基于SUSTAIN 模型的雨洪管理規劃

林偉斌，鄭郁善

(福建農林大學 園林學院，福建 福州 350002)

基于SUSTAIN 模型的雨洪管理規劃

林偉斌，鄭郁善*

(福建農林大學 園林學院，福建 福州 350002)

摘要：在我國推行海綿城市的背景下，各地區開始大量建設雨洪管理項目，但缺乏科學合理的前期評估方法。筆者采用EPA開發的SUSTAIN模型作為載體，以福建農林大學下安校區作為研究基地，分析對比其在開發前、現狀場景、雨洪措施規劃場景下年徑流削減和污染物削減情況，結果表明，基于SUSTAIN的雨洪管理措施能有效減少徑流和污染物。

關鍵詞：海綿城市；SUSTAIN模型；校園綠地；低影響開發

隨著城市化和全球氣候變遷，我國很多城市在雨季都會發生嚴重的內澇。近年來,北京、上海、廣州、深圳等大中城市都發生過嚴重的城市內澇，造成嚴重的財產損失和人員傷亡[1]。由于城市中大量綠地的高程普遍高于路面，道路容易被淹沒，導致道路周邊綠地形成綠島。國外城市發展的過程中也遇到過類似的問題，在應對這些問題時，通常采用暴雨水最佳管理辦法[2](Best Management Practices,BMPs)、低影響開發(Low Impact Development, LID)[3]、綠色雨水基礎設施[4](Green Stormwater Infrastructure, GSI)等有效利用城市綠地進行暴雨水管理的方法。根據我國國情，人們提出了海綿城市的概念，各地根據自身的氣候、區位、經濟發展情況制定了各種海綿城市規范，如南寧市制定了南寧市海綿城市規劃設計標準及南寧市海綿城市規劃設計導則。

美國EPA開發了搭載在ArcGIS平臺上的SUSTAIN模型，模型自帶有水文模擬軟件，其主要框架包括構架管理模塊、土地模擬模塊、BMP模擬模塊、傳輸模擬模塊、優化模塊和后處理模塊七類[5]。美國國家環保局(USEPA)支持開發的城市暴雨處理及分析集成模型系統(SUSTAIN),以ArcGIS為基礎平臺,綜合應用了水文、水力和水質分析模型,可以對BMP和LID的措施類型、安置地點和實施效果進行科學有效的設計與評估,對于我國開展暴雨管理措施的模型分析與設計評估具有很好的借鑒意義[6]。

1研究區域概況

福建農林大學(簡稱“福建農大”)，坐落于福建省省會福州市，是全國建校最早的農林院校之一，是福建省重點建設高水平大學之一 ，是農業部與福建省政府共建大學、國家林業局與福建省政府共建大學，是全國首批碩士學位授予權單位和全國第二批博士學位授予權單位，教育部本科教學工作水平評估優秀高校，國家首批卓越農林人才教育培養計劃改革試點高校。學校東臨閩江，西臨烏龍江，南倚妙峰山，北靠淮安山，校園三面被繁茂的山林所環繞，形成開口向西的馬蹄形丘陵谷地，全年氣候冬短夏長，溫暖濕潤，有利于各類生物的生長和繁殖。

下安校區為福建農林大學在2007年進行校園擴建的校區，有誠智教學樓群、實驗樓群、下安桃山公寓樓、下安食堂，作為容納教學、科研、學生住宿多功能復合區域。然而，區域內卻沒有進行科學的雨洪規劃，在雨季經常發生集水現象，嚴重影響正常的教學、科研活動。區域內有一個大型田徑場，保留有一個景觀濕地水池，誠智樓群和實驗樓群之間有大量的分散綠地。根據LID規劃要求，可以實施分散式的雨洪管理措施，從源頭開始控制雨水徑流。學校操場全貌見圖1，實驗樓樓間綠地見圖2。

圖1　學校操場

圖2　實驗樓樓間綠地

對于基地內的主要雨洪問題歸納如下：

(1)缺乏基于雨洪管理的校園雨水專項規劃。福州地區大學校園規劃主要考慮通過溝渠、管道等傳統的雨水管理手段快速將場地內的雨水外排，在雨水規劃上缺乏關于雨洪管理的內容。在雨季，部分下水管容易發生溢流事件，地面大量垃圾物會堵塞雨水管道和雨水收集口。

(2)校園用地不透水下墊面面積大，雨季積水嚴重。大學校園規劃廣場、建筑、停車廠、運動場等不透水下墊面占用比例大，在暴雨時產生較大的地表徑流，而校園場地設計的排水系統多為2～3年一遇的降雨標準，不能應對極端氣候背景下短歷時的強降雨，極易造成部分交通干道、廣場用地積水，嚴重影響校園中師生出行，甚至造成一定的經濟損失。

(3)雨水管理模式單一，缺乏雨洪管理措施的綜合應用。福州地區大學校園的雨洪管理措施建設使用模式單一，多以透水鋪磚，大量綠地其標高都高于路面，并沒有起到削減徑流、凈化水質的作用。

(4)綠地整體布局不合理，豎向設計。在大學校園建設的初期并沒有從雨洪管理的角度去思考綠地布局，在城智樓與下安實驗樓之間存在大量的綠地空置。

2模型建立

在SUSTAIN模型準備階段該需要大量的基礎資料，本研究以2015年全年每天每3小時的降雨數據作為研究基礎數據，其他的氣象資料包括日平均氣溫、平均風速、最高氣溫、最低氣溫等材料，根據SUSTAIN模型的資料識別要求，將降雨資料轉化為dat格式的材料，將氣象資料轉化成swm格式的材料。

本研究通過SUSTAIN模型中對雨洪管理措施物理限制條件的設定，借助ArcGIS強大的圖形資料的讀取和分析識別功能，讀取研究區域的數值地形圖、地下水位特征、土壤類型、集水區坡度、研究區域的道路信息等資料進行各雨洪管理措施的篩選，經過初步的現場調研，選取了雨水花園、綠屋頂、生態草溝、雨水桶、透水鋪裝作為建設雨洪管理措施的區域，最終選取出雨水花園適宜建設區域(見圖3)。可以看出，雨水花園適宜建設的區域主要位于樓間綠地、廣場周邊綠地，東部由于坡度較陡，適宜建設的綠地較少。綠屋頂的適宜建設區域見圖4。從圖4可以看出，大部分屋頂都適宜建設綠屋頂，結合現場調研，需要排除安新苑的坡屋頂建筑、實驗樓旁的實習基地的坡屋頂建筑。根據現狀排水管網的布局和現狀，調研研究區域的雨水收集井、雨水，本研究區域較小，雨水收集的時間均不超過一個小時，管網的流動時間可以忽略。根據現場校園排水管網的特征，為提高模擬的效率，同時在現狀的基礎上，將雨水井、雨水管道進行概念化，在主要的高程變化點、管網拐點等區域設置雨水收集井。根據現狀排水系統，主要為內部渠道排水，本研究劃分了北部子集水區、南部子集水區、東部子集水區三個主要集水區，其主要的排水口分別與研究區域內的排水溝渠相連。最后，展示的排水系統和排水渠劃分如圖5所示。

圖3　雨水花園適宜建設區域

圖4　綠屋頂適宜建設區域

根據場地內雨洪管理措施優化的結果，采取分散式的規劃布局，充分利用建筑周邊綠地、建筑屋頂操場周邊的綠地布置，通過分散式逐級削減的串聯雨洪措施，從建筑屋面的源頭開始控制，就地處理污染物。在北部集水區體育館和圖書館的建筑屋頂，將建筑周邊綠地改造為雨水花園，以管控來自建筑屋頂的雨水。西部集水區充分利用實驗樓與教學樓之間的綠地設置雨水花園，并在教學樓與實驗樓屋頂設置綠屋頂。東部集水區因為坡度較陡，可以設置雨水花園的面積有限，因此結合雨水罐來控制來之屋頂的徑流。LID雨洪管理措施布置圖如圖6所示。

圖5　集水區和雨水管網分布圖

圖6　LID措施規劃布置圖

3結果與討論

與開發前相比，開發后的場景北子集水區年徑流量增加了39 649 m3，漲幅159.1%;西子集水區年徑流量增加了89 746 m3，漲幅107.7%;東子集水區年徑流量增加了75 407 m3，漲幅85.8%。可見，開發后下墊面不透水面積的增大對年徑流總量影響很大，增幅北子集水區、西子集水區都在1倍以上。由于西子集水區存在較大的綠地緩沖，東子集水區有大片的水土保持科技園林地，故年總徑流增長較小。

加入LID措施后，北子集水區年徑流總量削減至35 845m3，削減了55.52%；西子集水區年徑流總量削減至57 932m3，削減了33.48%；東子集水區年徑流總量削減至69 867m3，削減了42.8%。從總體上看，加入LID措施之后，可以對場地內的徑流進行有效控制，可以看到北子集水區的控制效果最好，是因為在北子集水區內綠屋頂增加的雨水花園面積比較大，可以更加有效地管控來自屋面和道路的地表徑流。

[參考文獻]

[1]林偉斌，林偉光，陳凌艷，等.低影響開發模式在風景園林場地設計中的應用[J].湖北工程學院學報，2015，35(6):99-103.

[2]黃新雨，張太平.廣州城市河岸帶環境及最佳管理措施BMPs應用初探[J].生態科學，2014(5):858-864.

[3]趙國翰. 基于低影響開發的城市排水系統改造研究[D].成都：西南交通大學,2015.

[4]賈行飛，戴菲.我國綠色基礎設施研究進展綜述[J].風景園林， 2015(8):118-124.

[5]賈海峰，姚海蓉，唐穎，等.城市降雨徑流控制LID BMPs規劃方法及案例[J].水科學進展，2014(2):260-267.

[6]邢薇，王浩正，趙冬泉，等.城市暴雨處理及分析集成模型系統(SUSTAIN)介紹[J].中國給水排水，2012，28(2):29-33.

(責任編輯：張凱兵)

Stormwater Management Planning Based On SUSTAIN Model

Lin Weibin, Zhen Yushan*

(CollegeofLandscapeArchitecture,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)

Abstract：Under the background of the implementation of sponge city in China, several management projects on storm-water have been built in various regions. However, for the early projects, there seems to be a lack of scientific and reasonable evaluation process. This research, with the Xia’an campus of Fujian Agriculture and Forestry University as a research base, adopts the EPA development SUSTAIN model, analyzes the scenes before the development, the present situation under the conditions of the storm-water management measures, and compares the yearly runoff reduction and pollution reduction. It can be concluded that the storm-water management measures can effectively reduce runoff and pollution.

Key Words：sponge city；SUSTAIN model；greenland of campus；low impact development (LID)

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：林偉斌(1989-)，男，福建仙游人，福建農林大學園林學院碩士研究生。

中圖分類號：TU986.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0071-04

鄭郁善(1960-)，男，福建閩清人，福建農林大學園林學院教授，博士生導師，本文通信作者。