“低影響開(kāi)發(fā)”對(duì)暴雨徑流影響模擬分析：以三亞某海綿小區(qū)為例

■ 朱梅 何君濤 黎江少 馮志挺 高芳嘉 方勉

以三亞市某采用低影響開(kāi)發(fā)（LID）建設(shè)的小區(qū)為研究對(duì)象，采用暴雨洪水管理模型（SWMM）模擬了研究區(qū)域在開(kāi)發(fā)建設(shè)前、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和采用低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施3種不同場(chǎng)景下，面對(duì)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨條件下的徑流過(guò)程，結(jié)果表明，采用LID措施后，不同重現(xiàn)期下的徑流量及高峰徑流值較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)均有所減小，但是隨著重現(xiàn)期的增加，徑流削減率和高峰徑流削減率均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

城市化的快速發(fā)展造成下墊面性質(zhì)的改變，硬質(zhì)化路面面積的增加和不透水面積的增加成為影響城市水文過(guò)程的重要因素，同時(shí)也使城市在遭受暴雨襲擊時(shí)，易出現(xiàn)“徑流大、洪峰早、峰值高”的特點(diǎn)，加之我國(guó)城市排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，當(dāng)雨水流量超過(guò)城市排水系統(tǒng)的排水能力時(shí)，就出現(xiàn)了城市“看?！钡木骄?，嚴(yán)重影響人民的生活和生產(chǎn)正常運(yùn)行。

國(guó)外對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的探索研究始于20世紀(jì)60年代，如澳大利亞的“水敏感性城市設(shè)計(jì)”、美國(guó)的“低影響開(kāi)發(fā)”雨水綜合利用、日本的“雨水貯留滲透計(jì)劃”等。我國(guó)在總結(jié)國(guó)外城市雨洪管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)基本國(guó)情提出了一種可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)理念——海綿城市，通過(guò)運(yùn)用滲、滯、蓄、凈、用、排等工程和非工程措施，提高城市對(duì)雨水徑流的下滲、滯蓄、凈化、利用和排放能力，實(shí)現(xiàn)城市水文系統(tǒng)的良性循環(huán)，維持或恢復(fù)城市的海綿功能。

本文選取三亞市某海綿小區(qū)為研究對(duì)象，利用暴雨洪水管理模型（SWMM）研究該小區(qū)在開(kāi)發(fā)建設(shè)前、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)、采用低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施三種情景，設(shè)計(jì)不同暴雨條件下對(duì)城市雨洪的控制效果，以期為三亞海綿城市建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

2016年，三亞市入選第二批全國(guó)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市，這與三亞市打造全國(guó)生態(tài)文明示范城市相輔相成，也為保護(hù)三亞市綠水青山、生態(tài)環(huán)境助力。三亞市屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均降雨量1392.2 mm，降雨主要集中在5—10月，占全年降雨量90%。6—11月受熱帶氣旋影響較多，易出現(xiàn)強(qiáng)降水并造成城市內(nèi)澇。研究區(qū)是三亞市海綿城市試點(diǎn)區(qū)域，位于三亞市中心城區(qū)，具有較好的代表性。該新建小區(qū)總用地面積為39811.5 m2，圖1為該小區(qū)平面圖。

圖1 研究區(qū)平面圖

1.2 研究方法

SWMM是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）于20世紀(jì)70年代為解決日益嚴(yán)重的城市非點(diǎn)源污染而推出的城市暴雨水量水質(zhì)預(yù)測(cè)和管理模型，SWMM是一個(gè)基于水動(dòng)力學(xué)的降雨-徑流模擬模型，主要用于城市區(qū)域內(nèi)單一或長(zhǎng)期降雨序列的徑流水量和水質(zhì)的模擬，后續(xù)經(jīng)過(guò)不斷地更新完善，SWMM如今可以通過(guò)對(duì)不同LID設(shè)施進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流流量、徑流峰值及水質(zhì)影響的研究。目前，應(yīng)用SWMM進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施計(jì)算模擬已相當(dāng)廣泛。

2 模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概化

對(duì)研究區(qū)域模型概化時(shí)，可分三個(gè)步驟進(jìn)行：確定研究區(qū)域范圍、排水管網(wǎng)概化和子匯水區(qū)劃分。根據(jù)這一方法，結(jié)合研究區(qū)域紅線、地形及室外排水官網(wǎng)圖，綜合考慮屋面、綠地、室外硬質(zhì)路面等下墊面的徑流特征后將研究區(qū)概化為242個(gè)匯水子區(qū)域，45個(gè)節(jié)點(diǎn)，45個(gè)管段和5個(gè)排放口（圖2）。

圖2 研究區(qū)概化圖

2.2 LID設(shè)施布設(shè)

SWMM5.1模型中LID模塊提供了滲透鋪裝、生物滯留設(shè)施、滲透渠、雨水罐、雨水花園、綠色屋頂、植草溝等七種不同的雨水處理技術(shù)。本文根據(jù)低影響開(kāi)發(fā)盡量減少不透水表面積的原則，結(jié)合研究區(qū)域土壤特性、坡度、匯水面積等特征，并參考各LID設(shè)施的適用范圍，最終確定的LID設(shè)施為：生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車(chē)場(chǎng)和植草格。各低影響設(shè)施規(guī)模如表1所示。各低影響設(shè)施布局如圖3所示。

表1 各LID設(shè)施規(guī)模

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

基于SWMM模型，對(duì)模型中基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中入滲模型、產(chǎn)流模型、匯流模型、水力模型等相關(guān)設(shè)定見(jiàn)表2。

低影響相關(guān)參數(shù)如匯水區(qū)的面積、坡度、滲透性N值、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水、無(wú)洼地蓄水等參數(shù)來(lái)源于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)資料，其他參數(shù)借鑒SWMM用戶手冊(cè)。

2.4 設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線

不同雨型（即不同降雨強(qiáng)度過(guò)程）對(duì)地面徑流過(guò)程有重要影響。目前，常用的計(jì)算雨型的方法有芝加哥雨型、Huff雨型、Pilgrim & Cordery雨型和三角雨型等。其中，應(yīng)用芝加哥雨型在城市雨水徑流模擬中取得的效果較好，因此本文采用芝加哥雨型法對(duì)三亞市短歷時(shí)暴雨雨型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

模擬需要的降雨數(shù)據(jù)根據(jù)芝加哥雨型方法，結(jié)合三亞市暴雨強(qiáng)度公式得到不同重現(xiàn)期的芝加哥雨量過(guò)程線。本研究中取降雨重現(xiàn)期（P）選擇1、3、5、10 a，降雨歷時(shí)選擇1 h，雨峰系數(shù)選擇0.4，降雨時(shí)間間隔選擇1 min，得到芝加哥降雨過(guò)程線（圖4）。

圖4 不同重現(xiàn)期下芝加哥雨型降雨過(guò)程線

3 結(jié)果

本研究分三種情景方案進(jìn)行模擬分析，分別是開(kāi)發(fā)前、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和采用LID設(shè)施。開(kāi)發(fā)前的方案是將研究區(qū)的下墊面類(lèi)型設(shè)定為綠地，模擬其在開(kāi)發(fā)前的原始水文過(guò)程。傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案是研究區(qū)域未采取LID方案進(jìn)行建設(shè)、采用LID設(shè)施方案為按照預(yù)先設(shè)計(jì)的LID措施，在SWMM模型中布設(shè)生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車(chē)場(chǎng)和植草格等5種LID組合措施。

模擬過(guò)程采用動(dòng)力波進(jìn)行流量演算。模型參數(shù)主要包括匯水區(qū)、管段、節(jié)點(diǎn)以及低影響設(shè)施相關(guān)參數(shù)。匯水區(qū)的面積、坡度、不滲透性N值、滲透性N值、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水、無(wú)洼地蓄水、子面積演算等參數(shù)源于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)資料，具體取值見(jiàn)表2。產(chǎn)流計(jì)算過(guò)程選用Horton入滲模型。LID設(shè)施中的下凹式綠地、生物滯留帶的蓄水層深度分別設(shè)定為150、300 mm。

通過(guò)SWMM模擬發(fā)現(xiàn)，重現(xiàn)期為1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇不同降雨情況下（圖5），研究區(qū)域在開(kāi)發(fā)建設(shè)前的徑流量依次為303.71、630.13、833.00和1120.00 m3；而在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下，由于不透水面積的增加，降雨徑流的下滲隨之減小，徑流量分別增加至864.79、1262.60、1439.00和1679.96 m3，相對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)前分別增加了2.85、2.00、1.73和1.50倍；采用LID措施后徑流量分別是389.98、763.0、953.87和1200.01m3，相對(duì)于開(kāi)發(fā)前來(lái)說(shuō)，徑流量分別增加了28.40%、21.09%、14.51%和7.17%。相較于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)，徑流量分別降低了54.91%、39.57%、33.71%和28.56%，這表明隨著雨強(qiáng)的增加，LID設(shè)施的布設(shè)對(duì)徑流量的削減有所增加，但是徑流削減率卻不斷降低，這表明LID措施對(duì)雨洪的調(diào)蓄作用有限，其對(duì)重現(xiàn)期較低的暴雨雨洪控制作用更加明顯，而在高重現(xiàn)期暴雨條件下，LID設(shè)施對(duì)雨水的下滲、滯留達(dá)到飽和狀態(tài)后，溢流的雨水同樣會(huì)對(duì)排水管網(wǎng)帶來(lái)壓力。

圖5 不同重現(xiàn)期下徑流量

圖6所示為不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情況下，研究區(qū)域出流總量過(guò)程線，結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，重現(xiàn)期為1、3、5、10 a時(shí)，在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)條件下，峰值流量分別為577.74、943.15、1062.1、1194.66 L/s，采用LID設(shè)施后的峰值流量分別為175.3、412.93、597.19、824.43 L/s，峰值削減率分別為69.66%、56.22%、43.77%、31.00%，既隨著重現(xiàn)期的增加，峰值削減率逐漸減小。重現(xiàn)期為1、3、5、10 a時(shí)，傳統(tǒng)條件下流量峰值出現(xiàn)在27、27、27、26 min，采用LID措施后的流量峰值出現(xiàn)在45、37、34、32 min，較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)的峰值時(shí)間延遲了6～18 min。由此可見(jiàn)，研究區(qū)域在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)條件下，不透水硬化面積的增加，水文過(guò)程隨之改變，排放口的峰值流量迅速增加，從而增加了排放口排水壓力。采用LID設(shè)施后，暴雨前期的雨水通過(guò)LID設(shè)施下滲滯留，排放口的流量過(guò)程線峰值出現(xiàn)時(shí)間較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)明顯滯后，且流量峰值已經(jīng)明顯削弱。但是隨著重現(xiàn)期的增加，降雨量的增大，LID設(shè)施對(duì)峰值削減率降至31.00%，這與研究區(qū)域的產(chǎn)流量超過(guò)排水管網(wǎng)的排水能力有關(guān)。因此，在采取LID設(shè)施進(jìn)行雨洪控制的同時(shí)，對(duì)排水管網(wǎng)的優(yōu)化也是行之有效的方法之一。

圖6 不同重現(xiàn)期3種情景下總徑流過(guò)程線

表3 有無(wú)LID設(shè)施下的峰值流量削減效果

以上分析表明，生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車(chē)場(chǎng)和植草格這5種LID組合措施，不僅能依靠植物根系截留吸收一部分徑流，從而起到截留、儲(chǔ)蓄作用；還可以通過(guò)增大透水面積，從而增加下滲率、延長(zhǎng)徑流時(shí)間、增大徑流下滲量。 LID設(shè)施的布設(shè)有效降低了場(chǎng)地徑流量和徑流峰值量，從而使城市傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水壓力降低。尤其是在重現(xiàn)期較低的情況下，LID措施對(duì)城市雨洪的削減、滯留效果更加明顯。

深入閱讀

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