基于LID的城市內澇情景模擬研究

孫詩琴

(中煤(西安)地下空間科技發展有限公司,陜西 西安 710199)

0 引 言

近年來,城市排水系統引發的各種事件頻繁發生,短時強降雨來勢兇猛速度極快,也導致城市內水體污染和內澇突發性災害頻發,對城市的正常生產生活和經營管理造成嚴重影響[1]。氣候變暖極端天氣因素、地面不透水面積比例增加、排水體制及其雨水污水消納處理能力不足等城市規劃建設的理念和管理方面的許多原因造成城市排水污染和內澇[2],盡管政府部門、研究機構和實施單位在不同歷史時期對城市排水規劃、設施建設等方面[3],做了大量研究和工程實踐,也取得不同階段不同需求的相應成效[4,5],但城市內水體污染和城區內澇現象依舊頻繁發生,這對城市管理和各項相關工作正常運轉帶來前所未有的極大挑戰。

為了使城市排水系統安全運營,提出了“低影響開發”概念[6,7]:低影響開發[8-10]是海綿城市建設[11]的關鍵性技術。發生降雨時利用低影響開發技術對雨水進行存儲、凈化,在需要利用雨水時,將儲存的雨水加以利用,釋放出的雨水可以沖洗路面,灌溉草木,補充地下水等,實現雨水資源的高效利用[12,13]。

1 低影響開發方案設計

1.1 低影響開發位置設計

LID布局需綜合考慮研究區土地利用類型、下墊面類型(表1)、雨洪控制成果、景觀設計、建造和維護成本(表2)、限制條件等因素[14,15]。其中土地利用類型、下墊面類型、雨洪控制效果、景觀設計作為低影響開發設施的初步篩選條件,建造和維護成本、限制條件等因素作為低影響開發優化布局的考量標準[16,17]。本文綜合考慮各方因素,選擇透水鋪裝[18]、雨水花園[19]和綠色屋頂作為低影響開發研究對象[20]。

表1 各類城市用地LID設施適用表[14]

表2 各項LID設施的水文功能和功能費用[21]

LID布局方式有兩種,一種是以單一或多種LID措施代替等面積的子匯水區內的未設置LID措施的區域,另一種是創建新的子匯水區,多采用單一的LID措施[22]。本研究采用第一種LID布局方法(圖1),結合海綿城市建設規劃,在SWMM模型中設置單一LID措施和組合LID措施[23],模擬研究區降雨序列,比較不同LID方案的雨洪響應效果。以研究區土地利用類型為依據,共設計七種LID方案(表3)。方案1(圖2(a))為布設于人行道和停車場的透水鋪裝;方案2(圖2(b))是布設于面積較大綠地的雨水花園;方案3(圖2(c))是用于屋頂改造的綠色屋頂;方案4(圖2(d))是透水鋪裝和雨水花園的適建范圍;方案5(圖2(e))是透水鋪裝和綠色屋頂的適建范圍;方案6(圖2(f))是雨水花園和綠色屋頂的適建范圍;方案7(圖2(g))是透水鋪裝、雨水花園和綠色屋頂的適建范圍。

圖2 七種LID方案適建范圍,(a)-(g)分別為方案1-方案7

表3 LID方案設置

1.2 低影響開發參數設計

LID參數主要分為經驗值和實驗值[24],土壤層厚度和蓄水層厚度為實驗值;土壤層的孔隙率和導水率坡度、路面層孔隙比和蓄水層孔隙比主要根據實驗或SWMM模型用戶手冊提供的經驗值確定。

(1)透水鋪裝參數設計

根據透水鋪裝適用范圍,研究區內所有子匯水區均布設相應比例透水鋪裝,改造面積 66.95 ha,占比16.21%。透水鋪裝參數設置具體如表4所示。

表4 透水鋪裝參數設置

(2)雨水花園參數設計

根據雨水花園適用范圍,研究區內子匯水區H1、H12、H13和H24布設相應比例透水鋪裝,改造面積 107.70 ha,占比26.08%。雨水花園參數設置具體如表5所示。

表5 雨水花園參數設置

(3)綠色屋頂參數設計

根據綠色屋頂適用范圍,研究區內子匯水區除H3、H12、H13、H24以外,其余子匯水區均布設相應比例綠色屋頂,改造面積 67.77 ha,占比16.41%。綠色屋頂參數設置具體如表6所示。

表6 綠色屋頂參數設置

2 不同低影響開發方案的雨洪響應分析

以總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數削減率作為評估各項LID方案雨洪控制效果的指標。通過措施比選,得到雨洪控制方面的最佳LID方案。

2.1 單一LID方案的雨洪響應分析

利用SWMM模擬不同重現期下布設各項單一LID方案時研究區的總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數削減率,所得結果分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 不同單一LID方案的總徑流量削減率

圖4 不同單一LID方案的洪峰流量削減率

圖5 不同單一LID方案的徑流系數削減率

(1)單一LID方案對總徑流量的削減效果

由圖3可知,三種單一LID方案均對總徑流量削減有一定效果。在相同重現期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝>綠色屋頂>雨水花園。方案1中,隨著重現期增大,總徑流量削減率隨之減少,說明透水鋪裝在降雨強度較小時具有明顯削減地表徑流量效果,總徑流量削減率達到22.49%,但在降雨強度較大時,雨洪控制效果較弱。方案2中,總徑流量削減率隨著重現期增大明顯增加,說明雨水花園對總徑流量的削減成效受降雨強度影響較大,在高重現期時,總徑流量削減率達到16.65%。方案3中,綠色屋頂對總徑流量的削減率在重現期P=2a、P=5a時基本保持不變,分別為20.78%、20.68%,在重現期P=10a時,削減率略有下降,值為20.51%。

(2)單一LID方案對洪峰流量的削減效果

由圖4可知,三種單一LID方案均對洪峰流量指標削減具有一定成效。在相同重現期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:綠色屋頂>透水鋪裝>雨水花園。方案1中,在三種重現期條件下,透水鋪裝對洪峰流量的削減率無明顯起伏,約為25%,說明透水鋪裝對洪峰流量的削減成效與降雨強度無明顯關聯。方案2中,在三種重現期條件下,雨水花園對洪峰流量的削減成效無明顯起伏,約為14%,說明雨水花園對洪峰流量的削減成效與降雨強度無明顯關聯。方案3中,隨重現期增大,綠色屋頂對洪峰流量的削減效果略有增加,削減率在29%左右,說明綠色屋頂對洪峰流量有較為明顯的控制效果,在高重現期下,對洪峰流量控制效果較好。

(3)單一LID對徑流系數的削減效果

由圖5可知,三種單一LID方案均對徑流系數指標具有削減成效。在相同重現期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:綠色屋頂和透水鋪裝對徑流系數削減效果相當,雨水花園對徑流系數削減效果最弱。方案1中,透水鋪裝對徑流系數削減成效隨重現期增大先下降后基本保持不變,削減率在24%～27%之間,說明透水鋪裝對徑流系數的削減成效在低、中重現期下受降雨強度影響較大。方案2中,隨重現期增大,雨水花園對徑流系數的削減成效先基本保持不變后增加,削減率在5%～7%之間,說明雨水花園對徑流系數的削減效果較弱。方案3中,綠色屋頂對徑流系數的削減成效隨重現期增大先減小后增加,削減率在26%左右,說明綠色屋頂對徑流系數削減效果顯著,與透水鋪裝削減成效相當。

2.2 組合LID方案的雨洪響應分析

利用SWMM模擬不同重現期下布設各項組合LID方案時研究區的總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數削減率,所得結果分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 不同組合LID方案的總徑流量削減率

圖7 不同組合LID方案的洪峰流量削減率

圖8 不同組合LID方案的徑流系數削減率

(1)組合LID方案對總徑流量的削減效果

由圖6可知,組合LID方案對總徑流量的削減性能均高于單一LID方案,組合方案的總徑流量削減率隨重現期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強度較大時仍具有顯著控制徑流效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對總徑流量削減成效最為顯著,削減率在42%～48%之間。方案4中,三種重現期下的總徑流量削減率在24%～29%之間。方案5中,三種重現期下的總徑流量削減率在24%～32%之間。方案6中,三種重現期下的總徑流量削減率在24%～31%之間。

比較透水鋪裝、綠色屋頂和雨水花園兩兩組合的LID方案在相同重現期下的總徑流量削減率可知,①重現期P=2a時,兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&綠色屋頂≈透水鋪裝&雨水花園。②重現期P=5a時,兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園>透水鋪裝&綠色屋頂。③重現期P=10a時,兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。由此可見,組合LID對總徑流量的削減性能并不是簡單地將單一LID方案性能的疊加,而需考慮其他因素,如限制條件、土壤肥力等因素。

(2)組合LID方案對洪峰流量的削減效果

由圖7可知,組合LID方案對洪峰流量的削減效果均高于單一LID方案,組合方案的洪峰流量削減率隨重現期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強度較大時仍具有顯著控制洪峰流量效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對洪峰流量削減效果最為顯著,削減率在52%～55%之間。方案4中,三種重現期下的洪峰流量削減率在27%～30%之間。方案5中,三種重現期下的洪峰流量削減率在37%～40%之間。方案6中,三種重現期下的洪峰流量削減率在34%～37%之間。

由以上數據可知,三種重現期下,兩兩組合LID方案對洪峰流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。說明兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂的組合方案對洪峰流量削減成效最佳。

(3)組合LID方案對徑流系數的削減效果

由圖8可知,組合LID方案對徑流系數的削減效果均高于單一LID方案,組合方案的徑流系數削減率隨重現期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強度較大時仍具有顯著控制徑流系數效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對徑流系數削減成效最為顯著,削減率在43%～47%之間。方案4中,三種重現期下的徑流系數削減率在20%～24%之間。方案5中,三種重現期下的徑流系數削減率在35%～39%之間。方案6中,三種重現期下的徑流系數削減率在22%～26%之間。

比較透水鋪裝、綠色屋頂和雨水花園兩兩組合的LID方案在相同重現期下的徑流系數削減率可知,三種重現期下,兩兩組合LID方案對徑流系數削減效果由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。說明兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂的組合方案對徑流系數削減效果最佳。

3 結 論

(1)從總徑流量削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂的三者組合方案對總徑流量削減成果優于其他LID方案,削減率在42%～48%之間。兩兩組合LID方案的總徑流量削減成效均優于單一LID方案。在兩兩組合LID方案中,在重現期P=2a和P=5a時,雨水花園、綠色屋頂組合方案對總徑流量的削減效果最佳,P=10a時,透水鋪裝、綠色屋頂組合方案對總徑流量的削減效果最佳。

(2)從洪峰流量削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂的組合方案削減成果優于其他LID方案,削減率在52%～55%之間。兩兩組合方案的洪峰流量削減成果均優于單一LID方案。兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂的組合方案對洪峰流量削減成果最佳,削減率在37%～40%之間。

(3)從徑流系數削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂的組合方案對徑流系數的削減成果優于其他LID方案,削減率在43%～47%之間。兩兩組合方案的徑流系數削減成果均優于單一LID方案[21]。兩兩組合LID方案中透水鋪裝、綠色屋頂的組合方案對徑流系數的削減成果最佳,削減率在35%～39%之間。