基于SWMM模型的高密度校園景觀LID優(yōu)化設計研究
——以陜西理工校園景觀LID優(yōu)化設計為例

蒲曉娟 雷喬 李歡 楊濤

(陜西理工大學土木工程與建筑學院 陜西漢中 723001)

0 引言

現(xiàn)階段，我國對于“海綿城市”研究大多集中于市政道路、住宅小區(qū)、城市區(qū)域規(guī)劃等方面，涉及校園內(nèi)容較少。校園，尤其是高校校園擁有較大面積的綠地，建筑密度低等特點，是城市中不可多得的綠色廊道，實施“海綿化”建設，有著其獨特的優(yōu)勢。本課題研究高校的“海綿化”建設，對促進在城市雨洪管理和生態(tài)化建設有重要的現(xiàn)實意義。

本次研究以陜西理工大學校校園作為研究對象，并基此提出適合高密度校園的LID優(yōu)化策略。為了更好地判斷LID效果，本次研究利用SWMM模型對采取LID措施前后的校園水文情況進行比較分析。

1 研究項目概況

本研究對象陜西理工大學，位于陜西省漢中市，全年平均降水量893mm，夏季為一年中降水最充沛季節(jié)，降水量占全年降水量的46%～52%[1]。進行LID措施優(yōu)化的區(qū)域，選擇在陜西理工大學南校區(qū)校園內(nèi)的知行路附近。該區(qū)域全長819m，沿線布局有教師公寓、食堂、學生公寓、學生服務中心、大禮堂等建筑。區(qū)域總面積為295 050 m2，不透水區(qū)域面積約為224 000m2，約占總用地面積76%。

研究區(qū)域內(nèi)不透水下墊面類型，主要為混凝土道路和地面磚覆蓋的廣場區(qū)域。區(qū)域內(nèi)建筑密度較高，只有部分線狀綠化帶。這些綠化帶標高高于道路標高，不具備雨水蓄積功能。

2 現(xiàn)狀水文模型的建立

為了更好地分析采取LID措施的效果，本次研究通過 SWMM(Storm Water Management Model)建立研究區(qū)域的水文模型。未采用 LID 措施的模型稱為現(xiàn)狀模型，增設 LID 措施后的模型稱為LID模型。

現(xiàn)狀模型建立，首先根據(jù)學校平面圖及管網(wǎng)圖，將研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化為24子匯水區(qū)，24條排水管道，24個節(jié)點，1個出水口。如圖1所示，黑色細實線為排水管道、黑色圓點為節(jié)點、黑色三角形為出水口。其次，確定匯水區(qū)的滲入情況的相關參數(shù)。

圖1 研究區(qū)域子匯水分區(qū)圖

根據(jù)實際調(diào)研情況，確定子匯水區(qū)不滲透性百分比76%。結合研究區(qū)域下墊面情況，參考模型用戶手冊選取透水地表和不透水地表的洼蓄量典型值分別為15mm和5mm。透水地面、不透水地面和管道的曼寧系數(shù)分別取0.24、0.012和0.012。將學堂路概化為深0.15m、寬7m矩形明渠，曼寧系數(shù)取0.012[2]。本次研究采用5年一遇暴雨設計(P=20%)，利用漢中市暴雨強度公式[3]計算本模型24h內(nèi)降雨量為319mm。最后，通過SWMM模型模擬出現(xiàn)狀水文模型相關參數(shù)：地表徑流為268mm，徑流系數(shù)為0.84。

3 研究區(qū)域LID優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化策略

本次研究區(qū)域知行路，為陜西理工大學內(nèi)高密度區(qū)域的典型，現(xiàn)狀存在如下問題：

(1)校園建筑密度大。教學樓、宿舍樓等建筑在校園中所占比例大，提供給綠化或景觀設計的面積較小，對景觀設計有很大的局限性；

(2)不透水下墊面面積過大，這也是高密度校園易產(chǎn)生積水的主要原因。

基于以上原因，在高密度校園中進行LID優(yōu)化設計策略，是有針對性地采用占地面積小、透水效果好且利于分散布局的景觀設施。符合此3個特點的LID設施有：綠色屋頂、簡易型生態(tài)滯留池、干式植草溝和濕式植草溝。將這4種LID設施根據(jù)研究區(qū)域地形特征布置并進行景觀設計。

3.2 優(yōu)化措施

本次研究選取年徑流總量控制率為低影響開發(fā)控制目標。根據(jù)海綿城市技術指南中的規(guī)定，漢中市所處的Ⅲ區(qū)的徑流控制總量最低需要降低為原排放量的75%[4]。因此，在此次模擬中，加入LID設施后的研究區(qū)域地表徑流應降低至201mm。

結合研究區(qū)域特征以及場地地表徑流控制目標，本次研究提出在研究區(qū)域內(nèi)增加以下LID優(yōu)化措施。

(1)綠色屋頂，主要用于高密度校園的建筑屋頂，可以有效減少屋頂雨水徑流并延緩雨水排入排水系統(tǒng)的速度。圖2為研究區(qū)域中6號公寓樓屋頂，屋頂種植層由下至上分別為防水層、隔離層、防根層、排水組織系統(tǒng)、過濾層和種植土層。雨水流經(jīng)種植層，經(jīng)由草木根部、過濾層凈化緩慢排入排放設施。綠色屋頂是高密度校園最主要的LID優(yōu)化措施。

(2)簡易型生態(tài)滯留池，主要用于高密度校園中各建筑雨落管落水出，減少地表徑流。圖3為6號宿舍樓下的生態(tài)滯留池。在雨落管落水口小范圍設置簡易型生態(tài)滯留池，一來將雨水在滯留池暫存或下滲，減少路面地表徑流壓力，二來這樣小范圍布置的滯留池緊鄰建筑，在不干擾人流的前提下取得很好的景觀效果。

圖3 節(jié)點b示意圖

(3)干式植草溝，主要用于校園中各宿舍樓之間的自行車棚，收集地面雨水并下滲。如圖4所示，節(jié)點c為研究區(qū)域6號宿舍樓和5號宿舍樓之間的自行車棚，在自行車棚地面設置分散式的干式植草溝，將原本流向道路的雨水導向植草溝中，進而下滲或滯留，減少地表雨水徑流。

圖4 節(jié)點c示意圖

(4)濕式植草溝，主要用于校園中不透水地面的廣場，減少廣場地面徑流。如圖5所示，節(jié)點d為研究區(qū)域大禮堂東側(cè)、6號宿舍樓西側(cè)的廣場，在廣場兩側(cè)設置植草溝，將廣場雨水引流至兩側(cè)植草溝中，減少地表徑流壓力。干式植草溝與濕式植草溝具有前期建造與后期維護費用低、施工難度小且景觀效果好等優(yōu)點，一般分散布置，適合在高密度校園中進行小點布置。

圖5 節(jié)點d示意圖

4 研究區(qū)域LID優(yōu)化設計后效果分析

將增設了LID措施的研究區(qū)域建立SWMM模型，實現(xiàn)LID技術措施對場地徑流量、峰值流量控制效果的模擬。根據(jù)2014年新版《室外排水設計規(guī)范》，規(guī)定每條道路至少應有一條車道的積水深度不超過15cm[5]，因此，將節(jié)點積水深度作為輔助對比項。

從圖6中現(xiàn)狀模型中知行路普遍積水深度超過0.20m(節(jié)點顏色多為綠、黃)；而加入LID措施后模型中積水點顏色普遍由之前的黃、綠變成深藍、天藍，即積水深度下降到0.2m以下。大部分管道由現(xiàn)狀模型中的紅、黃變?yōu)榱怂{、深藍，說明管段流量減少，增設的LID設施對減少管段流量和節(jié)點深度起到了較大的作用。

圖6 節(jié)點深度、管段流量對比圖

對比圖7(a)、(b)在LID措施的影響下，峰值時管道內(nèi)流量明顯降低，說明概化的知行路渠道內(nèi)的富余空間很大，LID措施效果明顯[6]。

圖7(a) 現(xiàn)狀-節(jié)點DLD28 至節(jié)點 DLD63 峰值流量

圖7(b) LID措施后節(jié)點DLD28 至節(jié)點 DLD63 峰值流量圖7 節(jié)點DLD28 至節(jié)點 DLD63 峰值流量剖面對比圖

根據(jù)增加LID設計前后的地表徑流與徑流系數(shù)對比，增加LID設計后，研究區(qū)域地表徑流降低為210mm，達到場地LID地表徑流控制目標。

研究通過建立知行路SWMM雨洪模型，對比分析了增設LID措施前后變化，驗證了在高密度校園中增設小面積LID措施可削減一定程度的暴雨徑流，并對雨水進行收集。

5 高密度校園LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化策略

圖8給出了高密度校園LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化設計策略，主要加入了綠色屋頂、生態(tài)滯留池、植草溝等措施，雨水流經(jīng)高密度校園時，首先由綠色屋頂滯留，隨后流至植草溝等小面積LID措施并入滲，補充地下水或收集至地下蓄水設施，最后匯入道路雨水大大減少，且道路雨水流向生態(tài)滯留池，形成雨水循環(huán)系統(tǒng)，為人們在高密度校園開發(fā)和改造時考慮低影響開發(fā)提供一些思路。

圖8 LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化策略

6 結語

本文通過對陜西理工大學校園的校園LID優(yōu)化表明高密度校園內(nèi)采用的綠色屋頂、植草溝、生態(tài)滯留地等小面積分散的措施是有效的，可以大大削減校園內(nèi)道路的峰值流量和節(jié)點積水深度，對于海綿城市的建設具有一定的借鑒意義。