居住區低影響開發情景模擬分析

馮一帆

摘要：本文將南京市江心洲的洲島家園作為研究案例，依據國家層面的海綿城市的控制目標與地方的相關標準，建立了洲島家園低影響開發模型，使用功能最大化情景、經濟實用型情景及基礎情景三種情景進行對比分析，對居住小區低影響項目的設計與效果驗證具有一定借鑒意義。

關鍵詞：海綿城市；低影響開發；居住區；雨洪管理；徑流總量控制率

引言

低影響開發（Low Impact Development，簡稱LID）孕育于西方20世紀七、八十年代的雨洪管理（stormwater management）[1]。其核心理念是從源頭上通過一系列分散的小型LID設施控制雨水徑流形成，最大限度地維持開發前的場地水文系統，實現區域良性水循環[2-4]。本文采用SWMM模型對地塊內LID改造后排水系統的運行情況進行模擬，并在三種情景模擬結果基礎上對徑流控制效果進行對比分析，對同區位及降雨類型相似地區的居住小區改造提供一定的借鑒意義。

1洲島家園概況

1.1小區概況

本文選取的實際案例位于文化東路以北、南上水道之南、白鷺水道之東的洲島家園，依據江心洲的土地利用規劃，屬于居住用地。目前，一期已建設完成，二期在建。

1.2場地條件

洲島家園處于江心洲的中南部，土層松軟，坡度十分平緩，排水條件較差，較適合進行低影響開發設施的建造。

江心洲年平均降雨量約1200mm，降雨量較大，且主要集中在6、7月份，由于江心洲地下水位較高且為江心浮島，四周筑有長江堤壩，因此需要通過低影響開發改造降低雨水外排壓力。

2控制目標確定

低影響開發（LID）是海綿城市建設的重要組成[5]，洲島家園一期綠地率較高，建筑密度較低，且小區內開敞空間較為充足，具有較好的低影響改造條件。同時，根據發達國家的設計經驗，如果綠地的徑流總量外排率在15%～20%之間時，與其對應的年徑流總量的控制率最佳是80%～85%[6]。因此，將洲島家園低影響開發年徑流總量控制率確定為85%，相應的降雨量為37.0mm。

3低影響開發系統模型的設計

3.1研究區概化

研究區總面積為70000m2，其中不透水下墊面的面積約占33%，由停車場、建筑屋面和道路組成；透水下墊面的面積約占67%，主要為綠地。

依據SWMM模型的應用要求，應通過所研究區域的排水路線、排水分區、管網及地形的特點對于整個的匯水區域進行概化設計。通過現狀排水管渠及高程分析將小區劃分為13個子匯水區，同時對小區內10條雨水管渠和2個雨水排口進行概化，如下圖所示。

3.2模型參數的確定

3.2.1模型參數的確定

不透水率、坡度、面積和流域的寬度可以使用概化圖直接計算得到。其他的參數是模型在計算過程中得到的一些參數。在降雨的產生過程中，可以使用Horton滲入的方式對于本文的滲透模型進行研究。

3.2.2低影響開發措施參數的確定

研究區域采用的低影響開發設施有生物滯留設施、透水鋪裝、下沉式綠地、干式植草溝和綠色屋頂。上述措施主要的參數是由案例的設計資料所得到[7-8]，其余的參數依據SWMM模型手冊確定[9]。

3.3設計降雨數據準備

3.3.1短歷時暴雨強度公式

采用芝加哥雨型，芝加哥法雨型為一定重現期下不同歷時最大雨強復合而成，雨型確定包括綜合雨峰位置系數及芝加哥降雨過程線模型。通過引入綜合雨峰位置系數r來描述暴雨峰值發生的時刻，將降雨歷時時間序列分為峰前和峰后兩個部分。

3.3.2設計降雨重現期

模型降雨時間采用3h，設計重現期依次為5a、3a、1a、0.5a，公式中采用不同的設計重現期的總降雨量與平均的降雨強度。資料顯示，多數的降雨峰值時刻出現在0.3T～0.5T之間，本模型的峰值時刻選取為0.5T。

4情景模擬分析

4.1情景模擬介紹

依據控制目標，模型設計采用功能最大化、經濟適用型和基礎情景等3種不同的情景方案?；A情景采用洲島家園原有規劃設計方案進行模擬；經濟適用型其核心思想是經濟、方便操作，共布置3種類型LID設施，包括下沉式綠地、透水鋪裝和干式植草溝；功能最大化是LID設施的充分利用，共布置5種類型LID設施，包括干式植草溝、下沉式綠地、透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂[10]。

4.2情景模擬分析

4.2.1地表徑流流量及其變化率模擬分析

通過對不同的降雨強度進行功能最大化情景、經濟適用型情景和基礎情景的不同的開發模式下的居住區的地表徑流的變化情況的模擬，得出了地表徑流的變化曲線，如下圖所示。

由圖可知，無論是使用功能最大化情景、經濟適用型情景或是基礎情景的開發模式，整個雨水系統的地表徑流變化曲線均落后于降雨過程，即區域的地表徑流洪峰流量出現時間要晚于峰值時刻。產生這一現象的主要原因是雨水經過滯蓄、填洼和地表下滲的過程，產生的降雨不能迅速形成地表徑流，降雨事件與地表徑流產生存在時間差。

無論采用何種降雨強度模擬，功能最大化和經濟適用型情景地表徑流曲線均低于未使用低影響開發設施的基礎情景，且最大功能情景模擬結果低于經濟適用型情景模擬結果，由此看出低影響開發設施對地表徑流削弱效果明顯。

4.2.2管道流量及其變化率模擬分析

使用居住區的雨水系統的模型，對于三種情景下的管道流量和最大的發生時間進行一定的模擬，得到的居住區管道的流量圖，如下圖4-2所示。

從整體上來說，在不同的降雨重現期下，采用一定的低影響的開發技術對管道的流量具有明顯的削弱作用，管內剩余空間大大增多。并且，在同種降雨重現期下進行模擬，功能最大化情景模擬得到的數據明顯好于經濟適用型。

5結論

（1）降雨事件和地表徑流產生存在時間差異，地表徑流變化曲線均落后于降雨的過程，從而得出地表徑流洪峰流量出現時間晚于降雨峰值時刻，且隨著降雨重現期的增加，三種情景下的峰值出現均呈現整體前移。

（2）低影響開發設施對地表徑流削弱效果較好，特別是在小于或降雨初期情況下，對于地表徑流控制效果明顯。且功能最大化型明顯優于經濟適用型情景，說明低影響設施的規模及種類對地表徑流控制效果影響較大，建議在滿足區域地表徑流控制目標的情況下，通過經濟適用型低影響設施方案對場地內低影響設施進行優化調整，綜合考慮布局總量與設施類型。

（3）從整體上來說，在不同的降雨重現期下，采用一定的低影響的開發技術，相比較未使用低影響開發技術的管道的流量具有明顯的削弱作用，管內剩余空間大大增多。并且，在同種的降雨重現下進行模擬，功能最大化情景模擬得到的數據明顯要好于經濟適用型。

參考文獻：

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