低影響開發設施布設對區域雨洪控制效果研究

張士官 呂謀 劉春娜

摘 要：以青島市城區某小區為例，研究了低影響開發（LID）布設下區域雨洪控制效果。基于SWMM和GIS構建區域概化模型，對比分析了現狀模式及布設生物滯留網格、綠色屋頂、透水鋪裝和3種LID設施組合布設方案下，研究區不同重現期水文與水質變化情況，結果表明：相同降雨重現期下，LID設施單獨布設時，綠色屋頂對洪峰流量削減效果最好，透水鋪裝對徑流系數削減效果最佳、降雨控制率最高;LID設施組合布設方案優于單獨布設方案，且降雨重現期越小，LID設施控制效果越好;LID設施單獨布設和3種LID設施組合布設方案下污染物削減能力由強到弱為LID設施組合>綠色屋頂>透水鋪裝>生物滯留網格。

關鍵詞：降雨控制率;低影響開發;SWMM模型;LID設施組合

中圖分類號：TU992 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.015

Abstract：Taking a certain metropolitan area in the coastal area as an example， the effect of rainwater flood control under the LID layout was studied. Based on SWMM and GIS to build a regional generalization model， compared and analyzed the regional current situation mode and deploy bioretention grid， green roof， permeable pavement and three kinds of LID combination facilities under different return periods， runoff coefficient， flood peak flow and rainfall control rate changes. The study finds out that under the same rainfall return period， the green roof has the best effect on reducing the peak flow， the permeable pavement has the strongest ability to reduce the runoff coefficient and the rainfall control rate is the highest， while the three LID combinations are better， in terms of water quality simulation， the reduction of pollutant SS discharge rate by each LID measure is： combination LID>green roof>permeable paving>bioretention grid.

Key words： rainfall control rate; low impact development; SWMM model; LID combination

近年來，隨著城市化進程的加快，城市未開發前的池塘、濕地、河道被瀝青大道覆蓋，原有的植被、土壤等天然地面被透水性極差的硬質路面、屋頂取代，以致區域降雨后出現了徑流速度加快、峰值流量增大、峰現時間提前等現象，增大了城市內澇風險。在城市內澇日益嚴重的情況下，海綿城市的發展理念應運而生。

海綿城市也被稱之為“水彈性城市”，是國家倡導的為緩解城市內澇、促進雨水資源利用和生態環境保護的全新城市管理方式。低影響開發（LID）作為建設海綿城市的基礎，其理念與技術體系是一種可持續城市雨水管理手段，既能有效收集、利用雨水資源，緩解城市用水緊張狀況，又能顯著減少城市地表徑流，提高城市排水安全性，以絕內澇隱患。筆者以青島市城區某小區為例，基于GIS軟件與LID技術原理，利用EPA-SWMM模型對其進行概化模擬，評估了現狀開發模式下與LID設施單獨布設和組合布設方案下區域雨水管理效果，以期為城市區域建設提供參考。

1 模型構建

EPA-SWMM（暴雨洪水管理模型）是一種動態降雨-徑流模擬模型，主要用于城市單場次降雨事件或長期水量和水質模擬，并以多種形式將結果顯示出來。LID模塊通過收集雨水，合理利用景觀空間和采取相應措施控制暴雨徑流，減少城鎮非點源污染。LID設施主要包括下凹式綠地、雨水花園、植被淺溝、綠色屋頂、透水路面等。

1.1 研究區域概況及雨水系統概化

青島市地處山東半島南部，東、南瀕臨黃海，地處北溫帶季風區域，多年平均降水量775.6 mm，年內降水量分布不均，夏季降水集中。青島市某小區土地利用類型以住宅、工業、道路、公園綠化為主，人口密度大，樓房較多，雨水管網排水壓力較大，尤其暴雨天氣，因雨水不能及時排出而形成內澇，可以說是市區的一個縮影。

研究區總面積2.08 km2，其中透水面積0.325 km2，約占15.6%，以綠化用地與公園為主;不透水面積1.755 km2，約占84.4%，以樓房與市政道路為主。研究區域內管網與管道井數據由測繪單位提供，具體管道井x、y坐標，上下游節點、井深、井底高程等由GIS提取。結合現場調研結果對研究區域進行概化，共劃分為27個子匯水區、29條管道、27個節點與1個排放口，模型概化見圖1。

模型率定所需實測數據來源于物聯網在線監測信息平臺，其中水文水力參數采用排放管流量率定，水質參數以排放SS（懸浮固體顆粒物）濃度為率定標準。選取2018年6月17日與2018年7月5日兩場降雨進行模型率定，選取2018年7月23日降雨進行模型驗證。根據研究區域場地特點，選用Horton入滲模型模擬研究區降雨產流入滲過程，匯流過程選用非線性水庫模型模擬。降雨信息及模型確定系數（R2）見表1，由率定結果可知，R2均大于0.75，與實測數據擬合精度高，表明模型模擬效果良好。經過對模型中各參數進行反復調整，最終模型參數率定值見表2。

1.3 LID設施布設及模擬過程

（1）LID設施布設。考慮到研究區域內建筑物與不透水性市政道路較多，綠化用地較少，而雨水花園等設施占地面積較大，因此不考慮鋪設雨水花園等設施。根據區域實際狀況與LID設施特點，最終將3種LID設施布設于研究區內，分別為生物滯留網格、綠色屋頂和透水鋪裝。各項LID設施參數選取主要參考SWMM手冊及文獻[1-4]。

生物滯留網格就是利用植物、土壤和微生物等滯蓄、凈化雨水，其規模較小、造價低，適宜布置在高密度建筑區。設施表層蓄水深度為100 mm，蓄水層厚度為400 mm;土壤層厚度為600 mm，導水率為3.302 mm/h，孔隙率為0.5。

綠色屋頂是一種在屋面種植植被以達到凈化雨水，蓄積雨水，削減屋面雨水徑流量，緩解熱島效應的雨水生態利用技術。設施土壤層厚度為100 mm，孔隙率為0.5。

透水鋪裝是典型的通過增大城市透水面積比例來緩解雨水徑流，使雨水迅速滲入地表的LID調控措施。設施基層與透水層總厚度為220 mm，孔隙率為0.5;土壤層厚度為300 mm，導水率為3.302 mm/h，孔隙率為0.5;蓄水層厚度為300 mm。

（2）模擬過程。首先，對研究區域進行現狀模擬分析，獲取相應的地表徑流等數據，模擬計算出徑流系數、洪峰流量、降雨控制率及SS總量;然后，將3種LID設施分別單獨布設于研究區內，即因地制宜將匯水區內的屋頂改造為綠色屋頂，街道與廣場鋪設透水材料，街邊綠地改造為生物滯留網格設施;經過模擬獲取對應的地表徑流與管道流量數據;接著將3種LID設施組合后布設于區域內;最后，分別將現狀模擬結果與LID設施單獨布設、LID設施組合布設模擬結果進行對比分析。

1.4 降雨條件設置

結合研究區地理位置及氣候條件，選取降雨重現期分別為2 a、5 a、10 a和20 a。選用芝加哥降雨模型來模擬降雨歷程，雨峰系數r取0.4，降雨歷時為180 min，時間步長為1 min。

2 模擬結果與分析

2.1 現狀建設模式模擬與分析

將不同重現期的降雨序列依次輸入模型進行模擬計算，分別得到現狀模式下不同重現期的區域徑流系數、洪峰流量、降雨控制率和SS總量，見表3。由表3可知，在現狀建設模式下不同重現期的徑流系數、洪峰流量都較大，并且隨著重現期的增大徑流系數與洪峰流量也增大。其原因是，現狀模式下城市化進程加快，建筑面積與道路面積增大，不透水率增高，雨水不能及時下滲;河流與池塘等被填埋，而雨水管道存在老化、淤堵等問題，致使降水不能及時排出，形成內澇，造成經濟損失。

理想模式下徑流系數與降雨控制率應該對應，其和為1。現狀模式下，由于存在內澇，部分降水溢出管道，因此總排放量降低，降雨控制率變大。

2.2 LID設施布設模式模擬與分析

將3種LID設施與LID設施組合布設于區域內，研究LID設施單獨布設與組合布設的關系，模擬計算出不同重現期條件下的徑流系數、洪峰流量與降雨控制率，見表4。由表4計算不同LID設施布設情況下徑流系數削減率、洪峰流量削減率、降雨控制提升率，結果見表5。不同LID設施布設方案對SS總量削減狀況見表5。

3種LID設施單獨布設情況下，研究區徑流系數和洪峰流量均有所下降，相應的降雨控制率上升。在相同降雨重現期下綠色屋頂對洪峰流量削減作用最強，2 a重現期下可達43.5%;透水鋪裝對研究區徑流系數削減能力最好，降雨控制率提升效果最好，最佳徑流系數削減率與降雨控制提升率分別為44.4%和100%;生物滯留網格作用稍差。徑流削減的效果隨著降雨重現期的增大有所下降。主要原因是，研究區主要是樓房建筑與透水性較差的市政道路，LID設施布設后頂層樓面替換為綠色屋頂，覆蓋面積大，削減洪峰流量能力較強;透水鋪裝取代了原來的市政道路，大大增加了雨水的下滲能力，因此地表徑流量減小，降雨控制率得以提升;由于生物滯留網格主要鋪設在區域綠地內，所占面積較小，因此對徑流削減能力不如前兩者，但與現狀模式相比較，對區域內澇調控效果好。

LID設施組合布設方案與各LID設施單獨布設相比較，徑流系數與洪峰流量削減效果更好，降雨控制率提升能力更強。徑流削減能力在2 a重現期下最顯著，徑流系數與洪峰流量分別降低了70.4%、62.5%;降雨控制率在2 a重現期下最高，隨著重現期的增大而降低，其降雨控制提升率在10 a重現期下最大，為164.0%。其原因是，3種LID設施在區域中共同布置，其中綠色屋頂布設在屋頂，面積大，攔截了大部分初期降雨，雨水滯留于頂層用于綠色植物后期生長;隨著降雨量的增大，雨水溢流至生物滯留網格，其上的植被可以滯留以及吸收周圍區域的雨水，減緩徑流;降落與溢流到道路上的雨水被滲透性良好的透水鋪裝設施吸收，使徑流在短時間內入滲到更深層土壤中。3種LID設施之間優勢互補，可以達到更好的徑流削減效果。

水質模擬方面，由表5可知，LID設施組合布設方案對污染物SS總量削減能力最強，其次為綠色屋頂單獨布設，污染物消減能力由強到弱為LID設施組合>綠色屋頂>透水鋪裝>生物滯留網格。

3 結 語

基于SWMM對青島市城區某小區進行LID設施布設下區域雨洪控制效果的模擬研究，發現LID設施可有效削減徑流系數、洪峰流量及提高降雨控制率，其中LID設施單獨布設條件下，綠色屋頂對洪峰流量削減效果最好，透水鋪裝對徑流系數削減效果最佳。LID設施組合布設方案優于單獨布設方案，且降雨重現期越小，LID設施控制效果越好。

不同LID設施對徑流污染調控效果顯著，LID設施的布設增強了雨水滯蓄能力，凈化吸附雨水中的污染物，降低了面源污染，大大緩解了城市內澇隱患。

不同LID設施布設時需要考慮相鄰子匯水區的影響，并且不同城市的參數不同，需綜合考慮造價、空間分布、管網運行能力等情況設置參數，進而根據城市區域實際狀況比選出最優LID設施組合方案，并進行優化組合方案設計，以提升LID設施處理效率。

參考文獻：

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【責任編輯 呂艷梅】