蔡慶擬,陳志和,陳 星,陳幸楨,張丹蓉

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區(qū)水務(wù)局,廣東 廣州 511400)

低影響開發(fā)措施的城市雨洪控制效果模擬

蔡慶擬1,陳志和2,3,陳 星1,陳幸楨2,4,張丹蓉1

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區(qū)水務(wù)局,廣東 廣州 511400)

以廣州市某小區(qū)為研究對象,根據(jù)實測降雨徑流資料,結(jié)合現(xiàn)狀排水管網(wǎng),建立暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM),模擬不同降雨條件下的產(chǎn)流與排水狀況?；赟WMM的低影響開發(fā)(low impact development,LID)模塊,模擬分析采用滲透鋪裝、下凹式綠地、雨水花園和LID組合方案對城市雨洪的控制作用。結(jié)果表明,采用滲透鋪裝、下凹式綠地和雨水花園等LID措施,洪峰流量和徑流系數(shù)均明顯降低,可有效緩解市政管網(wǎng)的排水壓力,各種LID措施的雨洪控制效果在低重現(xiàn)期降雨時更為顯著。其中雨水花園對徑流系數(shù)和洪峰流量的削減效果最顯著;LID組合措施對洪峰的削減和滯后作用較好;下凹式綠地和滲透鋪裝單獨布設(shè)的雨洪控制效果一般。關(guān)鍵詞：SWMM;海綿城市;低影響開發(fā);雨水花園;滲透鋪裝;下凹式綠地

近年來,快速城市化造成水循環(huán)過程的改變,在城市化驅(qū)動下,硬質(zhì)化路面面積增加,區(qū)域降雨徑流改變[1-3]。如許有鵬等[4]研究發(fā)現(xiàn)，臨安市城市化前后南苕溪流域年徑流量增加將近30%,徑流系數(shù)提高將近20%。下墊面變化及城市雨、熱島效應(yīng)造成產(chǎn)匯流過程發(fā)生變化,進而導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)[5-6]。據(jù)住建部統(tǒng)計,2007—2015年全國超過360個城市遭遇內(nèi)澇,北京、廣州、武漢等城市的嚴(yán)重內(nèi)澇甚至造成人員傷亡。因此,在快速城市化地區(qū)提高防洪排澇能力,緩解城市內(nèi)澇,讓城市不再“看?！憋@得越來越重要。

國外對此類問題研究較早，如美國的低影響開發(fā)(low impact development，LID)，英國的可持續(xù)發(fā)展排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage systems，SUDS)，澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(water sensitive urban design，WSUD)，日本城市泄洪系統(tǒng)和雨水地下儲存系統(tǒng)等[7]。我國在總結(jié)國外城市雨洪控制理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際提出了一種可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)模式——海綿城市。海綿城市強調(diào)城市在應(yīng)對環(huán)境變化以及暴雨洪水災(zāi)害時能有較好的“彈性”，在保護和修復(fù)現(xiàn)有“海綿體”的基礎(chǔ)上，新建一定數(shù)量的“海綿體”，將城市內(nèi)澇水“化整為零、變害為利”，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化[8]。

隨著“海綿城市”的提出,城市雨水管理逐漸成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點。如唐雙成等[9]通過實驗研究得出雨水花園對暴雨徑流的削減效果較為顯著,年徑流削減高達90%以上;黃俊杰等[10]對植草溝的實地試驗結(jié)果表明,植草溝能有效削減道路徑流和洪峰流量,延后峰現(xiàn)時間等;翟丹丹等[11]研究表明綠色屋頂對雨水徑流有一定的滯留作用,但隨降雨強度增大滯留效果減弱。LID措施的合理選用是海綿城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。Guan等[12]對蓄水池、綠色屋頂、滲透路面等進行模擬,分析不同降雨條件下LID措施對地表徑流的控制作用;Palla等[13]通過實驗?zāi)M研究了綠色屋頂、滲透路面對水文過程的影響效果。本文選取廣州市某小區(qū)為研究對象,利用實測降雨徑流數(shù)據(jù),率定城市排水模擬參數(shù),模擬研究不同LID措施在不同降雨條件下對城市雨洪的控制效果,以期為海綿城市的實踐提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取廣州市某小區(qū)地塊作為研究對象,該區(qū)域用地主要由居住、綠地、道路廣場用地組成,總面積為43.29萬m2。研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫為21.8℃,雨量豐沛,多年平均降雨量為1 675.5 mm,降雨多集中于4—9月,占全年降雨量的80%,尤其以5—6月雨量最大,占全年降雨量的32%。

1.2 模型概化

暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM)由松散型分布式物理模型思想構(gòu)建而成,下墊面的數(shù)字化過程可分為子流域劃分、子流域信息提取及概化、排水系統(tǒng)信息提取及概化3個步驟[14]。依據(jù)研究區(qū)域的地形高程實測數(shù)據(jù),考慮地表特性、土地利用及雨水管網(wǎng)的分布情況,共劃分25個子流域,41個節(jié)點,41條管道,2個排水口,雨水管網(wǎng)概化圖見圖1[15]。研究區(qū)域內(nèi)各子匯水區(qū)的雨水徑流收集到雨水井中,再通過雨水管網(wǎng)匯流,最后分別通過排水口1和排水口2排入大和涌。

圖1 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)概化

1.3 現(xiàn)場觀測與參數(shù)率定

1.3.1 現(xiàn)場觀測

選取研究區(qū)域中有代表性的觀測點,實地觀測降雨、徑流等水文過程。選擇儀器布置點時,主要考慮土地利用規(guī)劃和現(xiàn)有的雨水管網(wǎng)設(shè)置情況,盡可能使布設(shè)位置具有代表性,反映研究區(qū)域的降雨和產(chǎn)匯流狀況。通過實時觀測的方式獲取同步且連續(xù)的降雨和徑流數(shù)據(jù)。共布設(shè)1個雨量觀測點以及3個流量觀測點,觀測點位置見圖1。雨量記錄儀放于地表空曠處,而流量計安置于雨水管網(wǎng)內(nèi),兩者同步記錄,每10 min存儲一組數(shù)據(jù)。

1.3.2 參數(shù)率定

在SWMM中,參數(shù)分為可測量得到的確定性參數(shù)和需要優(yōu)化的不確定性參數(shù)兩種。其中確定性參數(shù)包括匯水區(qū)面積、平均坡度、漫流寬度、不透水面積和透水面積比例、管徑及管道的長度等,可通過對收集的資料進行一定的技術(shù)處理獲得參數(shù)值。不確定性參數(shù)則包括地表洼蓄深度、地表曼寧系數(shù)、管道曼寧系數(shù)、下滲參數(shù)等,主要通過參考參數(shù)的推薦取值范圍、相關(guān)文獻、鄰近類似區(qū)域的研究成果和實測資料等方式率定獲得[16-17]。

本文根據(jù)2013年8月14日(2∶40—13∶00)典型降雨過程的實測數(shù)據(jù)率定SWMM的參數(shù)。產(chǎn)流計算選用適合小區(qū)域模擬的霍頓(Horton)公式,地表產(chǎn)匯流計算時間步長設(shè)為1 min,管網(wǎng)匯流計算時間步長設(shè)為0.5 s。經(jīng)多次試算反復(fù)調(diào)整,取初始下滲率為103.81 mm/h,穩(wěn)定下滲率為11.44 mm/h,下滲衰減系數(shù)為2.75 h-1。匯流過程不透水地面洼蓄深度取1 mm,透水地面洼蓄深度取10～11 mm,不透水地面和透水地面的曼寧系數(shù)分別取0.01～0.015和0.3～0.4,管網(wǎng)曼寧系數(shù)取0.011～0.013。

1.4 模型驗證

根據(jù)2013年8月15日(2:00—16:00)降雨過程的實測數(shù)據(jù)驗證率定后的模型,模型驗證結(jié)果見圖2。該場次降雨總降雨量為51.9 mm,地表徑流深為38.2 mm,平均產(chǎn)流系數(shù)為0.736,基本反映區(qū)域地塊的覆蓋情況,模擬結(jié)果體現(xiàn)該區(qū)域產(chǎn)匯流規(guī)律。模型驗證結(jié)果顯示,觀測點1、2、3的模擬結(jié)果的納什效率系數(shù)分別為0.89、0.88、0.90,模擬質(zhì)量較好,可信度高。說明基于SWMM構(gòu)建的模型合理可靠,可用于研究地塊市政排水設(shè)施的地表徑流控制模擬。

圖2 3處流量觀測點降雨流量過程驗證

2 設(shè)計暴雨及LID措施布設(shè)

應(yīng)用驗證后的SWMM,分析不同設(shè)計暴雨條件下,不同LID措施布設(shè)方案對研究區(qū)域地表徑流的調(diào)控效果。

2.1 設(shè)計暴雨

我國城市排水設(shè)計大多采用的是均勻雨型,但均勻雨型的計算結(jié)果與實際降雨過程相差甚遠,尤其在城市化地區(qū)更為顯著[18]。近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了包括三角形雨型、芝加哥雨型[19]、Huff雨型[20]等計算方法,這些雨型更符合客觀實際。因此,本文設(shè)計雨型選用芝加哥雨型。以最大雨強出現(xiàn)的時間作為原點或時間標(biāo)度,設(shè)計暴雨過程線可表達為

(1)

(2)

式中:Sp為某一重現(xiàn)期時的雨力;i峰前、i峰后為峰前、峰后瞬時雨強;t1為峰前時間;t2為峰后時間;b、n為暴雨公式的參數(shù);r為雨峰系數(shù),本文取r=0.375。

本文暴雨公式采用廣州市水務(wù)局發(fā)布的廣州市中心城區(qū)暴雨公式,見表1。其中q為暴雨強度，t為時間。

表1 設(shè)計暴雨計算公式

2.2LID措施布設(shè)

本文結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)有開發(fā)建設(shè)情況,遵循LID措施布設(shè)原則[21],提出4種LID措施布設(shè)方案。2個排水口的集水區(qū)域內(nèi)各LID措施布設(shè)面積及所占比例見表2,各種措施布設(shè)參數(shù)參考SWMM操作手冊與國內(nèi)外相關(guān)文獻[16,22-23],LID措施布設(shè)情況見圖3。

表2 LID措施布設(shè)情況

圖3 LID措施布設(shè)圖

方案1:雨水花園。雨水花園指人工或天然的淺凹綠地,用于收集雨水,經(jīng)過植被土壤的凈化之后逐漸就地下滲,涵養(yǎng)地下水。雨水花園蓄水層深度為200 mm,植物體積比為20%;土壤層厚為500 mm,孔隙率為0.3;蓄水層厚為200 mm,孔隙比為0.6,雨水花園底部不設(shè)暗渠,無出流設(shè)施,雨水下滲后直接補給地下水。本文布設(shè)的雨水花園面積為4.2萬m2,占總面積的9.70%。

表3 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案洪峰模擬結(jié)果

方案2:滲透鋪裝。滲透鋪裝指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替現(xiàn)有的硬質(zhì)化路面鋪裝材料,在確保道路使用強度和耐久性的基礎(chǔ)上,使暴雨徑流能在短時間內(nèi)滲入土壤或進入雨水管網(wǎng)中,從而達到削減地表徑流的目的。本文布設(shè)的滲透鋪裝的面層厚度為60 mm,孔隙比為0.1,糙率為0.014;基層與墊層厚度為250 mm,孔隙比為0.43。將小區(qū)的部分硬化路面、停車場等改為滲透鋪裝,布設(shè)的滲透鋪裝總面積為3.63萬m2,占總面積的8.39%。

方案3:下凹式綠地。下凹式綠地與普通綠地區(qū)別在于綠地高程低于路面,路面產(chǎn)生徑流可流入綠地中儲存起來,可有效減少徑流直接外排量。本文布設(shè)的下凹式綠地面積為5.67萬m2,滯蓄深度為100 mm,占總面積的13.09%。

方案4:LID組合方案。充分利用各子匯水區(qū)的自然條件,綜合設(shè)置3種LID措施。將上述3種LID措施組合布設(shè),各種LID措施的布設(shè)面積及參數(shù)設(shè)置均與其單獨布設(shè)時一致。組合方案的LID布設(shè)總面積為前3種方案中布設(shè)面積的總和,即13.50萬m2,占總面積的31.18%。

3 模擬結(jié)果與分析

為了評估LID措施對不同重現(xiàn)期暴雨的影響,利用設(shè)計暴雨公式(式1)推求出重現(xiàn)期P為1、2、5年,降雨歷時t=2 h的設(shè)計暴雨過程,降雨采用的時間間隔Δt=1 min。運用SWMM模擬現(xiàn)狀用地及滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地單獨布設(shè)和LID組合布設(shè)方案在不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下出口斷面徑流過程,模擬總時長取4.5 h,時間步長為1 min。

3.1 洪峰流量

在不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下各LID布設(shè)方案的出口斷面洪峰模擬結(jié)果見表3。由表3可以看出：①與現(xiàn)狀用地相比，4種方案均能夠起到削減和滯后洪峰的作用，各重現(xiàn)期設(shè)計暴雨過程中的洪峰流量均有所減少，峰現(xiàn)時間滯后。這是由于滲透鋪裝、雨水花園和下凹式綠地等LID措施能在一定程度上提高城市“滲”、“滯”、“蓄”能力。②4種方案中，洪峰削減比例隨重現(xiàn)期的增大出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象，在5年一遇降雨情況下洪峰削減比例較小。這是由于LID措施的蓄水容積有限，超過最大蓄水容積的部分將形成徑流。③4種方案對洪峰削減比例從大到小依次是：LID組合、滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地。LID組合方案對洪峰流量的削減效果最為顯著，在1、2年一遇降雨情況下洪峰削減比例可達40%左右，而在5年一遇降雨時也能削減30%的洪峰。進一步計算單位布設(shè)面積的削峰滯洪效果，可以得出：在削減洪峰效果上，4種方案效果從大到小依次是：LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地；而在滯后洪峰效果上，LID組合效果最佳，下凹式綠地次之，滲透鋪裝和雨水花園效果不明顯。

3.2 徑流總量

各布設(shè)方案下不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下的出口斷面徑流總量模擬結(jié)果見表4。由表4可看出：①對比現(xiàn)狀用地，4種方案均能在一定程度上降低區(qū)域的徑流系數(shù)，削減徑流總量，體現(xiàn)海綿城市的“吸水”功能。②4種方案的徑流系數(shù)減少效果均隨降雨重現(xiàn)期的增大而減少，主要是由于LID措施的滯蓄水能力有限，當(dāng)降雨量隨重現(xiàn)期增大而增大時，LID措施的滯蓄水效果會逐漸減弱。③4種方案徑流系數(shù)減少比例從大到小依次是：LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。LID組合總布設(shè)面積最大，因此徑流系數(shù)減少比例最大，而雨水花園蓄水層較厚，蓄水能力強于滲透鋪裝，下凹式綠地削減徑流系數(shù)能力不明顯。在此基礎(chǔ)上，計算單位布設(shè)面積的徑流總量及徑流系數(shù)，得出：雨水花園削減徑流總量、徑流系數(shù)的效果最佳，滲透鋪裝和LID組合方案次之，下凹式綠地效果不顯著。

表4 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案徑流總量情況

表5 不同降雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案溢流節(jié)點數(shù)與地表蓄水深度模擬結(jié)果

3.3 溢流節(jié)點數(shù)與地表蓄水深度

不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期下各布設(shè)方案的溢流節(jié)點數(shù)和地表蓄水深度模擬結(jié)果見表5,其中溢流節(jié)點指管內(nèi)積水深度超過排水管頂高程的節(jié)點,地表蓄水深度指降雨過程中地表植被及LID措施蓄水總量折算到全流域的水深。由表5可看出:①對比現(xiàn)狀用地,4種方案均能減少溢流節(jié)點數(shù)量,重現(xiàn)期為1年時尤為顯著,在重現(xiàn)期為2、5年時LID組合方案仍有顯著效果,單獨布設(shè)方案效果一般。主要由于重現(xiàn)期較大的降雨產(chǎn)生的徑流量遠大于LID措施的滯蓄水能力,導(dǎo)致LID措施對減少溢流節(jié)點能力減弱。②4種方案的地表蓄水深度較現(xiàn)狀用地均能有明顯增加,且均隨重現(xiàn)期增大而增加。③從溢流節(jié)點減少以及增加地表蓄水深度來看,4種方案的效果從大到小依次是:LID組合方案、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。

綜上可知,滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地均能夠達到削減洪峰流量、滯后峰現(xiàn)時間、削減徑流總量及增加地表蓄水量的目的,可有效提高城市地表蓄滯水量,減少市政排水管網(wǎng)的壓力,并且LID措施對城市內(nèi)澇的緩解效果在低重現(xiàn)期降雨時更為顯著。在布設(shè)面積相同時,雨水花園能夠起到較好的削減徑流系數(shù)和洪峰流量作用,LID組合方案則在削減及滯后洪峰效果上較明顯。

4 結(jié) 論

隨著城市化的快速發(fā)展,城市雨洪控制研究得到廣泛重視。本文以典型城市化地區(qū)——廣州市某小區(qū)為例,結(jié)合實測資料建立并率定SWMM。通過模型模擬評估了不同重現(xiàn)期下不同LID措施對洪峰流量和徑流總量的控制效果。結(jié)果表明:采用4種LID布設(shè)方案均能減少洪峰流量、徑流總量以及徑流系數(shù),從而減小城市市政管網(wǎng)的排水壓力,緩解城市內(nèi)澇。其中雨水花園在削減徑流系數(shù)和洪峰流量上有更好的效果,滯后洪峰效果不明顯;LID組合方案在削減洪峰流量和延后洪峰出現(xiàn)時間上效果比較顯著,削減徑流系數(shù)效果一般;滲透鋪裝單獨布設(shè)的雨洪控制效果一般;下凹式綠地能起到一定滯后洪峰作用,對徑流量削減效果不明顯。由于LID措施自身滯蓄水能力的限制,在低重現(xiàn)期降雨時,對城市雨洪控制效果更顯著。

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Simulation of control efficiency of low impact development measures for urban stormwater

CAI Qingni1, CHEN Zhihe2, 3, CHEN Xing1, CHEN Xingzhen2, 4, ZHANG Danrong1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchCenterofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.GuangdongEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterSecurityRegulationandControlforSouthernChina,Guangzhou510275,China;4.WaterAffairsBureauofPanyuDistrict,Guangzhou511400,China)

A storm water management model (SWMM) was set up in this study to simulate runoff generation and drainage with different types of precipitation in a residential area in Guangzhou City, based on real-time observed rainfall-runoff data and the current drainage network. Combined with the low impact development (LID)module, the influences of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and combined LID appliances on urban storm water were simulated and analyzed. The results show that both peak flow and the runoff coefficient decreased significantly through application of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and LID appliances, which was conducive to the drainage of municipal pipe network. The effect of storm water control and utilization was more significant during low-return periods. The decreases of peak flow and the runoff coefficient were more significant when rain gardens were used. The combined LID appliances had more significant effects in reducing peak flow and postponing the time of peak flow. The effect of storm water control and utilization was not significant when permeable pavement and sunken lawns were used.

SWMM; sponge city; low impact development; rain garden; permeable pavement; sunken lawn

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.006

國家自然科學(xué)基金(51379225);廣東省自然科學(xué)基金(2014A030313102)

蔡慶擬(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:caiqn@hhu.edu.cn

陳星,副教授。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

X52

A

1004-6933(2017)02-0031-06

2016-09-10 編輯：王 芳)