城市更新區(qū)海綿改造對(duì)降雨徑流的控制研究

景瑞瑛，盧巧慧，黃奕龍，鄭妍妍

（1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，518001，深圳；2.北京大學(xué)深圳研究生院，518055，深圳）

深圳市是高強(qiáng)度暴雨、高密度開發(fā)的特大城市，具有內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)高和頻率高的特點(diǎn)，單純依靠雨水管網(wǎng)進(jìn)行排水壓力巨大。作為第二批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)，深圳市在全國率先開展了低影響開發(fā)及海綿城市探索與實(shí)踐，然而關(guān)于城市更新區(qū)海綿改造的徑流控制效果評(píng)估不足。隨著深圳市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，在舊城更新中樹立海綿理念有十分重要的意義。因此本文選取海綿改造區(qū)環(huán)保產(chǎn)業(yè)園作為研究區(qū)域，利用現(xiàn)場監(jiān)測和模型模擬相結(jié)合的手段，分析其對(duì)降雨徑流的控制作用。

一、研究方法

以深圳市西麗環(huán)保產(chǎn)業(yè)園為研究區(qū)域，對(duì)海綿設(shè)施產(chǎn)流過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，計(jì)算場次降雨過程中的徑流和污染物削減作用。同時(shí)采用SWMM模型模擬海綿改造后研究區(qū)的年徑流總量控制率，通過不同LID設(shè)施情景分析得到單位面積海綿設(shè)施對(duì)徑流的削減量。

1.環(huán)保產(chǎn)業(yè)園概況

環(huán)保產(chǎn)業(yè)園坐落在深圳市南山區(qū)西麗街道麻磡村，包括一座由舊廠房改造的辦公樓、一座新建的員工宿舍樓及兩棟樓之間的廣場走廊，園區(qū)內(nèi)運(yùn)用了不同海綿技術(shù)措施。源頭設(shè)施如雨水花園、透水鋪裝、生物滯留池等，中途措施如植草溝等，都是將雨水深度凈化處理后排入市政管網(wǎng)。

2.現(xiàn)場監(jiān)測

為了評(píng)估環(huán)保產(chǎn)業(yè)園海綿設(shè)施的場次徑流控制效果，需要測定LID設(shè)施在不同歷時(shí)降雨中的徑流過程。其中屋頂?shù)漠a(chǎn)流通過雨落管進(jìn)入雨水花園，透水鋪裝匯流進(jìn)入雨水花園，在雨水花園出口安裝流量堰，當(dāng)有雨水溢出時(shí)開始讀數(shù)，計(jì)算雨水花園的徑流控制效果。同時(shí)現(xiàn)場采集各LID設(shè)施出口水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析SS濃度。

表1 雨水花園參數(shù)設(shè)置

表2 植草溝參數(shù)設(shè)置

3.研究區(qū)域概化

整個(gè)研究區(qū)域面積為8 943 m2，依據(jù)地形、匯水流向及管網(wǎng)分布等對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分，將匯水區(qū)分為33個(gè)子匯水區(qū)，共2個(gè)出口。子匯水區(qū)面積根據(jù)地圖量測讀取，子匯水區(qū)域特征寬度采用子匯水區(qū)域面積除以子匯水區(qū)域特征長度得到。

4.降雨條件選取

城市年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量的確定，至少需要近30年日降雨資料。本次研究采用深圳西麗雨量站1956—2015年的年降雨資料，經(jīng)過年降雨量P-Ⅲ頻率配線法擬合，確定1987年為典型平水年，得到典型平水年全年降雨量為1 572.8 mm，作為SWMM模型的降雨序列條件。

5.參數(shù)選擇

雨洪模擬計(jì)算的參數(shù)主要參考SWMM模型用戶手冊(cè)中的典型值，并參考研究區(qū)域設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。降雨入滲過程采用Horton入滲模型模擬，匯流采用非線性水庫模型模擬，蒸發(fā)量采用每月實(shí)測蒸發(fā)量。設(shè)置三種海綿措施，根據(jù)不同海綿技術(shù)措施的特點(diǎn)和實(shí)際工程做法，設(shè)置特征參數(shù)見表1至表3。

6.參數(shù)率定及模型驗(yàn)證

采用2019年6月25日、2019年6月30日兩場降雨實(shí)測徑流數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析，分別進(jìn)行模型率定及驗(yàn)證，判別準(zhǔn)則采用納什效率系數(shù)NSE，當(dāng)NSE＞0.6，認(rèn)為模型結(jié)果可信。經(jīng)過率定及驗(yàn)證后，最終模型參數(shù)選取結(jié)果如表4所示，模型率定結(jié)果見圖1，模型驗(yàn)證結(jié)果見圖2。

表3 透水鋪裝參數(shù)設(shè)置

表4 SWMM參數(shù)率定結(jié)果

二、結(jié)果與分析

1.LID設(shè)施場次徑流控制效果

在38 min的短歷時(shí)降雨事件中，停車場透水鋪裝在降雨開始后15 min出現(xiàn)產(chǎn)流，24 min后徑流量達(dá)到峰值10 m3/h；雨水花園出口峰值流量削減為2.99 m3/h，相比雨落管，其流量峰現(xiàn)時(shí)間推遲了33 min。在167 min的中歷時(shí)降雨事件中，降雨有2個(gè)明顯峰值，停車場徑流峰現(xiàn)時(shí)間延遲了12~20 min；雨水花園接納了來自雨落管和停車場的產(chǎn)流，隨著匯流路徑增加，峰現(xiàn)時(shí)間延遲40 min。在24 h的長歷時(shí)降雨事件中，由于長時(shí)間降雨透水鋪裝路面、雨水花園土壤接近飽和，峰現(xiàn)延遲效應(yīng)有所減弱。可見工業(yè)園區(qū)經(jīng)過海綿改造，組合LID設(shè)施使匯水路徑增加，起到有效的延峰作用。

不同降雨歷時(shí)下透水鋪裝和雨水花園出口流量變化不同。在短歷時(shí)降雨事件中，LID設(shè)施對(duì)降雨徑流控制效果更好，雨水花園的滲蓄作用可以得到充分利用；隨著降雨歷時(shí)增加，LID設(shè)施的徑流控制效果降低。在24 h降雨事件中，降雨量達(dá)到50.2 mm，透水鋪裝和雨水花園的蓄水能力趨于飽和，不能繼續(xù)發(fā)揮其海綿效益。雨水花園介質(zhì)內(nèi)的含水量越低，徑流控制效果越好。

圖1 模型率定結(jié)果圖

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果圖

2.污染物SS濃度變化

以某場降雨時(shí)間為38 min、降雨量為12.8 mm的降雨為例，分析降雨過程中污染物SS濃度變化。天然雨水中SS濃度為0.1 mg/L，降雨開始時(shí)普通鋪裝產(chǎn)生徑流SS濃度為222.2 mg/L。監(jiān)測結(jié)果表明，降雨前10 min，雨落管和停車場匯流的SS濃度迅速達(dá)到最高，存在明顯的初雨沖刷現(xiàn)象，而雨水花園出口SS濃度在降雨產(chǎn)生30 min后達(dá)到最大值17.4 mg/L。隨著降雨強(qiáng)度的減少，海綿設(shè)施出口處SS濃度下降，之后停車場匯流的SS濃度穩(wěn)定在23.7~33.6 mg/L，雨水花園出口處SS濃度接近10 mg/L。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)下凹式綠地與徑流下墊面面積之比為1∶2、重現(xiàn)期≤1年時(shí)，出水SS為7.64～9.25 mg/L，與本研究結(jié)果相近，表明下凹式綠地對(duì)SS有良好削減作用。路面和屋頂中累積的面源污染物經(jīng)過組合LID設(shè)施透水鋪裝和雨水花園的截留及凈化作用，污染物SS削減率為76.5%，可以減少排水片區(qū)的污染負(fù)荷。

3.LID設(shè)施年徑流控制效果

工業(yè)園區(qū)改造前為傳統(tǒng)排水管網(wǎng)，以灰色基礎(chǔ)設(shè)施為主、道路兩旁輔以10%綠化帶，因此改造前無任何LID措施，屋面和路面的不透水率參考實(shí)際下墊面確定。

經(jīng)過LID措施改造后，研究區(qū)總體下滲量增多，徑流量隨之減少。利用SWMM模擬分析，研究區(qū)年降雨徑流控制率為73.9%，相比改造前提高43.4%，滿足海綿城市建設(shè)徑流控制率不小于70%的要求。

由于LID措施需要一定面積的地塊，選擇合適的LID措施進(jìn)行海綿改造是海綿城市建設(shè)的重要部分。為對(duì)比分析各項(xiàng)LID措施對(duì)徑流控制的作用，對(duì)透水鋪裝和雨水花園進(jìn)行單獨(dú)模擬。單項(xiàng)透水鋪裝設(shè)計(jì)滿足以下條件：保留透水鋪裝，綠地均為普通綠地，普通道路維持不變。單項(xiàng)雨水花園設(shè)計(jì)需滿足以下條件：保留雨水花園，鋪裝均為不透水鋪裝，其他綠地為普通綠地。純透水鋪裝設(shè)計(jì)需滿足以下條件：保留屋頂，其余地塊均為透水鋪裝；純雨水花園設(shè)計(jì)條件：保留屋頂，其余地塊均為雨水花園。

不同地表特性下的模擬結(jié)果見表5。由表5可以看出，單項(xiàng)透水鋪裝和雨水花園下滲損失增加，對(duì)雨水排放出口的徑流量均有削減。由于透水鋪裝實(shí)施面積占比更大，單項(xiàng)透水鋪裝對(duì)徑流的削減量大于單項(xiàng)雨水花園。在四種情景下，純雨水花園的徑流控制率最高，達(dá)到83.1%。一方面是因?yàn)橛晁▓@有良好的下滲性能，另一方面是因?yàn)槭苡晁▓@中植物蒸騰作用的影響，雨水花園的蒸發(fā)損失比透水鋪裝更大。

以單位面積徑流削減量作為LID措施貢獻(xiàn)大小的衡量標(biāo)準(zhǔn)，得到單位面積純透水鋪裝和純雨水花園的年徑流削減量分別為2 776.7 mm和3 219.8 mm。因此在不影響研究區(qū)其他功能前提下，對(duì)周邊空間進(jìn)行雨水花園改造，可以進(jìn)一步減少整個(gè)片區(qū)的排水壓力。

三、結(jié)論和展望

LID設(shè)施對(duì)短歷時(shí)降雨徑流控制效果更好，其滲蓄作用可以得到充分利用，隨著降雨歷時(shí)增加，蓄水能力趨于飽和，徑流控制作用減小。LID設(shè)施可以有效削減峰值，隨著匯水路徑增加，延峰作用明顯。研究區(qū)污染物SS削減率為76.5%，可以減少排水片區(qū)的污染負(fù)荷，其中雨水花園具有較好的面源控制效果。

表5 不同地表特性下的模擬結(jié)果

通過SWMM模型模擬了研究區(qū)海綿改造前后對(duì)降雨徑流的控制作用。結(jié)果顯示，海綿改造后年降雨徑流控制率為73.9%，滿足海綿城市建設(shè)徑流控制率不小于70%的要求，采用透水鋪裝和雨水花園均可以減少徑流系數(shù)。以單位面積LID措施貢獻(xiàn)大小來說，透水鋪裝下滲能力更強(qiáng)，而雨水花園徑流控制能力更強(qiáng)，二者組合可以更好地發(fā)揮海綿效益。