“低影響開發(fā)”對暴雨徑流影響模擬分析：以三亞某海綿小區(qū)為例

■ 朱梅 何君濤 黎江少 馮志挺 高芳嘉 方勉

以三亞市某采用低影響開發(fā)（LID）建設的小區(qū)為研究對象，采用暴雨洪水管理模型（SWMM）模擬了研究區(qū)域在開發(fā)建設前、傳統開發(fā)和采用低影響開發(fā)設施3種不同場景下，面對不同重現期設計暴雨條件下的徑流過程，結果表明，采用LID措施后，不同重現期下的徑流量及高峰徑流值較傳統開發(fā)均有所減小，但是隨著重現期的增加，徑流削減率和高峰徑流削減率均呈現減小趨勢。

城市化的快速發(fā)展造成下墊面性質的改變，硬質化路面面積的增加和不透水面積的增加成為影響城市水文過程的重要因素，同時也使城市在遭受暴雨襲擊時，易出現“徑流大、洪峰早、峰值高”的特點，加之我國城市排水設計標準較低，當雨水流量超過城市排水系統的排水能力時，就出現了城市“看海”的窘境，嚴重影響人民的生活和生產正常運行。

國外對此類問題的探索研究始于20世紀60年代，如澳大利亞的“水敏感性城市設計”、美國的“低影響開發(fā)”雨水綜合利用、日本的“雨水貯留滲透計劃”等。我國在總結國外城市雨洪管理經驗的基礎上，結合我國基本國情提出了一種可持續(xù)發(fā)展的城市建設理念——海綿城市，通過運用滲、滯、蓄、凈、用、排等工程和非工程措施，提高城市對雨水徑流的下滲、滯蓄、凈化、利用和排放能力，實現城市水文系統的良性循環(huán)，維持或恢復城市的海綿功能。

本文選取三亞市某海綿小區(qū)為研究對象，利用暴雨洪水管理模型（SWMM）研究該小區(qū)在開發(fā)建設前、傳統開發(fā)、采用低影響開發(fā)（LID）措施三種情景，設計不同暴雨條件下對城市雨洪的控制效果，以期為三亞海綿城市建設提供理論依據和技術指導。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

2016年，三亞市入選第二批全國海綿城市建設試點城市，這與三亞市打造全國生態(tài)文明示范城市相輔相成，也為保護三亞市綠水青山、生態(tài)環(huán)境助力。三亞市屬熱帶海洋性季風氣候，年均降雨量1392.2 mm，降雨主要集中在5—10月，占全年降雨量90%。6—11月受熱帶氣旋影響較多，易出現強降水并造成城市內澇。研究區(qū)是三亞市海綿城市試點區(qū)域，位于三亞市中心城區(qū)，具有較好的代表性。該新建小區(qū)總用地面積為39811.5 m2，圖1為該小區(qū)平面圖。

圖1 研究區(qū)平面圖

1.2 研究方法

SWMM是美國環(huán)境保護署（EPA）于20世紀70年代為解決日益嚴重的城市非點源污染而推出的城市暴雨水量水質預測和管理模型，SWMM是一個基于水動力學的降雨-徑流模擬模型，主要用于城市區(qū)域內單一或長期降雨序列的徑流水量和水質的模擬，后續(xù)經過不斷地更新完善，SWMM如今可以通過對不同LID設施進行參數設置，實現對徑流流量、徑流峰值及水質影響的研究。目前，應用SWMM進行低影響開發(fā)設施計算模擬已相當廣泛。

2 模型構建

2.1 研究區(qū)域概化

對研究區(qū)域模型概化時，可分三個步驟進行：確定研究區(qū)域范圍、排水管網概化和子匯水區(qū)劃分。根據這一方法，結合研究區(qū)域紅線、地形及室外排水官網圖，綜合考慮屋面、綠地、室外硬質路面等下墊面的徑流特征后將研究區(qū)概化為242個匯水子區(qū)域，45個節(jié)點，45個管段和5個排放口（圖2）。

圖2 研究區(qū)概化圖

2.2 LID設施布設

SWMM5.1模型中LID模塊提供了滲透鋪裝、生物滯留設施、滲透渠、雨水罐、雨水花園、綠色屋頂、植草溝等七種不同的雨水處理技術。本文根據低影響開發(fā)盡量減少不透水表面積的原則，結合研究區(qū)域土壤特性、坡度、匯水面積等特征，并參考各LID設施的適用范圍，最終確定的LID設施為：生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車場和植草格。各低影響設施規(guī)模如表1所示。各低影響設施布局如圖3所示。

表1 各LID設施規(guī)模

2.3 模型參數設置

基于SWMM模型，對模型中基本參數進行設置，其中入滲模型、產流模型、匯流模型、水力模型等相關設定見表2。

低影響相關參數如匯水區(qū)的面積、坡度、滲透性N值、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水等參數來源于項目的設計資料，其他參數借鑒SWMM用戶手冊。

2.4 設計降雨過程線

不同雨型（即不同降雨強度過程）對地面徑流過程有重要影響。目前，常用的計算雨型的方法有芝加哥雨型、Huff雨型、Pilgrim & Cordery雨型和三角雨型等。其中，應用芝加哥雨型在城市雨水徑流模擬中取得的效果較好，因此本文采用芝加哥雨型法對三亞市短歷時暴雨雨型進行設計。

模擬需要的降雨數據根據芝加哥雨型方法，結合三亞市暴雨強度公式得到不同重現期的芝加哥雨量過程線。本研究中取降雨重現期（P）選擇1、3、5、10 a，降雨歷時選擇1 h，雨峰系數選擇0.4，降雨時間間隔選擇1 min，得到芝加哥降雨過程線（圖4）。

圖4 不同重現期下芝加哥雨型降雨過程線

3 結果

本研究分三種情景方案進行模擬分析，分別是開發(fā)前、傳統開發(fā)和采用LID設施。開發(fā)前的方案是將研究區(qū)的下墊面類型設定為綠地，模擬其在開發(fā)前的原始水文過程。傳統開發(fā)方案是研究區(qū)域未采取LID方案進行建設、采用LID設施方案為按照預先設計的LID措施，在SWMM模型中布設生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車場和植草格等5種LID組合措施。

模擬過程采用動力波進行流量演算。模型參數主要包括匯水區(qū)、管段、節(jié)點以及低影響設施相關參數。匯水區(qū)的面積、坡度、不滲透性N值、滲透性N值、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水、子面積演算等參數源于項目的設計資料，具體取值見表2。產流計算過程選用Horton入滲模型。LID設施中的下凹式綠地、生物滯留帶的蓄水層深度分別設定為150、300 mm。

通過SWMM模擬發(fā)現，重現期為1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇不同降雨情況下（圖5），研究區(qū)域在開發(fā)建設前的徑流量依次為303.71、630.13、833.00和1120.00 m3；而在傳統開發(fā)模式下，由于不透水面積的增加，降雨徑流的下滲隨之減小，徑流量分別增加至864.79、1262.60、1439.00和1679.96 m3，相對開發(fā)建設前分別增加了2.85、2.00、1.73和1.50倍；采用LID措施后徑流量分別是389.98、763.0、953.87和1200.01m3，相對于開發(fā)前來說，徑流量分別增加了28.40%、21.09%、14.51%和7.17%。相較于傳統開發(fā)，徑流量分別降低了54.91%、39.57%、33.71%和28.56%，這表明隨著雨強的增加，LID設施的布設對徑流量的削減有所增加，但是徑流削減率卻不斷降低，這表明LID措施對雨洪的調蓄作用有限，其對重現期較低的暴雨雨洪控制作用更加明顯，而在高重現期暴雨條件下，LID設施對雨水的下滲、滯留達到飽和狀態(tài)后，溢流的雨水同樣會對排水管網帶來壓力。

圖5 不同重現期下徑流量

圖6所示為不同重現期設計暴雨情況下，研究區(qū)域出流總量過程線，結合表3可以發(fā)現，重現期為1、3、5、10 a時，在傳統開發(fā)條件下，峰值流量分別為577.74、943.15、1062.1、1194.66 L/s，采用LID設施后的峰值流量分別為175.3、412.93、597.19、824.43 L/s，峰值削減率分別為69.66%、56.22%、43.77%、31.00%，既隨著重現期的增加，峰值削減率逐漸減小。重現期為1、3、5、10 a時，傳統條件下流量峰值出現在27、27、27、26 min，采用LID措施后的流量峰值出現在45、37、34、32 min，較傳統開發(fā)的峰值時間延遲了6～18 min。由此可見，研究區(qū)域在傳統開發(fā)條件下，不透水硬化面積的增加，水文過程隨之改變，排放口的峰值流量迅速增加，從而增加了排放口排水壓力。采用LID設施后，暴雨前期的雨水通過LID設施下滲滯留，排放口的流量過程線峰值出現時間較傳統開發(fā)明顯滯后，且流量峰值已經明顯削弱。但是隨著重現期的增加，降雨量的增大，LID設施對峰值削減率降至31.00%，這與研究區(qū)域的產流量超過排水管網的排水能力有關。因此，在采取LID設施進行雨洪控制的同時，對排水管網的優(yōu)化也是行之有效的方法之一。

圖6 不同重現期3種情景下總徑流過程線

表3 有無LID設施下的峰值流量削減效果

以上分析表明，生物滯留帶、透水鋪裝、下凹式綠地、生態(tài)停車場和植草格這5種LID組合措施，不僅能依靠植物根系截留吸收一部分徑流，從而起到截留、儲蓄作用；還可以通過增大透水面積，從而增加下滲率、延長徑流時間、增大徑流下滲量。 LID設施的布設有效降低了場地徑流量和徑流峰值量，從而使城市傳統雨水管網系統的排水壓力降低。尤其是在重現期較低的情況下，LID措施對城市雨洪的削減、滯留效果更加明顯。

深入閱讀

Gironas J, Roesner L A, Rossman L A, et al, 2010. Analyses of urban drainage network structure and its impact on hydrologic response. Journal of the American Water Resource Association,46(5): 932-943.

胡愛兵, 任心欣, 裴古中, 2015. 采用SWMM模型模擬LID市政道路的雨洪控制效果. 中國給水排水, 31(23): 130-133.

康宏志, 郭祺忠, 練繼建, 等, 2017. 海綿城市建設全生命周期效果模擬模型研究進展. 水力發(fā)電學報, 36(11): 82-93.

劉潔, 張翔, 陳華, 等, 2018. 基于SWMM低影響開發(fā)模塊的城市雨洪模擬與分析. 水資源研究, 7(2): 182-189.

馬箐, 沙曉軍, 徐向陽, 等, 2015. 基于SWMM模型的低影響開發(fā)對城市住宅區(qū)非點源污染負荷的控制效果模擬. 水電能源科學,33(9): 53-57.