居住區(qū)低影響開發(fā)情景模擬分析

馮一帆

摘要：本文將南京市江心洲的洲島家園作為研究案例，依據(jù)國(guó)家層面的海綿城市的控制目標(biāo)與地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了洲島家園低影響開發(fā)模型，使用功能最大化情景、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型情景及基礎(chǔ)情景三種情景進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)居住小區(qū)低影響項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與效果驗(yàn)證具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：海綿城市；低影響開發(fā)；居住區(qū)；雨洪管理；徑流總量控制率

引言

低影響開發(fā)（Low Impact Development，簡(jiǎn)稱LID）孕育于西方20世紀(jì)七、八十年代的雨洪管理（stormwater management）[1]。其核心理念是從源頭上通過一系列分散的小型LID設(shè)施控制雨水徑流形成，最大限度地維持開發(fā)前的場(chǎng)地水文系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域良性水循環(huán)[2-4]。本文采用SWMM模型對(duì)地塊內(nèi)LID改造后排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，并在三種情景模擬結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)徑流控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)同區(qū)位及降雨類型相似地區(qū)的居住小區(qū)改造提供一定的借鑒意義。

1洲島家園概況

1.1小區(qū)概況

本文選取的實(shí)際案例位于文化東路以北、南上水道之南、白鷺?biāo)乐畺|的洲島家園，依據(jù)江心洲的土地利用規(guī)劃，屬于居住用地。目前，一期已建設(shè)完成，二期在建。

1.2場(chǎng)地條件

洲島家園處于江心洲的中南部，土層松軟，坡度十分平緩，排水條件較差，較適合進(jìn)行低影響開發(fā)設(shè)施的建造。

江心洲年平均降雨量約1200mm，降雨量較大，且主要集中在6、7月份，由于江心洲地下水位較高且為江心浮島，四周筑有長(zhǎng)江堤壩，因此需要通過低影響開發(fā)改造降低雨水外排壓力。

2控制目標(biāo)確定

低影響開發(fā)（LID）是海綿城市建設(shè)的重要組成[5]，洲島家園一期綠地率較高，建筑密度較低，且小區(qū)內(nèi)開敞空間較為充足，具有較好的低影響改造條件。同時(shí)，根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果綠地的徑流總量外排率在15%～20%之間時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的年徑流總量的控制率最佳是80%～85%[6]。因此，將洲島家園低影響開發(fā)年徑流總量控制率確定為85%，相應(yīng)的降雨量為37.0mm。

3低影響開發(fā)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

3.1研究區(qū)概化

研究區(qū)總面積為70000m2，其中不透水下墊面的面積約占33%，由停車場(chǎng)、建筑屋面和道路組成；透水下墊面的面積約占67%，主要為綠地。

依據(jù)SWMM模型的應(yīng)用要求，應(yīng)通過所研究區(qū)域的排水路線、排水分區(qū)、管網(wǎng)及地形的特點(diǎn)對(duì)于整個(gè)的匯水區(qū)域進(jìn)行概化設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)狀排水管渠及高程分析將小區(qū)劃分為13個(gè)子匯水區(qū)，同時(shí)對(duì)小區(qū)內(nèi)10條雨水管渠和2個(gè)雨水排口進(jìn)行概化，如下圖所示。

3.2模型參數(shù)的確定

3.2.1模型參數(shù)的確定

不透水率、坡度、面積和流域的寬度可以使用概化圖直接計(jì)算得到。其他的參數(shù)是模型在計(jì)算過程中得到的一些參數(shù)。在降雨的產(chǎn)生過程中，可以使用Horton滲入的方式對(duì)于本文的滲透模型進(jìn)行研究。

3.2.2低影響開發(fā)措施參數(shù)的確定

研究區(qū)域采用的低影響開發(fā)設(shè)施有生物滯留設(shè)施、透水鋪裝、下沉式綠地、干式植草溝和綠色屋頂。上述措施主要的參數(shù)是由案例的設(shè)計(jì)資料所得到[7-8]，其余的參數(shù)依據(jù)SWMM模型手冊(cè)確定[9]。

3.3設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.3.1短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式

采用芝加哥雨型，芝加哥法雨型為一定重現(xiàn)期下不同歷時(shí)最大雨強(qiáng)復(fù)合而成，雨型確定包括綜合雨峰位置系數(shù)及芝加哥降雨過程線模型。通過引入綜合雨峰位置系數(shù)r來描述暴雨峰值發(fā)生的時(shí)刻，將降雨歷時(shí)時(shí)間序列分為峰前和峰后兩個(gè)部分。

3.3.2設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期

模型降雨時(shí)間采用3h，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期依次為5a、3a、1a、0.5a，公式中采用不同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的總降雨量與平均的降雨強(qiáng)度。資料顯示，多數(shù)的降雨峰值時(shí)刻出現(xiàn)在0.3T～0.5T之間，本模型的峰值時(shí)刻選取為0.5T。

4情景模擬分析

4.1情景模擬介紹

依據(jù)控制目標(biāo)，模型設(shè)計(jì)采用功能最大化、經(jīng)濟(jì)適用型和基礎(chǔ)情景等3種不同的情景方案?；A(chǔ)情景采用洲島家園原有規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬；經(jīng)濟(jì)適用型其核心思想是經(jīng)濟(jì)、方便操作，共布置3種類型LID設(shè)施，包括下沉式綠地、透水鋪裝和干式植草溝；功能最大化是LID設(shè)施的充分利用，共布置5種類型LID設(shè)施，包括干式植草溝、下沉式綠地、透水鋪裝、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂[10]。

4.2情景模擬分析

4.2.1地表徑流流量及其變化率模擬分析

通過對(duì)不同的降雨強(qiáng)度進(jìn)行功能最大化情景、經(jīng)濟(jì)適用型情景和基礎(chǔ)情景的不同的開發(fā)模式下的居住區(qū)的地表徑流的變化情況的模擬，得出了地表徑流的變化曲線，如下圖所示。

由圖可知，無論是使用功能最大化情景、經(jīng)濟(jì)適用型情景或是基礎(chǔ)情景的開發(fā)模式，整個(gè)雨水系統(tǒng)的地表徑流變化曲線均落后于降雨過程，即區(qū)域的地表徑流洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間要晚于峰值時(shí)刻。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是雨水經(jīng)過滯蓄、填洼和地表下滲的過程，產(chǎn)生的降雨不能迅速形成地表徑流，降雨事件與地表徑流產(chǎn)生存在時(shí)間差。

無論采用何種降雨強(qiáng)度模擬，功能最大化和經(jīng)濟(jì)適用型情景地表徑流曲線均低于未使用低影響開發(fā)設(shè)施的基礎(chǔ)情景，且最大功能情景模擬結(jié)果低于經(jīng)濟(jì)適用型情景模擬結(jié)果，由此看出低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)地表徑流削弱效果明顯。

4.2.2管道流量及其變化率模擬分析

使用居住區(qū)的雨水系統(tǒng)的模型，對(duì)于三種情景下的管道流量和最大的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行一定的模擬，得到的居住區(qū)管道的流量圖，如下圖4-2所示。

從整體上來說，在不同的降雨重現(xiàn)期下，采用一定的低影響的開發(fā)技術(shù)對(duì)管道的流量具有明顯的削弱作用，管內(nèi)剩余空間大大增多。并且，在同種降雨重現(xiàn)期下進(jìn)行模擬，功能最大化情景模擬得到的數(shù)據(jù)明顯好于經(jīng)濟(jì)適用型。

5結(jié)論

（1）降雨事件和地表徑流產(chǎn)生存在時(shí)間差異，地表徑流變化曲線均落后于降雨的過程，從而得出地表徑流洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間晚于降雨峰值時(shí)刻，且隨著降雨重現(xiàn)期的增加，三種情景下的峰值出現(xiàn)均呈現(xiàn)整體前移。

（2）低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)地表徑流削弱效果較好，特別是在小于或降雨初期情況下，對(duì)于地表徑流控制效果明顯。且功能最大化型明顯優(yōu)于經(jīng)濟(jì)適用型情景，說明低影響設(shè)施的規(guī)模及種類對(duì)地表徑流控制效果影響較大，建議在滿足區(qū)域地表徑流控制目標(biāo)的情況下，通過經(jīng)濟(jì)適用型低影響設(shè)施方案對(duì)場(chǎng)地內(nèi)低影響設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，綜合考慮布局總量與設(shè)施類型。

（3）從整體上來說，在不同的降雨重現(xiàn)期下，采用一定的低影響的開發(fā)技術(shù)，相比較未使用低影響開發(fā)技術(shù)的管道的流量具有明顯的削弱作用，管內(nèi)剩余空間大大增多。并且，在同種的降雨重現(xiàn)下進(jìn)行模擬，功能最大化情景模擬得到的數(shù)據(jù)明顯要好于經(jīng)濟(jì)適用型。

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