大理市居住區(qū)集雨型綠地模型的構(gòu)建研究

高境 楊茗琪

摘要 選取大理市下關(guān)地區(qū)的7個山地居住區(qū)作為研究對象，通過SWMM構(gòu)建雨洪控制模型及模擬雨水徑流，對各類子匯水區(qū)徑流量、下滲量、徑流系數(shù)，山地居住區(qū)影響因素進行分析。結(jié)果表明：在山地居住區(qū)建設(shè)中，提高綠地率可大幅減少地表徑流，將地形坡度控制在10.51%以下，設(shè)置階梯式的接地形式，實現(xiàn)層級式雨水徑流處理，能有效緩解徑流流速和集中徑流量;在集雨型設(shè)施構(gòu)建中，下沉式綠地和生物滯留設(shè)施的控制指標相對穩(wěn)定，綠色屋頂因居住區(qū)建筑類型的不同差異較大。

關(guān)鍵詞 海綿城市;集雨型綠地;山地居住區(qū);SWMM模型;大理市

中圖分類號 TU984 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）19-0227-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.059

Abstract In this study， seven mountainous residential areas in Xiaguan area of Dali City were selected as research objects to construct rainwater control model and ?simulate rainwater runoff by using SWMM. Runoff， infiltration， runoff coefficient， and influencing factors of mountainous residential areas in various subcatchments were analyzed. The results showed that in the construction of residential areas， the surfaces outflow could be greatly reduced and by increasing the greenspace rate. In mountainous residential areas， when the ground slope was controlled below 10.51%. Setting a stepped grounding form was a treatment of dealing with the layered rainwater outflow， which could effectively alleviate the runningoff velocity and concentrated runoff. In the construction of the raincollecting facilities， the control indicators of sunken green spaces and biological detention facilities were relatively stable， and the green roofs varied greatly due to the different types of buildings in the residential areas.

Key words Sponge city;Raincollecting green space;Mountainous residential areas;SWMM model;Dali City

基金項目 云南省科技計劃項目（2017FD105）。

作者簡介 高境（1993—），男，云南宣威人，城鄉(xiāng)規(guī)劃師，碩士，從事城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃研究。*通信作者，講師，碩士，從事城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃研究。

收稿日期 2020-03-17;修回日期 2020-04-15

城市化問題引發(fā)的洪澇災(zāi)害、城市雨洪已成為亟需解決的問題?；谖覈＞d城市理念以及城市雨洪現(xiàn)狀開展集雨型綠地的研究和建設(shè)，是提升人居環(huán)境的重要措施，對于解決我國綜合城市雨洪問題具有重要意義[1-4]。

集雨型綠地建設(shè)的研究主要集中在北京、遷安等平原地區(qū)[5]，諸多學者[6-9]提出了居住區(qū)雨洪設(shè)施的研究，主要包括雨水花園的設(shè)計方法、植物配置等，綠色屋頂、下凹式綠地、透水鋪裝等設(shè)施的單體設(shè)計和組合模式。未涉及山地城市集雨型綠地的研究以及居住區(qū)集雨型綠地的定量分析。在眾多模型中，暴雨管理模型（storm water management model，簡稱 SWMM）是目前應(yīng)用最成熟的模型[10]，且在小流域中具有良好的模擬精度與適用性[11-13]。筆者以大理市居住區(qū)為研究對象，針對山地居住區(qū)的綠地結(jié)構(gòu)和特點，運用SWMM建立雨洪控制模型并模擬雨水徑流，通過對山地居住區(qū)雨水徑流的總結(jié)分析、集雨型設(shè)施的配比研究，以期為山地居住區(qū)集雨型綠地的建設(shè)提供指導(dǎo)，并為山地居住區(qū)的雨洪控制提供指導(dǎo)。

1 研究樣本概況與分析

1.1 研究樣本篩選

以《大理市城市綠地現(xiàn)狀調(diào)查報告》（2018年3月）確定的大理市建成區(qū)為研究區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)362個居住區(qū)的占地面積、綠地面積、綠地率、地形、居住區(qū)分級等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計篩選，條件相似的居住區(qū)選取其一，最終得到7個能代表大理市居住區(qū)類型、地形特征的研究樣本，詳見表1。

1.2 現(xiàn)狀集雨型設(shè)施概況

各居住區(qū)建筑屋頂都未進行綠色屋頂?shù)慕ㄔO(shè)，降雨經(jīng)屋頂直接流入周邊綠地或通過排水管道流入綠地;水體是居住區(qū)內(nèi)較好的集雨型設(shè)施，可作為雨水花園使用;部分綠地為下沉式綠地，對居住區(qū)內(nèi)的雨水徑流有一定的集蓄量;排水明溝主要分布于道路兩側(cè)，但面積較少?，F(xiàn)狀應(yīng)用的集雨型設(shè)施為雨水花園、下沉式綠地和排水明溝等，詳見表2。

1.3 研究區(qū)域管控目標

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[14]中對年徑流總量控制率提出統(tǒng)一的要求，研究區(qū)域的年徑流總量控制率在Ⅱ區(qū)（80%≤α≤85%）。由于缺乏大理市年徑流總量控制率的設(shè)計降雨值，所以參考地理位置與氣候條件鄰近地昆明市的設(shè)計降雨值作為研究依據(jù)，在年徑流控制率在80%和85%的設(shè)計降雨值分別為22.0和26.8 mm。

2 研究方法

對研究區(qū)域進行現(xiàn)狀調(diào)查，通過對比分析各居住區(qū)的面積、綠地率、地形特征、建筑類型和居住區(qū)分級等。利用ArcGIS進行高程和坡度分析，篩選出能夠代表大理市山地特征的居住區(qū)樣本，并進行現(xiàn)狀分析;劃定居住區(qū)研究樣本的建筑、道路、綠地、水體等研究要素并進行分析;對研究樣本進行子匯水區(qū)概化、參數(shù)設(shè)定、暴雨情景設(shè)計以及集雨型設(shè)施參數(shù)設(shè)置;通過SWMM對研究樣本進行現(xiàn)狀條件下的暴雨情景設(shè)計;最后，構(gòu)建集雨型設(shè)施模型，從而得到集雨型設(shè)施的控制參數(shù)配比。

3 SWMM模型構(gòu)建及評估

3.1 高程及坡度分析

通過ArcGIS建立數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）和數(shù)字坡度模型（digital slope mode，DSM）得到大理市下關(guān)地區(qū)的高程圖和坡度圖，各研究樣本的高程和坡度情況見表3。由表3可知，高程為1 967～2 076 m，坡度為0～21°，經(jīng)換算得到坡度為0～38.39%，具有典型的山地居住區(qū)特征。

3.2 下墊面數(shù)據(jù)及分析

通過對照大理市城市地形圖及現(xiàn)狀調(diào)研，在ArcGIS軟件中繪制研究區(qū)的下墊面，將研究區(qū)下墊面分為綠地、水體、建筑和道路四大類，其中綠地按照《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計標準》（GB 50180—2018）[15]的居住區(qū)綠地分類方法，分為集中綠地和宅旁綠地。對研究樣本下墊面劃分，匯總計算得到各居住區(qū)的下墊面數(shù)據(jù)見表4。

3.3 SWMM模型構(gòu)建 針對樣本的集雨型綠地研究是通過SWMM模型軟件建立集雨型綠地模型，主要研究在降雨模擬過程中場地內(nèi)各子匯水區(qū)的地表產(chǎn)流和下滲情況，并對研究樣本進行開發(fā)前和開發(fā)后的數(shù)據(jù)對比和分析。

3.3.1 子匯水區(qū)概化及基本參數(shù)設(shè)定。

首先進行子匯水區(qū)概化及基本參數(shù)設(shè)定，子匯水區(qū)的劃分是按照雨水在場地內(nèi)的實際匯流情況，將地表徑流就近地合理地分配到各類綠地和雨水管網(wǎng)的集水口中，使綠地和排水管網(wǎng)的入流量分配符合實際情況。研究樣本內(nèi)的不透水面和透水面被劃分為不同子匯水區(qū)，形成有層次、有梯度的匯水設(shè)計，建筑屋頂、道路等不透水面為第一層級子匯水區(qū)，形成雨水徑流后流入綠地組成的第二層級子匯水區(qū)。

子匯水區(qū)類型、面積、坡度、不透水率經(jīng)過實際測量得出，其他數(shù)據(jù)根據(jù)模型手冊設(shè)計參數(shù)，包括曼寧粗糙系數(shù)在不透水區(qū)和透水區(qū)為0.015和0.05、地表洼蓄量參數(shù)在不透水區(qū)和透水區(qū)為2.50和6.25 mm、土壤滲透系數(shù)在不透水區(qū)和透水區(qū)為90和15 mm/h，衰減常數(shù)為4.14 h-1。土壤滲透系數(shù)由土壤類型決定，居住區(qū)內(nèi)的土壤類型主要為紅壤、高山草甸土、棕色針葉林土、黃棕壤等，根據(jù)SWMM模型手冊的土壤分類屬于B類型，即當整個濕潤時土壤具有中等下滲速率;主要包含中等深度到深度、中等良好到良好排水的土壤，具有中等粒度到中等粗糙組織。

3.3.2 暴雨情景設(shè)計。

降雨數(shù)據(jù)是模型創(chuàng)建重要的數(shù)據(jù)，此次研究的降雨數(shù)據(jù)根據(jù)中國市政工程西南設(shè)計院采用數(shù)理統(tǒng)計法編制的大理市下關(guān)地區(qū)的暴雨強度公式進行計算，并通過芝加哥雨型模擬降雨過程，得到降雨平均降雨強度和總降雨量在0.5 a降雨重現(xiàn)期下分別為9.349 mm/h和18.698 mm，1 a下分別為13.582 mm/h和27.164 mm，3 a下分別為20.284 mm/h和40.568 mm，5 a下分別為23.403 mm/h和46.806 mm，10 a下分別為27.633 mm/h和55.266 mm。

3.3.3 集雨型設(shè)施參數(shù)設(shè)置。

此次在居住區(qū)集雨型綠地研究中，以居住區(qū)內(nèi)年徑流總量的控制為目標，根據(jù)居住區(qū)現(xiàn)狀情況選擇下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂3類集雨型設(shè)施，參考SWMM模型手冊中提供的各參數(shù)的建議值以及查閱相關(guān)文獻，確定此次研究中的集雨型設(shè)施不同單元層的各項參數(shù)，具體見表5。

3.3.4 模型構(gòu)建。

下墊面、子匯水區(qū)概化、SWMM模塊參數(shù)、暴雨情景設(shè)計集雨型設(shè)施參數(shù)設(shè)置等模型準備工作完成后，在SWMM軟件中對研究區(qū)域進行模型構(gòu)建（圖1），構(gòu)建好的模型如圖1所示，總計107個匯水區(qū)、11個排放口，并分別進行現(xiàn)狀和集雨型設(shè)施開發(fā)模型的模擬。

3.4 現(xiàn)狀條件下情景模擬分析 對7個居住區(qū)的總徑流進行整理分析，列出各個居住區(qū)在現(xiàn)狀條件下不同重現(xiàn)期的雨水徑流模型中數(shù)據(jù)，包括總降雨量、總徑流量、總蒸發(fā)量、總下滲量、最終地表蓄水，經(jīng)過計算得到了不同重現(xiàn)期（0.5 a、1 a、3 a、5 a、10 a）下的年徑流控制率。

參考昆明年徑流控制率在85%的設(shè)計降雨量為26.8 mm，選取對應(yīng)的降雨重現(xiàn)期為1 a進行對比（表6）。對7個樣本的總徑流整理分析（圖2），對場地內(nèi)影響地表徑流的綠地率、坡度、下墊面等因素進行評價分析，得到綠地率對場地內(nèi)的雨水徑流影響最大，增加居住區(qū)綠地能夠有效提高居住區(qū)內(nèi)雨水徑流的集蓄和消納能力;各樣本的坡度評價分析，在10.51%以下的坡度范圍內(nèi)坡度對雨水徑流產(chǎn)生的影響較小，但隨著坡度的增大，雨水徑流增大;對于下墊面的評價分析，下墊面中道路和建筑的面積決定了居住區(qū)內(nèi)的不透水面積，隨著不透水面積的增大，雨水無法下滲，徑流量增大。

3.5 集雨型設(shè)施效果評估

在研究樣本中，運用SWMM研究下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂3種較適于居住區(qū)的集雨型設(shè)施對于大理市居住區(qū)年徑流量的控制效果，構(gòu)建集雨型綠地模型，為突出居住區(qū)中集雨型設(shè)施控制特點，在設(shè)計方案中將下沉式綠地和生物滯留設(shè)施控制在相對穩(wěn)定的指標范圍內(nèi)，反復(fù)調(diào)整，直至模型模擬結(jié)果達到控制目標值，最終得到了研究區(qū)域各居住區(qū)集雨型設(shè)施控制指標：下沉式綠地的占比為16.31%～19.53%，生物滯留設(shè)施的占比為8.22%～9.85%，綠色屋頂?shù)恼急葹?5.40%～32.61%。從控制指標可以看出，在居住區(qū)內(nèi)集雨型設(shè)施所占的比例從大到小依次為綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施（表7）。

4 結(jié)論

（1）在居住區(qū)建設(shè)中，控制徑流影響因子，提升綠地建設(shè)，提高綠地率，合理利用若干子匯水區(qū)的雨洪利用和滯留滲透，可大幅度減少外排流量。在山地居住區(qū)中，將地形坡度控制在10.51%以下，設(shè)置階梯式的接地形式，將建筑層層升高，隨地形的起伏形成階梯狀布局形式，這種形式豐富了居住區(qū)內(nèi)的空間組織，對雨水徑流分散處理，有效緩解徑流流速和集中徑流量，實現(xiàn)層級式雨水徑流處理，景觀形式也更加豐富。

（2）研究區(qū)域各居住區(qū)集雨型設(shè)施控制指標如下：下沉式綠地的占比為16.31%～19.53%，生物滯留設(shè)施的占比為8.22%～9.85%，綠色屋頂?shù)恼急葹?5.40%～32.61%。由于建筑類型的不同，綠色屋頂?shù)呐浔炔罹噍^大，在平屋頂?shù)慕ㄖ芯G色屋頂考慮承重、防水等因素后可以有效實現(xiàn)，但在坡屋頂建筑中綠色屋頂建設(shè)難度較大，這類居住區(qū)中綠色屋頂建設(shè)難以實現(xiàn)，盡可能通過綠地建設(shè)或管網(wǎng)擴徑來提高徑流控制能力。

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