新版本SWMM5.1中完善了LID模塊，通過對(duì)滯蓄、蒸散發(fā)、下滲等水文過程的模擬，結(jié)合模型中所嵌入的水力模塊，可模擬LID設(shè)施對(duì)所布設(shè)區(qū)域的徑流總量、峰值流量及水質(zhì)等的控制效果。

2.1 模型構(gòu)建

研究區(qū)選取浙江省桐廬縣新城區(qū)的某一住宅小區(qū)，占地總面積1.83 hm2。小區(qū)地塊包括46%的建筑屋頂、22%的綠地或裸地和32%的道路等硬質(zhì)地面。根據(jù)研究小區(qū)的基礎(chǔ)管網(wǎng)及下墊面情況進(jìn)行概化，概化共劃分61個(gè)子匯水區(qū)、3條雨水管段、1個(gè)末端排放口。概化結(jié)果見圖1。

圖1 研究區(qū)域概化圖Fig.1 Generalized figure of the study area

2.1.1 設(shè)計(jì)降雨計(jì)算

選用肖嶺站作為桐廬縣雨量代表站[6]。選取肖嶺站1961-2014年共54 a的連續(xù)降雨資料，按照年最大值法選樣，以5 min為間隔進(jìn)行分段，計(jì)算120 min的雨量。設(shè)計(jì)雨型采用芝加哥雨型。通過統(tǒng)計(jì)分析歷年較大雨量的時(shí)段分布，分析樣本降雨的主雨峰在整個(gè)過程中所處的位置，統(tǒng)計(jì)得出綜合雨峰位置系數(shù)r為0.5。根據(jù)肖嶺站暴雨公式計(jì)算1年一遇、2年一遇和5年一遇的設(shè)計(jì)降雨總量，并按照芝加哥雨型進(jìn)行分配，得到降雨時(shí)程分配過程，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配Fig.2 Design storm distribution diagram

2.1.2 水文參數(shù)設(shè)置

水文水力模型包括地表產(chǎn)匯流計(jì)算和管道流量計(jì)算。結(jié)合研究區(qū)土壤特性，地表產(chǎn)流模型選用Horton入滲模型，其中最大、最小入滲速率分別設(shè)置為50.8和2.2 mm/h，設(shè)置衰減系數(shù)為3 h-1。不透水性地表和透水性地表的曼寧系數(shù)分別為0.012、0.15，雨水管道為混凝土材質(zhì)，取曼寧系數(shù)為0.013，不透水和透水區(qū)的洼蓄量分別為2和4 mm，坡度依照小區(qū)實(shí)際地面標(biāo)高計(jì)算可得。匯流模型為非線性水庫(kù)模型，水力模塊采用動(dòng)力波進(jìn)行模擬。

2.1.3 水質(zhì)參數(shù)設(shè)置

結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，選取SS、COD、TN、TP 4種特征污染物進(jìn)行水質(zhì)模擬。天然雨水中的污染物濃度設(shè)置如下：SS為10 mg/L，COD為20 mg/L，TN為1.0 mg/L，TP為0.02 mg/L。污染物本底含量根據(jù)研究區(qū)域各下墊面具體情況而定。水質(zhì)模塊包括地表污染物累積模型和沖刷模型。徑流污染物累積模型選擇飽和增長(zhǎng)函數(shù)，沖刷模型選擇指數(shù)函數(shù)。參數(shù)的具體取值見表1[7]。

表1 不同下墊面的參數(shù)值Tab.1 Parameter values for different types of land use

2.2 LID雨水系統(tǒng)

研究小區(qū)雨水系統(tǒng)規(guī)劃基于LID理念，結(jié)合場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)，進(jìn)行源頭分散從而滯蓄消納徑流雨水。小區(qū)雨水系統(tǒng)將條件適宜的綠地改造為植被淺溝，將雨水輸送至雨水花園或下凹綠地，部分道路和停車位改造為滲透鋪裝，改造外圍裙樓屋面和小區(qū)內(nèi)房屋屋頂為綠色屋頂(如圖3所示)。降雨時(shí)屋頂徑流經(jīng)過綠色屋頂處理后，一部分流向綠地，一部分流向路面；改造后的透水硬質(zhì)地面可就地消納部分雨水，剩余雨水徑流和不透水道路的徑流漫流進(jìn)入綠地，最終匯入雨水花園或下凹綠地入滲。最終，超標(biāo)暴雨通過雨水花園或下凹綠地中設(shè)置的雨水口溢流進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)[8]。

圖3 研究區(qū)LID設(shè)施布局方案Fig.3 LID facilities planning in the research area

具體考慮基礎(chǔ)組合、基礎(chǔ)+下凹綠地、基礎(chǔ)+雨水花園3種LID布設(shè)方案?；A(chǔ)組合：綠色屋頂、滲透鋪裝、植被淺溝3種LID組合布設(shè)；基礎(chǔ)+下凹綠地：綠色屋頂、滲透鋪裝、植被淺溝、下凹綠地4種LID組合布設(shè)；基礎(chǔ)+雨水花園：綠色屋頂、滲透鋪裝、植被淺溝、雨水花園4種LID組合布設(shè)。

具體的參數(shù)設(shè)置為：綠色屋頂?shù)耐寥篮穸葹?50 mm，孔隙比為0.3；排水層高度為100 mm、孔隙比為0.43。滲透鋪裝的面層厚度為65 mm，孔隙比為0.13，糙率為0.15；蓄水層高度為250 mm，孔隙比為0.43。植被淺溝蓄水深度為200 mm，寬度為2 m，糙率為0.2。下凹綠地滯蓄深度為100 mm，土壤導(dǎo)水率為3.6 mm/h。雨水花園滯蓄深度為200 mm，土壤導(dǎo)水率為18 mm/h，蓄水層高度為200 mm。

控制3種方案中綠色屋頂、滲透鋪裝、植被淺溝的布設(shè)面積及參數(shù)等保持一致，以排除這3種LID設(shè)施可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的干擾，實(shí)現(xiàn)下凹綠地和雨水花園在徑流及水質(zhì)控制效果中的有效對(duì)比。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 徑流模擬結(jié)果分析

在遭遇1年一遇、2年一遇、5年一遇設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期下，分別對(duì)3種組合方案布設(shè)下的低影響開發(fā)小區(qū)的雨水徑流情況進(jìn)行模擬，得到如表2所示的小區(qū)出水口處徑流模擬結(jié)果。

結(jié)果表明，在組合措施的基礎(chǔ)上分別增加同等面積的下凹綠地和雨水花園對(duì)徑流的峰值流量及徑流總量均有一定的削減作用。短歷時(shí)不同重現(xiàn)期下的3種LID方案布設(shè)，其模擬的出水口峰現(xiàn)時(shí)間均在1∶15∶00附近，由表2可知，下凹綠地和雨水花園對(duì)峰現(xiàn)時(shí)間的推遲在5 s以內(nèi)，峰現(xiàn)時(shí)間幾乎一致，滯峰效果不明顯。分析原因可能是研究區(qū)面積過小，LID設(shè)施布設(shè)有限，對(duì)徑流流速的影響不大。下凹綠地和雨水花園的雨洪控制作用較明顯，但均隨降雨強(qiáng)度增大而逐漸減弱。表明兩者的雨洪控制作用均在低重現(xiàn)期下更為顯著。兩者相比，雨水花園對(duì)徑流總量和峰值流量的削減均大于同等面積的下凹綠地，且具有下凹綠地2～3倍的作用效果。

3.2 水質(zhì)模擬結(jié)果分析

表2 不同降雨條件下徑流模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results of runoff under different rainfall conditions

水質(zhì)模擬選取SS、COD、TN、TP 4種特征污染物作為分析指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得出不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案下的出水口污染物負(fù)荷總量，見表3。

表3 不同降雨條件下小區(qū)的污染物負(fù)荷總量 kg

由表3可知，在不同強(qiáng)度降雨下，雨水花園小區(qū)的4種特征污染物負(fù)荷總量均低于下凹綠地小區(qū)，且均低于基礎(chǔ)組合小區(qū)。說明下凹綠地和雨水花園對(duì)初期徑流中的污染物均有一定的凈化作用，且雨水花園對(duì)各污染物負(fù)荷的控制效果更好。與LID基礎(chǔ)組合方案相比，通過計(jì)算后兩種布設(shè)方案特征污染物負(fù)荷的削減率可知，雨水花園對(duì)于SS和COD的削減效率為下凹綠地的2倍左右，對(duì)TN和TP的削減效率為下凹綠地的1.6 倍左右。

與LID基礎(chǔ)組合相比的污染物負(fù)荷總量削減率隨著降雨重現(xiàn)期的增大而減小，即雨水花園和下凹綠地的控制效果相應(yīng)降低。這一規(guī)律在COD和TN這兩種污染物負(fù)荷上表現(xiàn)得尤為明顯。以下凹綠地為例，在1年一遇的設(shè)計(jì)降雨下，COD和TN的削減率分別為15.66%、26.52%，但在5年一遇的設(shè)計(jì)降雨下，COD和TN的削減率下降到8.15%和18.44%。主要原因是下凹綠地和雨水花園的滯蓄空間有限，超標(biāo)徑流只能從溢流口進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)，無法在設(shè)施內(nèi)入滲、凈化。

3.3 兩種LID設(shè)施擇優(yōu)選取

層次分析法(AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T L Saaty提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。本文采用定性分析和定量分析相結(jié)合的AHP法，對(duì)下凹綠地和雨水花園擇優(yōu)選取。

除了具有截污減排效能，低影響開發(fā)措施作為低成本開發(fā)還可降低基礎(chǔ)設(shè)施的建造和維護(hù)費(fèi)；具有獨(dú)特的景觀觀賞性；提高公眾的環(huán)保意識(shí)等多重效能目標(biāo)。因此，本文根據(jù)兩種LID設(shè)施的徑流削減效果、徑流污染控制、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益4方面來綜合評(píng)價(jià)下凹綠地和雨水花園，構(gòu)建的具體層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 LID優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hierarchy diagram of LID preferred scheme

參考國(guó)內(nèi)外對(duì)下凹綠地和雨水花園的效能研究[9,10]，結(jié)合所選小區(qū)實(shí)際需求，建立判斷矩陣，見表4。

在構(gòu)造好層次結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣后，對(duì)各層要素進(jìn)行相關(guān)權(quán)重和一致性檢驗(yàn)計(jì)算，最后確定層次總排序。

結(jié)果表明：C層的層次總排序一致性比率CR=0.02，小于0.1，層次排序有效。D1、D2是兩兩比較矩陣，完全滿足一致，所以整個(gè)層次組合是滿足一致性的。計(jì)算得到指標(biāo)層中下凹綠地和雨水花園的總排序分別為0.353和0.647，即在LID優(yōu)選中雨水花園所占權(quán)重更大。綜合各效能分析雨水花園比下凹綠地更優(yōu)。

4 結(jié) 語

表4 LID優(yōu)選各指標(biāo)的成對(duì)比較矩陣Tab.4 The indexes of paired comparison matrix of LID preferred scheme

(1)采用SWMM對(duì)下凹綠地和雨水花園在小區(qū)尺度上的模擬表明，兩者對(duì)出水口徑流總量、峰值流量和各污染物負(fù)荷總量均有削減作用，且較小強(qiáng)度降雨下的控制效果更顯著。

(2)雨水花園在不同強(qiáng)度降雨下對(duì)小區(qū)徑流和水質(zhì)的削減效果均優(yōu)于等面積的下凹綠地，雨水花園的截污減排效能占優(yōu)。

(3)綜合徑流削減、徑流污染控制、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益4方面效能，通過層次分析法評(píng)價(jià)出雨水花園整體更優(yōu)，可為同類城市海綿體的工程實(shí)踐提供參考。

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