基于暴雨洪水管理模型的鐵路車站片區雨洪模擬及低影響開發效果評價

韓媛雯， 鮑學英

(蘭州交通大學 土木工程學院， 蘭州 730070)

隨著中國城市土地開發，下墊面硬化面積擴大，可滲性綠地急劇減少，破壞了城市原有的自然水文規律，在降雨天氣時出現了匯流時間縮短，峰現期提前及洪峰量增加等現象，并引發了內澇，雨后水資源短缺，水體污染嚴重等一系列問題[1]。鐵路車站工程建設作為城市建設的一部分，其雨水處理方式會對鐵路的正常運營及人民的生命財產產生巨大的影響[2]。傳統的鐵路車站片區建設其雨水主要通過散排，排水溝，雨水管道等形式快速排除至市政雨水管道。這不但使得雨水資源沒有充分利用，而且會使下游市政管道排澇負擔加劇，局部出現洪澇災害。特別是中國西北寒旱地區，這種矛盾更為突出。為此，探索新型鐵路車站雨洪管理模式勢在必行。

低影響開發(low impact development， LID)技術[3]是以維持區域開發前后自然水文條件基本不變為目標，達到有效控制城市雨洪徑流和保護生態環境的新型生態技術措施。目前，低影響開發措施主要包括透水鋪裝、綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地、雨水桶、植草溝等。國內外有很多LID仿真軟件[4]，SWMM(stormwater management model，暴雨洪水管理模型)是其中比較完善的一個，包括水文、水力、水質3個模塊，能夠對連續事件和單一事件進行模擬，且適用性比其他模型更為廣泛。近年來，國內外學者針對SWMM模型在城市雨洪管理中的適用性做了很多研究。朱寒松等[5]以重慶市渝北區花朝工業園為研究對象，構建SWMM模型模擬分析了組合LID方案與單一LID方案間的關系。王靜等[6]基于SWMM軟件模擬不同雨水控制方案下山地城市的徑流效應。胡愛兵等[7]以深圳市光明新區某已建LID市政道路為例，介紹了LID措施及SWMM模型的建立方法。張亞洲等[8]通過研究提出雨水花園可緩解西北地區城市普遍缺水的問題。熊赟等[9]以深圳市某已建公共建筑為例，選用綠色屋頂、下沉式綠地、植被草溝、透水性鋪裝和雨水桶5種LID措施，分析評價了單項及其組合對雨水徑流削減的效果。張亮[10]重點分析了濕陷性黃土、干旱地區等的海綿城市建設方式，并以西咸新區為例提出解決措施和方案。任博[2]指出鐵路車站雨水排放和資源最佳化利用的重要性，并指出低影響開發技術在鐵路車站建設中的應用前景。陳言菲等[11]對比分析了海綿城市改造措施(增加透水地面面價)和傳統改造措施(增大雨水管道，增設泵站，雨水池)兩種優化方案對雨水控制效果。Li Qian等[1]運用AHP方法來定量評估LID實踐的環境，經濟和社會效益。Fanhua Kong等[12]基于雨水管理模型(SWMM)探索了雨水徑流特征對城市規模的四種不同土地利用轉換情景的水文響應。現有研究多集中于城市化發展成熟的城市區域和居民區，鮮有針對鐵路車站工程可持續雨洪管理的研究。

因此，本文以蘭州市西客站為例，運用SWMM模型模擬分析在不同降雨重現期下不同LID措施情景方案的水文過程。通過對西客站車站片區不同LID措施方案的優選，以期為鐵路車站工程可持續雨洪管理提供新方法、新思路。

1 SWMM模型建立

1.1 研究區概況

蘭州市西客站位于中國西北地區甘肅省蘭州市，處于半干旱氣候區，多年平均降水315.1 mm。總建筑面積2.60×105m2，其中站房工程面積為1.02×105m2。開發前研究區主要是耕地，部分零散住宅及道路組成，不透水率為24%；開發后主要由停車場、道路、建筑屋面及景觀廣場組成，不透水率達到86%；透水區域主要是景觀綠地，僅為14%。

1.2 研究區概化

根據設計院等相關單位提供的高程、土地利用類型、排水管網等資料構建SWMM模型。先將所收集的管網數據在AutoCAD中進行預處理，運用HS-Data插件提取排水管網中的雨水井、管段信息。其中雨水井概化為節點，管段概化為線段，調整各管段水流方向并確定出水口。然后利用HS-Data中的泰森多邊形法自動生成子匯水區域。最終，研究區概化為254個子匯水區(S1-S254)，253個雨水井(J1-J259)，252條管段(C1-C252)及4個排放口(Out1-Out4)，結果如圖1所示。

圖1 蘭州市西客站排水管網概化圖

1.3 模型參數選擇與優化驗證

SWMM模型的參數包括實測參數和經驗參數。本研究區域中實測參數如匯水區面積、平均坡度、不透水面積比、管徑及管道的長度等，可通過實測數據、規劃圖紙等資料獲得。經驗參數如地表洼蓄量、透水和不透水曼寧系數等，很難進行實際測量，但在模型的運行過程中又必不可少，這部分數據的初值主要參考SWMM模型手冊的推薦值及相關文獻[13-15]，再通過率定和檢驗獲取適合本研究區實際情況的經驗參數。降雨入滲過程采用適合城市區域的霍頓方程(Horton)進行模擬。地表產流模型分為有洼蓄量的不透水地表、無洼蓄量的不透水地表和透水地表3部分，分別進行計算。地表匯流計算采用非線性水庫模型，模擬排水系統流量演算的水力模型選用動力波模型，主要參數取值如表1所示。

為驗證校準結果的穩定性，選定兩場實際降雨(20170623和20170711)進行參數驗證，將研究區監測點的實測流量過程和 SWMM 模型的模擬流量過程進行對比分析，根據《水文水情預報規范》(GBT 22482-2008)[16]要求，采用Nash-Sutcliffe效率系數和平均流量誤差eR來評估模型模擬的精度。

圖2為2017年6月23日和2017年7月11日兩場降雨的徑流量監測值和模擬值。經計算兩場降雨模擬結果的納什效率系數RNS分別為0.86，0.90，均在0.8以上；且平均流量誤差eR分別為12.6%，10.9%，均在15%以內，故說明該SWMM模型在研究區域內的模擬效果較好，可信度高。

表1 SWMM模型主要參數取值

圖2 SWMM模型參數率定與驗證模擬結果

1.4 設計降雨

依據2014年最新的蘭州市暴雨強度公式[17]求取蘭州市的設計降雨強度，降雨歷時為2 h，降雨重現期分別為2，5，10，20 a，由于缺乏當地降雨統計資料，根據相關資料推薦該系數取值一般為0.3～0.5，本研究雨峰系數r選用經驗值0.4[14、18]，采用芝加哥降雨模型[19-20]擬合生成2 h降雨過程線，蘭州市降雨強度如式(1)，不同重現期下的降雨強度過程如圖3所示。

(1)

式中：q為平均降雨強度(mm·min-1)；P為設計降雨重現期(a)；t為降雨歷時(min)。

從圖3可看出，雨峰出現在大約45～55 min之間，最大降雨強度分別為1.161 5，1.600 6，1.932 7，2.264 8 mm/min。

圖3 蘭州市設計降雨過程線

1.5 LID措施布設

考慮到蘭州西客站車站區域的土地利用類型主要有屋頂、停車場、不透水道路、硬化廣場、普通綠地等。根據實際情況，本文選取透水鋪裝、生物滯留池、綠色屋頂這3種典型LID措施，基于SWMM模型共設置5種不同LID用地布局情景，方案A為傳統開發模式，無LID措施，作為對照組，其中不透水面積約占86%；方案B為單一綠色屋頂措施，主要布設在站房屋頂、商業樓的樓頂，不透水面積約占53.98%；方案C為單一透水鋪裝措施，主要布設在非承重道路、停車場、廣場等，不透水面積約占32.00%；方案D單一生物滯留池措施，主要布設在花園、綠化草坪中，不透水面積約占46.82%；方案E為綠色屋頂+透水鋪裝+生物滯留池組合措施，不透水面積約占12%，各LID措施設置參數及比例與方案B—D一致，以便于分析比較各方案對研究區雨水徑流控制的效果。不同LID措施的參數設置主要參考《SWMM模型LID參數設置方法》及國內外相關學者給定的參考值[21-22]，具體LID參數設置見表2。

表2 蘭州市西客站LID措施主要參數設置

2 模擬結果及分析

2.1 徑流曲線變化特征

圖4分別為不同降雨重現期下，方案A—E對降雨徑流的控制效果曲線，由圖4可知：①通過分析不同降雨重現期下的降雨徑流過程，徑流變化規律與降雨變化規律一致，徑流峰值滯后于降雨峰值，滯后時間為10 min左右，符合降雨產流規律；②傳統開發模式下初始產流時間最早，且徑流量最大，持續時間最長，說明傳統鐵路車站片區的建設使土地下墊面大規模硬化，不透水表面增加，雨水無法及時下滲，從而極大地縮短了地表產流時間，且產生較大的徑流，增加了下游排水系統的負擔和內澇的風險。方案B，C，D下初始產流時間滯后效果不太明顯，說明單獨布設選用的LID措施對初始產流時間的滯后作用不大，這一現象與王靜等[6]得出的結論一致；③與傳統開發模式相比，各方案均能在一定程度上削減洪峰流量和延后峰現時間，這是由于滲透鋪裝、雨水花園和綠色屋頂等LID措施在一定程度上提高研究區的滲水、滯水、蓄水能力。在同一降雨重現期下，削減和滯后洪峰的效果依次為組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統開發。由結果可知：組合方案的效果最好，在4種降雨情形下，洪峰流量分別削減了0.583，0.919，1.279，1.465 m3，徑流峰現時間較降雨峰值分別推遲了12，9，8，7 min。單獨布設時，生物滯留池削峰減排的效果優于透水鋪裝和綠色屋頂，這是因為生物滯留池有較厚的種植土壤層和蓄水層，可以很好的下滲和儲蓄雨水，從而能有效推遲突發暴雨的峰現時間，削減洪峰流量；而模型設置中透水鋪裝和綠色屋頂的蓄水容積都不及生物滯留池，故效果不理想(表3)。

2.2 徑流總量分析

圖5為不同設計暴雨重現期下各布設方案的4個出水口斷面徑流過程模擬結果。

由圖5可知：① 與傳統開發模式相比，各方案均能在一定程度上降低徑流系數、削減徑流總量，這體現了以LID技術為核心的海綿城市化改造可以改善研究區的吸水能力。傳統開發方案產生的徑流總量最大，分別達到4.237，5.666，6.987，8.993 m3(見表3)。組合LID方案削減徑流總量效果最佳，相比于傳統模式分別削減徑流總量41.7%，35.9%，35.3%，35.1%，透水鋪裝和生物滯留池的效果次之，綠色屋頂效果最差；②隨著降雨強度的增大，各LID措施對徑流總量的削減率均逐步減小(見圖5a)，主要是因為透水鋪裝、生物滯留池、綠色屋頂均是憑借一定的蓄水空間滯留雨水徑流、增加下滲、延緩匯流時間，當儲蓄空間逐漸達到飽和狀態時，削減能力也相應減小。這也證明LID措施用于控制歷時短，強度不大的降雨效果較為明顯，而對于長時間的強降雨控制有限；③同一降雨重現期，5種方案對徑流總量的削減效果依次是：組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統開發；而對綜合徑流系數的削減比例依次是：組合方案>透水鋪裝>生物滯留池>綠色屋頂>傳統開發。結果表明：單獨布設時，生物滯留池削減徑流總量效果優于透水鋪裝，與削減洪峰值效果一致，主要是由于生物滯留池利用低洼空間貯存雨水，類似于小型雨水桶，達到減少徑流外排、削減洪峰流量的作用。而透水鋪裝對徑流系數的削減優于生物滯留池，則是因為透水鋪裝布置較為分散，更能延緩匯流過程，增加下滲；④為比較分析同等面積比例的5種LID方案對徑流總量、徑流峰值、徑流系數的消減效果，進一步計算單位布設面積的徑流總量、徑流峰值、徑流系數的削減比例(見表4)。可以得出，單位面積比例下，生物滯留池措施的徑流總量、徑流峰值和徑流系數削減量最高；滲透鋪裝和LID組合方案次之，綠色屋頂效果最小。

圖4 蘭州市西客站不同雨頻下各方案出口流量模擬結果

圖5 蘭州市西客站不同降雨重現期下各LID方案對徑流過程的影響

表3 蘭州市西客站不同降雨重現期下各方案徑流總量及洪峰模擬結果

方案徑流總量/103 m3P=2 aP=5 aP=10 aP=20 a徑流峰值/(m3·s-1)P=2 aP=5 aP=10 aP=20 a徑流系數P=2 aP=5 aP=10 aP=20 aA4.2375.3266.1298.9930.7221.1301.1301.7870.8370.8790.8930.911B3.9205.6666.9878.3090.6280.9741.2461.4390.7750.8120.8300.842C3.1994.6375.7276.8390.4410.6790.8651.0550.6190.6590.6780.683D3.1354.5955.7126.6820.3200.4990.6450.8040.6320.6650.6800.691E2.4723.6314.5195.4160.1390.2110.2660.3220.4880.5210.5370.549

注：A，B，C，D，E方案的具體措施詳見正文1.5LID措施布市； P為降雨重現期。下同。

表4 蘭州市西客站不同降雨重現期下各LID單位布設面積的徑流控制結果

2.3 溢水節點

表5為分析比較不同重現期降雨下、不同方案設置下研究區溢流節點數量、溢流時長以及溢流容積變化規律。

表5 蘭州市西客站積水情況

當節點水位超出檢查井最大深度時發生溢流現象造成地面積水。溢流時間和溢流容積增大也會帶來積水面積增加，從而引發車站片區內澇。故選取溢流節點、溢流時間、總溢流容積3個參數進行分析，由表3可知：①與傳統開發模式相比，4種LID方案均能減少溢水節點個數、總溢流量、溢流時間。② 隨著降雨重現期的增加溢流節點個數增加，溢流時間也在增長，這會帶來積水面積的增加，很有可能造成車站片區局部內澇。除了LID組合方案效果顯著外，單獨布設方案效果一般，表明組合方案能較好的緩解研究區內澇問題。③ 在同一降雨重現期下，5種方案對積水的削減效果依次為組合方案>生物滯留池>透水鋪裝>綠色屋頂>傳統開發，與LID措施對洪峰流量的削減效果一致。

3 結 論

(1) 本文建立的模型在鐵路車站片區內具有良好的適用性，模擬結果可信性較高。

(2) 徑流曲線與降雨過程線的形狀相似；傳統開發模式下初始產流時間最早且徑流持續時間最長，其阻礙了研究區的雨水下滲，增加了內澇風險。

(3) 不同LID方案均能有效削減徑流總量、洪峰流量、溢水量及延后峰現時間，從而可以減小市政排水管網的排水壓力。其中組合LID方案效果最佳，對洪峰流量和徑流總量削減率高達75.9%和41.6%。

(4) 單獨布設時，生物滯留池在削減徑流總量和徑流峰值上有更好的效果，透水鋪裝在削減徑流系數上有更好的效果，綠色屋頂的雨洪控制效果一般。由于LID措施自身滯水、蓄水能力有限，在低重現期降雨時，對研究區雨洪控制效果更顯著。