基于海綿城市理念的低影響開發(fā)設施應用研究

段曉涵 鄭志宏 趙飛

摘 要：近年來，海綿城市是從整體區(qū)域出發(fā)解決我國水危機的新理念，低影響開發(fā)（LID）設施是構建海綿城市的基本框架。不同LID設施具有其獨有的特性和適用情景，為篩選可應用于實際工程中的性價比最優(yōu)海綿園區(qū)建設模式，文章基于先前學者研究對單個LID措施結構特點進行了對比總結。同時，文章以北京市亦莊調(diào)節(jié)池一期工程園區(qū)為例構建了暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Mmodel，SWMM），模擬分析了多種海綿園區(qū)建設模式的徑流削減效果及性價比，結果表明性價比最優(yōu)的建設模式為透水鋪裝、下凹綠地及植草溝聯(lián)用模式，生態(tài)效益最優(yōu)的建設模式為透水鋪裝、下凹綠地、植草溝、生物滯留槽及綠色屋頂聯(lián)用模式，為日后海綿園區(qū)的建設提供了科學參考。

關鍵詞：海綿城市；低影響開發(fā)；暴雨洪水管理模型

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0025-03

Abstract： In recent years， "sponge city" is a new concept to solve the water crisis in our country from the perspective of the whole region. The facilities of low impact development （LID） are the basic framework that constitutes the sponge city. Different LID facilities have their unique characteristics and applicable scenarios. In order to select the best cost-effective sponge park construction model which can be used in practical projects， this paper compares and summarizes the structural characteristics of single LID measures based on previous research. At the same time， taking the First Phase Project Park of Beijing Yizhuang Regulation Pool as an example， this paper constructs a Storm Water Management Model （SWMM）， simulating and analyzes the runoff reduction effect and cost performance ratio of several sponge park construction modes. The results show that the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space and planting grass ditch， and the best ecological benefit is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， and the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， thus providing a scientific reference for the construction of sponge parks in the future.

Keywords： sponge city； low impact development； storm flood management model

1 概述

近年來，我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展帶來了嚴重的水危機，高密度的不透水地面從根本上破壞了城市水體的自然循環(huán)體系，水資源問題愈加嚴重，海綿城市理念作為問題解決的根本途徑被提出。而低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）是實現(xiàn)高效海綿城市建設的基礎框架，通過多種小型、分散的綠色生態(tài)設施應用，遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”六字方針[1]，即利用源頭徑流控制系統(tǒng)恢復城市良性水文循環(huán)[2]，以期從流域?qū)用嫘迯椭亟ㄉ鷳B(tài)環(huán)境并加強其水文特性。根據(jù)先前學者研究，目前應用效果較好的LID設施有透水鋪裝、生物滯留槽、下凹式綠地、綠色屋頂、植草溝等，為實現(xiàn)“海綿城市”高效益的建設，對各種LID設施應用于工程的效果及成本分析十分必要。

本文基于先前學者對單個LID措施結構特點及徑流削減機理進行了對比總結，研究了單項LID設施的性價比，分析了各LID設施的最佳適用方式。另外，本文以北京市亦莊調(diào)節(jié)池一期工程園區(qū)為例構建了SWMM模型，模擬分析了多種海綿園區(qū)建設模式的徑流削減效果，對篩選可應用于實際工程中的最優(yōu)海綿園區(qū)建設模式具有重要參考價值。

2 LID設施適用性分析

2.1 透水鋪裝

透水性鋪裝是指采用透水性良好的具有空隙的材料鋪設路面，雨水能夠進入鋪裝面層結構內(nèi)部，通過具有儲水能力的基層下滲到土基，使雨水還原于地下并凈化水質(zhì)[3]。透水磚鋪裝和透水水泥混凝土鋪裝主要適用于廣場、停車場、人行道以及車流量和荷載較小的道路，如建筑與小區(qū)道路、市政道路的非機動車道等，透水瀝青混凝土路面還可用于機動車道。據(jù)研究，滲透路面對徑流總量的削減率約為40%-90%[4]，徑流峰值削減率約為40%-65%[5]。

2.2 生物滯留槽

生物滯留槽主要適用于建筑與小區(qū)內(nèi)建筑、道路及停車場的周邊綠地和城市道路綠化帶等城市綠地內(nèi)，其結構層次通常為植被層、種植土層、填料層和礫石層。黃靜巖等[6]通過對深圳市某道路生物滯留設施進行雨水徑流監(jiān)測試驗，其結果表明，當降雨總量為3.3-76.7mm、平均雨強為0.03-0.67mm/min時，生物滯留設施的徑流總量削減率為50.5%-100%，峰值削減率為53.4%-100%，峰現(xiàn)時間可延遲2min以上。生物滯留槽不僅徑流削減率較高，也因其具備良好的景觀性而備受青睞。

2.3 植草溝

植草溝是指種植植被的景觀性地表溝渠排水系統(tǒng)，主要分為[7]標準傳輸植草溝（standard conveyance swales）、干植草溝（dry swales）、濕植草溝（wet swales），汪艷寧等[8]通過模擬植草溝系統(tǒng)實驗發(fā)現(xiàn)，植草溝可削減70%-96%的徑流，可接納自身面積2.16倍的硬質(zhì)路面產(chǎn)生的徑流。植草溝適用于建筑與小區(qū)內(nèi)道路，廣場、停車場等不透水面的周邊，也可作為生物滯留設施等低影響開發(fā)設施的預處理設施或與雨水管渠聯(lián)合應用，適用范圍較廣。

2.4 綠色屋頂

綠色屋頂是部分或全部的建筑屋頂栽培綠植的一種屋頂景觀模式，其基本結構由綠植層、植物生長基質(zhì)和屋頂防水層組成。綠色屋頂適用于滿足屋頂荷載及防水條件的平屋頂建筑和坡度≤15°的屋頂建筑。據(jù)研究[9-10]，綠色屋頂對徑流總量的削減率可達15.3%-50%，峰值削減率為18.0%-62.3%。城市建筑屋頂是極佳的閑置資源，綠色屋頂是增加城市綠地面積，提高城市園林生態(tài)效益的有效手段[11]。

2.5 下凹綠地

下凹式綠地是高程低于路面的特殊綠地，可匯集周圍道路、屋面等降雨徑流，前期徑流滲入地下，后期徑流蓄積于綠地中，超過蓄滲容量后徑流經(jīng)內(nèi)設雨水溢流口進入城市排水管網(wǎng)。有研究表明，在1倍匯水面積的情況下，下凹式綠地對10，50和100年一遇的暴雨，徑流削減率分別為 87.15%，58.48%和50.75%[12]。下凹綠地簡單易行、工程投資少，且適用范圍廣泛，但大面積應用時，易受地形等條件的影響，實際調(diào)蓄容積較小。

每種LID設施均具有特性和適用范圍，據(jù)先前學者對LID設施技術的研究，對五種常用LID設施的應用特點和優(yōu)缺點分析如表1。

據(jù)研究[13-15]，LID設施均可削減徑流總量、徑流峰值及徑流系數(shù)，但其削減效果隨降雨重現(xiàn)期增大而下降。另有研究證明徑流削減效果隨LID設施布設面積比率的增大而增加，且其徑流削減率呈線性增加[16]。然而，LID設施建設通常限于場地或技術特性，不能只依賴于增加面積來提升徑流削減效果。多位學者對單一設施及組合設施的徑流削減效果進行了模擬核算，結果表明：低影響開發(fā)（LID）設施組合徑流削減效果明顯優(yōu)于單一設施[17-19]，即在實際工程中應根據(jù)區(qū)域規(guī)劃的整體結構，參照各項LID措施的不同性能特點和施工條件，采用多種LID協(xié)同作用的組合方案[20]。基于表1不同LID設施特性，本文以北京亦莊調(diào)節(jié)池為例構建SWMM（Storm Water Management Model）模型[21]，研究適宜的海綿園區(qū)建設模式，科學選擇效益最優(yōu)的組合方案，以期為海綿建設實際工程提供直接參考。

3 典型海綿建設模式的模擬分析

3.1 SWMM模型構建

基于亦莊調(diào)節(jié)池（一期）平面布置圖，結合道路走向及排水管線分布，應用GIS對項目區(qū)排水管道進行概化，把整個建模區(qū)劃分為115個匯水區(qū)。模型中使用Horton公式計算地表產(chǎn)流，其參數(shù)參考SWMM用戶手冊和土壤特性表。

查閱《北京市水文手冊》暴雨圖集，基于芝加哥雨型法設計3a重現(xiàn)期歷時24h以5min為單位時段的長歷時暴雨雨型，降雨過程如圖1。

3.2 典型海綿建設模式構建及模擬結果分析

根據(jù)研究區(qū)域的下墊面情況進行LID設施的模擬建設，由于生物滯留槽和綠色屋頂單價較高，且植草溝不適于大面積應用，即透水鋪裝及下凹綠地作為主控設施，其他三種LID設施為輔助設施，即透水鋪裝、生物滯留槽、植草溝、綠色屋頂及下凹綠地的建設面積分別為：1.9hm2、0.06hm2、0.23hm2、0.46hm2、6.02hm2?，F(xiàn)設計四種建設模式如下：1透水鋪裝&下凹式綠地；2透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝；3透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝&生物滯留槽；4透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝&生物滯留槽&綠色屋頂。經(jīng)SWMM模擬結果如下（表2）。

由表2，性價比最優(yōu)建設模式為模式2，單位建設成本最低且其設施多樣性優(yōu)于模式1。但是，海綿園區(qū)的建設通常需要進一步考慮景觀環(huán)境效益，即模式4雖成本最高但其生態(tài)效益最佳。在海綿園區(qū)建設的實際工程中，應根據(jù)其具體要求及建設標準選用經(jīng)濟、景觀及生態(tài)綜合效益最佳的建設方案。

4 結束語

海綿城市是生態(tài)層面解決城市雨洪問題的可持續(xù)理念，基于LID設施的多樣性，本文對常見LID設計特性進行對比分析，得出透水鋪裝和下凹綠地可作為主控徑流設施大面積應用，植草溝、綠色屋頂和生物滯留槽可作為輔助設施進行部分建設。同時，構建SWMM模型對多種建設模式進行模擬核算，篩選出性價比最優(yōu)和生態(tài)效益最優(yōu)的建設方案。今后應進一步深入研究綜合效益最佳的LID設施聯(lián)用模式，以期為不斷推進海綿城市整體建設提供參考。

參考文獻：

[1]仇保興.海綿城市（LID）的內(nèi)涵、途徑與展望[J].現(xiàn)代城市，2015，10（04）：1-6.

[2]王琦，宮永偉，張維偉，等.源頭徑流控制設施的運行維護及相關問題探討[J].中國給水排水，2017，33（07）：144-148.

[3]Brattebo B O， Booth D B. Long-term stormwater quantity and quality performanceof permeable pavement systems[J].Water Res， 2003，37（18）：4369-4376.

[4]趙飛，陳建剛，張書函，等.透水鋪裝雨水入滲收集與徑流削減技術研究[J].給水排水，2011（S1）：254-258.

[5]王曉晨.基于低沖擊開發(fā)技術的城鎮(zhèn)區(qū)域雨水系統(tǒng)規(guī)劃的優(yōu)化[D].天津：天津大學，2013.

[6]黃靜巖，李俊奇，宮永偉，等.道路生物滯留帶削減雨水徑流的實測效果研究[J].中國給水排水，2017，33（11）：120-127.

[7]Thomas N D，Andrew J R. Municipal Stormwater Management[M]. Washington DC：Lewis Publishers，2002.

[8]汪艷寧，張杏娟，程方，等.植被滲透淺溝對城市暴雨徑流的調(diào)蓄效應研究[J].中國給水排水，2012，28（05）：61-63.

[9]翟丹丹，宮永偉.簡單式綠色屋頂雨水徑流滯留效果的影響因素[J].中國給水排水，2015，31（11）：106-110.

[10]段丙政，趙建偉，高勇，等.綠色屋頂對屋面徑流污染的控制效應[J].環(huán)境科學與技術，2013，36（09）：57-59.

[11]賀坤，項耿銘，韋捷峰，等.城市綠色屋頂生物棲息生境設計與營建研究[J].西北林學院學報，2015，30（01）：263-267.

[12]葉水根，劉紅，孟光輝.設計暴雨條件下下凹式綠地的雨水蓄滲效果[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2001，6（06）：53-58.

[13]李婉亭，孫冬梅，馮平.低影響開發(fā)措施（LID）對天津市暴雨徑流影響模擬研究[J].自然災害學報，2017，26（03）：156-166.

[14]孟瑤瑤.低影響開發(fā)城市雨水管理模擬[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2017.

[15]萬英，蓋鑫.基于海綿城市建設理念的城市易澇點整治案例[J].給水排水，2017（3）：55-58.

[16]計寶鑫.基于SWMM模型的西安市城區(qū)匯水區(qū)域劃分與徑流特征研究[D].西安：西安理工大學，2016.

[17]李陽，何俊仕，董克寶，等.低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)在滿融經(jīng)濟開發(fā)區(qū)徑流削減效應分析中的應用[J].水電能源科學，2017，35（08）：23-26.

[18]章雙雙，潘楊，李一平，等.基于SWMM模型的城市化區(qū)域LID設施優(yōu)化配置方案研究[J].水利水電技術，2018，49（06）：10-15. [19]陳彥熹.基于LID的城市化區(qū)域雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃方法研究[D].天津：天津大學，2013.

[20]胡作鵬，劉志強，彭森，等.低影響開發(fā)（LID）雨水徑流控制效果模擬[J].環(huán)境工程學報，2016，10（07）：3956-3960.

[21]許迪.SWMM模型綜述[J].環(huán)境科學導刊，2014，33（6）：23-26.