王婷+刁秀媚+劉俊+欒慕+丁楠

摘要：老城區(qū)因建筑密度高等特點(diǎn)，是內(nèi)澇的高發(fā)地帶。針對(duì)這一問(wèn)題，基于SWMM模型中的LID（低影響開(kāi)發(fā)Low Impact Development）模塊，研究選取滲渠、滲透鋪裝、雨水桶和生物滯留網(wǎng)格4種措施，在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨情景下，對(duì)不同布設(shè)比例（0.1%～15%）的LID措施進(jìn)行模擬分析，尋找最佳布設(shè)比例。最后將幾種最佳比例組合，對(duì)組合優(yōu)化進(jìn)行初步探索。模擬結(jié)果表明，幾種LID措施布設(shè)在達(dá)到某一比例后，對(duì)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨的削減作用會(huì)減緩，此時(shí)的布設(shè)比例即為所求最佳比例；而組合方案由于受到措施間的相互作用等因素影響，不能直接套用單項(xiàng)措施最佳比例，其優(yōu)化仍有待研究。

關(guān)鍵詞：SWMM模型；老城區(qū)；低影響開(kāi)發(fā)；布設(shè)比例；優(yōu)化模擬

中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0039-05

Abstract：[JP+3]The urban water logging takes place in the old city area frequently because of its high density of buildings and other characteristics of construction.Responding to this problem，this study used the LID module in SWMM model and chose Infiltration Trench，Permeable Pavement，Rain Barrel，and Bio-Retention Cell for simulation and analysis.We placed different proportions of LID measures （0.1%～15%）on the study area in design storm conditions with different return periods，so as to find the optimal proportions.At last，we combined these proportions to tentatively explore combination optimization.The results showed that the LID measures′ effect on design storms would diminish after their layout reached a certain proportion，which should be the optimal proportion.But the optimal proportions of individual measures cannot be directly applied to the combination scheme because of the interaction between individual measures.The combination optimization still needs further study.

Key words：SWMM model；old city area；LID；layout proportion；optimization simulation

隨著近年來(lái)城市的快速擴(kuò)張，城市內(nèi)澇頻發(fā)、水資源短缺以及水環(huán)境惡化等現(xiàn)象不斷加劇[1]。為此基于美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等西方發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)雨洪管理經(jīng)驗(yàn)[2-3]的“海綿城市”理念應(yīng)運(yùn)而生，而主張進(jìn)行雨水源頭控制從而降[HJ2.27mm]低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的低影響開(kāi)發(fā)理念則是海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容[4]。應(yīng)用低影響開(kāi)發(fā)措施構(gòu)建城市小海綿體，是當(dāng)前海綿城市建設(shè)的熱點(diǎn)，杭州、上海等地[5-6]都在進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)模式的探索，無(wú)論是從規(guī)劃層面到后期的政策制度保障，還是對(duì)國(guó)外低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的學(xué)習(xí)，這些探索在海綿城市建設(shè)的優(yōu)化實(shí)踐中并沒(méi)有明確的指導(dǎo)作用。LID措施如今雖已廣泛用于具體的模擬應(yīng)用[7-8]當(dāng)中，但已有應(yīng)用只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇LID措施的布設(shè)比例，簡(jiǎn)單得出LID措施能夠削減降雨徑流的結(jié)論，并未提出布設(shè)比例的優(yōu)化方法。目前仍然缺少LID布設(shè)比例優(yōu)化方面的研究。

老城區(qū)普遍具有建筑密度高、地表透水性差、綠化面積小、水面率不高以及管道排水標(biāo)準(zhǔn)低等特點(diǎn)，是發(fā)生城市內(nèi)澇的高危地區(qū)。加上在老城區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的水系拓?；蚬芫W(wǎng)改造較為困難，所以在海綿城市建設(shè)中應(yīng)給以老城區(qū)足夠的重視。

鑒于低影響開(kāi)發(fā)措施應(yīng)用中存在的上述問(wèn)題，研究首先模擬老城區(qū)現(xiàn)狀情況下的降雨徑流，設(shè)置不同比例的LID措施后再進(jìn)行模擬比較，通過(guò)對(duì)LID布設(shè)比例與降雨徑流削減效果的關(guān)系進(jìn)行分析，尋找最佳布設(shè)比例，以期為低影響開(kāi)發(fā)措施的優(yōu)化布設(shè)提供依據(jù)與方法思路。

1 研究區(qū)模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概化

研究區(qū)域位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)某市，該市所處地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨充沛。境內(nèi)地勢(shì)平坦，起伏不大，又河網(wǎng)密布，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。研究區(qū)屬于該市的老城區(qū)，小區(qū)建筑較為密集且頂部承受荷載的能力變得相對(duì)較低。道路廣場(chǎng)等透水性差；城市綠化面積小，產(chǎn)生的大部分地表徑流只能通過(guò)管網(wǎng)排出，增大了內(nèi)澇發(fā)生的可能性。

為避免水閘、泵站等工程措施的影響以及各匯水區(qū)之間產(chǎn)匯流過(guò)程的相互影響，選取該市中心城區(qū)的一獨(dú)立匯水區(qū)域作為本次的研究區(qū)域。研究區(qū)域面積4.84 km2，共劃分為146個(gè)子匯水區(qū)。利用研究區(qū)雨水管網(wǎng)資料和水系河道資料，共概化雨水管道104條，河道24段和126個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合其土地利用情況，采用ENVI軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行監(jiān)督分類，確定各子匯水區(qū)的不透水面積比例，并利用面積加權(quán)法確定研究區(qū)不透水面積約為20%。研究區(qū)概化圖見(jiàn)圖1。

1.2 LID措施及相關(guān)參數(shù)的選取

1.2.1 LID措施及主要參數(shù)選擇

本次模擬采用SWMM模型。SWMM模型中的LID模塊提供了生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、滲渠、滲透鋪裝、綠色屋頂、植被淺溝、雨水花園等低影響開(kāi)發(fā)措施的模擬。

老城區(qū)建筑密度高，屋頂面積比例大，但考慮到老舊建筑的強(qiáng)度和防滲排水問(wèn)題，以及植被淺溝和雨水花園的占地問(wèn)題，在此并未模擬其他三種低影響開(kāi)發(fā)措施。經(jīng)初步比選，選擇生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、滲渠和滲透鋪裝4種最適用于老城區(qū)改造的低影響開(kāi)發(fā)措施進(jìn)行模擬分析。LID參數(shù)的選取主要根據(jù)模型用戶手冊(cè)及其它文獻(xiàn)[9-11]設(shè)置。

滲渠采用礫石等滲透結(jié)構(gòu)，能夠捕獲徑流并將其滲透到地下，對(duì)透水率有一定的補(bǔ)償作用 [12]。滲渠表層蓄水深度取5 mm，糙率0.15；儲(chǔ)水層厚度150 mm，孔隙比0.4；排水層排水指數(shù)取0.5。

滲透鋪裝對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的硬質(zhì)地面鋪裝，一般采用多孔材料搭建排水滲透層，盡量恢復(fù)天然狀態(tài)，減小地面徑流，削減洪峰[13]，還有利于改善城市的生態(tài)環(huán)境。滲透鋪裝表層蓄水深度取2 mm，糙率0.15；鋪裝層厚度120 mm，孔隙率0.15；儲(chǔ)水層厚度300 mm，孔隙比0.5。

雨水桶是一種屋面雨水的收集裝置，可以有效減小地面徑流。雨水收集后處理回用，能在一定程度上減小雨水集中處理的壓力，緩解水資源短缺的狀況。雨水桶高度設(shè)為800 mm，排水指數(shù)0.5，排水偏移高度150 mm。

生物滯留網(wǎng)格是利用植物、土壤和微生物滯蓄雨水、凈化雨水的一種低影響開(kāi)發(fā)措施。生物滯留網(wǎng)格規(guī)模較小、經(jīng)濟(jì)，適宜分散布置[14]，適用于較高密度的建筑區(qū)。生物滯留網(wǎng)格表層蓄水深度取150 mm；土壤層厚度300 mm，孔隙率取0.4；存儲(chǔ)層厚300 mm，孔隙比0.5。

1.2.2 模型相關(guān)參數(shù)的選取

本次研究主要基于SWMM模型進(jìn)行老城區(qū)的降雨徑流模擬，根據(jù)研究區(qū)的下墊面條件，模型的降雨下滲過(guò)程選擇霍頓模型，計(jì)算采用動(dòng)力波演算方法。模型相關(guān)參數(shù)主要參考SWMM模型用戶手冊(cè)和其它文獻(xiàn)[15-19]選取率定。

（1）子匯水區(qū)參數(shù)中的各子匯水區(qū)面積和不透水面積比例、各子匯水區(qū)坡度等需根據(jù)研究區(qū)下墊面土地利用和排水管網(wǎng)情況，借助于GIS確定。

（2）漫流寬度。漫流寬度是模型產(chǎn)匯流計(jì)算中十分重要的參數(shù)，在SWMM模型用戶手冊(cè)中定義為面積與最大地表漫流長(zhǎng)度的比值，但在城市排水工程中，由于各子匯水區(qū)地形等的不均性，難以直觀測(cè)量漫流長(zhǎng)度和漫流寬度，因此難以精確計(jì)算[20]。在概化時(shí)先按照SWMM模型用戶手冊(cè)計(jì)算得到漫流寬度W，由排水管道在子匯水區(qū)不規(guī)則性得到形狀傾斜因子r（取值0～1），進(jìn)而利用（2-r）W調(diào)參[9]。

（3）下滲參數(shù)。結(jié)合研究區(qū)土壤類型，Horton下滲模型參數(shù)取土壤最大下滲率16.93 mm/h，最小下滲率1.27 mm/h。

（4）地表洼蓄及糙率。其它參數(shù)如透水地表洼蓄量取15 mm，糙率取0.15，不透水地表洼蓄量取1 mm，糙率取0.013。

（5）管渠參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)。主要由實(shí)測(cè)的管道與河道資料確定，管道糙率取0.013，河道糙率取0.02。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨

選取研究區(qū)1965年-2015年共51年的降雨資料，采用年最大值法對(duì)不同時(shí)段的降雨資料整理分析，進(jìn)行適線排頻計(jì)算。選擇研究區(qū)1991年6月30日22時(shí)到7月1日22時(shí)的24 h降雨過(guò)程作為典型暴雨過(guò)程，按同頻率法縮放得到2年、5年和10年一遇設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，見(jiàn)圖2。

2 低影響開(kāi)發(fā)措施優(yōu)化模擬

2.1 LID優(yōu)化場(chǎng)景設(shè)置與分析

為分析所選LID措施對(duì)老城區(qū)降雨徑流的削減作用，將選定的4種LID措施分別單獨(dú)設(shè)置在各子匯水區(qū)，并通過(guò)模擬計(jì)算得到不同的LID布設(shè)比例（0.1%～15%）在不同重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)，繪制徑流系數(shù)與布設(shè)比例的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3-圖6。

由圖3-圖6分析可知，針對(duì)不同重現(xiàn)期的降雨，LID措施均能在一定程度上起到削減徑流的效果。但LID措施對(duì)徑流系數(shù)的削減并不是隨著布設(shè)面積的增加呈線性增長(zhǎng)。在研究區(qū)布設(shè)的滲渠達(dá)到一定比例時(shí)，徑流系數(shù)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，再繼續(xù)增大布設(shè)面積，徑流系數(shù)減小的速度大大降低。隨著降雨重現(xiàn)期由2年一遇提高到10年一遇，LID措施對(duì)徑流系數(shù)的削減速度有所減小，徑流系數(shù)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置向后移動(dòng)。分析徑流系數(shù)曲線，選擇拐點(diǎn)處的LID措施布設(shè)比例，可以為優(yōu)化LID措施的布局以及利用最小的占地得到最佳改造效果提供依據(jù)。

總結(jié)圖3-圖6可知，2年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨(dú)布設(shè)的最佳比例分別為：滲渠0.1%，滲透鋪裝1%，雨水桶2%，生物滯留網(wǎng)格2.5%；5年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨(dú)布設(shè)的最佳比例分別為：滲渠0.2%，滲透鋪裝1.5%，雨水桶3.5%，生物滯留網(wǎng)格5%；10年重現(xiàn)期下4種LID措施單獨(dú)布設(shè)的最佳比例分別為：滲渠0.3%，滲透鋪裝2%，雨水桶4%，生物滯留網(wǎng)格7%。

由研究結(jié)果，雖然幾種LID措施的布設(shè)比例與降雨徑流的削減效果曲線具有相同的趨勢(shì)，但由于LID措施參數(shù)的設(shè)置可存在差異，也會(huì)因所處地區(qū)不同而不同，因此最佳布設(shè)比例并不是定值，且同一重現(xiàn)期下不同措施的最佳布設(shè)比例也有所差別。文章所做研究?jī)H為L(zhǎng)ID布設(shè)提供思路。

2.2 最佳布設(shè)比例的LID結(jié)果分析

由上小節(jié)研究結(jié)果可知，幾種LID措施的布設(shè)存在最佳比例，不同重現(xiàn)期下的LID措施的最佳布設(shè)比例不同，因此分別就3種重現(xiàn)期，針對(duì)無(wú)LID的情況和最佳布設(shè)比例的幾種LID方案進(jìn)行模擬比較，結(jié)果見(jiàn)表1-表3。

由表1得出，2年一遇重現(xiàn)期下，研究區(qū)的徑流系數(shù)達(dá)0.644，加入最佳布設(shè)比例的LID措施后，對(duì)現(xiàn)狀降雨徑流的削減作用顯著，徑流系數(shù)減小到0.515～0.566，減小率達(dá)12.1%～20.1%，徑流量由28.3萬(wàn)m3減小到22.6～24.8萬(wàn)m3。最佳布設(shè)比例的各LID措施對(duì)5年一遇重現(xiàn)期降雨和10年一遇重現(xiàn)期降雨有類似的削減效果，在此不作贅述。

由結(jié)果可以看出，無(wú)論采取哪種最佳比例的LID措施，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)基本穩(wěn)定，變化不大。在較低重現(xiàn)期下，尤其是2年一遇的積水點(diǎn)數(shù)目，反映研究區(qū)排水管網(wǎng)存在隱患，容易成為內(nèi)澇高發(fā)地。以最佳布設(shè)比例的LID降雨徑流模擬結(jié)果為指導(dǎo)，針對(duì)低重現(xiàn)期積水點(diǎn)進(jìn)行改造，有利于減輕內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 組合方案初探

完成單項(xiàng)LID措施的布設(shè)比例優(yōu)化研究后，將幾種措施的單獨(dú)最佳布設(shè)比例進(jìn)行組合（參數(shù)與單獨(dú)設(shè)置時(shí)保持相同），對(duì)基于最佳比例的LID組合進(jìn)行初步探索。模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

將各種措施的最佳比例組合，將得到更小的徑流系數(shù)，徑流系數(shù)削減的效果并不理想，究其原因主要為：在各種LID措施以最佳比例單獨(dú)布設(shè)時(shí)，徑流系數(shù)已接近其能得到的最小值，并且受到研究區(qū)不透水面積的限制，組合后，部分LID措施實(shí)際上并沒(méi)有發(fā)揮作用。

在制定組合方案時(shí)，并沒(méi)有考慮到組合后各個(gè)LID措施間的相互影響，僅僅利用單項(xiàng)LID措施的最佳布設(shè)比例并不能取得組合方案的最佳效果。因此，在組合方案的優(yōu)化方面尚需進(jìn)行深入的研究，考慮多種因素以實(shí)現(xiàn)最佳布設(shè)。

3 結(jié)論

（1）文章基于SWMM模型中的LID模塊對(duì)一老城區(qū)進(jìn)行了LID布設(shè)比例的優(yōu)化模擬。經(jīng)過(guò)對(duì)老城區(qū)建筑特點(diǎn)的分析，選擇了4種LID措施。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，各種LID措施的布設(shè)達(dá)到一定比例（記為最佳布設(shè)比例）后對(duì)降雨徑流的削減效果減緩，這種關(guān)系可用于指導(dǎo)LID措施的布設(shè)優(yōu)化。

（2） 在較低重現(xiàn)期下，以最佳比例布設(shè)不同 LID措施后，模擬降雨徑流得到穩(wěn)定積水點(diǎn)，可用于指導(dǎo)城市排水管網(wǎng)的改造，緩解城市內(nèi)澇。

（3）由于受到不透水面積的限制和各LID措施間的相互影響等因素，并不能簡(jiǎn)單的將各個(gè)單項(xiàng)措施進(jìn)行組合以取得最佳效果，組合優(yōu)化方法尚有待深入研究。

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