深圳民治河流域低影響開發(fā)措施水文效應(yīng)評估

黃國如, 李碧琦

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，深圳市城市化程度有了顯著提高，改變了城區(qū)的自然地理條件及排水體系，影響了水文要素變化規(guī)律，導(dǎo)致雨洪徑流及洪峰流量增大，峰現(xiàn)時間提前，洪水陡漲陡落，行洪時間縮短，使得城市暴雨洪水出現(xiàn)頻率與潛在風險不斷增大[1]，為此國家提出海綿城市建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略，以減緩城市洪澇災(zāi)害和面源污染，其中低影響開發(fā)措施(LID)為其核心內(nèi)容之一。隨著海綿城市建設(shè)的不斷推進，利用城市雨洪模型定量化評估LID措施水文效應(yīng)可為海綿城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。SWMM模型為一類較為有效的城市雨洪模型，其5.1版本增加了LID措施模塊[2-3]，可利用該模型評估研究區(qū)域在采取LID措施后對降雨徑流的控制效果[4-17]，例如，李霞等[4]選擇天津薊縣典型小區(qū)作為研究區(qū)域，利用SWMM模型分析綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹式綠地組合對地表徑流量的削減率；胡愛兵等[5]利用SWMM模型對LID開發(fā)模式下的水文條件進行模擬，以指導(dǎo)研究區(qū)域LID設(shè)施的合理布局；戚海軍[6]基于SWMM和MIKE Urban對北京建筑大學(xué)西城校區(qū)進行了LID措施的設(shè)計及效能模擬研究；蔡慶擬等[7]以廣州市海珠區(qū)高爾夫小區(qū)為例，利用SWMM模型評估了低影響開發(fā)措施效果。上述研究大多基于社區(qū)單元尺度進行，本文以深圳市民治河流域為研究區(qū)域，構(gòu)建基于SWMM的城市雨洪模型，并利用實測資料率定模型參數(shù)，評估LID措施對民治河流域的水文效應(yīng)，進而為流域海綿城市建設(shè)提供科學(xué)參考。

2 民治河流域SWMM模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

民治河流域位于深圳市龍華新區(qū)民治街道，該區(qū)域已基本實現(xiàn)農(nóng)村城鎮(zhèn)化，尤其是近年來新建了深圳北站、地鐵等一批重要基礎(chǔ)設(shè)施，帶動了該區(qū)域城鎮(zhèn)化高速發(fā)展。民治河發(fā)源于深圳市大腦殼山，起點接民治水庫溢洪道，流向基本從南向北，有支流牛咀水、樟坑水匯入，終點位于下游松村北側(cè)，與坂田河合流后匯入觀瀾河。民治河河道全長9.34 km，河道天然平均坡降6.69‰，集雨面積19.23 km2。根據(jù)流域內(nèi)的排水管網(wǎng)位置分布及流向分析，流域內(nèi)雨水經(jīng)管網(wǎng)收集后主要排入民治河、樟坑水和牛咀水沿岸部分排水管網(wǎng)。流域水系分布見圖1。

近年來，深圳市民治片區(qū)遭受了多次較為嚴重的暴雨襲擊，均發(fā)生不同程度內(nèi)澇，局部區(qū)域積水嚴重，給人民生產(chǎn)生活造成較大影響。通過對研究區(qū)2008-2014年暴雨內(nèi)澇實地調(diào)研，總結(jié)出民治內(nèi)澇嚴重片區(qū)分布情況，內(nèi)澇點主要發(fā)生在南城百貨、電站路、泰明菜市場、民治第一工業(yè)區(qū)、樟坑舊村、橫嶺舊村、白石龍村及龍?zhí)晾洗宓?處，具體位置如圖2。

圖1民治河流域水系圖圖2暴雨內(nèi)澇點分布圖

2.2 SWMM模型構(gòu)建

SWMM模型是集水文、水力和水質(zhì)模擬功能于一體的降雨徑流模擬模型[2-3]，SWMM模型采用松散型分布式模型思想構(gòu)建，數(shù)字化下墊面是構(gòu)建模型的核心要素，主要分為排水系統(tǒng)概化與信息提取、子匯水區(qū)概化與信息提取等步驟，民治河流域SWMM模型具體構(gòu)建過程詳見文獻[17]。

SWMM模型參數(shù)首先根據(jù)SWMM用戶手冊中各參數(shù)的取值范圍先行確定[2-3]，再選取深圳市臨近地區(qū)作為參照區(qū)域，結(jié)合該地區(qū)的參數(shù)率定結(jié)果進行參數(shù)預(yù)估[5]，并在此基礎(chǔ)上進行參數(shù)優(yōu)化。由于本研究區(qū)域內(nèi)無水文站，缺乏流域出口實測流量數(shù)據(jù)，主要根據(jù)民治河流域內(nèi)澇實地調(diào)查情況進行參數(shù)率定。具體選用民治河流域2008-2014年6場降雨總量和峰值強度均較大的降雨驗證模型可靠性，得到民治河出口斷面降雨徑流過程線，結(jié)果表明出口流量過程線與降雨過程變化規(guī)律一致，模擬結(jié)果符合城市雨洪過程基本規(guī)律，并對模擬結(jié)果中的溢澇節(jié)點進行統(tǒng)計，尤其是20130830和20140511場次暴雨的降雨總量和降雨強度均很大，模擬得到的溢澇流量及溢澇點數(shù)量均較大，且與實際調(diào)研情況基本吻合，說明所構(gòu)建的SWMM模型具有良好的精度和可靠性[17]，據(jù)此得到的SWMM模型參數(shù)如表1。

表1 SWMM模型參數(shù)取值

3 LID計算原理及方案設(shè)計

3.1 LID計算原理

各類低影響開發(fā)措施由不同的層構(gòu)成，如透水鋪裝由透水面層、透水基層、透水底基層等組成，綠色屋頂由植物層、基質(zhì)層、過濾層、排水層等組成。SWMM模型基于各種低影響開發(fā)措施的基本原理概化為7種LID調(diào)控措施，分別為生物滯留池、透水鋪裝、滲渠、雨水桶、植草溝、綠色屋頂及雨水花園等，SWMM模型也是通過豎向?qū)拥慕M合表示，主要包括表面層、路面層、土壤層、蓄水層和排水層等，不同LID措施含有不同的層，具體各LID措施所含層如表2所示[3,8-9]。

表2 各類LID措施所含結(jié)構(gòu)層

注：表中√代表有該層，×代表無該層，O代表該層可選。

SWMM模型有7種LID措施，現(xiàn)以生物滯留池為例介紹LID計算原理，其他LID措施類似，在此不再一一贅述。SWMM將每個LID措施概化為一個含有填充物，填充物含有孔隙的蓄水池(圖3)，蓄水池中表層接受直接降雨和其他不透水區(qū)的降雨入流，種植有植物，并需設(shè)置表層厚度、空間植被覆蓋率、曼寧系數(shù)和坡度等參數(shù)，當表層蓄滿時徑流便從頂端溢流流出；土壤層需設(shè)置厚度、孔隙率、土壤持水率、凋萎點、水力傳導(dǎo)度、水力傳導(dǎo)坡度和水吸力等，其中孔隙率決定孔隙的體積，即可以蓄存的水的體積，凋萎點指土壤在最干旱時所含水量，而土壤持水率指水分在土壤層和其他豎向?qū)又g不發(fā)生水分交換的最大含水量，故土壤持水率需大于凋萎點，否則模型會報錯；蓄水層即類似于蓄水池蓄水，需要設(shè)置蓄水層厚度、孔隙率和下滲速率，蓄水層可以下滲雨水至本地土壤層；如果設(shè)置了排水層，蓄水層便會通過排水層向外排水，排水層需設(shè)置出流系數(shù)、出流指數(shù)及管底抬高等。

圖3 生物滯留池概化圖

3.2 LID措施方案設(shè)計

SWMM模型中LID控制措施是在子匯水區(qū)屬性中設(shè)置，可以在同一子匯水區(qū)中設(shè)置多種不同LID措施和多個同種LID措施單元。有兩種不同的方法可以將LID措施置入子匯水區(qū)，分別為：(1)向一個沒有LID措施的子匯水區(qū)加入一種或多種LID措施(圖4左)；(2)同一個子匯水區(qū)只添加一種LID措施(圖4右)。第一種方法允許將多個LID措施混合置于一個子匯水區(qū)中，但各LID措施并列運行，每個LID措施分別處理其對應(yīng)面積的子匯水區(qū)水流部分，不可以一個LID措施的出流數(shù)據(jù)作為另一個LID措施的入流數(shù)據(jù)。

第二種方法允許LID措施占據(jù)整個子匯水區(qū)，并允許接受來自上游子匯水區(qū)的出流作為該子匯水區(qū)的入流，故可以滿足流向設(shè)置，但第二種方法需要創(chuàng)建新的子匯水區(qū)，并設(shè)置新的LID子匯水區(qū)面積屬性。

圖4 LID置入子匯水區(qū)方案

無論第1種、還是第2種LID措施設(shè)置方式，在設(shè)置完LID措施后，均需根據(jù)實際情況重新調(diào)整子匯水區(qū)不透水率，如將不透水區(qū)設(shè)置為透水區(qū)后，需重新計算不透水區(qū)，尤其第二種方法，還需調(diào)整新創(chuàng)建的子匯水區(qū)面積和原子匯水區(qū)面積等，加入LID后的不透水率調(diào)整見圖5。調(diào)整后的子匯水區(qū)不透水率計算如公式(1)：

(1)

式中：p為調(diào)整后子匯水區(qū)不透水面積百分比，即不透水區(qū)占非LID部分的百分比，%；A為子匯水區(qū)面積，m2；f為調(diào)整前子匯水區(qū)不透水面積百分比，%；Aimper,LID為該子匯水區(qū)由不透水部分變?yōu)長ID措施的面積，m2；ALID為調(diào)整后該子匯水區(qū)中LID措施所占面積，m2。

參考相關(guān)文獻和各地區(qū)設(shè)計手冊[5]，選取下墊面的50%改造為相應(yīng)的低影響開發(fā)措施，分析各種方案情況下LID措施效果，其中LID措施采用第二種方法置入子匯水區(qū)，具體方案如下：

(1)方案A：將除去主干道外道路的50%改造為透水鋪裝，屋頂和透水鋪裝雨水直接排放。

(2)方案B：將綠地的50%改造為下凹式綠地，屋頂雨水匯流至下凹式綠地收集處理排放。

(3)方案C：將除去主干道外道路的50%改造為透水鋪裝，綠地的50%改造為下凹式綠地，透水鋪裝雨水直接排放，屋頂雨水匯流至下凹式綠地收集處理排放。

本模型所涉及的透水鋪裝和下凹式綠地等LID參數(shù)參考相關(guān)文獻和模型手冊[2-16]，具體設(shè)計參數(shù)如表3和表4，其中下凹式綠地參照生物滯留池進行參數(shù)設(shè)置。

將LID措施置入SWMM模型，設(shè)置包括模擬時間、模擬步長等參數(shù)，并生成模型數(shù)據(jù)文件*.inp，即可進行LID措施模擬計算。模擬時間從降雨開始后至降雨結(jié)束延后2 h，計算步長為2 s，結(jié)果記錄步長為1 min。

圖5 加入LID措施后的子匯水區(qū)參數(shù)調(diào)整

表3 透水鋪裝設(shè)計參數(shù)

表4 下凹式綠地設(shè)計參數(shù)

4 低影響開發(fā)措施水文效應(yīng)評估

深圳市氣象局根據(jù)深圳國家基本氣象站1961-2014共54 a的降水記錄，于2015年11月編制了深圳市暴雨強度公式及計算圖表，公式如下：

(2)

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/s·hm2；t為降雨歷時，min ；P為設(shè)計重現(xiàn)期，a。

設(shè)計暴雨采用深圳市暴雨強度公式，結(jié)合芝加哥雨型得到降雨過程，選取降雨歷時為60 min，雨峰系數(shù)r=0.35，以5 min為記錄間隔，得到降雨重現(xiàn)期分別為1、2、5、10和20 a的設(shè)計降雨過程，用于評估各種LID方案的低影響開發(fā)效果。

4.1 遭遇1年一遇1 h設(shè)計降雨

當研究區(qū)域遭遇1年一遇1 h設(shè)計降雨時，利用已經(jīng)構(gòu)建的SWMM模型進行模擬計算，得到各種方案情形下民治河河口徑流模擬結(jié)果(圖6和表5)。由圖6和表5可知，當研究區(qū)域遭遇1年一遇1 h設(shè)計降雨時，3種LID方案對洪峰均有延遲作用，洪峰流量和徑流量均有不同程度的削減效果。方案A對延遲峰現(xiàn)時間的效果最不明顯，僅比現(xiàn)狀情形延遲1 min；組合方案C對延遲峰現(xiàn)時間的效果最為顯著，比現(xiàn)狀情形延遲13 min，體現(xiàn)了3個方案對雨水滯留作用有一定差異。由流量模擬結(jié)果可看出，方案A>方案B>方案C，這是由于3個方案的削減效果不同造成，方案C是方案A和方案B的組合，故削減洪峰流量及徑流量的效果最為顯著，方案C洪峰流量削減率為49.03%，徑流量削減率為42.16%；方案B削減效果明顯優(yōu)于方案A，方案B洪峰削減率為33.68%，徑流量削減率為27.31%，對降雨徑流控制效果較好。

圖6 1年一遇降雨民治河出口流量過程圖7 2年一遇降雨民治河出口流量過程

4.2 遭遇2年一遇1 h設(shè)計降雨

當研究區(qū)域遭遇2年一遇1 h設(shè)計降雨時，利用已經(jīng)構(gòu)建的SWMM模型進行模擬計算，得到各種方案情形下民治河河口徑流模擬結(jié)果(圖7和表6)。

由圖7和表6可知，當研究區(qū)域遭遇2年一遇1h設(shè)計降雨時，方案A、B、C的峰現(xiàn)時間比現(xiàn)狀情形分別延遲了1、9和11 min，3個方案的洪峰流量削減率分別為13.25%、25.57%和41.46%，徑流量削減率分別為16.40%、24.62%和39.24%。

表5 1年一遇降雨各方案民治河出口徑流模擬結(jié)果

表6 2年一遇降雨各方案民治河出口徑流模擬結(jié)果

4.3 不同重現(xiàn)期LID措施綜合評估

模擬其余不同設(shè)計重現(xiàn)期情形下降雨徑流，可以發(fā)現(xiàn)民治河河口在LID措施前后流量變化過程規(guī)律與遭遇1年和2年一遇暴雨結(jié)果類似，這里不再贅述，匯總得到不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期下方案A、方案B和方案C情形的模擬結(jié)果(表7)。

由表7可看出，相比現(xiàn)狀用地，方案A、方案B和方案C均能在一定程度上延長匯流時間、削減徑流量，這是由于透水鋪裝和下凹式綠地在一定程度上能提高城市“滲”、“滯”、“蓄”能力，方案A、方案B和方案C的洪峰流量和徑流量削減率均隨著重現(xiàn)期增大而減小。相同重現(xiàn)期降雨條件下，將方案A、方案B和方案C計算結(jié)果進行比較，得知各種情況下方案C>方案B>方案A，說明方案C優(yōu)于方案B，方案B優(yōu)于方案A。方案C為方案A與方案B的組合，低影響開發(fā)改造面積較大，效果優(yōu)于方案A和方案B；方案A滯洪能力明顯弱于方案B，透水鋪裝延遲洪峰效果不太明顯，下凹式綠地延遲洪峰能力較強。同時也可以看出，對于較低設(shè)計重現(xiàn)期而言(比如P=1, 2)，洪峰流量和徑流量削減率均較高，因此，LID組合實施可以較好地發(fā)揮控制徑流作用，可有效地減緩洪澇災(zāi)害。

表7 不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨各方案模擬結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)建了基于SWMM的深圳民治河流域城市雨洪模型，設(shè)計了3種低影響開發(fā)措施方案，分別模擬了1、2、5、10和20a不同重現(xiàn)期降雨對3種LID布設(shè)方案的結(jié)果，3種方案均有延遲洪峰及控制城市暴雨徑流效果。

(2)方案A、方案B和方案C對洪峰流量和徑流量的削減效果均隨重現(xiàn)期增大而減小，削減效果依次為方案C>方案B>方案A，透水鋪裝和下凹式綠地兩者的組合實施可以更好地發(fā)揮控制徑流作用。

(3)方案A、方案B和方案C在5種設(shè)計重現(xiàn)期情形下的洪峰流量削減率分別為9.88%～16.76%、14.33%～33.68%和24.18%～49.03%，徑流量削減率分別為14.04%～17.17%、19.78%～27.31%和32.96～42.16%。