居住區(qū)低影響開發(fā)評價及優(yōu)化研究

劉曉云，姜 雨，丁曉輝，張碩新*

(1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.陜西師范大學 西北歷史環(huán)境與社會經濟發(fā)展研究院，陜西 西安 710119)

極端天氣和快速的城鎮(zhèn)化導致居住區(qū)水災害頻發(fā)，居住區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。居住區(qū)人口高度聚集，土地開發(fā)強度較大，極大地削弱了城市系統(tǒng)的自我調節(jié)能力[2]。為了解決居住區(qū)發(fā)展與水資源之間的矛盾，需要將低影響開發(fā)(low impact development，以下簡稱LID)引入到城市建設中，提升居住區(qū)應對極端天氣的能力[3-4]。低影響開發(fā)是指為了維持場地開發(fā)以前的水文特征，在開發(fā)過程中采用的源頭、分散式措施，使開發(fā)前后場地的徑流總量、峰現(xiàn)時間、峰值流量等水文特征保持不變的技術[5]。城市水文環(huán)境相比于自然流域環(huán)境更加復雜多變，難以進行精確的模擬與分析，因此需要應用城市雨洪模型對城市降雨特性進行研究[6-7]。在眾多雨洪模型中，SWMM(storm water management model)模型對城市管網區(qū)域模擬效果較好，在城市給排水規(guī)劃、城市低影響開發(fā)及海綿城市建設中應用相當廣泛[8]。SWMM是美國環(huán)保局為設計和管理城雨洪而開發(fā)的，主要用于模擬動態(tài)的降雨-徑流過程，能夠完整地模擬城市降雨徑流過程和污染物傳輸過程，主要用于處理城市區(qū)域徑流水文過程，包括時變降雨量、地表水蒸發(fā)、降雪累積與融化、洼地蓄水降雨截留、不飽和土壤的降雨下滲、利用各種類型的低影響開發(fā)措施捕獲和滯留的降雨徑流量[9]。

目前，有研究表明低影響開發(fā)改變居住區(qū)的峰值徑流量及年徑流量[10-16]，利用小規(guī)模、低能耗、可持續(xù)、與景觀設計以及土地開發(fā)利用相結合的措施，有效修復被傳統(tǒng)的雨洪排放系統(tǒng)破壞的水文機制，減少對天然水文循環(huán)干擾，實現(xiàn)城市功能完善和生態(tài)環(huán)境保護雙贏的效果，因此在城市雨洪管理中得到了廣泛應用[17]，相關研究成果中多利用SWMM模型對大尺度研究區(qū)進行單次或連續(xù)降雨模擬，對中小尺度地區(qū)研究的文獻較少，增加小尺度居住區(qū)低影響開發(fā)效果評估的研究極為必要[18]。因此，本研究以陜西省西咸新區(qū)空港花園B區(qū)為研究對象，采用模型模擬方法，基于研究區(qū)洪澇風險的基礎上，評估單獨和組合低影響開發(fā)應對極端降水事件的徑流調控能力，進而為降低研究區(qū)雨洪風險制定最優(yōu)低影響開發(fā)方案，為西北地區(qū)居住區(qū)低影響開發(fā)建設提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

陜西省西咸新區(qū)位于暖溫帶，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。由于大氣環(huán)流和所處地形的綜合作用，該區(qū)域夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。研究區(qū)位于渭河北側黃土塬上，所在地地勢平坦，北高南低，南北高差3.11 m，平均坡度9‰。該小區(qū)位于西安咸陽國際機場西側(圖1)，目前周邊除已建成的空港花園A區(qū)、C區(qū)、公共綠地以及空港花園商業(yè)中心外，均為農田。本研究調取了研究區(qū)附近的秦都區(qū)國家基本氣象站的降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)該站點1960-2014年日最大降雨量和1981-2010年月平均降雨量2組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知，該區(qū)域多年平均降水量約為520 mm，其中，近50%的全年降雨量集中在7-9月，并且夏季降水多為暴雨，極易帶來水土流失和洪澇等自然災害。

研究區(qū)域周邊內有公共設施、市政公用設施和綜合網交通設施(對外交通和道路廣場)用地，空港花園社區(qū)土地利用類型分為建筑屋面、綠地、道路、水系四類，由于水系的徑流量和徑流污染濃度的變化不在本研究范圍內，故模型中土地利用類型僅考慮建筑、綠地和道路三大類。該小區(qū)建成較早，小區(qū)內沒有任何低影響開發(fā)措施，因此空港花園社區(qū)B區(qū)具有典型性。

圖1 中國陜西省西咸新區(qū)空港花園社區(qū)區(qū)位

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

收集前期資料分析研究區(qū)易澇風險敏感點，對研究區(qū)域實地勘查，觀察場地降雨溢流積水情況，記錄降雨時徑流雨水流向，保證基礎數(shù)據(jù)準確性，為后續(xù)人工管網概化和匯水區(qū)劃分提供現(xiàn)實依據(jù)；根據(jù)西咸新區(qū)的水文資料確定模型，運用雨洪管理模型搭建模型，深入研究參數(shù)獲取方法與取值范圍，并率定校準，模擬不同重現(xiàn)期和低影響開發(fā)條件下的徑流過程，并運行得到結果。

2.2 研究數(shù)據(jù)

搭建研究區(qū)模型需要獲取支撐數(shù)據(jù)，包括2類主要數(shù)據(jù)：(1)研究區(qū)排水管網CAD文件，研究區(qū)遙感影像圖、建設用地圖、排水管網工程圖、給排水等設計資料、物探及勘察資料，SWMM模型水文、水力模塊中部分數(shù)據(jù)的初值來自研究區(qū)CAD圖紙，獲取研究區(qū)域管網數(shù)據(jù)信息(節(jié)點高程、管長、管徑、流向、坡度等屬性數(shù)據(jù))；查閱相關文獻和SWMM模型操作手冊[19-20]，再通過率定模型參數(shù)，獲得符合本研究區(qū)情況的經驗參數(shù)值[21]。(2)參考《西咸新區(qū)城市總體規(guī)劃(2015-2030)》《西咸新區(qū)海綿城市建設專項規(guī)劃》《西咸新區(qū)空港新城海綿城市專項規(guī)劃》《西咸新區(qū)暴雨強度公式及降雨雨型研究》等規(guī)劃標準，獲得區(qū)域內暴雨強度公式，據(jù)此選擇低影響開發(fā)類型。

3 模型構建

3.1 雨水管網及匯水區(qū)概化

依據(jù)研究區(qū)域管網數(shù)據(jù)信息、下墊面特征、實際建筑、景觀設計圖和相鄰雨水排水系統(tǒng)，對雨水管道處理后獲取管渠的進水節(jié)點、出水節(jié)點、長度、管徑進水高程和出水高程，選擇處理對模擬結果產生直接影響的檢查井，概化研究區(qū)的排水系統(tǒng)(管道、檢查井)。研究區(qū)實際的排水管道為圓管，研究區(qū)域內的雨水管段、節(jié)點概化后，管網概化圖能顯示研究區(qū)內的管網位置和管段走向，節(jié)點代表檢查井，線段代表管道，排放口代表和市政管網向連接的管口。將研究區(qū)域內排水管網簡化為102個排水節(jié)點(J1～J102)、102條雨水管渠(GQ1～GQ102)和2個雨水排放口(PFK_1和PFK_2)，設置雨量計(YLJ1)，管網概化后的檢查井和管道見圖2。根據(jù)管網圖實際徑流將匯水區(qū)內的管網簡化，將研究區(qū)域劃分為12個子匯水面作為模型中各雨水徑流過程的模擬單元(圖3)。

3.2 降雨情景確定

通過模擬時段流量實現(xiàn)降雨時管段水流運行過程，設計降雨強度的時間序列，為SWMM模型提供連續(xù)性降雨過程情景。根據(jù)《西咸新區(qū)暴雨強度公式及降雨雨型研究》中當?shù)氐谋┯陱姸裙?，結合芝加哥雨型模型對不同重現(xiàn)期短歷時降雨設計，設計短歷時降雨作為模型所需降雨資料，西咸新區(qū)采用的暴雨強度公式為：

(1)

式中，q為設計暴雨強度[L/(s·hm2)]；P為設計重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(min)，t=t1+t2，t1為起點集水時間(取10～25 min)，t2為管內雨水流行時間(min)。

圖2 研究區(qū)管網概化圖

圖3 研究區(qū)匯水區(qū)概化圖

3.3 模型參數(shù)輸入及率定

暴雨洪水管理模型(SWMM)需要設置常用選項(雨量計、日期、時間步長、動態(tài)波、報告設置和文件)、非校準參數(shù)(子匯水區(qū)域面積、寬度、坡度、不透水面積和無洼蓄不透水面積)、校準參數(shù)(不透水區(qū)洼蓄量、透水區(qū)洼蓄量、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、透水區(qū)曼寧系數(shù))、霍頓公式參數(shù)(最大入滲率、最小入滲率、衰減常數(shù)、排干時間)。對于缺乏降雨數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的城市新區(qū)來說，模型檢驗和率定可采取徑流系數(shù)法[25-26]。芝加哥暴雨過程合成情景雨量過程線，在降雨歷時內造峰，用平均降雨強度合成降雨過程線，降雨過程線只是平均強度不同，對任何歷時的降雨都適用，芝加哥降雨過程線模型應用于排水系統(tǒng)已經得到很多文獻驗證[27-28]，為了分析不同降雨強度下低影響開發(fā)措施對雨洪的削減作用，使用芝加哥雨型設計了4場降雨過程，取綜合雨峰位置系數(shù)[29]r=0.4，降雨歷時120 min，重現(xiàn)期P取2、5、10、50 a(圖4)。根據(jù)文獻研究選擇取值范圍，以SWMM模型分別設置多個降雨序列，模擬結果得出的研究區(qū)綜合徑流系數(shù)與現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)的比值系數(shù)多次校準(表1)，查閱城市排水設計手冊和《室外排水設計規(guī)范》[30]，校準結果值符合城市建筑較密的居住區(qū)的徑流系數(shù)的0.5～0.7范圍，結果證明模型具有可行性。

圖4 重現(xiàn)期2、5、10 a和50 a芝加哥雨型雨量過程曲線

表1 SWMM模型參數(shù)率定表

4 研究區(qū)內澇風險評估

研究區(qū)有2條主要雨水干管J10-PFK_1(左)和J93-PFK_2(右)，分別包含16個和19個主要節(jié)點(圖2)。雨水管網設計重現(xiàn)期為1 a，在模擬重現(xiàn)期為2、5、10 a和50 a的降水事件時，場地內均會有節(jié)點溢流。居住區(qū)暴雨控制的設計標準為50 a，對暴雨洪水管理模型(SWMM)設置參數(shù)后，模擬在50 a重現(xiàn)期下，利用管段水位剖面圖功能顯示管道內水流實時狀態(tài)和節(jié)點溢流情況，J10-PFK_1管段在51 min時，節(jié)點J16、J23、J28、J29開始出現(xiàn)溢流，62 min后，節(jié)點J10、J11、J12、J18、J29相繼出現(xiàn)溢流(圖5)；J93-PFK_2管段在48 min時，節(jié)點J90、J75、J79、J91、J88、J89開始出現(xiàn)溢流，62 min后節(jié)點J93、J96、J51、J58相繼出現(xiàn)溢流(圖6)。經過模擬可以直觀顯示研究區(qū)內管道承受高重現(xiàn)期降雨事件時，應對極端降雨事件的能力較差，場地有內澇發(fā)生的風險。

圖5 管道J10-PFK_1水位剖面

5 居住區(qū)不同低影響開發(fā)方案效能評估及優(yōu)化

研究區(qū)屬于已建成的居住區(qū)，不透水面積比例為65.16%，無法進行綠色屋頂改造；同時研究區(qū)為自重濕陷性黃土場地，無法滿足占地規(guī)模較大的低影響開發(fā)建設要求；根據(jù)研究區(qū)場地特征有蓄水需求。低影響開發(fā)初步篩選根據(jù)西咸新區(qū)自然地理條件、水文地質特點、洪澇防治的要求選取，初步篩選后，在設施功能、建筑安全、景觀效果、管網建設和生態(tài)多樣等具體指標終選考量，最終選用了透水鋪裝、植草溝、雨水花園和雨水罐。其中，雨水花園可以應對高重現(xiàn)期暴雨事件，處理初期雨水，溢流雨水有組織排放到市政管道；植草溝是栽種植被的低洼溝渠，搭配其他低影響開發(fā)同時布設；透水鋪裝是具有滲透特性的道路，能快速下滲雨水，不同功能區(qū)域采用不同構造的透水磚，在濕陷性黃土地區(qū)，機動車道路應避免使用透水鋪裝，雨水下滲會造成機動道路路基損壞，載重過大時會破壞路面，甚至造成路面下陷；雨水儲存設施按照黃土濕陷劃分等級設計。

5.1 單類型低影響開發(fā)效能評估

為實現(xiàn)區(qū)域低影響開發(fā)設施的控制效果，低影響開發(fā)設施的面積設置盡可能實現(xiàn)最大化，主干道路作為保證消防車道不能采用滲透鋪裝，低影響開發(fā)布設須保證功能用地不動的原則，計算研究區(qū)各用地類型的面積后，確定布設面積不能超過道路、綠地面積的80%。為了對比分析低影響開發(fā)效果，參數(shù)的面積統(tǒng)一設置為道路面積的60%，評估單獨低影響開發(fā)措施的減災控制性能。分別在2、5、10 a和50 a的暴雨設計重現(xiàn)期下，布設相同面積的透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐四種低影響開發(fā)措施，雨水罐作用是收集屋面雨水，單獨低影響開發(fā)設置處理不滲透面積都按照建筑屋面面積比例輸入，模擬整個研究區(qū)4 h降雨徑流過程，并與未添加低影響開發(fā)前的降雨徑流量對比(圖7)，計算添加低影響開發(fā)后對地表徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)的削減率。

相同面積的單獨低影響開發(fā)在低重現(xiàn)期(<5 a)情景下模擬，在2 a重現(xiàn)期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)削減率均>55%，雨水花園保持>51%，雨水罐>50%，植草溝和未做低影響開發(fā)措施改造相比峰值流量削減43.75%，徑流量和徑流系數(shù)削減率為負值，數(shù)值控制在-5%以內；在5 a重現(xiàn)期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)削減率均>52%，雨水花園>48%，雨水罐>45%，植草溝在和未做低影響開發(fā)措施改造相比峰值流量削減42.02%，徑流量和徑流系數(shù)削減率為0.14%、-2.09%；在高重現(xiàn)期(≥10 a)降雨情景模擬，在10 a重現(xiàn)期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)削減率均>47%，雨水花園>43%，雨水罐>45%，植草溝在和未做低影響開發(fā)改造相比峰值流量削減39.74%，徑流量和徑流系數(shù)削減率為0.68%、-4.94%；在50 a重現(xiàn)期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)削減率均>43%，雨水花園>42%，雨水罐>40%，植草溝和未做低影響開發(fā)改造相比峰值流量削減率為39.74%，徑流量和徑流系數(shù)削減率為1.37%、-0.14%。

5.2 組合低影響開發(fā)方案效能評估

對于景觀效果要求低且尺度較小的城市區(qū)域，設置2種類型低影響開發(fā)方案，具體設計方案為：方案A：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝；方案B：40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園；方案C：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的雨水花園；對研究區(qū)布設多種類型低影響開發(fā)措施，評價在應對不同重現(xiàn)期降雨時的有效性，設計多類型布設方案：方案D：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園；方案E：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園+雨水罐。組合方案設計重現(xiàn)期為2、5、10 a和50 a，利用暴雨洪水模型模擬組合方案在四種暴雨設計重現(xiàn)期下降雨徑流狀態(tài)，提取組合方案的模擬值中徑流量、洪峰流量和徑流系數(shù)，比較不同組合低影響開發(fā)方案徑流控制效果(表2)。

組合方案共設計了2種、多種類型組合方案，匯總組合方案與單獨類型LID模擬結果，在2 a設計降雨條件下，組合方案徑流量從小到大對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案D=方案E；徑流系數(shù)結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；在5 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數(shù)值對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案A<方案B=方案C，方案E<方案D；徑流系數(shù)結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D。在10 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數(shù)值從小到大對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；徑流系數(shù)結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；在50 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數(shù)值對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；徑流系數(shù)結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D。

表2 組合低影響開發(fā)方案模擬結果

6 結論與討論

6.1 結論

單獨的透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐的雨洪調控性能存在差異。在2 a低重現(xiàn)期下，單獨的透水鋪裝措施與未做低影響改造相比，在徑流量、峰值流量和徑流系數(shù)方面削減率均>55%，雨水花園削減率>51%，雨水罐達到>50%，植草溝峰值流量削減率為43.75%；在50 a高重現(xiàn)期下，透水鋪裝削減率均>43%，雨水花園>42%，雨水罐達到>40%，植草溝峰值流量削減率為39.74%。植草溝峰值削減能力尚可，但徑流量和徑流系數(shù)的控制能力有局限，可見植草溝主要作用是輸送雨水。

組合方案融合了單獨措施的性能優(yōu)勢，徑流控制效果優(yōu)于單獨措施。透水鋪裝和雨水花園兩種類型低影響開發(fā)組合比單一措施控制效果好，透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐多種類型組合方案控制徑流的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于2種類型組合，證明了低影響開發(fā)是傳統(tǒng)建設模式的有效替代方法，并保證了景觀效果多樣性。

組合方案優(yōu)化后達到控制目標。綜合考慮到研究區(qū)濕陷性黃土場地對雨水花園的防滲要求，以及實施難度、建設成本和植草溝對景觀效果影響等因素，最終確定的設計方案為：設計道路面積80%的透水鋪裝，設計綠地面積20%的植草溝和10%的雨水花園和雨水罐。

6.2 討論

相比以往研究，本研究充分考慮了研究區(qū)域的地質特征和規(guī)范要求，并兼顧了小尺度低影響開發(fā)布設的合理性和經濟性的考量，提高方案的適用性和針對性。由于4種措施的實施效果均受到所用材料(透水材料孔隙率、土壤質地等)和具體施工工藝(基層厚度、夯實程度等)的制約，因此在方案落地時，仍須根據(jù)實際情況進一步核算和調整，以獲得最佳徑流控制效果。

通過本研究得出，暴雨洪水管理模型能夠有效地模擬居住區(qū)排水管網的工作狀態(tài)以及評估低影響開發(fā)對居住區(qū)地表徑流的控制效果，可以幫助景觀設計師在設計工作中科學合理的確定低影響開發(fā)布設方案；同時，在實現(xiàn)海綿城市建設目標的前提下，通過組合方案的運用，兼顧城市景觀的觀賞性和生物多樣性，因此本研究可以為西北地區(qū)，尤其是渭北臺塬區(qū)濕陷性黃土場地的低影響開發(fā)建設提供了有益的參考。但需要指出的是，暴雨洪水管理模型的使用需要結合管道、檢查井節(jié)點、道路和建筑物的分布情況進行模型概化，過細和過粗的概化都會影響到模型運算結果的準確性，在建模過程中需要研究者根據(jù)經驗，結合模型概化原理和區(qū)域實際產匯流進行模型概化，對研究者的操作經驗要求較高。