基于SWMM的城市道路LID設施雨水調控效果研究
——以武漢市工業路為例

盧明明

江淑卉

裘鴻菲

城市化進程使城市不透水面積增加，導致雨洪災害頻發、水質污染、水資源供需矛盾加劇。道路是城市三種主要下墊面之一，也是城市排水系統的支撐，對雨水的排放、洪澇災害的預防和居民安全的保障至關重要。2019年8月1日，住房和城鄉建設部發布實行了《海綿城市建設評價標準》（GBT 51345—2018），對城市道路雨水調控能力做出了明確要求，強調通過景觀設計，利用LID設施調控雨水[1]。城市道路LID設施是城市綠地和城市道路的交集，亟待風景園林學、土木工程等交叉學科中的定量研究。

近年來SWMM在城市道路LID設施雨水調控方面應用廣泛。葉陽等通過實驗性模擬結果的對比，得出匯水系統的綠地雨洪調蓄效率、匯水系統和各類用地基于雨水調蓄理念下的最低綠地率[2]。王雯雯等以深圳光明新區為研究區域，發現下凹式綠地可削減洪峰流量、減小徑流系數[3]。胡愛兵等以某已建城市道路為例，運用SWMM模擬在連續降雨和場降雨條件下的年雨水入滲量和年降雨蒸發量[4]。湯偉真等采用SWMM模擬評價城市道路低影響開發雨水設計方案的滯蓄減排效果，表明LID設施能夠有效控制徑流量，緩解管道排水壓力[5]。尚蕊玲等以陜西省灃西新城西部排水區為例，用SWMM軟件模擬3種降雨事件下，添加雨水花園和滲渠措施對其水質水量的影響[6]。劉一瑤等通過在清華學堂路增設1525m2的LID設施，達到五年一遇的雨強下，削減徑流量6686m3的效果[7]。

圖1 城市道路宏觀雨水徑流示意圖

圖2 工業路建設范圍圖

圖3 工業路橫斷面結構示意圖

圖4 工業路雨水徑流示意圖

圖5 工業路SWMM模型概化示意圖

現有研究往往針對城市道路等某研究對象的實際情況建立模型進行模擬，缺乏與傳統開發模式在不同重現期下的對比分析，難以定量驗證和評價低影響開發模式城市道路的雨水調控效果。且現有研究未針對城市道路的結構特點將不同LID設施進行實驗性單因素城市道路雨水調控效果模擬，無法確定適用于城市道路的LID設施及其調控機制。本文在分析城市道路徑流規律和適用于城市道路的LID設施的基礎上，選取武漢市工業路為研究對象，在不同降雨條件下，運用SWMM模型模擬與評估LID設施的雨水調控效果，旨在基于定量評估對比分析各單項LID設施貢獻率大小及削減效率，為城市道路LID設施布設提供指導。

1 研究準備

1.1 研究對象

按照城市道路等級分類和雨水徑流規律，可分為城市快速路、城市干道、城市支路，其宏觀（周邊范圍）雨水徑流方式如圖1所示。快速路配置的中央分隔帶、路側分隔帶等為LID設施創造了良好的立地條件，較少設置人行道及人行道綠帶。其高架段雨水通過泄水管排出，比城市管渠排水效率高，不受周邊地表徑流影響，雨洪風險不如其他城市道路；城市干道擁有較大的路面面積，LID的種類和可用面積都最為充分。但城市干道多位于中心城區，周邊建設強度高，地表徑流量大，雨洪災害造成的損失大，是城市道路系統雨水調控的重心；城市支路較少設置中央隔離帶、非機動車道和側分帶，LID設施主要是人行道和車行道的透水路面和人行道綠化帶的生態樹池，管網等級低。其在降雨事件里多充當傳輸通道作用，大暴雨下需高級管網完成雨水排放后才能有效排放，因而雨水問題頻發，易形成城市“看海”現象，但對城市交通安全和環境安全威脅不及城市干道。

表1 城市道路LID設施的適用性

圖6 不同重現期下的降雨分布

圖7 不同重現期下傳統開發模式城市道路系統徑流

圖8 不同重現期下基于低影響開發的城市道路系統徑流

圖9 不同方案下的系統徑流對比（0.5年一遇）

圖10 不同方案下的系統徑流對比（1年一遇）

圖11 不同方案下的系統徑流對比（2年一遇）

微觀層面（紅線范圍）各類城市道路雨水徑流的模擬過程類似，以城市干道武漢市工業路（城市干道）為例說明。工業路（友誼大道—和平大道，以下簡稱“工業路”）是武漢市青山片區海綿城市（南干渠片區）建設PPP項目，也是低影響開發理念下的城市道路海綿化改造系統中典型的交通性道路。工業路總體長度1363.81m，寬度40m，其中機動車道寬14m，兩側機非隔離帶寬3m，非機動車道寬4m，人行道寬4m（圖2～3）。其降雨受力面主要包括：透水瀝青路面、透水鋪裝以及綠化帶，雨水徑流方向如圖4所示。

表2 研究區域LID設施參數表

表4 傳統開發模式城市道路模擬運行結果

1.2 城市道路LID設施

各類LID設施的結構和功能特點、對空間形態的要求等是決定其是否能在城市道路上應用的關鍵因素。如：不設置蓄水池的原因在于其用地需求較大，但城市道路范圍內空間有限。不采用人工土壤滲濾的原因在于人工土壤的長期使用性能無法滿足要求（人工滲濾土壤的功能年限在一年左右，而城市道路的使用年限通常在10年以上[8]，若周期性更換滲濾土壤則會導致工程的不經濟）。通過實際工程案例與文獻資料對適用于城市道路的LID設施進行分析[9]，得出表1。

2 模型建立

2.1 傳統開發模型構建

基于工業路所在區域雨水排放系統布局，按照SWMM模型應用要求的指導，并結合相關雨水管網資料，對開發后的排水分區進行符合實際情況的概化，最終共劃分子匯水區133個、設置雨水管段62條、檢查井節點58個、總排放口3個。具體模型構建如圖5所示。

表3 不同重現期的平均降雨強度和降雨總量

表5 基于低影響開發的城市道路模擬運行結果

表6 2年一遇降雨下各布設場景的調控性能

2.2 低影響開發模型構建

研究區域的生態滯留設施主要為非機動車道與人行道之間的下沉式綠地、雨水花園以及生態樹池，促進雨水下滲補充地下水，減少排往雨水管的水量，滯留帶內的植物也對徑流污染物起到攔截、吸附和降解作用；研究區域的植草溝主要為機動車道與非機動車道之間的綠化帶；研究區域的透水路面分為人行道透水鋪裝和車行道透水瀝青（全路段采用），起到儲存和轉輸雨水徑流的作用。人行道鋪設透水磚，增加了城市道路透水面積，相關參數根據所采用透水磚的特性設置，參數項目與透水瀝青相同，數值不同。

模型LID設施參數主要依據調查結果設定，對于獲取確有困難的，以《武漢市排水防澇系統規劃設計標準》（以下簡稱《標準》）標準值為準，同時標準值也用來校正調查結果；少數《標準》中也未明確要求的，采用SWMM用戶手冊中的推薦值（表2）。

構建低影響開發模式模型，因地制宜且最大限度地布設生態滯留設施、透水路面、植草溝等LID設施。將定義的LID設施按照相應的布設比例，添加到各子匯水區圖元屬性表中，研究區域內綠地、鋪裝面積與傳統開發模型中設置相同。

2.3 設計降雨

采用芝加哥雨型作為降雨設計用型。根據《武漢市海綿城市規劃設計導則》提供的暴雨強度公式（1），分別計算出設計重現期為0.5、1、2、5、10年的降雨量（圖6），得到降雨總量結果分別為21.32mm、40.65mm、59.98mm、85.54mm、104.87mm（表3）。

式中：q——為設計暴雨強度（L/s·hm2）；

P——為設計暴雨重現期（年）；

t——為降雨歷時（分鐘）。

3 結果分析

模擬不同降雨條件下，低影響開發模式和傳統開發模式下城市道路LID設施對雨水徑流量、峰值流量和雨峰時間的調控效果，分析各單項LID設施的徑流控制效率。

3.1 傳統開發模式城市道路模型運行結果

在重現期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，研究傳統開發模式城市道路的地表徑流量、峰值流量和雨峰時間（表4、圖7）。由表可得，在重現期依次為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，傳統開發模式城市道路地表徑流總量分別為10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm；峰現時間分別為75min、75min、75min、75min、90min；峰值流量分別為0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。

由此可見，城市道路雨水徑流量與降雨強度呈正相關關系。在歷時75min，徑流流量達到最大，降雨后較短時長內徑流量激增可能是引發城市道路積澇現象的關鍵因素。雨水管網超負荷工作，產生溢流，形成地表積水。如何快速有效地疏導這部分雨水徑流，是解決城市道路雨水問題的關鍵。

傳統路面滲透性差，基本沒有雨水調控功能。大部分雨水以地表徑流的形式流出子匯水區，導致城市道路雨水徑流量和峰值流量激增，嚴重影響城市道路系統壽命和交通安全等。

3.2 低影響開發城市道路模型運行結果

在重現期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，研究低影響開發模式城市道路的地表徑流總量、峰值流量和峰現時間（表5、圖8）。由表可知，重現期分別為0.5、1、2、5、10年的降雨條件下，低影響開發模式城市道路地表徑流總量分別為6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，峰值流量分別為0.17m3/s、0.32m3/s、0.5m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。峰現時間均為降雨開始后的90min，峰值持續一定時間，在降雨135min之后，徑流值逐漸降低，在195min之后趨近于零。總降雨量一定時，低影響開發模式下的城市道路地表徑流量較傳統開發模式明顯降低，而總滲入量和地表最終蓄水深度都有大幅度提高。表明低影響開發模式下雨水徑流和峰值流量的削減主要是依靠LID設施的入滲和滯蓄作用。從整個降雨過程來看，LID設施調控城市道路雨水的效能并不是穩定的，呈現前期強后期弱的規律，符合LID設施調控雨水的機理。

3.3 傳統開發和低影響開發模式城市道路雨水調控對比

圖12 不同方案下的系統徑流對比（5年一遇）

圖13 不同方案下的系統徑流對比（10年一遇）

圖14 不同降雨強度下LID設施對徑流的削減效果

圖15 不同降雨強度下的系統徑流

通過分析比較傳統開發模式和低影響開發模式城市道路在不同重現期下的系統徑流量，定量探究LID設施在調控雨水方面的作用（圖8～13）。由圖可知，對于重現期分別為0.5、1、2、5、10年的暴雨，采用傳統開發模式，城市道路地表徑流總量分別為10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm。而采用低影響開發模式，城市道路地表徑流總量分別下降至6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，低影響開發城市道路的地表徑流均低于傳統開發模式城市道路，徑流總量削減率分別為39.7%、44.2%、40.9%、37.0%、34.8.0%，隨重現期增大呈先增大后減小的規律，說明超過10年一遇降雨超過了LID設施雨水徑流量調控范圍。

采用傳統開發模式，城市道路峰值流量分別為0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。采用低影響開發模式，城市道路峰值流量分別降至0.17m3/s、0.32m3/s、0.50m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。低影響開發城市道路的峰值流量均低于傳統開發模式城市道路，峰值流量削減率分別為66.0%、71.6%、77.8%、83.6%、77.0%，隨重現期增大呈先增大后減小的規律，說明超過10年一遇降雨超過了LID設施雨水峰值調控范圍。

對于重現期分別為0.5、1、2、5年的降雨，雨峰時間均推遲15min，LID設施有推遲城市道路雨水雨峰時間的作用，且其作用效果是相對穩定的，與降雨大小并無明顯關系。

在五種不同的降雨條件下，低影響開發模式下的城市道路在控制徑流總量和削減峰值流量方面均有不同程度的作用。當降雨重現期由0.5年一遇增大到5年一遇時，峰值流量削減率依次遞增，但由5年一遇增大到10年一遇時，又有所下降。當降雨重現期由0.5年一遇增大到1年一遇時，徑流總量、徑流系數削減率呈上升趨勢，高于1年一遇時，又依次降低。在中小重現期下，LID設施的雨水調控效果更加顯著。隨著重現期的增大，徑流總量削減率和峰值流量削減率均呈現先增后減的趨勢（圖14）。當降雨強度上升到一定程度時，削減量曲線的曲率趨于平穩，此時各低影響設施逐漸飽和，LID設施對雨水徑流的控制能力到達極限（圖15），LID設施對城市道路雨水雨峰時間推遲的作用相對穩定。

3.4 單項LID設施雨水調控效果對比分析

由表6可知，對城市道路雨水徑流量的削減，透水路面貢獻最大，以二年一遇降雨下為例，其貢獻率為33.2%。其次為生態滯留設施，貢獻率為6.2%。最后為植草溝，貢獻率為1.3%。對峰值流量的削減，透水路面貢獻最大，貢獻率為73%。其次為生態滯留設施，貢獻率為11.9%。最后為植草溝，貢獻率為7.9%。

在單位面積相同時，各項LID設施對徑流總量削減效率排序為：生態滯留設施＞組合型＞透水路面＞植草溝；對峰值流量削減的效率排序為：生態滯留設施＞透水路面＞組合型＞植草溝（表6）。

4 結論與討論

4.1 各等級城市道路LID設施雨水調控策略

各等級城市道路因其寬度、結構形式等差異，徑流規律和LID設施布設方式不盡相同，應采用不同的雨水調控策略。快速路應重點考慮泄水管和下承LID設施（雨水花園等）的對接，減少對下方道路造成徑流；城市干道應是城市道路系統雨水調控的重心，雨水調控重點是減少路面及外排徑流，如建設LID設施和提高城市雨水管渠等級等；城市支路易發雨水問題而雨洪風險一般，可多設植草溝等傳輸型LID設施進行雨水調控。

4.2 不同重現期城市道路LID設施雨水調控效果

系統徑流總量與降雨強度呈正相關，傳統路面滲透性差，基本沒有雨水調控功能，嚴重影響城市道路壽命與交通安全性；低影響開發模式下的城市道路地表徑流量較傳統開發模式明顯降低，總滲入量和地表最終蓄水深度都有大幅度提高，雨水徑流和峰值流量的削減主要依靠LID設施的入滲和滯蓄作用。采用LID組合模式的城市道路，在0.5年一遇到10年一遇的降雨強度下，對徑流總量的削減率為34.8%～44.2%，對峰值流量的削減率為66.0%～83.6%，雨峰時間穩定推遲15min。LID設施對城市道路中小重現期雨水調控作用顯著，主要表現在雨水徑流量和峰值流量的削減上，而大重現期下其雨水調控效果一般，雨水徑流量和峰值流量的削減率都有所下降。LID設施在對十年一遇以上暴雨的調控效果不盡人意，需要進一步研究大重現期城市道路雨水調控的其他策略。暴雨狀況下LID設施對城市道路雨水調控意義在于能推遲雨峰時間，使城市居民、綠色和灰色雨水設施等能做好充足準備抵御雨洪。

4.3 各類城市道路LID設施雨水調控效果對比

在對地表徑流的削減作用方面，透水路面和生態滯留設施貢獻較大，其中透水路面徑流削減貢獻率為30.5%～34.9%，生態滯留設施徑流削減貢獻率為3.6%～10.8%，植草溝徑流削減貢獻率為0.7%～1.5%。在對峰值流量的削減作用方面，透水路面貢獻最大，貢獻率為60.0%～76.5%。其次為生態滯留設施，貢獻率為2.9%～11.9%，最后為植草溝，貢獻率為0%～7.9%。在單位面積相同時，各項LID設施對徑流總量削減效率排序為：生態滯留設施＞組合型＞透水路面＞植草溝，對峰值流量削減效率排序為：生態滯留設施＞透水路面＞組合型＞植草溝。由于布設面積原因，各項LID設施的徑流削減量與峰值消減量之和大于組合LID設施削減量。LID設施對城市道路雨水調控效能以徑流峰值為界，呈現出先強后弱的規律，隨設計降雨重現期增大而降低，LID設施的雨水調蓄能力逐漸飽和，LID設施對中小雨（二年一遇及以下）的城市道路徑流調控作用更明顯。就單項LID設施而言，從削減徑流量和峰值流量的角度而言宜優先布設生態滯留設施，硬質表面可考慮透水路面。由于面積受限，綠色雨水設施在城市道路雨水調控方面顯現出局限性，城市道路景觀設計時應更重視透水鋪裝材料的應用，降低道路綠地的雨水調控負荷。

研究表明通過合理的空間組織分布、LID設施協同作用等方式，能提升城市道路LID設施雨水調控性能，改善降雨時城市道路積水情況，為創造良好城市環境提供途徑。

資料來源：文中圖表均由作者繪制。