低影響開發措施的建設對城鎮排澇模數的影響研究

彭秋偉，羅 強，王修貴，肖君健

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 湖北省城市規劃設計研究院，武漢 430071)

城市化進程改變了城市地區原有土地利用和植被覆蓋，使得城市的下墊面發生變化，主要表現在不透水層面積增加，從而使得暴雨期間洪峰流量提前，匯流時間縮短，與氣候變化的共同作用，導致城市內澇加劇，嚴重地影響了城市的安全，城市內澇的治理迫在眉睫。

傳統的城市內澇治理以雨水管網和泵站排澇為主，這一模式僅考慮排水，沒有考慮利用地形、植被的滯蓄作用，因此這種傳統的城市“快排”模式效率較低且增加灰色排水設施[1]規模以及排水壓力，無法應對城市化的進程。為解決城市排水能力不足，城市雨洪管理技術開始被重視，其中低影響開發(Low Impact Development，LID)在工程實踐中獲得了較好的應用成效。

LID最早于20世紀90年代初由美國馬里蘭州的王子喬治郡以雨水花園為基礎提出，主要采用分散、多樣、小型等技術從源頭上儲存、滲濾、蒸發以及截留雨水，最大限度地保護開發改造地區的水文機制，減少負面環境影響，其主要包括生物滯留(bio-retention)、綠色屋頂(green roof)、可滲透路面(peameable pavement system)等措施[2]。已有研究表明LID在洪峰削減、地下水補給、社區雨水綜合利用、非點源污染控制等城市問題方面有顯著效果[3]。

目前，對LID的研究，主要在于城市水文效應模擬、LID技術的應用、LID對城市徑流污染控制等方面。而LID對于傳統城市排澇工程規劃中排澇模數的影響，尚缺乏定量的研究。本文以廣州市南沙區大崗鎮為背景，擬建立區域SWMM模型模擬城區的水文過程，并通過情景分析，研究不同LID措施實施后對城市排澇模數的定量影響，以此為城市排澇工程的建設提供參考。

1 研究區概況

廣州市南沙區大崗鎮地處珠江三角洲，113°20′49″～113°33′10″E、22°43′44″～22°51′40″N，為典型的珠三角沖積平原。年平均降雨量1 650 mm，地下水位埋深1.5～3.0 m,地勢低平，河網縱橫，暴雨期間極易受澇。澇水通過各支涌匯入大崗瀝和潭州瀝，然后通過南順水閘排入上橫瀝。城區包括大崗鎮全部和靈山鎮部分，集水面積約為12.1 km2。地面高程在5.2～6.8 m之間(廣州高程)。

2 研究方法

EPA SWMM模型于1971年由美國環保署開發，集水文、水力及水質模擬功能于一體的分布式城市暴雨徑流管理模型[4]。利用其LID模塊模擬場次降雨事件可評估LID措施對城鎮管網排水的影響。

2.1 城區產匯流模型建立

2.1.1設計暴雨

本文設計暴雨包括2 h短歷時暴雨和24 h長歷時暴雨。采用2 h短歷時暴雨對城區管網模型參數率定。采用24 h長歷時暴雨計算不同LID措施情景下城鎮區域的排澇模數。

短歷時暴雨由廣州市市政排水2 h短歷時暴雨強度公式計算得到。24 h長歷時設計暴雨利用排區內或鄰近雨量站的長系列點雨量或面雨量資料進行P-Ⅲ型曲線擬合，從而可得到不同設計重現期下的暴雨量。

2.1.2城區排水系統概化

已建城區總集水面積12.1 km2。土地利用狀況主要為屋面、道路、綠地、廣場4中典型下墊面，分別占匯水區總面積的23%、33%、25%、19%。不透水面積為9.1 km2，占城區總面積75%。根據SWMM模型原理和實測管網數據，對研究區概化，將整個研究區劃分為87個子匯水單元，163個鉸點，13個排放口，見圖1。

圖1 城鎮區管網模型概化圖

2.1.3城區產匯流計算

SWMM模型中，各個子匯水區域可劃分為透水區、有洼蓄能力的不透水區和無洼蓄不透水區三部分。地表產流即對三類地表徑流量分別進行計算，然后通過面積加權得到子匯水區的徑流過程線。研究區降雨量充足，地下水位高，土壤入滲能力較大。為更好的描述該城區可透水地面的滲透性能，本研究選用Horton模型模擬區域的入滲過程。模型中采用非線性水庫模型計算地面匯流，即將子匯水區視為一個水深不大的水庫。降雨是該水庫的入流，土壤入滲和地表徑流是水庫的出流，通過求解連續方程和曼寧方程(式1)得出流過程。管網匯流通過動力波法完全求解圣維南方程組來完成(式2)[5]。

(1)

式中：Q為子匯水區出流量，m3/s；A1為子匯水區面積，hm2；W為子匯水區特征寬度，m；i為降雨強度，mm/h；f為下滲強度，mm/h；S為子流域坡度，m/m；h為地表徑流的平均水深，mm；hp為滯蓄水深，mm；n為曼寧系數。

(2)

式中：Q為進出控制單元體流量，m3/s；A2為過水斷面面積，m2；h為水位，m；q為旁側入流量，m2/s；C為謝才系數，m0.5/s；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；Qt為進出節點流量，m3/s；At為節點自由表面積，m2。

2.2 LID措施情景設置

由城區土地利用狀況實測資料分析得到城區土地利用主要為屋面、道路、綠地、廣場4種典型下墊面，分別占匯水區總面積的23%、33%、25%、19%，其相應面積分別為2.78、3.99、3.03、2.3 km2。

針對研究區的土地利用類型選用綠色屋頂、透水路面、雨水花園3種LID措施作為控制單元即將部分屋面改造為綠色屋頂、道路和廣場改造為透水路面、綠地改造為雨水花園，利用SWMM模型模擬其雨洪控制效果。考慮實際情況，綠色屋頂、透水路面、雨水花園最大可布設面積分別為2.78、4.25、2.5 km2。

(1)綠色屋頂。綠色屋頂主要由植被層、基質層、過濾層、排水層、防水層等組成，通過介質對雨水的儲存以及植被的蒸發而實現對降雨徑流的控制。本文根據項目區實際并參考《屋頂綠化設計規范》以及相關文獻設置綠色屋頂參數，綠色屋頂植物覆蓋率為100%，基質層厚度100 mm，過濾層厚度100 mm，排水層厚度100 mm，洼蓄量4.5 mm[6,7]。其他參數參考SWMM模型使用手冊設定。

(2)透水路面。透水路面有多孔瀝青、多孔混凝土路面、碎石等多種形式。滲透路面可有效降低不透水地面面積，增加雨水下滲能力，削減雨水徑流。本文關于滲透路面的參數設置根據項目區實況并參考《建筑與小區雨水利用工程技術規范》[8]以及相關文獻。面層厚度為60 mm、孔隙率為0.22，基質層厚度為120 mm、孔隙率糙率為0.28；墊層厚度為150 mm、空隙率為0.35[9]。其他參數參考SWMM模型手冊[4]。

(3)雨水花園。雨水花園一般建設在停車場或居民區附近，在低洼區域種植灌木、花草等植被，通過土壤和植被以及洼地的滯蓄作用將雨水滯留從而減少徑流量。其設計結構依據當地土壤滲透性能、區域降雨條件、土地利用方式等而定。本文雨水花園結構由蓄水層(160 mm)、植被覆蓋層(55 mm)、種植土層(1 000 mm)、碎石填料層、防滲層組成[10]。填料層的持水率、空隙比等參數按SWMM模型手冊取值分別為0.2、0.4。

(4)LID組合情景設置。 由實測土地利用資料知城鎮區各子匯水區下墊面條件類似，故參照城鎮總面積設置LID措施面積比例，然后按照各子匯水面積等比例分配各子匯水區LID措施面積。LID措施情景規模如表1所示。情景1表示未設置LID措施；情景2、3、4各LID措施總面積相同皆為2.5 km2；情景5、6是混合LID措施。

表1 城區LID組合規模

注：綠色屋頂率=布設綠色屋頂面積/可布設綠色屋頂總面積，透水路面率和雨水花園率的計算方法類似。

2.3 參數選取和率定

模型中確定性參數如子匯水區面積、寬度、平均坡度、不透水率、管道長度、管徑、節點高程等由實測資料得到。經驗性參數如不透水區糙率、透水區糙率、透水區洼蓄量、霍頓公式參數等選取于相關的研究文獻或SWMM模型手冊[11,13]，對模型參數的率定采用劉興坡[12]提出的基于徑流系數的城市降雨徑流模型參數校準方法，通過反復迭代試算得到最佳參數集。以2 h 短歷時設計暴雨為基礎，利用模擬得到綜合徑流系數,分別用重現期為1 a和3 a的合成降雨檢驗參數率定結果在常見降雨重現期范圍內的穩健性[13]。

城鎮典型區域不透水面積率為75%，根據表2[14]以及相關文獻[15]，按地表種類面積加權計算得到典型區域綜合徑流系數為0.7，故取0.7為目標徑流系數。

表2 徑流系數經驗值表

2.4 區域排澇模數的計算

根據項目區的排水實際，城區管網各出水口的出流均匯入大崗瀝，也是在排澇過程中需要排出的水量。因此，利用SWMM模型計算得到城區管網各個出水口流量過程線，將出口流量匯總后再根據排區面積，即可計算得到排澇模數,計算公式為:

(3)

式中：q為排區排澇模數，m3/(s·km2)；Q為匯入大崗瀝總過流量，m3/s；F為排區總面積，km2。

3 計算結果以及分析

依據10 a一遇24 h暴雨一日排干的排澇標準，利用水量平衡法分別計算大崗鎮區在有無實施LID措施時遭遇5、10、20、30、50 a一遇的重現期下24 h暴雨時泵站的設計流量，再除以控制面積得到城區的排澇模數。成果見表3。

表3 排澇模數計算

將表3中情景1的排澇模數分別減去情景2、情景3、情景4、情景5、情景6中的數據可以得到不同LID措施在不同重現期下的排澇模數削量，見圖2。

圖2 各重現期下不同LID措施的排澇模數削減量

分析上述數據以及圖表可以得出如下結論：

(1)由圖2情景2、情景3、情景4可知，LID措施對排澇模數的削減量隨重現期的增加是呈下降趨勢。相同的LID面積(2.5 km2,占城區總面的20.6%)下，各單項LID措施對排澇模數削減效果排序為：雨水花園>透水路面>綠色屋頂。在5 a一遇24 h暴雨條件下3種LID措施對排澇模數的削減率分別為8.5%、6.4%、6.1%。而在50 a一遇24 h暴雨條件下3種單項LID措施(情景2～情景4)對排澇模數幾乎沒有影響。其中在任何重現期暴雨下綠色屋頂對排澇模數影響最小且隨著暴雨重現期的增加各LID措施對城區排澇模數的影響效果逐漸減弱。

雨水花園對排澇模數的影響大小主要取決于其介質層深度、介質層的土壤類型、有無出流設施、研究區天然土壤性能等。在不考慮出流設施情形下，研究區天然土壤性能對雨水花園的地下水補給影響較大。故在遭遇24 h降雨時重現期較小的降雨能大量補給地下水，而重現期較大的場次降雨當雨量超過土壤飽和含水量，同時雨強高于土壤飽和水力傳導系數時仍形成大量徑流。

透水路面通過透水空隙使雨水通過表層滲透到底層，在不設置底層排水層時，雨水直接入滲到底層土壤補給地下水。其基層與墊層之間能短時間存儲雨水。相對于雨水花園，透水路面由于表層有一定的不透水面積且無植被的滯留作用，故其對徑流的影響遠小于雨水花園。

綠色屋頂對排澇模數的影響較小主要是因為綠色屋頂的洼蓄量較小，雖能截流部分雨水但當雨量超過屋頂材料的飽和含水率后會形成有效徑流。

(2)情景5是同時設置雨水花園、透水路面、綠色屋頂3種LID措施且面積相等為2.5 km2時。在5 a一遇24 h暴雨條件下排澇模數由未設置LID措施時的7.76 m3/(s·km2)降低至5.65 m3/(s·km2)，削減率為27%。在遭遇50 a一遇24 h暴雨時排澇模數由未設置LID措施時的13.6 m3/(s·km2)降低至12.55 m3/(s·km2)，削減率為 8.1%。

情景6同時設置雨水花園、透水路面、綠色屋頂3種LID措施且它們的面積率皆為100%。此時在5 a一遇24 h暴雨條件下排澇模數由未設置LID措施時的7.76 m3/(s·km2)降低至4.45 m3/(s·km2)，削減率為42%。在遭遇50 a一遇24 h暴雨時排澇模數由未設置LID措施時的13.6 m3/(s·km2)降低至11.63 m3/(s·km2)，削減率為 14.9%。

分別計算出情景5、情景6中各重現期下排澇模數與情景1中排澇模數的比例，見表4。

4 結 語

(1)本文采用模型模擬的方法，對雨水花園、透水路面、綠色屋頂影響城鎮排澇模數效果進行了分析。結果表明在布設面積相同的情形下，對排澇模數影響最大的是雨水花園，其次是透水路面，綠色屋頂最小；

表4 情景5、6排澇模數與情景1排澇模數比值

(2)建設LID措施對于排區排澇模數的削減有很好的效果，尤其是對于5、10 a一遇暴雨情景下。對于本研究區排澇規劃標準為10 a一遇24 h最大暴雨一日排完。在充分布設LID措施后遭遇10 a一遇24 h暴雨的排澇模數僅為情景1的71%，也僅高于情景1中遭遇5 a一遇暴雨時所需排澇模數的28%。而對于遭遇50 a一遇暴雨時布設LID措施能使排澇模數降為情景1時的86%。

(3)參數的選擇對于模型模擬的結果影響較大，本文參數的選取于相關文獻和實際資料。基本符合工程項目區的要求。因此模擬結果對本項目區具有一定參考性。但由于模型中各種LID措施參數如洼蓄量、滲透系數、曼寧系數等選取單一，而工程實際狀況復雜，故在工程項目中還應根據實際情形因地制宜建設LID措施。

綜上所述，充分利用城鎮區土地建設低影響開發措施有利于減輕城鎮排澇壓力、能有效緩解我國快速城市化過程帶來的內澇災害方面的問題。但LID措施的建設對于控制長重現期的強降雨引起城市地表徑流量以及匯流速度快速增大而導致的城市澇災尚有一定的局限性。傳統的泵站抽排仍是控制澇災風險的主要方式。在除澇防災的工程規劃實踐中應充分考慮區域規劃現狀、合理利用土地資源、逐步推行城市低影響開發措施的建設，建立“蓄、滯、滲、排”相結合的現代排水防澇體系。

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