生物滯留設(shè)施對不同歷時的降雨滯留規(guī)律分析★

楊 建，丁 劍，陳燕秋，戴青松，王振江

(1.南京蘭庭綠色建筑技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000； 2.徐州市住建局，江蘇 徐州 221000；3.江蘇省城鎮(zhèn)供水安全保障中心，江蘇 南京 210000； 4.江蘇省建設(shè)工程設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 210000；5.南京洞見環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

自2013年海綿城市首次提出以來，生物滯留設(shè)施、下凹式綠地、透水鋪裝等等一大批海綿設(shè)施被推廣應(yīng)用。其中生物滯留設(shè)施是對降雨控制最有效的一種海綿設(shè)施，也是應(yīng)用最為廣泛的海綿設(shè)施之一[1]。生物滯留設(shè)施主要有三個結(jié)構(gòu)層，分別為滯水層、土壤層和排水層，當(dāng)降雨后，雨水通過地面或者導(dǎo)流設(shè)施進入生物滯留設(shè)施中，雨水通過土壤下滲，對污染物凈化，當(dāng)降雨增加后，部分雨水滯留在滯水層中，當(dāng)滯水層滿后，雨水通過溢流井進入雨水管網(wǎng)。目前，針對生物滯留設(shè)施特點，已經(jīng)做了大量研究，儲楊陽等[2]對停車場、道路、居民區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)不同用地類型的生物滯留設(shè)施的重金屬的累積分布做了詳細研究，研究發(fā)現(xiàn)道路和停車場周邊生物滯留設(shè)施是重金屬富集最為嚴重的地方；梁彥蘭等[3]采用層次分析法對生物滯留設(shè)施的植物進行了分析評價，研究發(fā)現(xiàn)千屈菜、花葉芒、狼尾草等是豫北地區(qū)生物滯留系統(tǒng)首選植物；李俊奇等[4]通過對生物滯留設(shè)施模擬研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留設(shè)施是城市徑流熱污染控制的有效措施。現(xiàn)有的研究主要對其機理進行研究分析，對于海綿城市強調(diào)的降雨控制研究較少。

因此，本文主要基于SWMM模型，采用水動力模塊，通過模擬典型住宅小區(qū)中生物滯留設(shè)施在短歷時降雨(芝加哥雨型)和長歷時降雨(監(jiān)測雨量)下的降雨徑流特征，分析了其降雨滯留規(guī)律，為海綿城市建設(shè)提供了依據(jù)[5-7]。

1 研究區(qū)概況

本次研究選取了南京市浦口區(qū)橋林絲蘭湖保障房作為研究對象，本項目位于南京市浦口區(qū)橋林街道，北至秋蔭路、東至景天路，南至絲蘭湖公園，占地面積17 976.19 m2，用地性質(zhì)為二類居住用地，屬于新建工程。綠地率39.88%，容積率1.99。

海綿城市建設(shè)應(yīng)該將建設(shè)目標和問題相結(jié)合，充分考慮實際情況和規(guī)劃指標，確定最終的海綿城市建設(shè)指標。因此，本項目根據(jù)實際下墊面情況以及地勢、地形、坡度以及項目周邊情況，通過采用641 m2的生物滯留設(shè)施，達到年徑流總量控制率為80%，面源污染削減率為50%的目標。

2 材料與方法

本次研究主要采用SWMM進行模擬，SWMM模型是暴雨洪水管理模型，用來模擬描述動態(tài)降水-徑流過程，對于單一降水事件或長期的水量與水質(zhì)均可以模擬。目前，SWMM模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海綿城市建設(shè)、暴雨徑流等模擬中，本次采用最新版本的SWMM5.2，構(gòu)建管線模擬區(qū)域產(chǎn)匯流。

2.1 研究區(qū)域匯水分區(qū)劃分

根據(jù)絲蘭湖的地形及豎向分析，綜合考慮建筑、地形高程和雨水井分布情況，最終將研究區(qū)分為13個匯水分區(qū)，并將每塊子匯水區(qū)連接到合適的雨水井上，完成了子匯水區(qū)和雨水井的概化(見圖1)。

2.2 研究區(qū)域管網(wǎng)概化

本研究雨水最終排入景天路雨水管，根據(jù)收集的雨水管網(wǎng)可知，研究區(qū)內(nèi)排放口數(shù)量共有1個。本研究結(jié)合施工圖中的排放口和各雨水井的內(nèi)底標高、管道水流流向和管徑信息，劃分成了22個節(jié)點和21個管段，具體概化結(jié)果如圖2，圖3所示。

2.3 參數(shù)選取

本研究在SWMM模型中涉及到的參數(shù)可分為水文、水力和LID三類參數(shù)。

水文參數(shù)是指子匯水區(qū)中與降雨產(chǎn)流相關(guān)的屬性，如面積、特征寬度、平均坡度、不透水比率和透水地表曼寧粗糙率等參數(shù)[8]。

子匯水區(qū)特征寬度：匯水區(qū)域的特征寬度采用以下公式對其特征寬度求解(特征寬度為系數(shù)K乘以子匯水區(qū)域周長)：Width=K×Sqrt(area)(0.2

平均坡度[9]：平均坡度指子匯水區(qū)地表坡度的平均值，子匯水區(qū)的坡度值會影響子匯水區(qū)的匯流過程。根據(jù)CAD高程數(shù)據(jù)，繪制出等高線，然后通過如下公式計算得到：

其中，H為高程;L為長度。

不透水性：依據(jù)項目下墊面分析得到。

不透水性和透水性的曼寧系數(shù)：初始值，依據(jù)手冊選取，本項目透水性曼寧系數(shù)采用0.1，不透水性曼寧系數(shù)采用0.01。

不透水性和透水性的洼蓄量[10]：初始值依據(jù)手冊選取，本項目不透水地面不設(shè)置洼蓄量，透水地面采用0.05 mm 的洼蓄量。

匯水面積演算：依據(jù)地表徑流分析確定，采用OUTLET進行分析計算。下墊面分析圖如圖4所示。

水力參數(shù)是指雨水管網(wǎng)中與匯流相關(guān)的屬性[11-13]，如管道的種類、直徑、長度等參數(shù)；雨水井和排放口的內(nèi)底標高等參數(shù)。根據(jù)提供的圖紙中實測標高、管徑、管長等，確定了檢查井及管線的相關(guān)參數(shù)值。

LID參數(shù)主要是海綿設(shè)施的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)實際圖紙，同時結(jié)合相關(guān)手冊確定(見表1)。

表1 分區(qū)參數(shù)表 %

2.4 雨型設(shè)置

模型的降雨模塊既可以讀取實測的長序列連續(xù)降雨或單次短時降雨，也可以讀取設(shè)計降雨。基于國內(nèi)外很多學(xué)者將芝加哥雨型用于城市降雨情景的情況，確定芝加哥雨型作為項目論證的短歷時降雨；同時采用2022年1月2日～2022年5月24日的降雨資料作為長歷時降雨。

1)芝加哥雨型。

南京市暴雨強度計算公式：

其中，q為設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min，t=t1+t2；t1為地面集水時間，取5 min～15 min；t2為管內(nèi)流行時間，min。

采用芝加哥雨型生成器，對南京3年一遇的暴雨進行生成，其中，降雨歷時為2 h，雨峰系數(shù)取值0.4(見圖5)。

2)監(jiān)測降雨。

采用RS-YL-N01-4翻斗式雨量計監(jiān)測了2022年1月1日～2022年5月24日5個月的降雨數(shù)據(jù)。

翻斗式雨量計的核心部件采用了三維流線型設(shè)計，促使翻斗翻水更加流暢，整體設(shè)備容易清洗(見圖6)。脈沖轉(zhuǎn)485信號輸出，可直接讀取降雨量，無需二次計算，簡單方便。

翻斗式雨量計可進行有線雨量數(shù)據(jù)傳輸、顯示、自記。通過實時的感應(yīng)傳輸，記錄了5個月的降雨數(shù)據(jù)(見圖7)。

自2022年1月1日至2022年5月24日監(jiān)測了5個月的降雨，由于處于平水期和枯水期，降雨強度較小。

3 模擬分析

3.1 短歷時暴雨模擬分析

模型針對3年一遇的短歷時暴雨分別進行了沒有生物滯留設(shè)施和有生物滯留設(shè)施的模擬研究，通過研究得到如圖8所示結(jié)果。

從圖8中可以看出，降雨后，前期雨量較小，生物滯留設(shè)施對于雨水具有留滯作用，產(chǎn)生徑流的時間延后約30 min，但降雨繼續(xù)增加時，生物滯留設(shè)施對雨水的滯留接近飽和，只能通過溢流井進入雨水管，達到洪峰后的規(guī)律兩者相似，隨著時間的延長，降雨停止，生物滯留設(shè)施下滲后，產(chǎn)生了一定的調(diào)蓄空間，后期流量相對于無生物滯留設(shè)施時小。從整體模擬圖中可以看出，整體管網(wǎng)偏小，洪峰期間，整體管子處于滿管流，同時采用了生物滯留設(shè)施后，能夠降低滿管流的時間。

根據(jù)圖9中排口流量可以看出，在設(shè)置了生物滯留設(shè)施后，場地的降雨流量的峰值能夠得到20%的削弱，整體徑流量有10%左右的削弱；同時產(chǎn)生徑流的時間相對滯后。但是滿足不了年徑流總量控制率的指標，說明生物滯留設(shè)施對降雨能夠起到削峰作用，但不能完全滿足指標要求。

總體來說，對于單一的暴雨事件，生物滯留設(shè)施能夠?qū)ζ淦鸬较魅鹾蛢π钫{(diào)節(jié)雨水的作用，但是無法滿足年徑流總量控制率的指標，無法徹底解決內(nèi)澇問題。

3.2 長歷時監(jiān)測降雨模擬分析

模型針對5個月的長歷時降雨通過雨量計監(jiān)測后，代入到模型中分別進行了沒有生物滯留設(shè)施和有生物滯留設(shè)施的模擬研究，通過研究得到如圖10，圖11所示結(jié)果。

對于長歷時降雨情況，降雨量較小，當(dāng)無海綿設(shè)施時，可以看到有明顯的徑流，但設(shè)置了生物滯留設(shè)施后，整體徑流幾乎都被生物滯留設(shè)施控制住，最終整體能夠滿足年徑流總量控制率的要求。

4 結(jié)語

通過模擬論證發(fā)現(xiàn)：

1)對于短歷時的暴雨，生物滯留設(shè)施能夠起到削弱和儲蓄調(diào)節(jié)雨水的作用，但是無法滿足年徑流總量控制率的指標，無法徹底解決內(nèi)澇問題。

2)對于長歷時降雨情況，同時降雨量較小時，生物滯留設(shè)施能夠?qū)⒔涤炅繋缀醵伎刂谱。w能夠滿足年徑流總量控制率的要求。

3)海綿城市建設(shè)分析過程中，對于年徑流總量控制率應(yīng)該是一個長期分析的結(jié)果，而不是偶然性的暴雨分析結(jié)果，因此，海綿城市建設(shè)過程中，應(yīng)該盡量采用模型，結(jié)合長歷時降雨整體分析，才能對海綿城市建設(shè)做出更加科學(xué)的決策。