基于LID措施的海綿城市方案設計研究

周思妙

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都610081）

0 引言

城市化覆蓋范圍規模達到前所未有的面積，區域硬化面積也隨之變大，相對地，城市透水區塊面積被大量壓縮，容易引起自然水文環境的失衡。現有的城市排水管網在設計之初往往較為保守，因而在面臨降雨量較大的情況時，往往無法及時將雨水徑流排除，也就容易引起城市內澇的現象，給居民生命財產安全帶來巨大威脅[1-3]。

為了有效地對雨水徑流量進行一定程度上的控制，業內采用了一種規模范圍較小、分布密度大的方案，實現的途徑是對城市綠地土壤和水文場景進行利用開發，被稱作LID措施，即低影響開發措施[4-5]。在具體的實施軟件方面，常采用SWMM軟件進行處置，即雨洪管理模型軟件，可以搭建綜合性模型，較為精準地模擬雨水洪峰及雨水徑流狀況，并在此基礎上具體地對水質、水文狀況等要素進行分析[6-7]。各種雨水徑流開發措施也LID措施理念的影響下應運而生，包括生物滯留池、雨水桶、透水鋪裝、下凹式綠地以及綠色屋頂等，各種方式的利用方式也有著很大的區別，包括調整入滲速率、調整雨水徑流滲蓄、植被儲水等等[8]。

國內相關專家學者從20世紀90年代就已針對某一單一的LID措施效果展開了分析與研究，相較于國際上相對成熟的LID綜合利用方案研究，還有著不小的差距[9]。王淑敏[10]等人針對綠色屋頂這一LID措施展開過深入分析，發現綠色屋頂可以較好地提升城市綠化效果、降低城市硬化率，并能夠較好地控制徑流雨水泛濫的總體持續時間。此外，段丙政[11]等人還發現綠色屋頂能夠一定程度上削減徑流雨水中的污染物，降低酸雨等不良現象的發生率。馬姍姍[12]等人將生物滯留池與凸式綠地、平式綠地相比較，發現生物滯留池的徑流雨水洪峰削減能力更強，并能強化土壤的滲濾效率。王建婷[13]等人發現，在降雨規模不大的條件下，生物滯留池LID措施有著很好的處置效果。龔應安[14]等人針對滲透鋪裝這一LID措施的徑流雨水洪峰削減以及下層土體雨水入滲促進作用進行了研究。趙現勇[15]等人將幾種LID措施的徑流雨水流量削減能力進行了對比，發現透水鋪裝措施的整體效果最佳。董星海[16]等人研究了透水混凝土針對道路徑流污染物的處置效果，發現其對固態懸浮物、COD、總氮等污染物都有著很好的阻滯效果。而在雨水桶這一LID措施的研究上存在著較大的空白，有李朋[17]等人展開過初步的探索。在利用軟件對比各LID措施整體效果方面，也有著不少學者展開過研究，利用的軟件模型除了SWMM外，還包括LTL、SUS等，分析的LID措施對象也多種多樣[18]。綜合來講，已有研究針對LID措施或是模型軟件模擬的研究中，部分研究針對某一措施方案已較為深入，但在各LID橫向綜合對比方面則相對較為欠缺，尤其是在總體雨水徑流量和單次雨水徑流洪峰量方面展開討論的研究結論仍有著較大的空白，無法針對性地指導應用。

本研究依托深圳市的某一城市綠化公園展開模型搭建分析研究。利用SWMM軟件搭建了該城市綠化公園徑流雨水模型，設置了四種LID措施進行方案模擬，并將其與一種綜合LID措施方案相對照，分析各方案對該城市綠化公園總體雨水徑流量和單次雨水徑流洪峰量的影響規律，旨在優選出最佳單一或是綜合LID措施方案，為實際海綿城市建設工程施工提供借鑒。

1 場地概況

深圳地處我國南部沿海，降雨豐富。該區劃年平均降雨量約為1 800 mm，并且降雨主要集中于5月～8月，可占全年總降雨量的79%以上，屬于亞熱帶季風氣候。夏季強在沿海季風的影響下，對流天氣引起的降雨往往短時降雨量巨大，極易發生短時暴雨天氣或是持續性的中到大雨降水，非常容易導致內澇現象。

該城市綠化公園周邊用地類型豐富，同時包含有商業中心用地、政府機構用地，還有部分工業用地，有著共同的特點，即用地硬化率高，透水面積較小。綠地公園用地范圍的整體高程范圍在18~75 m之間，坡度不超過2.3°，場地整體屬于平坦型。綠化公園內存在部分人造假山坡度平均在10°左右，但其獨立性較強，不會對整體分析產生明顯的影響。綠化公園內設有人工河，可連接至周邊水庫，承擔了場地的整體排洪泄水功能。

2 SWMM數據模型設置

2.1 數據模型概念化

該綠化公園占地4.13 km2，其中的透水型綠地僅占37.4%。根據查閱公園設計方案圖及現場踏勘結果，將公園整體占地范圍劃分為45個分匯水面，各分匯水面面積在0.018~0.284 km2之間，囊括了18個排水口、118個排水節點以及125個排水管段，其整體數據概念化模型見圖1。

圖1 綠化公園數據概念化模型

2.2 雨水數據

首先明確城市綠化公園所在地的內澇防控設計重現期是50 a，結合該場地實際踏勘及調研數據，選取了6個設計重現期，包括50 a、20 a、10 a、5 a、3 a以及1 a，降雨歷時設置為2 h，選取洪峰相對位置為0.4。根據重現期年限可以通過芝加哥雨型模擬公式計算得到其對應的降雨量q，分別為141.45 mm、125.45 mm、110.46 mm、98.37 mm、89.78 mm以 及69.84 mm，見式（1），其中P為設計重現期，t為降雨歷時。6個設計重現期在120 min內對應各時刻降雨強度情況見圖2。

圖2 各時刻降雨強度

2.3 數據模型選擇

前文提到該城市綠化公園中的透水型綠地僅占37.4%，而公園周邊各區劃的透水型綠地面積占比更是不足10%，可以判定該研究目標屬于密集型建筑區劃，根據規范查詢可獲知其總體雨水系數范圍是[0.6，0.85]。結合實際踏勘數據和數據模型結果，確定了部分重現期總體徑流系數，例如1 a重現期總體雨水系數為0.73，2 a重現期總體雨水系數為0.81，均滿足規范要求。

不透水區域設定的曼寧系數為0.012，透水區曼寧系數為0.149，管道曼寧系數為0.012；不透水區的注蓄量設定為1.908 mm，透水區的注蓄量設定為3.815 mm；最大入滲率設定為75 mm/h，最小入滲率設定為3.3 mm/h，衰減系數為3.8 mm/h。

3 數據模型模擬

本文在數據模型中以排水墊層、路面層、蓄水層、土壤層以及表面層基本參數為基本參數指標，模擬組合出雨水桶、生物滯留池、透水鋪裝以及綠色屋頂4種單一LID措施方案，并額外設置一種綜合LID措施方案。設定雨水桶排水指數0.45，排水系數24.8 mm/h，高度為850 mm；生物滯留池排水墊層厚280 mm，蓄水層高280 mm，土壤層厚550 mm，表面層蓄水210 mm；透水鋪裝路面層厚280 mm，蓄水層高280 mm，表面層蓄水110 mm；綠色屋頂排水墊層厚180 mm，土壤層厚150 mm，表面層蓄水210 mm。

按照6個設計重現期，包括50 a、20 a、10 a、5 a、3 a以及1 a，降雨歷時設置為120 min，并跟蹤觀察240 min內的徑流量情況。通過計算分析各方案對該城市綠化公園總體雨水徑流量和單次雨水徑流洪峰量的影響規律，結果見圖3和圖4。

圖3 總體雨水徑流量削減情況

圖4 單次雨水徑流洪峰量削減情況

分析6種設計重新期對應的總體雨水徑流量削減情況，可以明顯發現：綜合LID措施方案的總體雨水徑流量削減效果最好，其徑流總量削減率遠遠高于其它4種單一LID措施，其平均徑流總量削減率達到了80.3%。同時，綠色屋頂LID措施方案效果最差，其平均徑流總量削減率僅為9.3%。另外3種LID措施的徑流總量削減率情況表現為：雨水桶LID措施方案效果＜透水鋪裝LID措施方案效果＜生物滯留池LID措施方案效果。橫向對比設計重現期大小對徑流總量削減率的影響，則表現為：隨著設計重現期年限的增大，徑流總量削減率整體呈現出下降的趨勢，尤其是生物滯留池LID措施和透水鋪裝LID措施，其線性相關性很明顯。

分析設計重新期對單次雨水徑流洪峰量削減情況的影響，可以明顯發現：同樣是綜合LID措施方案的單次雨水徑流洪峰量削減情況最佳，其徑流總量削減率遠遠高于其它4種單一LID措施，其平均削減率達到了78.9%。雨水桶LID措施方案效果最差，其平均削減率僅為6.2%。另外3種LID措施的單次雨水徑流洪峰量削減率情況表現為：綠色屋頂LID措施方案效果＜透水鋪裝LID措施方案效果＜生物滯留池LID措施方案效果。此外，各LID措施方案的單次雨水徑流洪峰量率在設計重現期從1年增加至3年時，其值呈“跳崖式”下降趨勢，而后呈平緩逐漸下降趨勢。

4 結語

本研究依托實體城市綠化公園搭建SWMM數據模型，設置四種單一LID措施和一種綜合LID措施方案進行模擬，分析各方案對該城市綠化公園總體雨水徑流量和單次雨水徑流洪峰量的影響規律。得出了以下主要結論：

（1）綜合LID措施方案總體雨水徑流量削減效果最好、綠色屋頂LID措施方案效果最差；

（2）隨著設計重現期年限的增大，徑流總量削減率整體呈現出下降的趨勢，尤其是生物滯留池LID措施和透水鋪裝LID措施，其線性相關性很明顯；

（3）在單次雨水徑流洪峰量削減方面，綜合LID措施方案的效果同樣是最佳，雨水桶LID措施方案效果最差；

（4）各LID措施方案的單次雨水徑流洪峰量率在設計重現期從1 a增加至3 a時，其值呈“跳崖式”下降趨勢，而后呈平緩逐漸下降趨勢。