低影響開發(fā)措施應(yīng)對極端降雨情況的有效性研究

【摘" " 要】：為了探究低影響開發(fā)（LID）措施在極端降雨情境下對區(qū)域徑流的改善效果，搭建了5種綠色屋頂物理模型試驗裝置（GR1-GR5），得到其在模擬降雨工況下的降雨-徑流響應(yīng)曲線；構(gòu)建了銅陵市銅官區(qū)魚頭地塊SWMM徑流模型并與試驗數(shù)據(jù)結(jié)合，重點(diǎn)分析了綠色屋頂基質(zhì)厚度及初始飽和度對區(qū)域徑流改善效果的影響。結(jié)果表明：基質(zhì)構(gòu)成體積比輕沙壤土∶腐殖土∶蛭石=5∶3∶2時對區(qū)域徑流改善效果最為明顯，較未構(gòu)建LID時，各降雨工況下的區(qū)域整體徑流削減5.13%～18.09%；基質(zhì)構(gòu)成體積比腐葉土∶蛭石∶沙土=7：2：1及田園土+草炭+蛭石和肥料=4：3：1時，徑流分別削減3.41%～11.75%和2.98%～10.18%，區(qū)域徑流改善效果最差；區(qū)域整體徑流削減率與綠色屋頂基質(zhì)層厚度正相關(guān)，徑流峰值削減率受基質(zhì)厚度影響稍低；區(qū)域整體徑流削減率與綠色屋頂土壤基質(zhì)初始飽和度近乎線性負(fù)相關(guān)，徑流峰值削減率亦隨土壤基質(zhì)初始飽和度的增加呈降低的趨勢。

【關(guān)鍵詞】：低影響開發(fā)；極端降雨；徑流；綠色屋頂

【中圖分類號】：TU992.0 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-48-07

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.013

Research on the Effectiveness of Low-Impact Development Measures in Dealing with Extreme Rainfall

【Abstract】： In order to explore the improvement effect of low impact development （LID） measures on regional runoff under extreme rainfall conditions， five kinds of green roof physical model test devices （GR1-GR5） were built， and the rainfall runoff response curve under simulated rainfall conditions was obtained. Secondly， the SWMM runoff model of Yutou plot in Tongguan District of Tongling City was constructed， and combined with the test data， the analysis was focused on the effects of green roof substrate thickness and initial saturation on regional runoff improvement were studied. The results show that the application of matrix composition volume ratio：light sandy loam∶humus∶vermiculite =5∶3∶2 has the most obvious improvement effect on regional runoff. Compared with the case without LID， the overall regional runoff reduction rate under different rainfall conditions is between 5.13%～18.09%. When matrix composition volume ratio：leaf mould ∶vermiculite ∶sandy soil and garden soil ∶turf∶vermiculite and fertilizer are applied， the runoff reduction rate is between 3.41%～11.75% and 2.98%～10.18%， respectively， and the regional runoff improvement effect is the worst. There was a positive correlation between the overall runoff reduction rate and the substrate thickness of the green roof， and the influence of the substrate thickness on the runoff peak reduction rate was slightly lower. There was a linear negative correlation between the overall runoff reduction rate and the initial saturation of the green roof soil matrix， and the reduction rate of the peak runoff also showed a decreasing trend with the increase of the initial saturation of the soil matrix.

【Key words】： low-impact development measures；extreme rainfall； runoff；green roof

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市不透水面積占比越來越高，降雨徑流滯留能力大大減弱，流域內(nèi)的正常水循環(huán)也遭到破壞[1～2]，隨之引發(fā)城市內(nèi)澇、水環(huán)境污染、水資源短缺，熱島效應(yīng)等一系列環(huán)境問題[3～5]。為應(yīng)對這些問題，我國在21世紀(jì)初提出了建設(shè)“海綿城市”的新發(fā)展理念，該理念的核心為低影響開發(fā)技術(shù)（LID），即通過一系列“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施，實現(xiàn)區(qū)域水文的良性循環(huán)，從而達(dá)到徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制以及雨水資源化利用等多種目標(biāo)[6]。常見的LID措施有生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、透水路面以及其他各種小型措施[3]，其中，綠色屋頂設(shè)施因不占用城市用地資源且與傳統(tǒng)重力式和虹吸式屋面排水系統(tǒng)[7]不同，具有雨水徑流量削減、徑流峰值削減、節(jié)約能源、減少空氣和噪音污染等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[8～11]。

本文以5種實際的綠色屋頂模型裝置在室內(nèi)模擬降雨試驗中獲取的降雨-徑流數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，使用SWMM模型中LID模塊構(gòu)建了5種對應(yīng)的綠色屋頂?shù)陀绊戦_發(fā)措施，通過模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果的對比調(diào)整、校核參數(shù)，以校核后的模型開展了安徽省銅陵市銅官區(qū)魚頭地塊低影響開發(fā)措施在極端降雨工況下對區(qū)域整體徑流改善效果的分析，以此來識別5種基質(zhì)類型綠色屋頂措施在緩解區(qū)域整體徑流方面的優(yōu)劣，量化綠色屋頂基質(zhì)厚度及基質(zhì)初始飽和度對其調(diào)節(jié)區(qū)域徑流效果的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于安徽省銅陵市銅官區(qū)需對魚頭地塊進(jìn)行開發(fā)建設(shè)。采用SWMM模型對匯水區(qū)內(nèi)的排水管網(wǎng)進(jìn)行概化，得到SWMM雨水徑流模型，共計25個子匯水區(qū)、29個管道節(jié)點(diǎn)、28條管線、1段景觀明渠及1個排放口。見圖1。

1.2 綠色屋頂模型試驗

研究為探討不同基質(zhì)構(gòu)成綠色屋頂設(shè)施的雨水調(diào)控效果差異，參照J(rèn)GJ 155—2013《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》要求，構(gòu)建了5組綠色屋頂模型試驗裝置，各裝置的主要區(qū)別在于基質(zhì)構(gòu)成。見表1。

參考合肥市暴雨強(qiáng)度公式（1），設(shè)計了合肥市一年一遇持續(xù)時間30 min的均勻降雨模式（總雨量27 mm），通過室內(nèi)模擬降雨裝置（西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司），得到各綠色屋頂裝置的降雨-徑流實測數(shù)據(jù)，作為后期建模分析時綠色屋頂設(shè)施構(gòu)造參數(shù)的率定依據(jù)。見圖2。

式中：q為暴雨強(qiáng)度，mm/min；P代表設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時min。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置及率定

SWMM模型中的參數(shù)可分為兩大類：一類為可從資料上直接獲取的、較明確的參數(shù)，如子匯水面積、漫流寬度、不滲透面積比例、管道長度、管徑大小、井底高程等；另一類為不易獲取，需要根據(jù)區(qū)域的實際徑流情況來調(diào)整、率定及驗證的參數(shù)，如不透水區(qū)洼蓄量、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、透水區(qū)洼蓄量、透水區(qū)曼寧系數(shù)以及霍頓入滲相關(guān)參數(shù)等。

由于研究區(qū)域正處于待開發(fā)建設(shè)階段，缺乏相應(yīng)的降雨-徑流實測數(shù)據(jù)，不能通過出水口的實測數(shù)據(jù)對區(qū)域SWMM徑流模型進(jìn)行率定及驗證；故而，參考劉興波[12]提出的基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法對SWMM模型的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)及率定。建模區(qū)域的不透水區(qū)面積覆蓋率為43.33%，建筑較稀居住區(qū)（不透水區(qū)面積覆蓋率30%～50%）綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗值位于0.4～0.6之間[13]，調(diào)整后的模型在銅陵市0.5、1、3 a一遇且降雨歷時2 h時的綜合徑流系數(shù)分別為0.42、0.49、0.6，符合要求。見表2。

SWMM模型中LID模塊有關(guān)綠色屋頂?shù)膮?shù)設(shè)置分為表面層、土壤層和排水層，其中難以確定且對綠色屋頂設(shè)施雨水調(diào)控效果影響較大的為土壤層中的孔隙率、產(chǎn)水能力和導(dǎo)水率。根據(jù)前期室內(nèi)模擬降雨試驗得到的各綠色屋頂裝置出流實測數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與之對比來不斷率定上述參數(shù)，直至模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)接近。見表3。

1.4 降雨條件設(shè)置

依據(jù)安徽省銅陵市暴雨強(qiáng)度公式（2），設(shè)計了一定重現(xiàn)期的芝加哥雨型：降雨歷時t取120 min，雨峰系數(shù)取0.4，設(shè)計暴雨重現(xiàn)期P依次取0.5、1、3、5、10 a。見圖3。

式中：q為暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

2 結(jié)果分析

假定建模區(qū)域所有屋頂全部構(gòu)建綠色屋頂設(shè)施，分別模擬了5種構(gòu)造方案在5種暴雨情境下區(qū)域的降雨-徑流情況，并與未構(gòu)建綠色屋頂時的區(qū)域產(chǎn)流情況比較。

2.1 綠色屋頂基質(zhì)類型影響分析

添加綠色屋頂設(shè)施后，區(qū)域降雨時地表徑流量得到較明顯改善，排放口出流有明顯滯后效應(yīng)。由于各類型綠色屋頂設(shè)施基質(zhì)類型不同，導(dǎo)致其雨水滯蓄能力存在較明顯差異，進(jìn)而在降雨時，對區(qū)域整體徑流量的削減效果亦有所不同。GR2對區(qū)域徑流改善效果最為明顯，較未構(gòu)建LID時各降雨工況下的區(qū)域整體徑流削減率5.13%～18.09%；GR3對區(qū)域徑流量的削減效果亦較為明顯，較未構(gòu)建LID整體徑流削減率4.55%～15.98%；對區(qū)域徑流削減效果最差的為GR4和GR5，其在各降雨工況下的徑流削減率分別為3.41%～11.75%和2.98%～10.18%。綠色屋頂設(shè)施對區(qū)域徑流的削減效應(yīng)與降雨重現(xiàn)期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著降雨重現(xiàn)期的增加，區(qū)域徑流削減率逐漸降低，綠色屋頂徑流削減效應(yīng)變差，此與大部分LID究得出的結(jié)論相似[14]。隨著降雨重現(xiàn)期由0.5 a增加到10 a，各工況下區(qū)域徑流平均削減率從14.05%逐步降低至4.03%。見圖4和表4。

綠色屋頂各項參數(shù)中，滲透率表征了雨水下滲速率，若瞬時降雨入流量高于下滲量，則雨水來不及下滲，直接形成表面徑流，提前從綠色屋頂設(shè)施表面溢流排出。此種情況下，若降雨時間過短，則由于基質(zhì)層滲透速率的限制，會使得綠色屋頂?shù)挠晁疁粜势?；但較長降雨歷時，對雨水滯留效率的影響則相對有限。

本次設(shè)計的降雨歷時均為2 h，歷時較長，綠色屋頂模擬降雨試驗時GR1、GR2、GR3及GR4中均未觀察到有表面徑流產(chǎn)生，故此4種綠色屋頂在參數(shù)率定時參考SWMM模型應(yīng)用手冊及相關(guān)研究中有關(guān)基質(zhì)層滲透率的取值，將滲透率取值定為100 mm/h，在對比分析各類型綠色屋頂設(shè)施應(yīng)用場景下對區(qū)域徑流削減率的影響也是較為合理的；GR5由于室內(nèi)模擬降雨試驗觀察到了表面徑流，故研究對比其開始出流的時間，不斷調(diào)整滲透率參數(shù)，最終確定滲透率的數(shù)值為47 mm/h。

添加各類型綠色屋頂設(shè)施后，排放口出流量峰值明顯降低，體現(xiàn)了綠色屋頂設(shè)施的雨水滯蓄作用。見圖5。

進(jìn)一步對比各類型綠色屋區(qū)域產(chǎn)流過程可發(fā)現(xiàn)，5種綠色屋頂中， GR5對區(qū)域徑流排放峰值的削減效果最差，而GR1、GR2、GR3、GR4徑流量峰值削減則較為一致。不難看出，綠色屋頂設(shè)施基質(zhì)層的滲透速率是影響其徑流峰值流量削減效果的關(guān)鍵因素，若基質(zhì)滲透速率較低，則降雨強(qiáng)度稍大時便易產(chǎn)生表面徑流，失去雨水滯蓄意義。因此，在構(gòu)造綠色屋頂設(shè)施時，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇基質(zhì)層土壤類型，避免選用滲透性能較差的基質(zhì)。

2.2 基質(zhì)厚度及土壤初始飽和度影響分析

綠色屋頂構(gòu)建時基質(zhì)厚度的選擇是由屋頂可承受荷載及種植的植物種類決定的，通常為100～900 mm不等；基質(zhì)厚度不同，必然導(dǎo)致綠色屋頂滯蓄雨水能力的差異，進(jìn)而影響區(qū)域整體的徑流特性。選取參數(shù)率定時更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木G色屋頂GR5，設(shè)置了100、150、200、250、300 mm5種基質(zhì)厚度，研究條件允許時不同基質(zhì)厚度綠色屋頂設(shè)施對區(qū)域整體徑流的影響?？紤]現(xiàn)實中降雨往往是連續(xù)的，每一場獨(dú)立降雨事件發(fā)生前，綠色屋頂?shù)臏钅芰赡懿]有得到完全甚至是較好的恢復(fù)；因此，設(shè)定土壤基質(zhì)初始飽和度分別為0、10%、20%、30%、40%，以定量評估基質(zhì)初始條件對區(qū)域整體徑流改善效果的影響。

隨著綠色屋頂基質(zhì)厚度的增加，其帶來的區(qū)域整體徑流量的削減率亦呈增加的趨勢，但是對于不同重現(xiàn)期降雨，增加的趨勢又有所不同：低重現(xiàn)期的降雨（0.5、1 a）區(qū)域徑流削減率先隨基質(zhì)厚度的增加呈上升的趨勢，在到達(dá)拐點(diǎn)處后便保持在較為穩(wěn)定的數(shù)值，不再隨基質(zhì)厚度的增加而上升；較高重現(xiàn)期降雨（3、5、10 a）徑流削減率隨基質(zhì)厚度的增加一直呈上升的趨勢。拐點(diǎn)意味著此厚度的綠色屋頂設(shè)施可完全滯留降雨入滲的雨水，雨水不會從底部排水層排出，故即使繼續(xù)增加基質(zhì)厚度，但由于相同降雨時長內(nèi)入滲的雨水量是一定的，所以并不會增加雨水滯留量。

徑流峰值削減率與基質(zhì)厚度的變化關(guān)系亦表現(xiàn)出兩種變化趨勢：低重現(xiàn)期降雨綠色屋頂對區(qū)域徑流峰值的削減會保持在較高水平，不會隨基質(zhì)厚度的增加有明顯變化；較高重現(xiàn)期降雨區(qū)域徑流峰值削減率先隨基質(zhì)厚度的增加呈上升趨勢，重現(xiàn)期越大上升幅度越大，但在達(dá)到拐點(diǎn)后，就保持穩(wěn)定水平，不再隨基質(zhì)厚度的增加而發(fā)生明顯變化。見圖6。

徑流量削減率與基質(zhì)初始飽和度近乎線性負(fù)相關(guān)，低重現(xiàn)期降雨，徑流量削減率降低得更快。在基質(zhì)初始飽和度從30%增加至40%的過程中，區(qū)域徑流量削減率從正值降低至0甚至為負(fù)值，意味著此時區(qū)域內(nèi)添加的綠色屋頂設(shè)施已不能起到削減雨水徑流量的作用，反而會導(dǎo)致區(qū)域徑流量的增加。

SWMM模型中LID措施（包含綠色屋頂、雨水花園、生物滯留池）土壤基質(zhì)初始飽和度定義為降雨發(fā)生前，基質(zhì)初始充水程度，0對應(yīng)了土壤基質(zhì)萎焉點(diǎn)（孔隙中殘留的結(jié)合水的體積占干燥土壤總體積的分?jǐn)?shù)，土壤含水量不能低于這一限度）時的含水量，而100%對應(yīng)于水分充滿基質(zhì)孔隙時的含水量。所以，在土壤基質(zhì)初始飽和度從0逐步增加至100%時，基質(zhì)含孔隙水越來越多，當(dāng)超過基質(zhì)最大持水能力時，便會產(chǎn)生滲流，導(dǎo)致額外的徑流量。當(dāng)然，現(xiàn)實中連續(xù)降雨期間，LID設(shè)施雨水滯留能力雖得不到完全恢復(fù)，但是以常用的6、12、24 h的間隔來區(qū)分獨(dú)立降雨事件時，LID設(shè)施有足夠的時間排除土壤孔隙水，并根據(jù)氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等環(huán)境因素的不同來恢復(fù)自身雨水滯蓄能力。所以，也不會產(chǎn)生導(dǎo)致區(qū)域整體徑流量增加的極端情況。

本研究模擬LID設(shè)施不同土壤基質(zhì)初始飽和度下區(qū)域的降雨-徑流情況，較為直觀的體現(xiàn)了降雨事件發(fā)生前LID設(shè)施初始條件對區(qū)域徑流量的影響程度，并發(fā)現(xiàn)對于此基質(zhì)類型的綠色屋頂設(shè)施，在其土壤基質(zhì)初始飽和度到達(dá)40%左右時便失去了雨水徑流削減能力。綠色屋頂設(shè)施對區(qū)域徑流峰值削減率隨土壤基質(zhì)初始飽和度的增加呈降低的趨勢，較低重現(xiàn)期降雨降低速率呈增加的趨勢，較高重現(xiàn)期降雨降低速率呈降低的趨勢。此外，較高重現(xiàn)期降雨綠色屋頂設(shè)施隨基質(zhì)初始飽和度的增加快速失去徑流峰值削減能力：在3 a重現(xiàn)期下，綠色屋頂設(shè)施在基質(zhì)初始飽和度為40%時的徑流峰值削減率為0.32%，近乎失去峰值削減能力；而在5、10 a重現(xiàn)期下，當(dāng)基質(zhì)初始飽和度為30%時，綠色屋頂?shù)姆逯迪鳒p率僅分別為0.75%和0.08%，亦失去徑流峰值削減能力。見圖7。

3 結(jié)論

采取綠色屋頂物理模型試驗和SWMM徑流模型演算相結(jié)合的方式，研究了低影響開發(fā)（LID）措施在極端降雨情況下對區(qū)域徑流的改善效果。對于5種不同基質(zhì)構(gòu)造的綠色屋頂設(shè)施， GR2對區(qū)域徑流改善效果最為明顯，較未構(gòu)建LID時各降雨工況下區(qū)域整體徑流削減率5.13%～18.09%； GR4和GR5徑流削減率3.41%～11.75%和2.98%～10.18%，區(qū)域徑流改善效果最差。區(qū)域整體徑流削減率與綠色屋頂基質(zhì)層厚度呈正相關(guān)關(guān)系，且在低重現(xiàn)期降雨條件下存在增長的拐點(diǎn)，而在高重現(xiàn)期降雨下則一直保持顯著增長的趨勢；區(qū)域徑流峰值削減率在低重現(xiàn)期降雨條件下隨基質(zhì)厚度增加無明顯變化，但在高重現(xiàn)期降雨條件下先隨基質(zhì)厚度的增加呈上升的趨勢，到達(dá)拐點(diǎn)后保持相對穩(wěn)定。區(qū)域整體徑流削減率與綠色屋頂設(shè)施土壤基質(zhì)初始飽和度近乎線性負(fù)相關(guān)，區(qū)域徑流峰值削減率隨綠色屋頂土壤基質(zhì)初始飽和度的增加呈降低的趨勢。

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