Infoworks ICM 在防災避險公園海綿化改造中的應用

童禎恭，劉卓堯， 王 瀅， 周小偉， 楊 競

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013；2. 江西省城鄉規劃設計研究總院，江西 南昌330000）

最早在1978 年頒布的日本第二次《城市公園建設五年計劃》中，創立了避災公園這個概念[1]。 國內防災公園的概念在2007 年出臺的 《城市抗震防災規劃標準》中，將其定義為“城市中滿足避震疏散要求、可有效保證疏散人員安全的公園”[2]。 所以國內的公園建設主要是以生態效應、防災避險和景觀設計3 個方面為主[3]。

現如今，公園綠地主要以低影響開發(low impact development，LID)[4]設施建設為主，在不破壞生態的前提下，雨水被LID 設施吸收和利用，使公園更具“海綿化[5]”。 LID 也在美國、加拿大和我國等許多國家得到廣泛應用與發展[6-7]。 在國內關于LID 設施有許多的研究，劉昌明等[8]研究表明多種LID 設施的實施建設使得常德市90%地塊均能達到控制目標；蔡慶擬等[9]通過SWMM 模型軟件對道路上LID 設施建模， 得出了雨水花園對徑流洪峰流量和徑流系數的削減效果最好的結論；王雯雯等[10]通過SWMM 模型，分析了城市開發中，不同LID 設施對城市水文循環的影響，LID 設施可以有效避免城市內澇的出現；李沐寒等[11]運用GIS 和SWMM 模型構建LID 設施方案，通過5 場降雨模擬，將結果比對，分析得出最優方案，為海綿城市建設提供參考；黃子千等[12]通過Infoworks ICM 軟件對濟南市某路段洪澇過程構建模型， 研究不同重現期和設計雨型對區域積水的影響。 SWMM 模型[13-14]和Infoworks ICM[15]針對城市道路降雨徑流模型模擬的研究已較為廣泛， 但是Infoworks ICM 模型針對LID 設施的設計及效果評估的應用國內相對較少。 Infoworks ICM 軟件有LID 設施模塊，對LID 設施進行設計及模擬計算，可以實現LID 設施對徑流量、徑流控制率和污染物控制率的效果模擬與評估。 運用Infoworks ICM 對傳統模式和LID 模式進行模擬，確定并優化公園開發中LID 設施的布局及規模。

1 研究概況

1.1 區域概況

吉安市中心城區位于吉安市中部，防災避險公園位于后河中段區域，現狀用地以居住、公建商業用地、農田為主，建成區現狀年徑流總量控制率約為53%。規劃以居住、公建商業用地、綠地為主。該地氣候年平均氣溫為18.3 °C，歷年平均晴日44 d，陰日184 d，日照時數為1 821.8 h，無霜期285 d。 全市風向受季節影響變化顯著， 全年主導風向為北風。

1.2 避險公園現狀

防災避險公園占地面積為21.12×104m2， 其中水面面積為8.4×104m2，陸地面積12.63×104m2。 防災避險公園場地在后河兩側， 整體呈現南高北低，東西高中間低，地塊設計標高在46～52.44 m；整體坡度較大，局部較為平坦，坡度多在1°～8°。

2 工程改造研究方案

2.1 方案總體思路

方案總體思路為：①對公園現狀地塊、雨水子流域等進行分析，確定公園內LID 的設施；②充分考慮公園的景觀、布局和經濟性等因素，對公園LID進行初步的方案布局，并構建傳統模式和LID 設施模式兩種模型，進行擬算；③根據結果與設計目標進行對比，運用模型軟件進行模擬試算，調整方案的LID 規模，最終達到最優方案。

2.2 雨水分區劃分

根據現場地塊、 地形及排水管道分布情況，將流域劃分為20 個分區，以便更細致、切合實際地進行ICM 的模型下墊面構建，具體分析不同的分區。

2.3 下墊面分析

本項目傳統開發模式下區域總面積為154 695 m2，根據現有數據， 將土地利用分為現狀透水鋪裝、硬質鋪裝、綠化、屋頂、水體5 類。 其中項目內各分區用地性質及面積根據實際統計如圖1 所示。 根據下墊面解析情況，在所有分區中，公園現有的綠化用地偏多， 其次是硬質鋪裝， 水體主要集中在分區8和分區16，現狀的透水鋪裝主要分布在分區3 和分區16。 公園總體的透水區域占比大概在70%，屬于綠化基礎條件較好的公園。

圖1 分區下墊面解析Fig.1 Analysis of underlying surface of partition

2.4 低影響開發設施的選擇和布置

結合公園現場勘測、 水文地質、 雨水排水系統等資料，充分考慮防災避險的需要，再根據研究表明， 植草溝＋透水鋪裝＋綠色屋頂＋雨水花園的組合方案潛力最大[11]，故篩選出這4 種作為本項目公園的LID 設施。 根據地區可改造的透水區域、屋頂，再結合防災避險房屋建設和雨水花園設施的選取，初步將方案確定為公園現有的硬質鋪裝換為透水鋪裝，并結合現有情況，在雨水花園附近修建植草溝，植草溝將雨水引流至雨水花園處理。

3 模型構建

3.1 模型體系構建

采用ICM 水力模擬軟件對該項目進行模型構建， 分別構建傳統模式和LID 設施模式兩種模型，方便與之對比，調整方案。 將現有的地下管網資料和現有的規劃資料等數據整理好后，通過模型的數據導入中心將管道和節點數據導入模型中，接著導入5 min 典型年設計降雨數據。

3.2 傳統模式下模型參數取值

產匯流表面參數取值情況具體如表1 所示。

表1 模型參數取值Tab.1 Model parameter values

傳統模式下， 根據下墊面的現狀分析情況，不同下墊面類型選擇對應的產流表面。 產流表面設置包括徑流量類型和表面類型，其中雨水在下墊面的流動主要運用ICM 模型水文模塊。雨水的初期損失值一般差距較小，這次模擬就不考慮初期損失值的影響；產流模型中，不透水和透水面積構成了產流表面，此次模型模擬中，透水下墊面采用霍頓模型法，霍頓模型中需要設置初滲率、穩滲率、衰減率和恢復率這4 個關鍵參數， 具體取值如表1 所示，非透水下墊面采用固定徑流系數法， 采用0.9 的固定徑流系數；匯流模型采用SWMM 匯流模型，匯流參數取0.03。 （依據模型手冊、《室外排水設計規范》及相關文獻得到參數的取值）。本項目用地主要分為硬地、屋面、透水鋪裝、綠地和綠色屋面5 類，其中綠地和綠色屋面為透水區域，其它均為不透水面積。

3.3 LID 模式下模型的參數取值

本次模擬用4 類不同的LID 設施，透水鋪裝的參數設定依據透水磚的材料與性質，再依據ICM 軟件手冊、實際工程試驗和參考文獻，完成剩下3 個LID 設施參數的設定。

透水鋪裝中參數取值為厚度300 mm， 孔隙比0.75，滲水速率1.8 mm/h；綠色屋頂中參數取值為厚度1.25 mm，孔隙率0.5，導水率1.5 mm/h，產水能力為0.2；雨水花園中參數取值為高度200 mm，植被容積分數0.15，表面粗糙度（即曼寧值）為0.15，表面坡度為1%； 植草溝中參數取值為高度200 mm，植被容積分數0.5，表面粗糙度（即曼寧值）為0.24，表面坡度為0.4%。

4 模型運行結果及分析

4.1 傳統模式模擬結果

導入5 min 典型年的設計降雨數據同傳統模式進行計算， 各分區管控的計算指標結果如表2所示。

表2 傳統模式模擬結果Tab. 2 Traditional model simulation results

根據表2 數據， 對傳統模式下的公園雨水管控效果進行分析。 在劃分的20 個分區中，7 個分區的年徑流總量控制率達到預期78%的控制率目標，仍然有13 個分區的年徑流總量控制率需要提高。 對于13 分區、15 分區和18 分區，徑流量是傳統模式下最高的3 塊分區， 可以增設雨水花園，提高分區對徑流量的削減率。在傳統模式下， 分區的污染物控制率平均為54.67%，公園在不增設LID 設施的情況下， 污染物整體控制情況能夠達標， 公園內生態本底較為良好， 所以， 在不破壞現有綠化前提下增設LID設施，降低雨水徑流量，提高公園的年徑流控制率，以達到設計目標。

4.2 LID 設施模擬結果

根據傳統模式的結果，有必要增設LID 設施降低雨水徑流量，提高控制率。 根據公園現狀，公園增設4 類LID 設施， 對于不增設雨水花園的分區，雨水徑流在公園內的流動過程：流入透水鋪裝（或綠色屋頂）后，再流入植草溝，最后流入公園旁的后河；對于增設雨水花園的分區，雨水徑流流入透水鋪裝（或綠色屋頂），再流入植草溝，植草溝將徑流引流至雨水花園內，除去下滲和蒸發的部分，剩余部分進入調蓄池后，再流入后河。接著導入5 min 典型年的設計降雨數據對LID 模式進行計算，經過多次調整和優化，LID 模式下的模擬計算結果如表3所示。

表3 LID 模擬結果Tab.3 LID simulation results

根據表3 的結果，將LID 模式下的結果同傳統模式下的結果進行對比，傳統模式下的徑流總量為54 944.79 m3，2 個控制率指標分別為72.90%，54.67%；LID 模式下的徑流總量為39 371 m3，2 個控制率分別為80.31%，60.31%。 經過改造后LID 設施對徑流總量的削減效果較為明顯，徑流總量削減了28.34%，實現了公園內雨水從源頭削減的效果，2個控制指標也達到了設計前的目標。

4.3 LID 設施整體布置

公園內LID 的最終方案布置圖如圖2 所示，其中透水鋪裝為18 704 m2，約占公園地塊的9.8%；雨水花園為6 084 m2，約占公園地塊的4.7%；植草溝為2 033.2 m， 約占公園地塊的1.6%； 綠色屋頂為252 m2，約占公園地塊的0.2%。

公園內的地塊面積約為12.63 m2， 分別用5 種LID 設施進行建設。 從公園最終方案的結果可以看出，LID 設施僅占公園地塊面積的16.3%，在達到目標效果，保證經濟型的同時，又完成了改造目標。

圖2 方案總體布置圖Fig.2 Overall layout of the scheme

5 結論

1） 采用Infoworks ICM 模型軟件有效模擬了低影響開發模式的公園水文形態，為后續城市中綠色公園的建設提供了一定的技術支持；

2） 項目分別構建了兩種模型，通過傳統模式和LID 模式的對比分析， 在公園內增設一定規模的透水鋪裝、植草溝、綠色屋頂和雨水花園，便可達到項目設計目標；

3） 在考慮了公園內整體的景觀、資源的利用和成本維護等因素后，低影響開發設施的規模不需要太大。 通過對公園內地塊的LID 設施統計，得出了該項目中的LID 設施占比僅為項目地塊的16.3%。在保證了目標達到的同時，對整體公園的LID 設施布局進行優化，展示出ICM 模型模擬分析的優點。