基于SWMM的城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控效果研究
——以武漢市工業(yè)路為例

盧明明

江淑卉

裘鴻菲

城市化進(jìn)程使城市不透水面積增加，導(dǎo)致雨洪災(zāi)害頻發(fā)、水質(zhì)污染、水資源供需矛盾加劇。道路是城市三種主要下墊面之一，也是城市排水系統(tǒng)的支撐，對雨水的排放、洪澇災(zāi)害的預(yù)防和居民安全的保障至關(guān)重要。2019年8月1日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布實行了《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51345—2018），對城市道路雨水調(diào)控能力做出了明確要求，強調(diào)通過景觀設(shè)計，利用LID設(shè)施調(diào)控雨水[1]。城市道路LID設(shè)施是城市綠地和城市道路的交集，亟待風(fēng)景園林學(xué)、土木工程等交叉學(xué)科中的定量研究。

近年來SWMM在城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控方面應(yīng)用廣泛。葉陽等通過實驗性模擬結(jié)果的對比，得出匯水系統(tǒng)的綠地雨洪調(diào)蓄效率、匯水系統(tǒng)和各類用地基于雨水調(diào)蓄理念下的最低綠地率[2]。王雯雯等以深圳光明新區(qū)為研究區(qū)域，發(fā)現(xiàn)下凹式綠地可削減洪峰流量、減小徑流系數(shù)[3]。胡愛兵等以某已建城市道路為例，運用SWMM模擬在連續(xù)降雨和場降雨條件下的年雨水入滲量和年降雨蒸發(fā)量[4]。湯偉真等采用SWMM模擬評價城市道路低影響開發(fā)雨水設(shè)計方案的滯蓄減排效果，表明LID設(shè)施能夠有效控制徑流量，緩解管道排水壓力[5]。尚蕊玲等以陜西省灃西新城西部排水區(qū)為例，用SWMM軟件模擬3種降雨事件下，添加雨水花園和滲渠措施對其水質(zhì)水量的影響[6]。劉一瑤等通過在清華學(xué)堂路增設(shè)1525m2的LID設(shè)施，達(dá)到五年一遇的雨強下，削減徑流量6686m3的效果[7]。

圖1 城市道路宏觀雨水徑流示意圖

圖2 工業(yè)路建設(shè)范圍圖

圖3 工業(yè)路橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 工業(yè)路雨水徑流示意圖

圖5 工業(yè)路SWMM模型概化示意圖

現(xiàn)有研究往往針對城市道路等某研究對象的實際情況建立模型進(jìn)行模擬，缺乏與傳統(tǒng)開發(fā)模式在不同重現(xiàn)期下的對比分析，難以定量驗證和評價低影響開發(fā)模式城市道路的雨水調(diào)控效果。且現(xiàn)有研究未針對城市道路的結(jié)構(gòu)特點將不同LID設(shè)施進(jìn)行實驗性單因素城市道路雨水調(diào)控效果模擬，無法確定適用于城市道路的LID設(shè)施及其調(diào)控機制。本文在分析城市道路徑流規(guī)律和適用于城市道路的LID設(shè)施的基礎(chǔ)上，選取武漢市工業(yè)路為研究對象，在不同降雨條件下，運用SWMM模型模擬與評估LID設(shè)施的雨水調(diào)控效果，旨在基于定量評估對比分析各單項LID設(shè)施貢獻(xiàn)率大小及削減效率，為城市道路LID設(shè)施布設(shè)提供指導(dǎo)。

1 研究準(zhǔn)備

1.1 研究對象

按照城市道路等級分類和雨水徑流規(guī)律，可分為城市快速路、城市干道、城市支路，其宏觀（周邊范圍）雨水徑流方式如圖1所示?？焖俾放渲玫闹醒敕指魩?、路側(cè)分隔帶等為LID設(shè)施創(chuàng)造了良好的立地條件，較少設(shè)置人行道及人行道綠帶。其高架段雨水通過泄水管排出，比城市管渠排水效率高，不受周邊地表徑流影響，雨洪風(fēng)險不如其他城市道路；城市干道擁有較大的路面面積，LID的種類和可用面積都最為充分。但城市干道多位于中心城區(qū)，周邊建設(shè)強度高，地表徑流量大，雨洪災(zāi)害造成的損失大，是城市道路系統(tǒng)雨水調(diào)控的重心；城市支路較少設(shè)置中央隔離帶、非機動車道和側(cè)分帶，LID設(shè)施主要是人行道和車行道的透水路面和人行道綠化帶的生態(tài)樹池，管網(wǎng)等級低。其在降雨事件里多充當(dāng)傳輸通道作用，大暴雨下需高級管網(wǎng)完成雨水排放后才能有效排放，因而雨水問題頻發(fā)，易形成城市“看?！爆F(xiàn)象，但對城市交通安全和環(huán)境安全威脅不及城市干道。

表1 城市道路LID設(shè)施的適用性

圖6 不同重現(xiàn)期下的降雨分布

圖7 不同重現(xiàn)期下傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路系統(tǒng)徑流

圖8 不同重現(xiàn)期下基于低影響開發(fā)的城市道路系統(tǒng)徑流

圖9 不同方案下的系統(tǒng)徑流對比（0.5年一遇）

圖10 不同方案下的系統(tǒng)徑流對比（1年一遇）

圖11 不同方案下的系統(tǒng)徑流對比（2年一遇）

微觀層面（紅線范圍）各類城市道路雨水徑流的模擬過程類似，以城市干道武漢市工業(yè)路（城市干道）為例說明。工業(yè)路（友誼大道—和平大道，以下簡稱“工業(yè)路”）是武漢市青山片區(qū)海綿城市（南干渠片區(qū)）建設(shè)PPP項目，也是低影響開發(fā)理念下的城市道路海綿化改造系統(tǒng)中典型的交通性道路。工業(yè)路總體長度1363.81m，寬度40m，其中機動車道寬14m，兩側(cè)機非隔離帶寬3m，非機動車道寬4m，人行道寬4m（圖2～3）。其降雨受力面主要包括：透水瀝青路面、透水鋪裝以及綠化帶，雨水徑流方向如圖4所示。

表2 研究區(qū)域LID設(shè)施參數(shù)表

表4 傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路模擬運行結(jié)果

1.2 城市道路LID設(shè)施

各類LID設(shè)施的結(jié)構(gòu)和功能特點、對空間形態(tài)的要求等是決定其是否能在城市道路上應(yīng)用的關(guān)鍵因素。如：不設(shè)置蓄水池的原因在于其用地需求較大，但城市道路范圍內(nèi)空間有限。不采用人工土壤滲濾的原因在于人工土壤的長期使用性能無法滿足要求（人工滲濾土壤的功能年限在一年左右，而城市道路的使用年限通常在10年以上[8]，若周期性更換滲濾土壤則會導(dǎo)致工程的不經(jīng)濟(jì)）。通過實際工程案例與文獻(xiàn)資料對適用于城市道路的LID設(shè)施進(jìn)行分析[9]，得出表1。

2 模型建立

2.1 傳統(tǒng)開發(fā)模型構(gòu)建

基于工業(yè)路所在區(qū)域雨水排放系統(tǒng)布局，按照SWMM模型應(yīng)用要求的指導(dǎo)，并結(jié)合相關(guān)雨水管網(wǎng)資料，對開發(fā)后的排水分區(qū)進(jìn)行符合實際情況的概化，最終共劃分子匯水區(qū)133個、設(shè)置雨水管段62條、檢查井節(jié)點58個、總排放口3個。具體模型構(gòu)建如圖5所示。

表3 不同重現(xiàn)期的平均降雨強度和降雨總量

表5 基于低影響開發(fā)的城市道路模擬運行結(jié)果

表6 2年一遇降雨下各布設(shè)場景的調(diào)控性能

2.2 低影響開發(fā)模型構(gòu)建

研究區(qū)域的生態(tài)滯留設(shè)施主要為非機動車道與人行道之間的下沉式綠地、雨水花園以及生態(tài)樹池，促進(jìn)雨水下滲補充地下水，減少排往雨水管的水量，滯留帶內(nèi)的植物也對徑流污染物起到攔截、吸附和降解作用；研究區(qū)域的植草溝主要為機動車道與非機動車道之間的綠化帶；研究區(qū)域的透水路面分為人行道透水鋪裝和車行道透水瀝青（全路段采用），起到儲存和轉(zhuǎn)輸雨水徑流的作用。人行道鋪設(shè)透水磚，增加了城市道路透水面積，相關(guān)參數(shù)根據(jù)所采用透水磚的特性設(shè)置，參數(shù)項目與透水瀝青相同，數(shù)值不同。

模型LID設(shè)施參數(shù)主要依據(jù)調(diào)查結(jié)果設(shè)定，對于獲取確有困難的，以《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）標(biāo)準(zhǔn)值為準(zhǔn)，同時標(biāo)準(zhǔn)值也用來校正調(diào)查結(jié)果；少數(shù)《標(biāo)準(zhǔn)》中也未明確要求的，采用SWMM用戶手冊中的推薦值（表2）。

構(gòu)建低影響開發(fā)模式模型，因地制宜且最大限度地布設(shè)生態(tài)滯留設(shè)施、透水路面、植草溝等LID設(shè)施。將定義的LID設(shè)施按照相應(yīng)的布設(shè)比例，添加到各子匯水區(qū)圖元屬性表中，研究區(qū)域內(nèi)綠地、鋪裝面積與傳統(tǒng)開發(fā)模型中設(shè)置相同。

2.3 設(shè)計降雨

采用芝加哥雨型作為降雨設(shè)計用型。根據(jù)《武漢市海綿城市規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》提供的暴雨強度公式（1），分別計算出設(shè)計重現(xiàn)期為0.5、1、2、5、10年的降雨量（圖6），得到降雨總量結(jié)果分別為21.32mm、40.65mm、59.98mm、85.54mm、104.87mm（表3）。

式中：q——為設(shè)計暴雨強度（L/s·hm2）；

P——為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期（年）；

t——為降雨歷時（分鐘）。

3 結(jié)果分析

模擬不同降雨條件下，低影響開發(fā)模式和傳統(tǒng)開發(fā)模式下城市道路LID設(shè)施對雨水徑流量、峰值流量和雨峰時間的調(diào)控效果，分析各單項LID設(shè)施的徑流控制效率。

3.1 傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路模型運行結(jié)果

在重現(xiàn)期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，研究傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路的地表徑流量、峰值流量和雨峰時間（表4、圖7）。由表可得，在重現(xiàn)期依次為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路地表徑流總量分別為10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm；峰現(xiàn)時間分別為75min、75min、75min、75min、90min；峰值流量分別為0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。

由此可見，城市道路雨水徑流量與降雨強度呈正相關(guān)關(guān)系。在歷時75min，徑流流量達(dá)到最大，降雨后較短時長內(nèi)徑流量激增可能是引發(fā)城市道路積澇現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。雨水管網(wǎng)超負(fù)荷工作，產(chǎn)生溢流，形成地表積水。如何快速有效地疏導(dǎo)這部分雨水徑流，是解決城市道路雨水問題的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)路面滲透性差，基本沒有雨水調(diào)控功能。大部分雨水以地表徑流的形式流出子匯水區(qū)，導(dǎo)致城市道路雨水徑流量和峰值流量激增，嚴(yán)重影響城市道路系統(tǒng)壽命和交通安全等。

3.2 低影響開發(fā)城市道路模型運行結(jié)果

在重現(xiàn)期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，研究低影響開發(fā)模式城市道路的地表徑流總量、峰值流量和峰現(xiàn)時間（表5、圖8）。由表可知，重現(xiàn)期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，低影響開發(fā)模式城市道路地表徑流總量分別為6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，峰值流量分別為0.17m3/s、0.32m3/s、0.5m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。峰現(xiàn)時間均為降雨開始后的90min，峰值持續(xù)一定時間，在降雨135min之后，徑流值逐漸降低，在195min之后趨近于零?？偨涤炅恳欢〞r，低影響開發(fā)模式下的城市道路地表徑流量較傳統(tǒng)開發(fā)模式明顯降低，而總滲入量和地表最終蓄水深度都有大幅度提高。表明低影響開發(fā)模式下雨水徑流和峰值流量的削減主要是依靠LID設(shè)施的入滲和滯蓄作用。從整個降雨過程來看，LID設(shè)施調(diào)控城市道路雨水的效能并不是穩(wěn)定的，呈現(xiàn)前期強后期弱的規(guī)律，符合LID設(shè)施調(diào)控雨水的機理。

3.3 傳統(tǒng)開發(fā)和低影響開發(fā)模式城市道路雨水調(diào)控對比

圖12 不同方案下的系統(tǒng)徑流對比（5年一遇）

圖13 不同方案下的系統(tǒng)徑流對比（10年一遇）

圖14 不同降雨強度下LID設(shè)施對徑流的削減效果

圖15 不同降雨強度下的系統(tǒng)徑流

通過分析比較傳統(tǒng)開發(fā)模式和低影響開發(fā)模式城市道路在不同重現(xiàn)期下的系統(tǒng)徑流量，定量探究LID設(shè)施在調(diào)控雨水方面的作用（圖8～13）。由圖可知，對于重現(xiàn)期分別為0.5、1、2、5、10年的暴雨，采用傳統(tǒng)開發(fā)模式，城市道路地表徑流總量分別為10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm。而采用低影響開發(fā)模式，城市道路地表徑流總量分別下降至6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，低影響開發(fā)城市道路的地表徑流均低于傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路，徑流總量削減率分別為39.7%、44.2%、40.9%、37.0%、34.8.0%，隨重現(xiàn)期增大呈先增大后減小的規(guī)律，說明超過10年一遇降雨超過了LID設(shè)施雨水徑流量調(diào)控范圍。

采用傳統(tǒng)開發(fā)模式，城市道路峰值流量分別為0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。采用低影響開發(fā)模式，城市道路峰值流量分別降至0.17m3/s、0.32m3/s、0.50m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。低影響開發(fā)城市道路的峰值流量均低于傳統(tǒng)開發(fā)模式城市道路，峰值流量削減率分別為66.0%、71.6%、77.8%、83.6%、77.0%，隨重現(xiàn)期增大呈先增大后減小的規(guī)律，說明超過10年一遇降雨超過了LID設(shè)施雨水峰值調(diào)控范圍。

對于重現(xiàn)期分別為0.5、1、2、5年的降雨，雨峰時間均推遲15min，LID設(shè)施有推遲城市道路雨水雨峰時間的作用，且其作用效果是相對穩(wěn)定的，與降雨大小并無明顯關(guān)系。

在五種不同的降雨條件下，低影響開發(fā)模式下的城市道路在控制徑流總量和削減峰值流量方面均有不同程度的作用。當(dāng)降雨重現(xiàn)期由0.5年一遇增大到5年一遇時，峰值流量削減率依次遞增，但由5年一遇增大到10年一遇時，又有所下降。當(dāng)降雨重現(xiàn)期由0.5年一遇增大到1年一遇時，徑流總量、徑流系數(shù)削減率呈上升趨勢，高于1年一遇時，又依次降低。在中小重現(xiàn)期下，LID設(shè)施的雨水調(diào)控效果更加顯著。隨著重現(xiàn)期的增大，徑流總量削減率和峰值流量削減率均呈現(xiàn)先增后減的趨勢（圖14）。當(dāng)降雨強度上升到一定程度時，削減量曲線的曲率趨于平穩(wěn)，此時各低影響設(shè)施逐漸飽和，LID設(shè)施對雨水徑流的控制能力到達(dá)極限（圖15），LID設(shè)施對城市道路雨水雨峰時間推遲的作用相對穩(wěn)定。

3.4 單項LID設(shè)施雨水調(diào)控效果對比分析

由表6可知，對城市道路雨水徑流量的削減，透水路面貢獻(xiàn)最大，以二年一遇降雨下為例，其貢獻(xiàn)率為33.2%。其次為生態(tài)滯留設(shè)施，貢獻(xiàn)率為6.2%。最后為植草溝，貢獻(xiàn)率為1.3%。對峰值流量的削減，透水路面貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為73%。其次為生態(tài)滯留設(shè)施，貢獻(xiàn)率為11.9%。最后為植草溝，貢獻(xiàn)率為7.9%。

在單位面積相同時，各項LID設(shè)施對徑流總量削減效率排序為：生態(tài)滯留設(shè)施＞組合型＞透水路面＞植草溝；對峰值流量削減的效率排序為：生態(tài)滯留設(shè)施＞透水路面＞組合型＞植草溝（表6）。

4 結(jié)論與討論

4.1 各等級城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控策略

各等級城市道路因其寬度、結(jié)構(gòu)形式等差異，徑流規(guī)律和LID設(shè)施布設(shè)方式不盡相同，應(yīng)采用不同的雨水調(diào)控策略。快速路應(yīng)重點考慮泄水管和下承LID設(shè)施（雨水花園等）的對接，減少對下方道路造成徑流；城市干道應(yīng)是城市道路系統(tǒng)雨水調(diào)控的重心，雨水調(diào)控重點是減少路面及外排徑流，如建設(shè)LID設(shè)施和提高城市雨水管渠等級等；城市支路易發(fā)雨水問題而雨洪風(fēng)險一般，可多設(shè)植草溝等傳輸型LID設(shè)施進(jìn)行雨水調(diào)控。

4.2 不同重現(xiàn)期城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控效果

系統(tǒng)徑流總量與降雨強度呈正相關(guān)，傳統(tǒng)路面滲透性差，基本沒有雨水調(diào)控功能，嚴(yán)重影響城市道路壽命與交通安全性；低影響開發(fā)模式下的城市道路地表徑流量較傳統(tǒng)開發(fā)模式明顯降低，總滲入量和地表最終蓄水深度都有大幅度提高，雨水徑流和峰值流量的削減主要依靠LID設(shè)施的入滲和滯蓄作用。采用LID組合模式的城市道路，在0.5年一遇到10年一遇的降雨強度下，對徑流總量的削減率為34.8%～44.2%，對峰值流量的削減率為66.0%～83.6%，雨峰時間穩(wěn)定推遲15min。LID設(shè)施對城市道路中小重現(xiàn)期雨水調(diào)控作用顯著，主要表現(xiàn)在雨水徑流量和峰值流量的削減上，而大重現(xiàn)期下其雨水調(diào)控效果一般，雨水徑流量和峰值流量的削減率都有所下降。LID設(shè)施在對十年一遇以上暴雨的調(diào)控效果不盡人意，需要進(jìn)一步研究大重現(xiàn)期城市道路雨水調(diào)控的其他策略。暴雨狀況下LID設(shè)施對城市道路雨水調(diào)控意義在于能推遲雨峰時間，使城市居民、綠色和灰色雨水設(shè)施等能做好充足準(zhǔn)備抵御雨洪。

4.3 各類城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控效果對比

在對地表徑流的削減作用方面，透水路面和生態(tài)滯留設(shè)施貢獻(xiàn)較大，其中透水路面徑流削減貢獻(xiàn)率為30.5%～34.9%，生態(tài)滯留設(shè)施徑流削減貢獻(xiàn)率為3.6%～10.8%，植草溝徑流削減貢獻(xiàn)率為0.7%～1.5%。在對峰值流量的削減作用方面，透水路面貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為60.0%～76.5%。其次為生態(tài)滯留設(shè)施，貢獻(xiàn)率為2.9%～11.9%，最后為植草溝，貢獻(xiàn)率為0%～7.9%。在單位面積相同時，各項LID設(shè)施對徑流總量削減效率排序為：生態(tài)滯留設(shè)施＞組合型＞透水路面＞植草溝，對峰值流量削減效率排序為：生態(tài)滯留設(shè)施＞透水路面＞組合型＞植草溝。由于布設(shè)面積原因，各項LID設(shè)施的徑流削減量與峰值消減量之和大于組合LID設(shè)施削減量。LID設(shè)施對城市道路雨水調(diào)控效能以徑流峰值為界，呈現(xiàn)出先強后弱的規(guī)律，隨設(shè)計降雨重現(xiàn)期增大而降低，LID設(shè)施的雨水調(diào)蓄能力逐漸飽和，LID設(shè)施對中小雨（二年一遇及以下）的城市道路徑流調(diào)控作用更明顯。就單項LID設(shè)施而言，從削減徑流量和峰值流量的角度而言宜優(yōu)先布設(shè)生態(tài)滯留設(shè)施，硬質(zhì)表面可考慮透水路面。由于面積受限，綠色雨水設(shè)施在城市道路雨水調(diào)控方面顯現(xiàn)出局限性，城市道路景觀設(shè)計時應(yīng)更重視透水鋪裝材料的應(yīng)用，降低道路綠地的雨水調(diào)控負(fù)荷。

研究表明通過合理的空間組織分布、LID設(shè)施協(xié)同作用等方式，能提升城市道路LID設(shè)施雨水調(diào)控性能，改善降雨時城市道路積水情況，為創(chuàng)造良好城市環(huán)境提供途徑。

資料來源：文中圖表均由作者繪制。