Infoworks ICM 在防災(zāi)避險(xiǎn)公園海綿化改造中的應(yīng)用

童禎恭，劉卓堯， 王 瀅， 周小偉， 楊 競(jìng)

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013；2. 江西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌330000）

最早在1978 年頒布的日本第二次《城市公園建設(shè)五年計(jì)劃》中，創(chuàng)立了避災(zāi)公園這個(gè)概念[1]。 國(guó)內(nèi)防災(zāi)公園的概念在2007 年出臺(tái)的 《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》中，將其定義為“城市中滿足避震疏散要求、可有效保證疏散人員安全的公園”[2]。 所以國(guó)內(nèi)的公園建設(shè)主要是以生態(tài)效應(yīng)、防災(zāi)避險(xiǎn)和景觀設(shè)計(jì)3 個(gè)方面為主[3]。

現(xiàn)如今，公園綠地主要以低影響開(kāi)發(fā)(low impact development，LID)[4]設(shè)施建設(shè)為主，在不破壞生態(tài)的前提下，雨水被LID 設(shè)施吸收和利用，使公園更具“海綿化[5]”。 LID 也在美國(guó)、加拿大和我國(guó)等許多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展[6-7]。 在國(guó)內(nèi)關(guān)于LID 設(shè)施有許多的研究，劉昌明等[8]研究表明多種LID 設(shè)施的實(shí)施建設(shè)使得常德市90%地塊均能達(dá)到控制目標(biāo)；蔡慶擬等[9]通過(guò)SWMM 模型軟件對(duì)道路上LID 設(shè)施建模， 得出了雨水花園對(duì)徑流洪峰流量和徑流系數(shù)的削減效果最好的結(jié)論；王雯雯等[10]通過(guò)SWMM 模型，分析了城市開(kāi)發(fā)中，不同LID 設(shè)施對(duì)城市水文循環(huán)的影響，LID 設(shè)施可以有效避免城市內(nèi)澇的出現(xiàn)；李沐寒等[11]運(yùn)用GIS 和SWMM 模型構(gòu)建LID 設(shè)施方案，通過(guò)5 場(chǎng)降雨模擬，將結(jié)果比對(duì)，分析得出最優(yōu)方案，為海綿城市建設(shè)提供參考；黃子千等[12]通過(guò)Infoworks ICM 軟件對(duì)濟(jì)南市某路段洪澇過(guò)程構(gòu)建模型， 研究不同重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)雨型對(duì)區(qū)域積水的影響。 SWMM 模型[13-14]和Infoworks ICM[15]針對(duì)城市道路降雨徑流模型模擬的研究已較為廣泛， 但是Infoworks ICM 模型針對(duì)LID 設(shè)施的設(shè)計(jì)及效果評(píng)估的應(yīng)用國(guó)內(nèi)相對(duì)較少。 Infoworks ICM 軟件有LID 設(shè)施模塊，對(duì)LID 設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)LID 設(shè)施對(duì)徑流量、徑流控制率和污染物控制率的效果模擬與評(píng)估。 運(yùn)用Infoworks ICM 對(duì)傳統(tǒng)模式和LID 模式進(jìn)行模擬，確定并優(yōu)化公園開(kāi)發(fā)中LID 設(shè)施的布局及規(guī)模。

1 研究概況

1.1 區(qū)域概況

吉安市中心城區(qū)位于吉安市中部，防災(zāi)避險(xiǎn)公園位于后河中段區(qū)域，現(xiàn)狀用地以居住、公建商業(yè)用地、農(nóng)田為主，建成區(qū)現(xiàn)狀年徑流總量控制率約為53%。規(guī)劃以居住、公建商業(yè)用地、綠地為主。該地氣候年平均氣溫為18.3 °C，歷年平均晴日44 d，陰日184 d，日照時(shí)數(shù)為1 821.8 h，無(wú)霜期285 d。 全市風(fēng)向受季節(jié)影響變化顯著， 全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)。

1.2 避險(xiǎn)公園現(xiàn)狀

防災(zāi)避險(xiǎn)公園占地面積為21.12×104m2， 其中水面面積為8.4×104m2，陸地面積12.63×104m2。 防災(zāi)避險(xiǎn)公園場(chǎng)地在后河兩側(cè)， 整體呈現(xiàn)南高北低，東西高中間低，地塊設(shè)計(jì)標(biāo)高在46～52.44 m；整體坡度較大，局部較為平坦，坡度多在1°～8°。

2 工程改造研究方案

2.1 方案總體思路

方案總體思路為：①對(duì)公園現(xiàn)狀地塊、雨水子流域等進(jìn)行分析，確定公園內(nèi)LID 的設(shè)施；②充分考慮公園的景觀、布局和經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)公園LID進(jìn)行初步的方案布局，并構(gòu)建傳統(tǒng)模式和LID 設(shè)施模式兩種模型，進(jìn)行擬算；③根據(jù)結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用模型軟件進(jìn)行模擬試算，調(diào)整方案的LID 規(guī)模，最終達(dá)到最優(yōu)方案。

2.2 雨水分區(qū)劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地塊、 地形及排水管道分布情況，將流域劃分為20 個(gè)分區(qū)，以便更細(xì)致、切合實(shí)際地進(jìn)行ICM 的模型下墊面構(gòu)建，具體分析不同的分區(qū)。

2.3 下墊面分析

本項(xiàng)目傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下區(qū)域總面積為154 695 m2，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)， 將土地利用分為現(xiàn)狀透水鋪裝、硬質(zhì)鋪裝、綠化、屋頂、水體5 類(lèi)。 其中項(xiàng)目?jī)?nèi)各分區(qū)用地性質(zhì)及面積根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。 根據(jù)下墊面解析情況，在所有分區(qū)中，公園現(xiàn)有的綠化用地偏多， 其次是硬質(zhì)鋪裝， 水體主要集中在分區(qū)8和分區(qū)16，現(xiàn)狀的透水鋪裝主要分布在分區(qū)3 和分區(qū)16。 公園總體的透水區(qū)域占比大概在70%，屬于綠化基礎(chǔ)條件較好的公園。

圖1 分區(qū)下墊面解析Fig.1 Analysis of underlying surface of partition

2.4 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的選擇和布置

結(jié)合公園現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、 水文地質(zhì)、 雨水排水系統(tǒng)等資料，充分考慮防災(zāi)避險(xiǎn)的需要，再根據(jù)研究表明， 植草溝＋透水鋪裝＋綠色屋頂＋雨水花園的組合方案潛力最大[11]，故篩選出這4 種作為本項(xiàng)目公園的LID 設(shè)施。 根據(jù)地區(qū)可改造的透水區(qū)域、屋頂，再結(jié)合防災(zāi)避險(xiǎn)房屋建設(shè)和雨水花園設(shè)施的選取，初步將方案確定為公園現(xiàn)有的硬質(zhì)鋪裝換為透水鋪裝，并結(jié)合現(xiàn)有情況，在雨水花園附近修建植草溝，植草溝將雨水引流至雨水花園處理。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型體系構(gòu)建

采用ICM 水力模擬軟件對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行模型構(gòu)建， 分別構(gòu)建傳統(tǒng)模式和LID 設(shè)施模式兩種模型，方便與之對(duì)比，調(diào)整方案。 將現(xiàn)有的地下管網(wǎng)資料和現(xiàn)有的規(guī)劃資料等數(shù)據(jù)整理好后，通過(guò)模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心將管道和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，接著導(dǎo)入5 min 典型年設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)。

3.2 傳統(tǒng)模式下模型參數(shù)取值

產(chǎn)匯流表面參數(shù)取值情況具體如表1 所示。

表1 模型參數(shù)取值Tab.1 Model parameter values

傳統(tǒng)模式下， 根據(jù)下墊面的現(xiàn)狀分析情況，不同下墊面類(lèi)型選擇對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流表面。 產(chǎn)流表面設(shè)置包括徑流量類(lèi)型和表面類(lèi)型，其中雨水在下墊面的流動(dòng)主要運(yùn)用ICM 模型水文模塊。雨水的初期損失值一般差距較小，這次模擬就不考慮初期損失值的影響；產(chǎn)流模型中，不透水和透水面積構(gòu)成了產(chǎn)流表面，此次模型模擬中，透水下墊面采用霍頓模型法，霍頓模型中需要設(shè)置初滲率、穩(wěn)滲率、衰減率和恢復(fù)率這4 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)， 具體取值如表1 所示，非透水下墊面采用固定徑流系數(shù)法， 采用0.9 的固定徑流系數(shù)；匯流模型采用SWMM 匯流模型，匯流參數(shù)取0.03。 （依據(jù)模型手冊(cè)、《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)得到參數(shù)的取值）。本項(xiàng)目用地主要分為硬地、屋面、透水鋪裝、綠地和綠色屋面5 類(lèi)，其中綠地和綠色屋面為透水區(qū)域，其它均為不透水面積。

3.3 LID 模式下模型的參數(shù)取值

本次模擬用4 類(lèi)不同的LID 設(shè)施，透水鋪裝的參數(shù)設(shè)定依據(jù)透水磚的材料與性質(zhì)，再依據(jù)ICM 軟件手冊(cè)、實(shí)際工程試驗(yàn)和參考文獻(xiàn)，完成剩下3 個(gè)LID 設(shè)施參數(shù)的設(shè)定。

透水鋪裝中參數(shù)取值為厚度300 mm， 孔隙比0.75，滲水速率1.8 mm/h；綠色屋頂中參數(shù)取值為厚度1.25 mm，孔隙率0.5，導(dǎo)水率1.5 mm/h，產(chǎn)水能力為0.2；雨水花園中參數(shù)取值為高度200 mm，植被容積分?jǐn)?shù)0.15，表面粗糙度（即曼寧值）為0.15，表面坡度為1%； 植草溝中參數(shù)取值為高度200 mm，植被容積分?jǐn)?shù)0.5，表面粗糙度（即曼寧值）為0.24，表面坡度為0.4%。

4 模型運(yùn)行結(jié)果及分析

4.1 傳統(tǒng)模式模擬結(jié)果

導(dǎo)入5 min 典型年的設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)同傳統(tǒng)模式進(jìn)行計(jì)算， 各分區(qū)管控的計(jì)算指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)模式模擬結(jié)果Tab. 2 Traditional model simulation results

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)， 對(duì)傳統(tǒng)模式下的公園雨水管控效果進(jìn)行分析。 在劃分的20 個(gè)分區(qū)中，7 個(gè)分區(qū)的年徑流總量控制率達(dá)到預(yù)期78%的控制率目標(biāo)，仍然有13 個(gè)分區(qū)的年徑流總量控制率需要提高。 對(duì)于13 分區(qū)、15 分區(qū)和18 分區(qū)，徑流量是傳統(tǒng)模式下最高的3 塊分區(qū)， 可以增設(shè)雨水花園，提高分區(qū)對(duì)徑流量的削減率。在傳統(tǒng)模式下， 分區(qū)的污染物控制率平均為54.67%，公園在不增設(shè)LID 設(shè)施的情況下， 污染物整體控制情況能夠達(dá)標(biāo)， 公園內(nèi)生態(tài)本底較為良好， 所以， 在不破壞現(xiàn)有綠化前提下增設(shè)LID設(shè)施，降低雨水徑流量，提高公園的年徑流控制率，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 LID 設(shè)施模擬結(jié)果

根據(jù)傳統(tǒng)模式的結(jié)果，有必要增設(shè)LID 設(shè)施降低雨水徑流量，提高控制率。 根據(jù)公園現(xiàn)狀，公園增設(shè)4 類(lèi)LID 設(shè)施， 對(duì)于不增設(shè)雨水花園的分區(qū)，雨水徑流在公園內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程：流入透水鋪裝（或綠色屋頂）后，再流入植草溝，最后流入公園旁的后河；對(duì)于增設(shè)雨水花園的分區(qū)，雨水徑流流入透水鋪裝（或綠色屋頂），再流入植草溝，植草溝將徑流引流至雨水花園內(nèi)，除去下滲和蒸發(fā)的部分，剩余部分進(jìn)入調(diào)蓄池后，再流入后河。接著導(dǎo)入5 min 典型年的設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)對(duì)LID 模式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整和優(yōu)化，LID 模式下的模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 LID 模擬結(jié)果Tab.3 LID simulation results

根據(jù)表3 的結(jié)果，將LID 模式下的結(jié)果同傳統(tǒng)模式下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)模式下的徑流總量為54 944.79 m3，2 個(gè)控制率指標(biāo)分別為72.90%，54.67%；LID 模式下的徑流總量為39 371 m3，2 個(gè)控制率分別為80.31%，60.31%。 經(jīng)過(guò)改造后LID 設(shè)施對(duì)徑流總量的削減效果較為明顯，徑流總量削減了28.34%，實(shí)現(xiàn)了公園內(nèi)雨水從源頭削減的效果，2個(gè)控制指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)前的目標(biāo)。

4.3 LID 設(shè)施整體布置

公園內(nèi)LID 的最終方案布置圖如圖2 所示，其中透水鋪裝為18 704 m2，約占公園地塊的9.8%；雨水花園為6 084 m2，約占公園地塊的4.7%；植草溝為2 033.2 m， 約占公園地塊的1.6%； 綠色屋頂為252 m2，約占公園地塊的0.2%。

公園內(nèi)的地塊面積約為12.63 m2， 分別用5 種LID 設(shè)施進(jìn)行建設(shè)。 從公園最終方案的結(jié)果可以看出，LID 設(shè)施僅占公園地塊面積的16.3%，在達(dá)到目標(biāo)效果，保證經(jīng)濟(jì)型的同時(shí)，又完成了改造目標(biāo)。

圖2 方案總體布置圖Fig.2 Overall layout of the scheme

5 結(jié)論

1） 采用Infoworks ICM 模型軟件有效模擬了低影響開(kāi)發(fā)模式的公園水文形態(tài)，為后續(xù)城市中綠色公園的建設(shè)提供了一定的技術(shù)支持；

2） 項(xiàng)目分別構(gòu)建了兩種模型，通過(guò)傳統(tǒng)模式和LID 模式的對(duì)比分析， 在公園內(nèi)增設(shè)一定規(guī)模的透水鋪裝、植草溝、綠色屋頂和雨水花園，便可達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)；

3） 在考慮了公園內(nèi)整體的景觀、資源的利用和成本維護(hù)等因素后，低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的規(guī)模不需要太大。 通過(guò)對(duì)公園內(nèi)地塊的LID 設(shè)施統(tǒng)計(jì)，得出了該項(xiàng)目中的LID 設(shè)施占比僅為項(xiàng)目地塊的16.3%。在保證了目標(biāo)達(dá)到的同時(shí)，對(duì)整體公園的LID 設(shè)施布局進(jìn)行優(yōu)化，展示出ICM 模型模擬分析的優(yōu)點(diǎn)。