基于暴雨洪水管理模型的鐵路車站片區(qū)雨洪模擬及低影響開(kāi)發(fā)效果評(píng)價(jià)

韓媛雯， 鮑學(xué)英

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 蘭州 730070)

隨著中國(guó)城市土地開(kāi)發(fā)，下墊面硬化面積擴(kuò)大，可滲性綠地急劇減少，破壞了城市原有的自然水文規(guī)律，在降雨天氣時(shí)出現(xiàn)了匯流時(shí)間縮短，峰現(xiàn)期提前及洪峰量增加等現(xiàn)象，并引發(fā)了內(nèi)澇，雨后水資源短缺，水體污染嚴(yán)重等一系列問(wèn)題[1]。鐵路車站工程建設(shè)作為城市建設(shè)的一部分，其雨水處理方式會(huì)對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)及人民的生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生巨大的影響[2]。傳統(tǒng)的鐵路車站片區(qū)建設(shè)其雨水主要通過(guò)散排，排水溝，雨水管道等形式快速排除至市政雨水管道。這不但使得雨水資源沒(méi)有充分利用，而且會(huì)使下游市政管道排澇負(fù)擔(dān)加劇，局部出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。特別是中國(guó)西北寒旱地區(qū)，這種矛盾更為突出。為此，探索新型鐵路車站雨洪管理模式勢(shì)在必行。

低影響開(kāi)發(fā)(low impact development， LID)技術(shù)[3]是以維持區(qū)域開(kāi)發(fā)前后自然水文條件基本不變?yōu)槟繕?biāo)，達(dá)到有效控制城市雨洪徑流和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的新型生態(tài)技術(shù)措施。目前，低影響開(kāi)發(fā)措施主要包括透水鋪裝、綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地、雨水桶、植草溝等。國(guó)內(nèi)外有很多LID仿真軟件[4]，SWMM(stormwater management model，暴雨洪水管理模型)是其中比較完善的一個(gè)，包括水文、水力、水質(zhì)3個(gè)模塊，能夠?qū)B續(xù)事件和單一事件進(jìn)行模擬，且適用性比其他模型更為廣泛。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SWMM模型在城市雨洪管理中的適用性做了很多研究。朱寒松等[5]以重慶市渝北區(qū)花朝工業(yè)園為研究對(duì)象，構(gòu)建SWMM模型模擬分析了組合LID方案與單一LID方案間的關(guān)系。王靜等[6]基于SWMM軟件模擬不同雨水控制方案下山地城市的徑流效應(yīng)。胡愛(ài)兵等[7]以深圳市光明新區(qū)某已建LID市政道路為例，介紹了LID措施及SWMM模型的建立方法。張亞洲等[8]通過(guò)研究提出雨水花園可緩解西北地區(qū)城市普遍缺水的問(wèn)題。熊赟等[9]以深圳市某已建公共建筑為例，選用綠色屋頂、下沉式綠地、植被草溝、透水性鋪裝和雨水桶5種LID措施，分析評(píng)價(jià)了單項(xiàng)及其組合對(duì)雨水徑流削減的效果。張亮[10]重點(diǎn)分析了濕陷性黃土、干旱地區(qū)等的海綿城市建設(shè)方式，并以西咸新區(qū)為例提出解決措施和方案。任博[2]指出鐵路車站雨水排放和資源最佳化利用的重要性，并指出低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)在鐵路車站建設(shè)中的應(yīng)用前景。陳言菲等[11]對(duì)比分析了海綿城市改造措施(增加透水地面面價(jià))和傳統(tǒng)改造措施(增大雨水管道，增設(shè)泵站，雨水池)兩種優(yōu)化方案對(duì)雨水控制效果。Li Qian等[1]運(yùn)用AHP方法來(lái)定量評(píng)估LID實(shí)踐的環(huán)境，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。Fanhua Kong等[12]基于雨水管理模型(SWMM)探索了雨水徑流特征對(duì)城市規(guī)模的四種不同土地利用轉(zhuǎn)換情景的水文響應(yīng)?，F(xiàn)有研究多集中于城市化發(fā)展成熟的城市區(qū)域和居民區(qū)，鮮有針對(duì)鐵路車站工程可持續(xù)雨洪管理的研究。

因此，本文以蘭州市西客站為例，運(yùn)用SWMM模型模擬分析在不同降雨重現(xiàn)期下不同LID措施情景方案的水文過(guò)程。通過(guò)對(duì)西客站車站片區(qū)不同LID措施方案的優(yōu)選，以期為鐵路車站工程可持續(xù)雨洪管理提供新方法、新思路。

1 SWMM模型建立

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市西客站位于中國(guó)西北地區(qū)甘肅省蘭州市，處于半干旱氣候區(qū)，多年平均降水315.1 mm。總建筑面積2.60×105m2，其中站房工程面積為1.02×105m2。開(kāi)發(fā)前研究區(qū)主要是耕地，部分零散住宅及道路組成，不透水率為24%；開(kāi)發(fā)后主要由停車場(chǎng)、道路、建筑屋面及景觀廣場(chǎng)組成，不透水率達(dá)到86%；透水區(qū)域主要是景觀綠地，僅為14%。

1.2 研究區(qū)概化

根據(jù)設(shè)計(jì)院等相關(guān)單位提供的高程、土地利用類型、排水管網(wǎng)等資料構(gòu)建SWMM模型。先將所收集的管網(wǎng)數(shù)據(jù)在AutoCAD中進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用HS-Data插件提取排水管網(wǎng)中的雨水井、管段信息。其中雨水井概化為節(jié)點(diǎn)，管段概化為線段，調(diào)整各管段水流方向并確定出水口。然后利用HS-Data中的泰森多邊形法自動(dòng)生成子匯水區(qū)域。最終，研究區(qū)概化為254個(gè)子匯水區(qū)(S1-S254)，253個(gè)雨水井(J1-J259)，252條管段(C1-C252)及4個(gè)排放口(Out1-Out4)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 蘭州市西客站排水管網(wǎng)概化圖

1.3 模型參數(shù)選擇與優(yōu)化驗(yàn)證

SWMM模型的參數(shù)包括實(shí)測(cè)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。本研究區(qū)域中實(shí)測(cè)參數(shù)如匯水區(qū)面積、平均坡度、不透水面積比、管徑及管道的長(zhǎng)度等，可通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、規(guī)劃圖紙等資料獲得。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)如地表洼蓄量、透水和不透水曼寧系數(shù)等，很難進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，但在模型的運(yùn)行過(guò)程中又必不可少，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的初值主要參考SWMM模型手冊(cè)的推薦值及相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]，再通過(guò)率定和檢驗(yàn)獲取適合本研究區(qū)實(shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。降雨入滲過(guò)程采用適合城市區(qū)域的霍頓方程(Horton)進(jìn)行模擬。地表產(chǎn)流模型分為有洼蓄量的不透水地表、無(wú)洼蓄量的不透水地表和透水地表3部分，分別進(jìn)行計(jì)算。地表匯流計(jì)算采用非線性水庫(kù)模型，模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動(dòng)力波模型，主要參數(shù)取值如表1所示。

為驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果的穩(wěn)定性，選定兩場(chǎng)實(shí)際降雨(20170623和20170711)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，將研究區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)流量過(guò)程和 SWMM 模型的模擬流量過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)《水文水情預(yù)報(bào)規(guī)范》(GBT 22482-2008)[16]要求，采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)和平均流量誤差eR來(lái)評(píng)估模型模擬的精度。

圖2為2017年6月23日和2017年7月11日兩場(chǎng)降雨的徑流量監(jiān)測(cè)值和模擬值。經(jīng)計(jì)算兩場(chǎng)降雨模擬結(jié)果的納什效率系數(shù)RNS分別為0.86，0.90，均在0.8以上；且平均流量誤差eR分別為12.6%，10.9%，均在15%以內(nèi)，故說(shuō)明該SWMM模型在研究區(qū)域內(nèi)的模擬效果較好，可信度高。

表1 SWMM模型主要參數(shù)取值

圖2 SWMM模型參數(shù)率定與驗(yàn)證模擬結(jié)果

1.4 設(shè)計(jì)降雨

依據(jù)2014年最新的蘭州市暴雨強(qiáng)度公式[17]求取蘭州市的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，降雨歷時(shí)為2 h，降雨重現(xiàn)期分別為2，5，10，20 a，由于缺乏當(dāng)?shù)亟涤杲y(tǒng)計(jì)資料，根據(jù)相關(guān)資料推薦該系數(shù)取值一般為0.3～0.5，本研究雨峰系數(shù)r選用經(jīng)驗(yàn)值0.4[14、18]，采用芝加哥降雨模型[19-20]擬合生成2 h降雨過(guò)程線，蘭州市降雨強(qiáng)度如式(1)，不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度過(guò)程如圖3所示。

(1)

式中：q為平均降雨強(qiáng)度(mm·min-1)；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(shí)(min)。

從圖3可看出，雨峰出現(xiàn)在大約45～55 min之間，最大降雨強(qiáng)度分別為1.161 5，1.600 6，1.932 7，2.264 8 mm/min。

圖3 蘭州市設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線

1.5 LID措施布設(shè)

考慮到蘭州西客站車站區(qū)域的土地利用類型主要有屋頂、停車場(chǎng)、不透水道路、硬化廣場(chǎng)、普通綠地等。根據(jù)實(shí)際情況，本文選取透水鋪裝、生物滯留池、綠色屋頂這3種典型LID措施，基于SWMM模型共設(shè)置5種不同LID用地布局情景，方案A為傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，無(wú)LID措施，作為對(duì)照組，其中不透水面積約占86%；方案B為單一綠色屋頂措施，主要布設(shè)在站房屋頂、商業(yè)樓的樓頂，不透水面積約占53.98%；方案C為單一透水鋪裝措施，主要布設(shè)在非承重道路、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)等，不透水面積約占32.00%；方案D單一生物滯留池措施，主要布設(shè)在花園、綠化草坪中，不透水面積約占46.82%；方案E為綠色屋頂+透水鋪裝+生物滯留池組合措施，不透水面積約占12%，各LID措施設(shè)置參數(shù)及比例與方案B—D一致，以便于分析比較各方案對(duì)研究區(qū)雨水徑流控制的效果。不同LID措施的參數(shù)設(shè)置主要參考《SWMM模型LID參數(shù)設(shè)置方法》及國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者給定的參考值[21-22]，具體LID參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 蘭州市西客站LID措施主要參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 徑流曲線變化特征

圖4分別為不同降雨重現(xiàn)期下，方案A—E對(duì)降雨徑流的控制效果曲線，由圖4可知：①通過(guò)分析不同降雨重現(xiàn)期下的降雨徑流過(guò)程，徑流變化規(guī)律與降雨變化規(guī)律一致，徑流峰值滯后于降雨峰值，滯后時(shí)間為10 min左右，符合降雨產(chǎn)流規(guī)律；②傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下初始產(chǎn)流時(shí)間最早，且徑流量最大，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明傳統(tǒng)鐵路車站片區(qū)的建設(shè)使土地下墊面大規(guī)模硬化，不透水表面增加，雨水無(wú)法及時(shí)下滲，從而極大地縮短了地表產(chǎn)流時(shí)間，且產(chǎn)生較大的徑流，增加了下游排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。方案B，C，D下初始產(chǎn)流時(shí)間滯后效果不太明顯，說(shuō)明單獨(dú)布設(shè)選用的LID措施對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的滯后作用不大，這一現(xiàn)象與王靜等[6]得出的結(jié)論一致；③與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式相比，各方案均能在一定程度上削減洪峰流量和延后峰現(xiàn)時(shí)間，這是由于滲透鋪裝、雨水花園和綠色屋頂?shù)萀ID措施在一定程度上提高研究區(qū)的滲水、滯水、蓄水能力。在同一降雨重現(xiàn)期下，削減和滯后洪峰的效果依次為組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)。由結(jié)果可知：組合方案的效果最好，在4種降雨情形下，洪峰流量分別削減了0.583，0.919，1.279，1.465 m3，徑流峰現(xiàn)時(shí)間較降雨峰值分別推遲了12，9，8，7 min。單獨(dú)布設(shè)時(shí)，生物滯留池削峰減排的效果優(yōu)于透水鋪裝和綠色屋頂，這是因?yàn)樯餃舫赜休^厚的種植土壤層和蓄水層，可以很好的下滲和儲(chǔ)蓄雨水，從而能有效推遲突發(fā)暴雨的峰現(xiàn)時(shí)間，削減洪峰流量；而模型設(shè)置中透水鋪裝和綠色屋頂?shù)男钏莘e都不及生物滯留池，故效果不理想(表3)。

2.2 徑流總量分析

圖5為不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案的4個(gè)出水口斷面徑流過(guò)程模擬結(jié)果。

由圖5可知：① 與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式相比，各方案均能在一定程度上降低徑流系數(shù)、削減徑流總量，這體現(xiàn)了以LID技術(shù)為核心的海綿城市化改造可以改善研究區(qū)的吸水能力。傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案產(chǎn)生的徑流總量最大，分別達(dá)到4.237，5.666，6.987，8.993 m3(見(jiàn)表3)。組合LID方案削減徑流總量效果最佳，相比于傳統(tǒng)模式分別削減徑流總量41.7%，35.9%，35.3%，35.1%，透水鋪裝和生物滯留池的效果次之，綠色屋頂效果最差；②隨著降雨強(qiáng)度的增大，各LID措施對(duì)徑流總量的削減率均逐步減小(見(jiàn)圖5a)，主要是因?yàn)橥杆佈b、生物滯留池、綠色屋頂均是憑借一定的蓄水空間滯留雨水徑流、增加下滲、延緩匯流時(shí)間，當(dāng)儲(chǔ)蓄空間逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，削減能力也相應(yīng)減小。這也證明LID措施用于控制歷時(shí)短，強(qiáng)度不大的降雨效果較為明顯，而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)降雨控制有限；③同一降雨重現(xiàn)期，5種方案對(duì)徑流總量的削減效果依次是：組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)；而對(duì)綜合徑流系數(shù)的削減比例依次是：組合方案>透水鋪裝>生物滯留池>綠色屋頂>傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)布設(shè)時(shí)，生物滯留池削減徑流總量效果優(yōu)于透水鋪裝，與削減洪峰值效果一致，主要是由于生物滯留池利用低洼空間貯存雨水，類似于小型雨水桶，達(dá)到減少?gòu)搅魍馀?、削減洪峰流量的作用。而透水鋪裝對(duì)徑流系數(shù)的削減優(yōu)于生物滯留池，則是因?yàn)橥杆佈b布置較為分散，更能延緩匯流過(guò)程，增加下滲；④為比較分析同等面積比例的5種LID方案對(duì)徑流總量、徑流峰值、徑流系數(shù)的消減效果，進(jìn)一步計(jì)算單位布設(shè)面積的徑流總量、徑流峰值、徑流系數(shù)的削減比例(見(jiàn)表4)?？梢缘贸?，單位面積比例下，生物滯留池措施的徑流總量、徑流峰值和徑流系數(shù)削減量最高；滲透鋪裝和LID組合方案次之，綠色屋頂效果最小。

圖4 蘭州市西客站不同雨頻下各方案出口流量模擬結(jié)果

圖5 蘭州市西客站不同降雨重現(xiàn)期下各LID方案對(duì)徑流過(guò)程的影響

表3 蘭州市西客站不同降雨重現(xiàn)期下各方案徑流總量及洪峰模擬結(jié)果

方案徑流總量/103 m3P=2 aP=5 aP=10 aP=20 a徑流峰值/(m3·s-1)P=2 aP=5 aP=10 aP=20 a徑流系數(shù)P=2 aP=5 aP=10 aP=20 aA4.2375.3266.1298.9930.7221.1301.1301.7870.8370.8790.8930.911B3.9205.6666.9878.3090.6280.9741.2461.4390.7750.8120.8300.842C3.1994.6375.7276.8390.4410.6790.8651.0550.6190.6590.6780.683D3.1354.5955.7126.6820.3200.4990.6450.8040.6320.6650.6800.691E2.4723.6314.5195.4160.1390.2110.2660.3220.4880.5210.5370.549

注：A，B，C，D，E方案的具體措施詳見(jiàn)正文1.5LID措施布市； P為降雨重現(xiàn)期。下同。

表4 蘭州市西客站不同降雨重現(xiàn)期下各LID單位布設(shè)面積的徑流控制結(jié)果

2.3 溢水節(jié)點(diǎn)

表5為分析比較不同重現(xiàn)期降雨下、不同方案設(shè)置下研究區(qū)溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)量、溢流時(shí)長(zhǎng)以及溢流容積變化規(guī)律。

表5 蘭州市西客站積水情況

當(dāng)節(jié)點(diǎn)水位超出檢查井最大深度時(shí)發(fā)生溢流現(xiàn)象造成地面積水。溢流時(shí)間和溢流容積增大也會(huì)帶來(lái)積水面積增加，從而引發(fā)車站片區(qū)內(nèi)澇。故選取溢流節(jié)點(diǎn)、溢流時(shí)間、總溢流容積3個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，由表3可知：①與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式相比，4種LID方案均能減少溢水節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、總溢流量、溢流時(shí)間。② 隨著降雨重現(xiàn)期的增加溢流節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，溢流時(shí)間也在增長(zhǎng)，這會(huì)帶來(lái)積水面積的增加，很有可能造成車站片區(qū)局部?jī)?nèi)澇。除了LID組合方案效果顯著外，單獨(dú)布設(shè)方案效果一般，表明組合方案能較好的緩解研究區(qū)內(nèi)澇問(wèn)題。③ 在同一降雨重現(xiàn)期下，5種方案對(duì)積水的削減效果依次為組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)，與LID措施對(duì)洪峰流量的削減效果一致。

3 結(jié) 論

(1) 本文建立的模型在鐵路車站片區(qū)內(nèi)具有良好的適用性，模擬結(jié)果可信性較高。

(2) 徑流曲線與降雨過(guò)程線的形狀相似；傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下初始產(chǎn)流時(shí)間最早且徑流持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，其阻礙了研究區(qū)的雨水下滲，增加了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 不同LID方案均能有效削減徑流總量、洪峰流量、溢水量及延后峰現(xiàn)時(shí)間，從而可以減小市政排水管網(wǎng)的排水壓力。其中組合LID方案效果最佳，對(duì)洪峰流量和徑流總量削減率高達(dá)75.9%和41.6%。

(4) 單獨(dú)布設(shè)時(shí)，生物滯留池在削減徑流總量和徑流峰值上有更好的效果，透水鋪裝在削減徑流系數(shù)上有更好的效果，綠色屋頂?shù)挠旰榭刂菩Ч话?。由于LID措施自身滯水、蓄水能力有限，在低重現(xiàn)期降雨時(shí)，對(duì)研究區(qū)雨洪控制效果更顯著。