寇殿良，覃 芹，劉 非

(1.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，南寧 530029；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

城市化過程中原有自然水文循環(huán)過程遭到破壞，天然地表對雨水的消納和滯蓄能力減弱，使得雨水資源大量流失、徑流污染嚴重以及內(nèi)澇頻發(fā)等問題顯著，僅靠傳統(tǒng)的城市雨水排水系統(tǒng)很難應(yīng)對復(fù)雜的城市雨水問題。發(fā)達國家多年來的城市雨水管理經(jīng)驗表明，應(yīng)建立由源頭滯蓄減排、傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)及開放空間調(diào)蓄等方式共同組成的多層次多目標的雨洪管理體系。目前，世界范圍內(nèi)，具有代表性的城市雨水管理模式主要以美國的低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)技術(shù)為主。

低影響開發(fā)(LID)是20世紀90年代初由美國馬里蘭州喬治王子城縣率先提出并在州內(nèi)的幾個項目中實施，其目的是通過維持流域水文情勢，使受納水體的生態(tài)完整性得到最大限度的保護。通過合理的場地開發(fā)，低影響開發(fā)將水文功能集成到場地設(shè)計中，恢復(fù)其自然水文狀況，并采用綜合性措施從源頭上降低因開發(fā)導(dǎo)致的水文條件的變化和雨水徑流對生態(tài)環(huán)境的影響。

對該技術(shù)的研究主要分為模型研究和實驗研究2類。

在應(yīng)用模型研究低影響開發(fā)技術(shù)方面，D. Joksimovic等人利用SWMM對LID設(shè)施的成本效益作了研究，得出對于削減徑流，在特定情形下，滲濾溝和綠色屋頂?shù)慕M合是最經(jīng)濟的方式[1]；Justyna Czemiel Berndtsson等人對影響綠色屋頂徑流削減能力的因素以及對污染物轉(zhuǎn)移能力的影響因素進行了詳細的論述[2]；Villarreal等人對LID措施在不同降雨重現(xiàn)期下的效能進行了人工模擬[3]；Huber利用SWMM模型對LID措施的城市徑流污染控制能力進行了模擬總結(jié)[4]；Hayes等人利用IDEAL模型對開發(fā)后的區(qū)域進行了LID措施效能模擬[5]；Alfredo等人利用SWMM研究了不同基質(zhì)厚度對綠色屋頂徑流削減的影響[6]；Brown等人利用DRAINMOD模型對LID措施的水文特性進行了模擬[7]；澳大利亞的Boughton對利用水文模型長期模擬結(jié)果設(shè)計洪災(zāi)的方法進行了總結(jié)[8]。

在試驗研究上，Yilmaz等人通過6組試驗，其中2組添加了生長介質(zhì)，3組覆蓋了不同植物以及1組表面裸露，在法國南特觀測了2 a時間并與另一組碎石平屋頂試驗進行比較，結(jié)論是在暴雨徑流削減以及有利于蒸發(fā)方面，基質(zhì)越厚并且植被覆蓋最密集的試驗組效果最好[9]；Rodriguez-Hernandez J.等人在實驗室對4種滲透鋪裝的暴雨徑流削減能力進行了研究[10]；Wuguang Lin等人用2組加速加載路面試驗對滲透磚路面的承載力以及水文效益作了研究，發(fā)現(xiàn)試驗的結(jié)果會根據(jù)道路基礎(chǔ)的類型和路面交通量的變化而改變，并且證明了滲透鋪裝路面適用于機動車道和人行道，而且能提高城市水循環(huán)系統(tǒng)的效率[11]。

我國在城市雨水管理上，主要是學(xué)習(xí)和借鑒國外經(jīng)驗，實際應(yīng)用還處于初級階段，缺乏相關(guān)的模擬和模擬研究，例如各種低影響開發(fā)設(shè)施單元在不同規(guī)格、不同降雨強度下的徑流控制效果和相關(guān)水文參數(shù)缺少研究，難以對實際工程提供明確有效的指導(dǎo)。本文以武漢市易受水災(zāi)的沙湖附近道路和小區(qū)作為研究區(qū)域，利用Infoworks ICM軟件和美國EPA開發(fā)的SWMM模型對該區(qū)域應(yīng)用低影響開發(fā)措施的前后漬水情況進行對比，并總結(jié)了綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地在不同降雨強度下的徑流系數(shù)。

1 研究區(qū)域概況

沙湖位于武漢市武昌區(qū)的東北部，東至中北路，南鄰小龜山，西抵武昌大冶鐵路，北達徐東路。在100 a前，東湖(現(xiàn)武漢最大湖泊)屬沙湖水系。東湖、沙湖及白洋湖原本相通，與長江相連，清末修筑武昌至青山的大堤后3者才分開。晚清時期，張之洞為減輕水患，修建武豐閘、武泰閘、萬年閘等閘壩，湖泊面積有所減少，但仍達466.7 hm2；抗戰(zhàn)期間，沿湖居民驟增，大量進行圍湖造田、建房，湖泊開始大面積縮??；到20世紀80年代，沙湖面積減少到400 hm2以上。

近年來，隨著城市化的迅猛發(fā)展，湖周邊建造了很多學(xué)校和民商建筑。出于各種目的，填湖現(xiàn)象時有發(fā)生，沙湖水面縮小了66.7 hm2，加上城市垃圾和生活污水的污染，湖泊自然生態(tài)受到嚴重破壞，沙湖正在失去其作為濕地的生態(tài)特征和價值。20世紀80年代開始，沙湖就一直在填，20 a幾乎沒有間斷過。20世紀90年代，為了修建長江二橋而拓寬中北路、徐東路，部分沙湖水面被填。1996年，填湖開發(fā)房地產(chǎn)，2000年動工修建的友誼大道從中山路到湖北大學(xué)這一段就是填占沙湖所建，友誼大道建成通車后，沙湖一帶就成為開發(fā)熱土。2006年，根據(jù)武漢市有關(guān)部門的環(huán)境狀況公報顯示，沙湖污染嚴重，成為非人體接觸的劣五類水體，不適合水產(chǎn)養(yǎng)殖，直到2007年，沙湖被禁止養(yǎng)魚。

本課題所取研究區(qū)是以建筑為主的主城區(qū)，研究面積約為48 hm2，區(qū)域內(nèi)包括各類建筑、道路、草地，還包括武漢長江隧道武昌段的入口，見圖1。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 InfoWorks ICM模型構(gòu)建

InfoWorks ICM軟件是由英國Wallingford公司開發(fā)的一款2 D排水模型軟件，其一維管網(wǎng)模型采用完全求解圣維南方程模擬管道水流和明渠流，地面二維漫流采用求解淺水方程的方式計算地面積水量。該軟件能較好地用于模擬和分析排水管網(wǎng)和地面洪水的動態(tài)變化過程，因此選用該軟件作為城市雨洪模擬的工具。

2.1 排水系統(tǒng)、匯水區(qū)及地表

根據(jù)研究區(qū)域的雨水排水管網(wǎng)CAD圖，提取該區(qū)域的雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)和下墊面信息，包括檢查井和管道的埋深、地面標高、檢查井的高程，雨水管道的管徑、流向、坡度、管長以及糙率等。研究區(qū)域的管網(wǎng)信息可以概化為115條管道，其中18條干管(管徑大于等于1 000 mm)，78個節(jié)點和3個出水口。由于研究區(qū)內(nèi)地面比較平坦，故采用ICM軟件根據(jù)泰森多邊形法則自動劃分匯水區(qū)，共有49個子匯水區(qū)，研究區(qū)內(nèi)地表類型有3種，分別是屋面、道路和綠地。研究區(qū)具體概化情況見圖2。

圖2 匯水區(qū)、管網(wǎng)及出水口Fig.2 Catchments, sewer pipe system and outlets

對于研究區(qū)內(nèi)的不透水區(qū)域，其產(chǎn)流模型選用Fixed產(chǎn)流模型，即固定徑流系數(shù)法：依照室外排水設(shè)計規(guī)范和相關(guān)文獻中的參考值對研究區(qū)內(nèi)的不透水區(qū)徑流系數(shù)進行選取，其中不透水路面和不透水屋面為0.8～0.9，城市廣場類的混凝土路面為0.8，相應(yīng)的不透水表面的初損值取2.5 mm。對于諸如草地類的透水地表，產(chǎn)流模型如前所述需要考慮初損、蒸發(fā)和下滲。武漢地區(qū)的多年平均蒸發(fā)量為1 494.0 mm，其中6-9月的蒸發(fā)量約為718.6 mm，而武漢市的降雨也主要集中在6-9月，并且蒸發(fā)量對降雨徑流模型的模擬影響很小，因此，蒸發(fā)量可取固定值4 mm/d。透水下墊面的初損值為蒸發(fā)、植被截留、初期濕潤、填洼等，與其他滲透產(chǎn)流模型相比，Horton模型能更好地描述城市綠地土壤的入滲性能。故在本研究中，對于此類透水面，即傳統(tǒng)綠地，選用Horton模型進行模擬，初損值為5 mm，初滲率為76.2 mm/h，穩(wěn)滲率為3.18 mm/h，衰減系數(shù)為7 h-1。本研究采用非線性水庫方法，即SWMM匯流模型，使用運動波方程計算坡面匯流。對各類下墊面定義曼寧系數(shù)。其中，不透水面曼寧系數(shù)為0.013，綠地為0.3。對城市排水系統(tǒng)的模擬，主要是對排水管道內(nèi)水流的模擬。本研究中管道的管壁粗糙系數(shù)采用InfoWorks ICM模型的推薦值。

2.2 模型驗證

根據(jù)武漢市水務(wù)局提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2013年7月5日下午5時至7日下午10時，武漢市遭遇持續(xù)強降雨，部分地區(qū)降雨達到特大暴雨級別，中心城區(qū)最大降雨量達到337.5 mm，武昌地區(qū)最大小時降雨量約50 mm，約為5 a一遇水平，武漢長江隧道武昌段多個匝道發(fā)生嚴重漬水。本研究將通過模擬重現(xiàn)此次水災(zāi)，從積水點分布和積水量2個角度對模型進行驗證。

(1)隧道及周邊區(qū)域積水情況對比。圖3顯示了該區(qū)域積水情況，從模型模擬結(jié)果與實際積水情況對比看來該模型能準確反映此次隧道積水點的分布情況。

圖3 積水點分布Fig.3 Distribution of water logging

(2)隧道內(nèi)積水量的對比。模型能準確地模擬隧道內(nèi)的積水量變化對驗證模型是否可靠十分重要。圖4顯示了隧道內(nèi)積水量隨時間的變化情況。從圖4可以看出隧道積水量最大值達到了1 900 m3，而根據(jù)隧道部門事后出具的漬水報告中的記錄，東線江中泵房積水約1 600 m3，此外，武昌工作井地下3層也有部分積水，故實際積水總量約為1 850 m3，與模型模擬結(jié)果十分接近。

圖4 隧道內(nèi)積水量Fig.4 Flood volume in tunnel

通過以上2方面的對比分析可以得出該模型能夠反映隧道當天的漬水情況。說明所建立的模型具有一定的可靠性，可以運用到城市區(qū)域的雨水模擬分析方面。

2.3 不同降雨重現(xiàn)期下的漬水情況分析

開發(fā)前該區(qū)域的下墊面主要為土壤和綠地，這類下墊面對雨水有著很好的滲蓄效果，徑流系數(shù)小。在本研究中，為模擬開發(fā)前該區(qū)域降雨水文特征，將該區(qū)域整個當作傳統(tǒng)綠地，產(chǎn)流在初損值取3 mm的基礎(chǔ)上采用Horton滲透模型，最大下滲速率為76.2 mm/h，最小下滲率取3.18 mm/h，衰減系數(shù)取2.16 h-1。對開發(fā)前該區(qū)域進行降雨重現(xiàn)期為1、5、10、20、30、50 a模擬。

開發(fā)前該區(qū)域1、5、10、20、30和50 a 6個重現(xiàn)期下的峰值積水量模擬結(jié)果匯總見表1。與開發(fā)后該區(qū)域的積水量相比，開發(fā)前該地塊在50 a一遇降雨情景下，友誼大道的積水量峰值也只與開發(fā)后10 a一遇降雨情景時接近。對于隧道主通道入口及周邊的積水量峰值，5 a一遇時，開發(fā)后的值為開發(fā)前的24倍；10 a一遇時，開發(fā)后的值為開發(fā)前的8倍；20 a一遇時，開發(fā)后的值為開發(fā)前的4倍；30 a一遇時，開發(fā)后的值為開發(fā)前的3.5倍；50 a一遇時，開發(fā)后的值為開發(fā)前的2.4倍。說明自 然地表能極大地削減積水量，但是隨著降雨重現(xiàn)期的增大，自然地表的削減積水量峰值的能力在逐漸降低。

表1 開發(fā)前后地塊各重現(xiàn)期的積水量峰值 m3

對比開發(fā)后和開發(fā)前部分降雨重現(xiàn)期下出水管No.5.1、No.54.1、No.83.1的流量峰值見表2。從表2中可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，各出水管開發(fā)前和開發(fā)后的流量峰值均呈現(xiàn)出增大并且逐漸接近的趨勢。

表2 開發(fā)前后出水管流量峰值對比 m3/s

開發(fā)前和開發(fā)后該地塊的徑流系數(shù)分別見表3和表4。開發(fā)前該地塊的徑流系數(shù)相對于同樣降雨重現(xiàn)期下開發(fā)后該地塊的徑流系數(shù)明顯偏小，開發(fā)前即使降雨重現(xiàn)期到了50 a一遇，徑流系數(shù)也沒有開發(fā)后1 a一遇大。

3 應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地后研究區(qū)域漬水分析

對于低影響開發(fā)設(shè)施的模擬，本文選用的是美國環(huán)保署開發(fā)的暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)，該模型經(jīng)過不斷完善，得到了廣泛的使用和認可。該模型可分為降雨徑流模型和管網(wǎng)匯流模型2部分。SWMM模型中的低影響開發(fā)模塊，提供了生物滯留、滲透鋪裝、滲透溝渠、雨水罐、植被淺溝5種分散的雨水處置技術(shù)，通過對調(diào)蓄、滲透、蒸發(fā)等水文過程的模擬，結(jié)合SWMM模型的水力和水質(zhì)模塊實現(xiàn)低影響開發(fā)措施對場地徑流量、峰值流量以及徑流污染的模擬。其他措施如過濾帶、下凹式綠地、綠色屋頂?shù)燃夹g(shù)都可以經(jīng)過相應(yīng)的參數(shù)變換處理后進行模擬。

表3 開發(fā)前該地塊徑流系數(shù)匯總 m3

表4 開發(fā)后該地塊徑流系數(shù)匯總 m3

3.1 低影響開發(fā)技術(shù)選擇

低影響開發(fā)技術(shù)強調(diào)徑流控制設(shè)施的使用應(yīng)貫穿于整個規(guī)劃設(shè)計之中，盡可能保持地塊開發(fā)后的水文狀態(tài)與開發(fā)前的自然狀態(tài)一致。其包含的技術(shù)措施非常廣泛，不僅包括結(jié)構(gòu)性的基礎(chǔ)設(shè)施，也包括非結(jié)構(gòu)性的工程措施。

對于低影響開發(fā)技術(shù)措施的選擇，應(yīng)當因地制宜地遵循最佳技術(shù)選擇過程。如果優(yōu)先技術(shù)由于客觀條件不允許，如場地限制等，就應(yīng)依照順序選擇下一項技術(shù)。對于不同的地區(qū)，要根據(jù)不同的設(shè)計目的，兼顧成本來具體考慮。作為一門新興的雨洪管理措施，低影響開發(fā)的內(nèi)涵已超出了傳統(tǒng)土木市政領(lǐng)域，涉及到了城市規(guī)劃、景觀設(shè)計和土地利用等各個方面。因此，低影響開發(fā)技術(shù)的設(shè)計和實施需要城市各部門的充分協(xié)調(diào)。本文的研究區(qū)域地處沙湖周邊，毗鄰長江，地下水位較高，且地處城市中心，考慮到城市風(fēng)貌、交通影響以及房產(chǎn)開發(fā)等因素，擬選定的方案是應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹式綠地對區(qū)域內(nèi)原有的部分傳統(tǒng)屋頂、新建房屋屋頂、部分原始道路以及綠地進行替換。

3.2 低影響開發(fā)措施徑流系數(shù)的確定

利用SWMM 5.1版本LID模塊，分別對綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹綠地在不同降雨強度下的徑流系數(shù)進行模擬計算。在研究區(qū)域?qū)⒃芯G地替換成下凹式綠地后(見圖5紅色區(qū)域替換為下凹式綠地)，選擇面積最大(編號40)的子匯水區(qū)進行開發(fā)后和應(yīng)用下凹式綠地之后的水文效果比較，在研究區(qū)域?qū)⒃械缆诽鎿Q成滲透路面后(見圖6紅色區(qū)域為滲透路面)，選擇編號58的子匯水區(qū)進行開發(fā)后和應(yīng)用滲透路面之后的水文效果比較，在研究區(qū)域?qū)⒃?0%屋頂替換成綠色屋頂(見圖7紅色區(qū)域為綠色屋頂)，選擇編號27的子匯水區(qū)進行開發(fā)后和應(yīng)用滲透路面之后的水文效果比較。

圖5 紅色區(qū)域為下凹綠地Fig.5 Sunken green space(red area)

圖6 紅色區(qū)域為滲透路面Fig.6 Permeable pavement(red area)

圖7 紅色區(qū)域為綠色屋頂Fig.7 Green roof(red area)

模擬結(jié)果見表5。下凹式綠地、滲透路面和綠色屋頂在一定程度上都能減緩匯水區(qū)的積水，使洪峰流量減少、徑流系數(shù)減小、徑流峰值出現(xiàn)的時間延遲。3種措施對徑流系數(shù)和徑流峰值的削減以及對徑流峰值的延遲都跟降雨強度有一定關(guān)系，當降雨強度很小時，削減效果明顯，當降雨強度逐漸增大時，削減效果逐漸減弱。

3.3 低影響開發(fā)后研究區(qū)域漬水

將下墊面的預(yù)設(shè)改造面積輸入到雨水徑流模型中，并對其在不同降雨重現(xiàn)期下的水文控制效果進行評估，各子匯水區(qū)在不同降雨重現(xiàn)期下的綜合徑流系數(shù)見表6?？梢钥吹剑?jīng)過優(yōu)化的LID措施應(yīng)用之后，同降雨重現(xiàn)期下，雖然徑流系數(shù)與開發(fā)前的狀態(tài)相比還存在一定的差距，但是對比現(xiàn)狀區(qū)域(即開發(fā)后)情況，已有很大的改善。

表5 LID后各下墊面徑流系數(shù)Tab.5 Runoff coefficients of grass, road and roof after applyingLLID under different rainfall return periods

表6 開發(fā)前和LID優(yōu)化后綜合徑流系數(shù)對比Tab.6 Runoff coefficients before urbanization andafter applying LID under different rainfall return periods

將低影響開發(fā)措施在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)代入到Infoworks ICM模型中，即可得到LID優(yōu)化方案應(yīng)用之后友誼大道及隧道主通道入口各重現(xiàn)期下的積水情況，見圖8～圖13，積水量值見表7。可以看出，應(yīng)用LID措施之后，整個友誼大道和隧道入口及周邊區(qū)域的積水情況得到了明顯的改善，雖然與開發(fā)前的自然地表狀態(tài)相比，積水量略高，但是與開發(fā)后的情形相比，積水量已經(jīng)得到了明顯的控制和降低，說明LID措施的優(yōu)化和改造是有效的。

圖8 LID后1 a時最不利時刻Fig.8 The worst time in 1 a (after applying LID)

圖9 LID后5 a時最不利時刻Fig.9 The worst time in 5 a (after applying LID)

圖11 LID后20 a時最不利時刻Fig.11 The worst time in 20 a (after applying LID)

圖12 LID后30 a時最不利時刻Fig.12 The worst time in 30 a (after applying LID)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合Infoworks ICM和SWMM模型各自的優(yōu)勢，以武漢市沙湖及周邊小區(qū)道路為研究區(qū)域，建立了雨水徑流模型，并對模型的可靠性進行了驗證，得到了該區(qū)域不同降雨強度下的漬水情況。而后利用SWMM模型的低影響開發(fā)模塊對采用綠色屋頂、滲透鋪裝及下凹綠地后研究區(qū)域的徑流系數(shù)進行了模擬總結(jié)。最后，對應(yīng)用低影響開發(fā)措施后的研究區(qū)域再次進行了模擬，對比了開發(fā)前、開發(fā)后和應(yīng)用低影響開發(fā)措施后的 漬水情況，說明研究區(qū)域應(yīng)用綠色屋頂、滲透鋪裝及下凹綠地極大地提高了抵御雨洪災(zāi)害的能力。本文中的部分數(shù)據(jù)和研究方法可作為低影響開發(fā)技術(shù)使用和工程建設(shè)的參考。

圖13 LID后50 a時最不利時刻Fig.13 The worst time in 50 a (after applying LID)

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