海綿城市建設下LID模擬研究綜述及案例分析

周倩倩，蘇炯恒，王 雁

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

隨著城市化進程的加快，大量不透水地面的出現(xiàn)破壞了天然狀態(tài)下的水文機制，城市雨洪管理問題日益加劇. 低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)作為一種新型的雨洪管理理念，通過入滲、過濾和截流等方式對雨水徑流進行管理和調控，與之相似的理念包括英國的可持續(xù)城市雨水系統(tǒng)(SUDS)、美國的最佳管理措施(BMPS)和澳大利亞的水敏感城市設計(WSUD)等[1]. 我國在新型內澇管理方法上的研究時間較短，對如何基于LID 理論體系，進行相關模型構建和效能分析等內容缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐和技術指導[2]，主要問題集中在對LID各類模塊的應用以及包含的參數(shù)數(shù)據(jù)收集比較落后，這將直接影響LID措施的模擬效果. 因此，系統(tǒng)梳理和分類收集不同LID模塊的數(shù)據(jù)設置方法，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義.

本文對近幾年來在我國主流期刊上針對LID措施模擬的相關文獻(約200篇LID仿真建模分析，提供具體模塊選取和參數(shù)設置的文獻約占25%)進行了系統(tǒng)查閱和調研，旨在對目前常用的LID模型進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、關鍵參數(shù)識別和方法綜述，為LID在不同地區(qū)的模擬提供有效的數(shù)據(jù)支撐，提升模擬準確度. 最后，采用案例進行研究，依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，選取綠色屋頂和透水路面兩種措施對研究區(qū)的排水區(qū)域進行LID布設和模型分析，評估不同措施對其系統(tǒng)排水能力和節(jié)點溢流量的調控作用.

1 典型LID措施及模型參數(shù)研究

1.1 LID措施及模型

常見LID采用雨水源頭控制技術，通過滯留、蓄集、滲透等作用，對降雨徑流進行管理[3]. 其中生物滯留池、雨水花園和綠色屋頂?shù)淖饔脵C理相似，主要通過植物作用對雨水進行滯留和排放. 生物滯留池主要在低洼區(qū)域種植植物，達到雨水入滲和截流的目的，適用于建筑、道路及城市常見綠化帶[4]. 雨水花園是自然形成或人工挖掘的淺凹綠地，適用于修建在學校、居民區(qū)、停車場附近，設計可與風景園林相結合，提供附贈的景觀價值[4]. 綠色屋頂是由植被、培養(yǎng)基質、過濾層和排水材料等構成的一個小型排水系統(tǒng)[1]，適用于修建在多類屋頂上對降雨徑流進行削減的情形.

透水路面及下滲溝主要利用滲透作用進行雨水控制. 透水路面采用透水性較好的材料進行鋪設，包括水泥孔磚、網格磚、塑料網格磚、透水瀝青和透水混凝土等[1]，最常用于廣場、停車場、人行道以及荷載較小的道路. 下滲溝是一種用石材骨料回填并鋪有過濾織物的狹長溝渠，可采用穿孔塑料管、無砂混凝土管、渠和礫(碎)石等材料組合而成，適用于建筑、小區(qū)及公共綠地內轉輸流量較小的區(qū)域[4]. 植草溝則是在地表溝渠中種植植被，利用重力流收集、輸送和排放雨水徑流并通過植被截留和土壤過濾對雨水徑流進行處理[4]，適用于廣場、停車場等不透水路面的周邊及城市綠地等區(qū)域.

如圖1所示，暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)中的LID模塊提供了6種措施的理論概念模型和仿真模擬方法，其中基本模型包括了LID措施中的土壤表面層、土壤層、蓄水層以及相關排水系統(tǒng)的定義和設置. 不同措施的模擬需要選取對應的結構層，對其相關參數(shù)進行設置. 本文依據(jù)文獻綜述獲得的設置方法和數(shù)據(jù)要求，對不同模塊模擬層參數(shù)的重要程度(高、中、低)進行了劃分(見表1)，為不同LID模塊的構建提供參數(shù)指引.

圖1 6種典型LID模型概念圖Fig.1 The concept map of six kinds of typical LID model

1.2 LID參數(shù)綜述

通過對文獻中參數(shù)數(shù)據(jù)[5-39]的進一步分析，國內的研究案例約占86%，剩余研究區(qū)主要分布在美國、新加坡及韓國等地. 在國內的模擬分析文獻中，以“秦嶺-淮河”為分界，68%的研究區(qū)域分布在中國南方. 數(shù)據(jù)表明，LID模型較多應用于南方的廣東江浙地區(qū)(主要集中在一線城市)及北方沿海一帶. 內陸地區(qū)的LID仿真案例較少，我國的西北地區(qū)未發(fā)現(xiàn)相關案例分析(見圖2). 根據(jù)查閱的資料顯示，透水路面在所有區(qū)域的使用率最高，生物滯留池及綠色屋頂措施的使用率次之. 另對比南北方LID使用類型可知，下滲溝在北方的使用率較高，南方幾乎沒有，而雨水花園和植草溝在南北方的使用率普遍不高，但南方的使用率相對比北方的使用率高一些.

按照南北方分區(qū)對不同模型的屬性層數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，本文以綠色屋頂(見圖3)和透水路面(見圖4)為例，顯示了LID模擬由于地域(包含下墊面條件、降雨頻率和強度、氣候條件等)的不同導致在模型構建和參數(shù)設置上的不同. 例如，對于綠色屋頂?shù)哪M，在表面層的蓄水深度、植物體積覆蓋率、地表坡度及土壤層的透水層厚度So(不同屬性層的同一參數(shù)以英文頭兩個字母進行區(qū)分)的設置方面，南方的參數(shù)通常高于北方地區(qū). 又如在模擬透水路面時，除表面層中植物體積覆蓋率數(shù)據(jù)較相近外，表面層其他數(shù)據(jù)及蓄水層數(shù)據(jù)在南北方地區(qū)均相差較大，其中南方的數(shù)據(jù)總體分布相對更為分散. 由于國外和國內研究案例在流域規(guī)模、環(huán)境特征、用地類型和下墊面條件的差異較大，本文未統(tǒng)計國外LID模擬參數(shù)的數(shù)據(jù)分布和范圍.

圖2 國內LID措施分布Fig.2 Distribution of LID measures in China

圖3 綠色屋頂參數(shù)對比Fig.3 The comparison on parameters of green roof

圖4 透水路面參數(shù)對比Fig.4 The comparison on parameters of permeable pavement

2 LID案例分析

2.1 研究區(qū)域

H市是中國北方一個典型的發(fā)展中城市，總面積為1 397.915 hm2，劃分為住宅、工業(yè)、綠地、農業(yè)及其他用地5個基本用地類型. 隨著城市化進程的推進和經濟發(fā)展，該市人口密度增加，土地利用類型頻繁發(fā)生變化，農業(yè)面積及綠地面積比例逐漸減少，不透性面積急劇增加. 由于初期管道的設計標準偏低、排水設施建設相對落后，主要城區(qū)出現(xiàn)地表徑流增多及內澇頻現(xiàn)的問題. 該地區(qū)急需依據(jù)現(xiàn)有匯水區(qū)條件、土地類型和系統(tǒng)溢流狀況，采用LID措施進行空間布設，達到源頭控制和徑流管理的目的[40].

2.2 模型建立

基于SWMM建立該地區(qū)的排水管網模型. 依據(jù)研究區(qū)域的地形特征及該城市管網系統(tǒng)的空間形態(tài)，將研究區(qū)域劃分為53個子匯水區(qū)、3根管段及3個排出口，見圖5(a). 在3年降雨重現(xiàn)期模擬情形下，獲取該地區(qū)的溢流點分布及相關數(shù)據(jù)，得到總徑流量為446.97×106L，總溢流量為62.32×106L，且總溢流量占總徑流量的14%. 在上述模型參數(shù)研究的基礎上，采用使用率較高且參考數(shù)據(jù)較完整的LID措施(綠色屋頂及透水路面)進行單獨模擬. 依據(jù)上述文獻的參數(shù)總結，確定具體的LID模型參數(shù)(見表2和表3)，再依據(jù)每個匯水區(qū)的面積大小及土地類型劃分，初步決定每個匯水區(qū)域布設該LID措施的最大上限比例，對模擬獲得的溢流區(qū)域優(yōu)先布設LID措施. 通過LID仿真模擬獲取措施的調控效果，并評估其可行性(見圖5(b)及圖5(c)).

圖5 研究區(qū)模型建立Fig.5 Model establishment in research area

表3 透水路面參數(shù)設置Tab.3 Parameter setting of permeable pavement

2.3 LID模擬結果

在該研究區(qū)域內，綠色屋頂?shù)目刂菩Ч麅?yōu)于透水路面，這與該地區(qū)的下墊面類型及用水劃分有關.在布設綠色屋頂后，該研究區(qū)域的總徑流量削減率為36%，總溢流量削減率為71%，總溢流量占總徑流量的6%. 而對于透水路面的布設，總徑流量削減率為24%，總溢流量削減率為62%，總溢流量占總徑流量的7%. 對比數(shù)據(jù)結果顯示，兩者布設效果相近，對徑流量的控制相差不大，但對于此區(qū)域而言，綠色屋頂措施在徑流量和溢流量的控制效果上更突出(見圖6).

圖6 LID布設效果對比Fig.6 The comparison of LID layout effect

3 結果與討論

(1) 采用SWMM預設值進行模擬，將使模型的適用度和準確度大大降低. 針對LID模塊及參數(shù)應用的局限性，本文對國內LID技術進行分析和總結，通過對LID模塊及參數(shù)設置的原理、仿真模擬技術、選擇的重要程度、地域分布情況及不同區(qū)域參數(shù)的選擇范圍進行匯總和提煉，為各地區(qū)的LID措施模擬提供有效的參數(shù)支持，提高模擬和分析的科學性和準確性.

(2) 依據(jù)LID模塊原理及參數(shù)設計的原則，選取使用率高且數(shù)據(jù)完整的LID措施對研究區(qū)進行仿真模擬. 不同的區(qū)域有自身適用的LID措施，對本研究區(qū)而言，綠色屋頂措施的布設效果比透水路面更優(yōu).因此，需依據(jù)因地制宜的思路，合理選取LID措施.

(3) 本文的數(shù)據(jù)信息需通過參考大量的文獻資料獲得，但部分參數(shù)的設置仍存在局限性和不確定性，后期將進一步拓展數(shù)據(jù)收集范圍和區(qū)域，進一步提升數(shù)據(jù)的質量. 此外，在進行LID布設時，可以參照不同LID措施的適用條件和優(yōu)劣性，充分利用地域的下墊面條件和布設需求，嘗試采用組合策略進行優(yōu)化.