基于排水模型的公園海綿城市改造效果評估

李德師，鄭承軍，張 曄，溫子寧，任俊雯

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

海綿城市建設(shè)能有效緩解城市內(nèi)澇積水、初期雨水污染、水環(huán)境污染等問題，近年來已成為市政行業(yè)發(fā)展的熱點之一，排水模型應(yīng)用于海綿城市建設(shè)效果評估已成為行業(yè)趨勢。從國家到地方也發(fā)文或出臺一系列的政策標準來支撐排水模型在海綿城市建設(shè)評估中的應(yīng)用，例如《國家海綿城市建設(shè)試點績效考核指標》中要求利用模型評估年徑流總量控制率是否達標，GB/T 51345—2018海綿城市建設(shè)評價標準中規(guī)定“應(yīng)采用模型模擬法進行評價，模擬計算排水分區(qū)的年徑流總量控制率”，廣州市也出臺了《廣州市海綿城市建設(shè)模型應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則(暫行)》，其包含了海綿模擬的推薦方法以及應(yīng)用評價。

然而目前大部分從業(yè)者只關(guān)注排水模型軟件的使用，對其中的模型計算原理的理解不足，導(dǎo)致模型應(yīng)用過程可能會存在結(jié)果偏差，不利于行業(yè)模型應(yīng)用水平的提高。排水模型中Infoworks ICM是目前應(yīng)用最廣泛的軟件之一，其以SWMM模型內(nèi)核為計算原理，在利用ICM軟件進行LID建模的相關(guān)文獻中，鮮有研究者關(guān)注模型的計算原理，大多數(shù)文獻未對LID設(shè)施建模方法進行詳細闡述，導(dǎo)致從業(yè)者建模時無相關(guān)研究參考，不利于行業(yè)模型應(yīng)用水平的提高。

本文闡述Infoworks ICM軟件中LID設(shè)施的模擬方法，并舉例分析LID模擬過程可能存在的誤差，探究LID模擬方法中應(yīng)注意的問題，為相關(guān)的LID設(shè)施建模項目提供參考借鑒，提高從業(yè)者對模型原理的理解。

1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域為汕頭市一座公園，用地面積約9.1 hm2，分為南北兩個功能片區(qū)，公園綠化面積為6.4 hm2，綠化率70.3%，現(xiàn)公園增設(shè)海綿設(shè)施，雨水經(jīng)海綿設(shè)施消納后經(jīng)公園內(nèi)部的雨水管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸，最終排至周邊市政雨水管。

公園改造前下墊面類型包含建筑、普通綠化和普通鋪裝三種，現(xiàn)擬增設(shè)下凹式綠地、植草溝、生態(tài)停車場、透水園路和雨水花園五種海綿設(shè)施。根據(jù)《汕頭市海綿城市建設(shè)專項規(guī)劃(2017—2030)》，研究區(qū)域目標年徑流總量控制率為70%，年徑流污染削減率42%。海綿設(shè)施增設(shè)前后的下墊面分布情況如圖1所示。

2 排水模型海綿模擬方法

2.1 兩種模擬方法原理

在ICM軟件用戶手冊中，未見LID建模方法可能存在的誤差說明，不利于從業(yè)者深刻掌握模型計算原理，對于得到的結(jié)果也難以判定合理性。因此有必要總結(jié)LID模擬方法，為相關(guān)工程項目提供參考借鑒。排水模型中通過將LID設(shè)施加入到子匯水區(qū)當中實現(xiàn)LID的模擬，在闡述LID設(shè)施的模擬方法之前，需要先了解子匯水區(qū)徑流演算的原理。

ICM軟件的海綿模塊提供了SWMM模擬方法，SWMM模型中，子匯水區(qū)分為透水面積A1、有洼地蓄水的不透水面積A2、無洼地蓄水的不透水面積A3三種[1]，在模型計算時，子匯水區(qū)將被分割成上述三個面積。添加LID設(shè)施后，LID設(shè)施將會占據(jù)原子匯水區(qū)等量的非LID面積，子匯水區(qū)將被重新分割成四個子面積，各子面積的不滲透面積比和寬度兩個參數(shù)將進行調(diào)整，其中寬度將按比例減小[2]，假設(shè)子匯水區(qū)面積為W，其中有W1面積的用地被改造成LID設(shè)施，原A1子面積的寬度為K，原子匯水區(qū)無洼地蓄水的不滲透面積比例為Z，則4種面積的屬性見表1，添加LID前后子匯水區(qū)參數(shù)調(diào)整見圖2。

表1 子匯水區(qū)重新分割后寬度調(diào)整

SWMM模型為每一個子匯水區(qū)提供三個子面積演算選項，分別為outlet,impervious和pervious，這三種面積演算選項的定義見表2。

表2 子匯水區(qū)面積演算選項含義

本文選擇SWMM模塊進行LID模擬，有兩種方式實現(xiàn)LID設(shè)施的模擬，一是在匯水區(qū)內(nèi)添加LID設(shè)施，取代子匯水區(qū)內(nèi)等量的非LID面積；二是整個匯水區(qū)當做一種LID設(shè)施。文獻[3]通過不同面積演算選項的排列組合驗證得出，第一種LID模擬方法需要重新分割子匯水區(qū)，將導(dǎo)致子匯水區(qū)集合屬性發(fā)生改變，從而引發(fā)水文過程的變化，因此無法定量分析LID設(shè)施本身對水文過程的影響。第二種LID模擬方法不會導(dǎo)致子匯水區(qū)的重新分割，但需保證添加LID前后子匯水區(qū)各物理拓撲屬性相同?，F(xiàn)有關(guān)于ICM建模的文獻中，鮮見工程師關(guān)于LID建模方法選擇的闡述，基本上未注意到第一種LID模擬方法帶來的誤差。

2.2 LID模擬誤差分析

為直觀說明由于子匯水區(qū)重新分割造成水文過程的變化，以一塊面積為1 hm2的子匯水區(qū)A為例，不透水面積比例70%，無洼地蓄水的不滲透面積比例25%，按照SWMM產(chǎn)匯流原理，該子匯水區(qū)分成A1,A2和A3三個子面積，假設(shè)透水面積A1中的0.2 hm2用于建設(shè)LID設(shè)施，子匯水區(qū)重新分割前后的屬性見表3，子面積演算采用outlet方式。

根據(jù)汕頭市暴雨強度公式(1)(重現(xiàn)期P=10 a)，降雨場景采用芝加哥雨型生成設(shè)計降雨過程線，取雨峰位置0.4，降雨歷時2 h。

(1)

其中，q為暴雨強度公式，L/(s·hm2);t為降雨歷時，min。

表3 添加LID設(shè)施前后匯水區(qū)屬性

按照SWMM模型中子匯水區(qū)等效分割的原理，利用SWMM模型構(gòu)建兩個方案，方案一為未添加LID設(shè)施的子匯水區(qū)分割方式，即包含A1,A2和A3三個子面積；方案二為按照添加LID設(shè)施后的子匯水區(qū)分割方式，但實際上為添加LID設(shè)施，即包含ALID,A1,A2和A3四個子面積。兩個方案模擬結(jié)果的差值即由于子匯水區(qū)分割帶來水文過程的變化，其中峰值流量選擇匯水區(qū)出口管道J1的峰值流量(見圖3)。兩種方案模擬結(jié)果的比較見表4。

表4 兩種方案模擬結(jié)果的比較

由表4可知，在設(shè)計降雨條件下，利用SWMM排水模型進行LID模擬時，如果LID設(shè)施不占據(jù)整個子匯水區(qū)的話，模型本身的產(chǎn)匯流計算原理將重新分割子匯水區(qū)，導(dǎo)致子匯水區(qū)屬性的變化，由此帶來水文過程的變化，和LID設(shè)施本身共同疊加影響水文過程，造成LID模擬誤差，工程師無法定量分析僅LID設(shè)施的削峰減流效果。實際建模過程中，降雨數(shù)據(jù)的不同，每個子匯水區(qū)產(chǎn)匯流特性各異，又給LID模擬誤差增加了諸多不確定性。因此建議有條件的情況下優(yōu)先采用LID設(shè)施占據(jù)整個子匯水區(qū)的方法開展海綿城市建模，以盡量減小建模過程的誤差。

3 ICM模型構(gòu)建

本文采用Infoworks ICM模型作為評估模型，該模型包含排水管網(wǎng)水力模型、河道水力模型和二維城市/流域洪澇淹沒模型[4]。本文涉及的是排水管網(wǎng)水力模型，其中的水文模塊產(chǎn)流計算，不透水地面采用固定比例徑流模型，透水地面采用Horton模型，匯流計算采用SWMM徑流模型；管道水力計算采用動態(tài)波模型。

3.1 降雨數(shù)據(jù)

收集到汕頭市2007年—2016年的實測日降雨數(shù)據(jù)，文獻[5]中指出，一般而言，降雨數(shù)據(jù)的步長越長，雨峰將在一定程度上被拉平，使得土壤偏向持續(xù)飽和，下滲量減小，進而產(chǎn)生的徑流量偏大，故在沒辦法收集到步長較小的降雨數(shù)據(jù)前提下，采用日降雨數(shù)據(jù)來評估海綿城市建設(shè)效果得到的年徑流總量控制率結(jié)果會偏保守，在忽略模型誤差的前提下，實際海綿建設(shè)效果比模型評估結(jié)果更良好。采用文獻[6]中的方法確定降雨典型年。最終選擇2016年降雨作為本文分析的典型年降雨，2016年實測降雨數(shù)據(jù)如圖4所示。

3.2 管網(wǎng)及LID設(shè)施數(shù)據(jù)

管網(wǎng)和LID設(shè)施數(shù)據(jù)通過整理項目設(shè)計圖和施工圖得到，概化后的雨水管共200條，總長3.2 km。LID設(shè)施中下凹式綠地0.4 hm2、植草溝0.3 hm2、生態(tài)停車場0.1 hm2、透水園路0.1 hm2，雨水花園0.1 hm2。

本文的研究區(qū)域面積不大，為了定量分析LID設(shè)施本身對項目場地內(nèi)的水文過程的影響，選擇第二種LID模擬方法，單個LID設(shè)施即為一個子匯水區(qū)，通過設(shè)計及地形資料掌握場地內(nèi)徑流組織路徑，合理劃分子匯水區(qū)，厘清LID設(shè)施的排水出路。下墊面的產(chǎn)匯流參數(shù)見表5。

表5 下墊面產(chǎn)匯流參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

模型建立后評估年徑流總量控制率和污染削減率，以汕頭市典型年降雨(2016年，2 318 mm)作為降雨的輸入條件，以SS為評判指標判定增設(shè)LID設(shè)施后面源污染控制效果。模擬得到公園改造前后年徑流總量控制率和污染削減率結(jié)果見表6,表7。

表6 改造前后年徑流總量控制效果

表7 改造前后SS控制效果

由此可見，增設(shè)LID設(shè)施后能有效控制外排徑流總量及SS出流，最大峰值流量下降了49%，降低了排水管網(wǎng)的壓力，有效提高排水管網(wǎng)排水能力，滿足《汕頭市海綿城市建設(shè)專項規(guī)劃(2017—2030)》中年徑流總量控制率70%和污染削減率42%的要求。

5 結(jié)論

1)模型法能量化評估海綿城市建設(shè)效果，反映添加LID設(shè)施后水文效應(yīng)的變化情況，是未來海綿效果評估的趨勢。從業(yè)者不僅需要掌握相關(guān)模型軟件的使用，還應(yīng)了解模型模擬的原理。

2)以SWMM模型LID模塊為例，向子匯水區(qū)添加LID設(shè)施時，LID設(shè)施未占據(jù)全部子匯水區(qū)面積會使得子匯水區(qū)重新分割，由此帶來的模擬誤差會與LID設(shè)施本身引起的水文效應(yīng)變化疊加，工程師無法定量分析LID設(shè)施本身的水文效應(yīng)；LID設(shè)施全部占據(jù)子匯水區(qū)面積時不會造成子匯水區(qū)的分割，但需保持子匯水區(qū)物理拓撲屬性不變。

3)當研究區(qū)域面積較小時，應(yīng)盡可能選擇LID設(shè)施全部占據(jù)子匯水區(qū)面積的方式進行模擬，模型從業(yè)者應(yīng)提高對模型原理的認識，了解到誤差來源后才可能推動后續(xù)模型的改進，以提高LID模擬準確度。

4)有條件區(qū)域還應(yīng)安裝監(jiān)測設(shè)備，利用采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)來率定排水模型，以提高模型的精度，為海綿城市項目建設(shè)效果量化考核提供依據(jù)。