基于動態(tài)模擬的低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計及雨洪控制效果分析

周 敏

焦 勝*

黎 貝

中國幅員遼闊，各地區(qū)氣候特征、水文環(huán)境、土壤地質(zhì)條件差異較大，加之各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展條件不同，在海綿城市建設(shè)過程中應(yīng)有針對性地選取雨洪管理的目標和設(shè)施。南方低山丘陵地區(qū)紅壤分布面積較大、土質(zhì)黏重、滲透性弱，加之氣候冬冷夏熱、夏季多發(fā)暴雨、降雨頻次集中，導(dǎo)致建成區(qū)雨季常發(fā)內(nèi)澇。此類地區(qū)在海綿城市建設(shè)中除滿足徑流總量控制目標外，應(yīng)把暴雨內(nèi)澇防控作為雨洪管理的重要目標之一。

目前中國海綿城市建設(shè)在設(shè)施層面的理論研究及應(yīng)用實踐中，低影響開發(fā)側(cè)重針對中小雨水的徑流總量控制研究，包括指標分解[1]、設(shè)施比選[2-4]、雨洪控制效果模擬[5-7]等；暴雨內(nèi)澇防控側(cè)重針對大強度暴雨的超標雨水控制研究，包括內(nèi)澇風(fēng)險評估及預(yù)警[8-9]、內(nèi)澇調(diào)蓄設(shè)施設(shè)計及超標雨水排放系統(tǒng)設(shè)計[10]等；雨水管理模型通常在前兩者的研究中作為技術(shù)手段出現(xiàn)，提供工作平臺、數(shù)字化解決方案和評估工具[11-12]。已有研究的局限性在于：1)采用雨水管理模型進行低影響開發(fā)方案校驗的研究較多[13]，缺少將方案設(shè)計過程與建模過程相結(jié)合進行低影響開發(fā)設(shè)施規(guī)模計算的研究；2)針對單一種類低影響開發(fā)設(shè)施的雨洪控制效果對比研究較為充分[14]，缺少針對組合設(shè)施在不同組合配比情況下的雨洪控制效果對比研究；3)缺少同時考察徑流總量控制和暴雨控制的研究；4)缺少專門針對土壤滲水性能較差地區(qū)的低影響開發(fā)設(shè)施規(guī)劃方法及應(yīng)用研究。綜上，本研究的切入點為：選取土壤滲透性弱的紅壤地區(qū)案例，通過模型模擬動態(tài)介入設(shè)計過程，探索更簡便、更精確的場地尺度低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計方法，采用多方案比較的方式，模擬分析透水設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施在不同組合配比時的徑流總量控制和暴雨內(nèi)澇防控效果差異。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及雨洪控制目標

研究對象位于長沙市望城區(qū)濱水新城核心區(qū)，為某新建醫(yī)院用地，面積約12hm2，開發(fā)前下墊面以農(nóng)田為主，土壤為水稻土和紅壤，土體黏重緊實，滲透性弱。研究區(qū)詳細規(guī)劃已完成，開發(fā)后不透水率為64%，規(guī)劃的下墊面類型包括屋面、場地(包括道路和鋪裝)、綠地，各占24%、40%、36%，其中36%的用地下建有地下停車庫，雨水排水分2條主線，由東、西分別排入城市市政雨水管網(wǎng)。降雨特征方面，長沙市屬于降水豐富地區(qū)，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，春季降水量和降水頻率最多，夏季降水強度最大。

根據(jù)《長沙市望城區(qū)濱水新城海綿城市專項規(guī)劃》要求，研究區(qū)年徑流總量控制率須≥75%，且應(yīng)盡可能減小內(nèi)澇發(fā)生概率，有效應(yīng)對極端暴雨事件。據(jù)此設(shè)計低影響開發(fā)方案并考察其雨洪控制效果。

1.2 低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計思路

前述雨洪控制目標可通過2個主要途徑實現(xiàn)：一是加入透水設(shè)施，增大透水能力；二是加入調(diào)蓄設(shè)施，增大調(diào)蓄能力。在各類設(shè)施規(guī)模的具體計算過程中，綠色屋頂及透水鋪裝等透水設(shè)施面積一般通過參與場地綜合雨量徑流系數(shù)計算確定，再運用容積法等得到總調(diào)蓄容積，將總調(diào)蓄容積分配給生物滯留設(shè)施、雨水桶等調(diào)蓄設(shè)施確定其面積。其中存在2個可能產(chǎn)生誤差的關(guān)鍵過程：其一，綜合雨量徑流系數(shù)一般參照《室外排水設(shè)計規(guī)范》和《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》中的經(jīng)驗值計算，反映的是常規(guī)下墊面徑流量與降水量之比，未考慮非常規(guī)下墊面的特殊情況，由于研究區(qū)下墊面原土屬于紅壤性土，較常規(guī)土壤黏度高、下滲能力弱，據(jù)模擬測算，現(xiàn)狀草地、農(nóng)林地徑流系數(shù)均在0.2以上，因此若以綜合徑流系數(shù)測算調(diào)蓄容積實際結(jié)果偏低；第二，為避免單個設(shè)施調(diào)蓄能力不足或過大導(dǎo)致日常閑置，調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模須與子匯水區(qū)嚴格對應(yīng)，因此需要大量的試算調(diào)整才能得到與各子匯水區(qū)所需調(diào)蓄量匹配度最佳的低影響開發(fā)方案。

圖1 基于動態(tài)模擬的低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計思路

圖2 研究區(qū)詳規(guī)方案DS模型構(gòu)建

基于上述原因，提出一種基于動態(tài)模擬進行低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計的方法(圖1)，建立低影響開發(fā)前模型-透水模型-調(diào)蓄模型等過程模型，利用過程模型模擬結(jié)果逐步完善低影響開發(fā)方案。具體設(shè)計步驟如下：1)建立低影響開發(fā)前原始模型，運行模擬得到目標設(shè)計降雨量情景下各子匯水區(qū)徑流量；2)擬定綠色屋頂率、透水鋪裝率等，參照各子匯水區(qū)徑流量比例，同時考慮下墊面適建性，確定各子匯水區(qū)擬增加的透水設(shè)施類型及規(guī)模；3)在原始模型基礎(chǔ)上建立透水模型，運行模擬得到目標設(shè)計降雨量情景下各子匯水區(qū)徑流量；4)按照各子匯水區(qū)徑流量確定各子匯水區(qū)需增加的調(diào)蓄設(shè)施類型及規(guī)模；5)在透水模型基礎(chǔ)上建立調(diào)蓄模型，得到低影響開發(fā)初步方案，采用全年降雨數(shù)據(jù)連續(xù)模擬驗算是否達到預(yù)設(shè)年徑流總量控制目標；6)若不達標，調(diào)整調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模及參數(shù)重復(fù)4)和5)直至達標，得到低影響開發(fā)修正方案。

1.3 雨洪控制效果分析思路

主要考察組成低影響開發(fā)方案的透水設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施在不同組合配比時的雨洪控制效果差異。組合配比是指滿足某雨洪控制目標的低影響開發(fā)設(shè)施的類型組合及各類設(shè)施占其所屬下墊面的面積百分比組合。將設(shè)置多個組合配比方案，各方案透水設(shè)施配比遞增，調(diào)蓄設(shè)施配比遞減。對這些方案采用3類降雨情景進行雨洪控制效果分析：年徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨量情景用于初步方案設(shè)計，不同的預(yù)設(shè)透水設(shè)施配比通過上述設(shè)計步驟1)～4)將會得到不同的調(diào)蓄設(shè)施配比，組合形成不同的低影響開發(fā)初步方案，滿足在目標設(shè)計降雨量情景下不外排；全年降雨情景用于方案修正，因為初步方案所得到的設(shè)施組合配比具備的是日調(diào)蓄能力，在土壤滲透性有限時，多日連續(xù)降雨可能會超出調(diào)蓄設(shè)施的應(yīng)對能力，所以需要通過設(shè)計步驟5)和6)在全年降雨情景下就其年徑流總量控制效果進行方案修正，滿足75%的年徑流總量控制率；不同重現(xiàn)期暴雨情景用于洪峰及內(nèi)澇削減效果分析，比較滿足年徑流總量控制目標的各方案在內(nèi)澇防控目標上的性能差異。

2 分析模型建立

2.1 研究區(qū)概化

研究區(qū)模型構(gòu)建采用城市排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)(DigitalWater simulation system)，基于詳細規(guī)劃方案豎向特征及下墊面匯流情況手動劃分子匯水區(qū)，將研究區(qū)概化為25個子匯水區(qū)、27個檢查井節(jié)點、27條排水管道和2個排放口(圖2)。同時建立城市化前現(xiàn)狀模型，用于參數(shù)率定。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置及率定

模型各子匯水區(qū)特征數(shù)據(jù)采用下墊面解析法從Arcgis基礎(chǔ)圖中提取，產(chǎn)流采用非線性水庫模型，入滲采用霍頓(Horton)模型，模型水文參數(shù)根據(jù)研究區(qū)紅壤特性以及SWMM用戶手冊取值，并對地表曼寧系數(shù)、洼蓄量、最大入滲速率、最小入滲速率、衰減系數(shù)等進行參數(shù)率定。選取2017年4月16日的一場典型大雨(歷時5h，總降雨量42.9mm)，采用納什效率系數(shù)(Nashsutcliffe)，檢驗現(xiàn)狀模型預(yù)測值和實測值的吻合度[15]，經(jīng)多次試算調(diào)參，納什效率系數(shù)達到0.9，參數(shù)率定結(jié)果如表1所示，率定后現(xiàn)狀模型經(jīng)2017年4月20日另一場典型降雨(歷時3h，總降雨量18.0mm)驗證通過，證明所構(gòu)建模型可靠。詳規(guī)方案模型相關(guān)參數(shù)照此率定結(jié)果取值。

2.3 低影響開發(fā)模塊參數(shù)設(shè)置

低影響開發(fā)模塊參數(shù)設(shè)置時，由于研究區(qū)原土孔隙率小、下滲速率低，考慮將土壤層換為沙壤土，導(dǎo)水率、導(dǎo)水率斜率、吸力水頭分別為10mm/h、5、90mm，厚度均為300mm。綠色屋頂表層洼蓄深度、底層排水板厚度分別為4、75mm。透水鋪裝表層洼蓄深度、底層礫石厚度分別為1.5、150mm。生物滯留設(shè)施表層蓄水深度、底層礫石厚度均為300mm。最底層滲透率取原土最小入滲速率1mm/h。其余模型參數(shù)取值參考SWMM用戶手冊典型值。

2.4 降雨情景設(shè)計

采用21.8mm的24h降雨曲線(長沙市75%的年徑流總量控制率所對應(yīng)的設(shè)計降雨量)進行模擬，以不外排為目標進行低影響開發(fā)初步方案設(shè)計。

表1 模型水文參數(shù)率定結(jié)果

表2 研究區(qū)低影響開發(fā)設(shè)施組合配比

采用長沙某氣象站2015年全年降雨量日值數(shù)據(jù)進行連續(xù)模擬，以25%的外排總量為目標對初步方案進行修正。

采用芝加哥雨型結(jié)合暴雨強度公式，擬合生成降雨歷時2h，重現(xiàn)期P=1a、3a、5a、10a、20a、50a、100a的設(shè)計降雨曲線，模擬考察修正方案的地表徑流量、峰值流量、最大內(nèi)澇水量及節(jié)點溢流情況。

3 設(shè)計過程與結(jié)果分析

3.1 初步方案設(shè)計

因研究區(qū)內(nèi)有較大面積的地下停車庫，采用2種不同的低影響開發(fā)雨水徑流組織方式。對一般下墊面而言，各子匯水區(qū)分別處理各自的內(nèi)部徑流，選取3種設(shè)施作為低影響設(shè)施組合單元：綠色屋頂和透水鋪裝作為增加透水能力的設(shè)施，只影響直接徑流，綠色屋頂?shù)呐潘艹隽鹘?jīng)由綠地排入生物滯留設(shè)施；生物滯留設(shè)施作為增加調(diào)蓄能力的設(shè)施，負責(zé)處理其他不透水區(qū)域徑流。醫(yī)技樓和專科樓及其周邊場地范圍內(nèi)有地下停車庫，不適宜建設(shè)生物滯留設(shè)施和透水鋪裝，低影響開發(fā)前的徑流量占比達到研究區(qū)徑流總量的43%。對此，考慮利用鄰近子匯水區(qū)的集中綠地對車庫范圍內(nèi)徑流進行轉(zhuǎn)輸調(diào)蓄以減少外排，選取綠色屋頂和生物滯留設(shè)施跨子匯水區(qū)組合：綠色屋頂出流、普通屋頂及硬質(zhì)場地匯流經(jīng)管道引流進入生物滯留設(shè)施；生物滯留設(shè)施布置于車庫范圍外的相鄰子匯水區(qū)綠地內(nèi)，與車庫范圍內(nèi)各子匯水區(qū)在數(shù)量、調(diào)蓄規(guī)模與溢流節(jié)點上對應(yīng)。研究區(qū)低影響開發(fā)后雨水徑流組織如圖3所示。

共設(shè)置A～F 6個低影響開發(fā)初步方案，從方案A到方案F總透水率以約10%的增幅遞增(表2)。其中，方案A不增加透水率，維持原有綠地的36%；方案C總透水率59%，其中綠色屋頂配比30%、透水鋪裝配比40%，剛好達到《長沙市綠色建筑評價標準》的得分標準；方案F總透水率86%，基本實現(xiàn)全部屋頂和除去地下停車庫范圍后全部場地的透水化。

生物滯留設(shè)施配比計算過程采用設(shè)計降雨量為21.8mm的24h降雨曲線，按照擬定的透水設(shè)施規(guī)模建立透水模型，得到增大透水能力后每個方案各子匯水區(qū)地表徑流體積V，此值即為生物滯留設(shè)施有效調(diào)蓄容積與滲透量之和，據(jù)式(1)計算各子匯水區(qū)生物滯留設(shè)施面積As，建立調(diào)蓄模型，得到6個低影響開發(fā)初步方案從方案A到方案F生物滯留設(shè)施配比以約1%的降幅遞降(表2)。

式中：Δh為生物滯留設(shè)施表層蓄水深度，取300mm；K為土壤(原土)滲透系數(shù)，取1mm/h；J為水力坡降，取1；ts為滲透時間，取2h短歷時降雨。

3.2 年徑流總量控制效果及方案修正

對2015年全年降雨量進行統(tǒng)計，75%控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨量為22.6mm，略大于多年平均設(shè)計降雨量21.8mm。采用降雨量為21.8mm和22.6mm的24h設(shè)計降雨曲線進行徑流模擬，初步方案A～F均未產(chǎn)生外排雨水，表明各方案均能達到設(shè)計降雨量控制目標，并有不同程度的冗余。采用2015年全年降雨數(shù)據(jù)進行連續(xù)徑流模擬，初步方案A、B、C、D均未達到75%的控制目標，方案E剛好達到75%的控制率，方案F超額達到85%的控制率(圖4)。動態(tài)追蹤低影響開發(fā)設(shè)施模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各方案生物滯留設(shè)施在多日連續(xù)中小降雨時發(fā)生大量表面出流。分析原因，研究區(qū)底層原土滲透系數(shù)僅為1mm/h，生物滯留設(shè)施300mm的滿負荷表層蓄水量需300h才能完全入滲，多日連續(xù)降雨就會導(dǎo)致設(shè)施表面出流，生物滯留設(shè)施配比越大，負責(zé)處理的不透水面積越大，連續(xù)降雨時發(fā)生溢流的可能性就越大。從方案A到F，雖然生物滯留設(shè)施配比從14%下降至8%，整體蓄水能力下降，但是透水鋪裝和綠色屋頂配比分別從0遞增至70%和90%，整體透水能力和滯水能力增加，單位時間的滲透總量增加、總滲透時間增加，因此方案整體年徑流控制率逐步提高。此外，考察各方案生物滯留設(shè)施的全年減排量，發(fā)現(xiàn)并未隨著各方案生物滯留設(shè)施配比的遞減而逐漸下降，而呈波動上升趨勢，說明提高匯水區(qū)滯水能力能夠在一定程度上減緩雨水進入生物滯留設(shè)施的時間，增加滲透時間，從而提高總滲透量，也能從側(cè)面解釋方案F超額完成的減排量。

針對初步方案年徑流總量控制率未達標的問題，本研究采取增大調(diào)蓄設(shè)施面積以增加單位時間內(nèi)總滲透量。根據(jù)初步方案減排量與目標減排量差值調(diào)整調(diào)蓄模型，修正后各方案生物滯留設(shè)施配比如表2修正方案所示。生物滯留設(shè)施在初步方案中配比越大，修正的增幅越大，其中增幅最大的方案A的生物滯留設(shè)施面積增加至初步方案的2.1倍。方案F的生物滯留設(shè)施減少至初步方案的0.8倍后剛好滿足目標需求。

參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中提出的低影響開發(fā)單項設(shè)施參考單價估算各修正方案總造價(表2)，數(shù)據(jù)表明：滿足相同年徑流總量控制目標的不同低影響開發(fā)設(shè)施組合配比，透水設(shè)施配比越小、調(diào)蓄設(shè)施配比越大、總造價越低。其中只采用生物滯留設(shè)施不采用綠色屋頂和透水鋪裝的總造價最低。單位面積生物滯留設(shè)施的徑流總量控制成本效益高于綠色屋頂和透水鋪裝。

3.3 不同重現(xiàn)期的暴雨控制效果分析

對修正方案進行暴雨徑流模擬，隨著暴雨重現(xiàn)期從1a增加至100a，設(shè)計降雨量從41.0mm增加至96.8mm，各低影響開發(fā)方案地表徑流變化情況如圖5所示。由圖可知，低影響開發(fā)后地表徑流較低影響開發(fā)前有較大程度減少，生物滯留設(shè)施在低影響開發(fā)設(shè)施組合配比中越大，方案應(yīng)對短重現(xiàn)期暴雨的徑流削減能力越強(方案A)；綠色屋頂和透水鋪裝在低影響開發(fā)設(shè)施組合配比中較大時，方案應(yīng)對長重現(xiàn)期暴雨的徑流削減能力更強(方案E、F)；透水鋪裝在透水設(shè)施中占比越大，方案應(yīng)對短重現(xiàn)期暴雨的徑流削減能力越強(方案B、C)。

由圖6、7可知，低影響開發(fā)后暴雨洪峰流量及最大內(nèi)澇水量較低影響開發(fā)前大幅削減，其中，對出水口洪峰流量削減作用在20年一遇及以下暴雨情景下較為顯著，峰值削減率除方案F外均在50%以上；對內(nèi)澇削減作用在5年一遇及以下暴雨情景尤為顯著，平均最大內(nèi)澇水量削減率達到98%；生物滯留設(shè)施在低影響開發(fā)設(shè)施組合配比中越大(方案A)，透水鋪裝在透水設(shè)施中占比越大(方案B)，方案的峰值削減及內(nèi)澇削減能力越強；降雨量增大至50年及100年一遇時，各方案洪峰削減率與內(nèi)澇削減率趨于一致，但方案A、B仍有一定優(yōu)勢，且削澇能力仍未飽和。

圖3 研究區(qū)雨水徑流組織圖

圖4 研究區(qū)低影響開發(fā)后年徑流總量控制率

圖5 研究區(qū)暴雨平均地表徑流量

圖6 研究區(qū)暴雨洪峰流量削減率

圖7 研究區(qū)暴雨最大內(nèi)澇水量

3.4 方案選擇及LID設(shè)施布局

綜上，方案A、B造價較低，對洪峰及徑流削減效果較好，方案B相對方案A造價稍高，但應(yīng)對長重現(xiàn)期暴雨能力更優(yōu)，因此從模擬分析結(jié)果看，方案B應(yīng)為滿足徑流總量控制和暴雨內(nèi)澇防控雙重目標的最佳方案。但是，評估方案適建性時發(fā)現(xiàn)，詳規(guī)方案的綠地布局外圍多、中央少，因為醫(yī)院大體量建筑主體及其周邊大面積疏散場地的需要，硬化程度很高，除去地下停車庫范圍后，可供低影響開發(fā)的綠地十分有限，而方案B生物滯留設(shè)施配比較大，將幾乎占用這幾個子匯水區(qū)及其周邊所有可建綠地，實際景觀效果及實施性較差。方案C雖然暴雨內(nèi)澇防控能力略低于方案B，但生物滯留設(shè)施配比更低、與詳規(guī)方案景觀融合度更高、適建性更好，因此方案C為最終建議方案(圖8)。30%的屋頂布置綠色屋頂，40%的場地布置透水鋪裝，17%的綠地布置生物滯留設(shè)施，3類低影響開發(fā)設(shè)施占研究區(qū)總面積比例分別為7%、16%、6%，總共占用29%的用地。

4 結(jié)論與建議

1)對于土壤特性比常規(guī)地區(qū)有較大差異的特殊地區(qū)，采用動態(tài)模擬的方法計算低影響開發(fā)設(shè)施規(guī)模，能夠更精準地反映雨水產(chǎn)匯流及入滲過程，從而得到更接近現(xiàn)實情況的需調(diào)蓄容積，從而避免以徑流系數(shù)經(jīng)驗值測算調(diào)蓄容積實際結(jié)果偏低，以及調(diào)蓄設(shè)施與匯水單元空間匹配度不佳導(dǎo)致能效發(fā)揮不完全等問題。

2)采用年徑流總量控制率所對應(yīng)的設(shè)計降雨量進行低影響開發(fā)方案設(shè)計，所得到的設(shè)施規(guī)模具備的是日調(diào)蓄能力，在土壤滲透性有限而方案透水率較低時，多日連續(xù)降雨會超出調(diào)蓄設(shè)施的日調(diào)蓄能力，研究采用增大調(diào)蓄設(shè)施面積的方式進行方案修正，以實現(xiàn)年徑流總量控制目標。

3)年徑流總量控制率在75%左右的多個低影響開發(fā)設(shè)施組合配比方案，考察暴雨徑流削減效果：生物滯留設(shè)施配比大的方案，短重現(xiàn)期暴雨徑流削減效果較好；透水設(shè)施配比大的方案，長重現(xiàn)期暴雨徑流削減效果較好。考察暴雨洪峰流量削減及內(nèi)澇削減效果：所有低影響開發(fā)方案對20年一遇及以下暴雨的削峰及削澇效果顯著，其中生物滯留設(shè)施配比大和透水鋪裝在透水設(shè)施中占比大的方案削減效果更好。

圖8 方案C低影響開發(fā)設(shè)施布局

4)本文關(guān)于低影響開發(fā)設(shè)施組合配比的研究方法和結(jié)論，可用于類似地區(qū)海綿城市建設(shè)中確定下沉綠地率、透水鋪裝率、綠色屋頂率等地塊控制指標時的參考案例。具體方案還須結(jié)合各地區(qū)下墊面情況、低影響開發(fā)設(shè)施適建性、排水及徑流組織、景觀效果等因素共同決定。

注：文中圖片均由作者繪制。