基于暴雨洪水管理模型的海綿型高速公路服務區低影響開發研究

陳 芳，張浩月，胡曉紅，劉 煌

(1. 招商局生態環保科技有限公司，重慶 400067； 2. 成都雙流國際機場地面服務有限公司，四川 成都 610000)

隨著社會經濟的發展，我國公路里程快速增長，高速公路服務區數量劇增。工程建設將使服務區范圍內的自然地表的水文發生變化。當暴雨時節來臨時，可能使大量水體滯留產生內澇。加之我國高速服務區排水基礎設施建設相對滯后、已建排水設施設計標準較低、排水技術措施單一等問題，服務區雨洪控制技術亟待提升[1]。

為改善城市化導致的雨水下滲受阻問題，國外學者先后提出了最佳管理措施BMPs[2]、低影響開發LID[3]、城市水敏感設計WSUD[4]、可持續城市排水系統SUDS[5]等技術。其中LID低影響開發模式是BMPs的繼承和創新，被多個國家廣泛實踐。國內學者也進行了較多研究，其中北京建筑大學車伍教授從宏觀和中觀層面對雨洪控制管理開展了系統的研究；在微觀層面，許仕榮等[6]基于城市排水管網模擬系統建立不同用地場景的排水管網水力模型。趙子成等[7]建立了結構可靠度理論等數學方法來預測既有管網的可靠度。

綜上所述，目前針對城市和流域開展的雨洪控制研究較多，而針對公路開展研究較少。因此，基于海綿型高速公路服務區的總體理念下，提出LID設施選擇原則，構建雨洪管理控制技術并進行實例運用，并運用暴雨洪水管理模型SWMM模擬驗證。

1 海綿型服務區LID開發模式

1.1 LID概念及設施

LID是一種基于生態的雨洪管理方法。LID設施種類較多，高速公路服務區適宜采用的主要有以下4種：

1.1.1 透水鋪裝

透水鋪裝是指一類空隙率較高、透水性能較好的路面鋪裝材料，可用于路面匯水、降水等的儲存或滲透排水，見圖1。常用于城市公園、市政道路非機動車道、小車停車位等。

圖1 透水鋪裝Fig. 1 Permeable pavement

1.1.2 綠色屋頂

綠色屋頂利用植物對建筑物的屋頂、天臺等區域進行綠化，見圖2。綠色屋頂一般自上而下由植物層、土壤層和排水層組成。

圖2 綠色屋頂Fig. 2 Green roof

1.1.3 植草溝

植草溝是一種通過重力流來收集、傳輸和排放雨水的地表溝渠，可有效削減地表徑流、去除和減少污染物，見圖3。

圖3 植草溝Fig. 3 Grass swale

1.1.4 下凹式綠地

下凹式綠地可削減雨水流量，回補地下水資源，減少對綠地的澆灌頻率，同時也有助于控制面源污染，見圖4。

圖4 下凹式綠地Fig. 4 Sunken lawn

1.2 LID設施的選擇要素

1.2.1 考慮地質及水文條件

應詳細調研服務區匯水區域的地質及水文條件，并結合雨洪控制目標，選擇適宜的LID設施。

1.2.2 考慮LID設施的功能及適用條件

公路服務區由于地域差異，在LID設施選擇上與城市道路、公園等相比，具有特殊性。首先，由于透水鋪裝的承載力特性，其主要適用于服務區小車停車位及人行廣場。其次，不宜在停車場大量選用生態樹池類的LID措施，以免影響視線，綠地可多采用下凹式方式。此外，服務區綜合樓等建筑中可考慮采用綠色屋頂。最后，可在適宜地帶靈活選用植草溝取代傳統的排水設施。

1.2.3 考慮LID設施經濟性

經濟性不僅要考慮設施本身的造價，也需考慮其后期管理維護費用，并與傳統排水設施進行對比分析。

1.2.4 考慮景觀協調性

服務區是公路景觀營造的重要節點，應充分結合其空間布局以及功能分區特性，打造良好的景觀效果。

1.3 LID設施經濟性分析

LID設施與傳統開發設施在單位面積的估算差值見表1。由表1可知，大部分LID設施在工程單價上雖高出傳統設施，但考慮到在傳統開發模式下，暴雨可能造成周邊道路積水嚴重，服務區內澇，影響服務區正常運營，造成巨大經濟損失，LID設施在經濟性方面仍具有優勢。

表1 與傳統開發設施估算對比Table 1 Comparing tables with traditional development facility estimates

2 SWMM模型

2.1 模型功能

SWMM模型被廣泛應用于控制洪水和保護水質的排水系統及滯留設施的設計、自然渠道系統泛洪區的地圖繪制、最小化合流制排水管道溢流的控制策略設計、進流量和滲入對排水管道溢流的影響評價等。

2.2 模型建立流程

1)排水管網概化：利用建模區域已有的管網數據信息，綜合考慮管道長度、管徑、坡度等屬性信息，提取并整理服務區排水管道的基礎信息。

2)劃分子匯水區域：以圖紙中地形標高、雨水管網情況等為確定依據，子匯水區匯集雨水就近排入雨水管網或相近的匯水面積；根據服務區特性，將下墊面分為3類，其中透水地面不產生徑流，有洼蓄量的不透水地面在降雨過程中首先滿足地表的洼蓄量后再產生徑流，無洼蓄量的不透水地面在暴雨初始即產生徑流。論文在雨水系統平面圖以及現場勘查地表匯流狀況的基礎上，對研究區域進行子匯水區域的劃分。

3)模型背景圖創建：對圖紙進行必要的簡化，刪除多余的排水管段，保留建筑的輪廓，并在初步建模背景圖中劃分子匯水區，標明雨水徑流方向，從而生成模型背景圖。

4)模型參數確定：主要根據基礎數據和經驗取值[8]。①不同類型面積比例：服務區下墊面大多不透水，初始參數值設為5%；②洼蓄量取值：透水區為6.35 mm，不透水區為1.58 mm；③曼寧粗糙系數取值：透水區為0.15，不透水區為0.011。

3 案例分析

3.1 工程概況

以重慶渝蓉高速公路圍龍服務區北側為研究對象。服務區所在區域年平均降雨量1 075 mm。區域屬淺丘陵地貌。該服務區為改擴建項目，北側用地面積為123畝，地勢為南高北低。總建筑面積12 932.17 m2，停車位383個，見圖5。

圖5 服務區北側平面Fig. 5 Plane of north side of service area

3.2 不同開發模式下的模擬

按照文獻[9]中對年徑流總量控制率確定該地年徑流總量控制率為80%對應的設計降雨量為26.8 mm。

本次建模對圍龍服務區在年徑流總量控制率為80%時的雨洪情況進行模擬分析，驗證其是否已經達到海綿城市指標要求。

3.2.1 天然未開發模式

天然地表具有良好的透水性，土壤類型在整個匯水區域也是相同的。因此，不需要對場地進行劃分，見圖6。

圖6 開發前場地概化Fig. 6 Pre-development venue outline

降雨模型采用的是2 h芝加哥雨型，設計過程中要考慮重現期為0.5、1、2、3、5、10和20年，筆者以5年一遇的降雨強度為例，在SWMM模型中雨量計RG1設置120 min的總降雨量為66.93 mm，并輸入模型的其他相關參數，模型運行結果見表2。從表2中可看出，匯水區的總徑流量為13.93 mm，洪峰流量為0.22 CMS，研究區域的徑流系數為0.26。

3.2.2 傳統開發模式

傳統開發模式會極大地影響匯水區域的水文效應。根據研究區域的實際匯流情況和雨水管道走向，將地表徑流分配到相應的雨水井，將場地概化為53個子匯水區域，51個節點，51條管道，7個排放口，見圖7。

圖7 傳統開發模式下場地概化Fig. 7 Venue outline of traditional development model

模型運行后，發現子匯水區的平均徑流系數為0.79，區域內相應的檢查井節點有溢流情況，部分子匯水區、出水口、節點溢流情況模擬輸出結果見表3～表5。

表2 天然未開發模式子匯水區模擬結果Table 2 Sub-catchment simulation results of natural undeveloped model

表3 傳統開發模式子匯水區模擬結果Table 3 Sub-catchment simulation results of traditional development model

表4 傳統開發模式出水口模擬結果Table 4 Water outlet simulation results of traditional development model

表5 傳統開發模式節點溢流模擬結果Table 5 Node overflow simulation results of traditional development model

3.2.3 LID開發模式

根據圍龍服務區實際情況，選擇下凹式綠地、滲透路面、綠色屋頂、植草溝4種LID設施，具體如下：

1)滲透鋪裝

根據圖紙，小車停車位和綜合樓前廣場鋪裝合計占地約11 000 m2，可改造面積約占總面積的13%，見圖8。滲透鋪裝的應用會影響地表不透水比例及滲透速率。

圖8 可改造為滲透鋪裝的區域分布Fig. 8 Area distribution of retrofitting permeable pavement

2)綠色屋頂

綜合服務樓、水配房和維修車間的屋頂均為不透水區域，可改造成為綠色屋頂，見圖9。模型中將綠色屋頂概化為具有一定地表積水、曼寧系數較高的不透水地表[10]。

圖9 可改造為綠色屋頂的區域分布Fig. 9 Area distribution of retrofitting green roof

3)植草溝

植草溝可在小范圍內替換雨水管網系統，服務區可改造區域見圖10。

圖10 可改造為植草溝的區域分布Fig. 10 Area distribution of retrofitting grass swale

4)下凹式綠地

可在服務區中設置18塊小面積的下凹式綠地，見圖11。其在SWMM模型中表現為小面積的條形匯水區，滲透量大，地表曼寧系數高。

圖11 可改造為下凹式綠地的區域分布Fig. 11 Area distribution of retrofitting sunken lawn

在SWMM模型中，各LID設施的每個單元層的結構尺寸等相關參數需要單獨定義。其確定主要參考SWMM用戶手冊、文獻[9]等相關規范和文獻。本次模型中設施參數見參考文獻[8]。

模型運行后，在年徑流總量控制率為80%的情況下，發現子匯水區的平均徑流系數為0.44，區域內相應的檢查井節點有溢流情況，部分子匯水區、出水口、節點溢流情況模擬輸出結果見表6～表8。

表6 LID開發模式子匯水區模擬結果Table 6 Sub-catchment simulation results of LID development model

表7 LID開發模式出水口模擬結果Table 7 Water outlet simulation results of LID development model

表8 LID開發模式節點溢流模擬結果Table 8 Node overflow simulation results of LID development model

3.3 模擬結果分析

從模擬結果可以看出不同開發模式下，服務區的雨水徑流情況有較大差異，具體如下：

3.3.1 采用傳統模式開發前后比較

開發后，場地的出水口雨水峰值流量明顯增加，峰值時間提前了20 min，匯水區徑流系數從0.26增大到0.79。場地在傳統開發模式下，因為硬化面積大，雨水下滲量減少，導致雨水徑流阻力變小，洪峰流量增大，峰現時間提前，雨水管網壓力增大。

3.3.2 采用海綿城市理念開發前后比較

開發后，場地的出水口雨水峰值流量增加不大，峰值時間相差7 min，徑流系數從0.26增加到了0.44。因此，說明海綿型服務區能延遲峰現時間、減少洪峰流量和徑流系數，緩解雨水管網的壓力。

3.3.3 兩種開發模式比較

采用傳統模式開發后的雨水峰值流量高于海綿城市理念開發模式，徑流系數從0.79減少到0.44，峰值時間提前了13 min。說明服務區采用海綿城市理念開發，在雨水控制方面優于傳統模式。

綜上所述，在年徑流總量控制率為80%的降雨情景下，與傳統開發模式相比，海綿型服務區的雨水徑流控制情況具有顯著優勢，也更接近開發前的水文環境。

4 結 論

1)選用服務區LID設施時，應考慮場地的地質與水文條件、LID設施的功能及適用條件、經濟性以及景觀協調性等要素。

2)服務區采用傳統模式開發，地表大面積硬化，場地雨水徑流情況較為嚴重。采用傳統模式開發后，相應的檢查井節點會出現溢流情況，并且導致雨水徑流系數變大，洪峰流量增大、峰現時間提前，雨水管網壓力增大。

3) 結合公路服務區特點及不同LID設施特點，建議選用透水鋪裝、綠色屋頂、植草溝和下凹式綠地來進行雨洪控制。通過設置LID設施，可緩解服務區內澇，使水文環境與場地開發前更接近。