張曉宇 董 欣

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

0 引言

高速發(fā)展的城市化建設(shè)，使得屋面、道路、廣場(chǎng)等不透水地面面積大幅增加，城市原有的水文過(guò)程劇烈變化，城市化帶來(lái)的徑流危害愈演愈烈。目前，國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用低影響開(kāi)發(fā)(Low Impact Development，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LID)的理念應(yīng)對(duì)城市化帶來(lái)的降雨徑流危害。

LID設(shè)施對(duì)降雨徑流進(jìn)行源頭控制，從而部分還原城市水文特征，有效緩解內(nèi)澇、污染等問(wèn)題，對(duì)受納水體影響顯著。但LID設(shè)施是通過(guò)排水管網(wǎng)對(duì)受納水體產(chǎn)生影響的，LID設(shè)施的種類(lèi)、規(guī)模、空間分布與排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模的不同組合對(duì)受納水體產(chǎn)生的影響不同。

目前，關(guān)于LID設(shè)施控制降雨徑流水量水質(zhì)的研究較多，而關(guān)于LID設(shè)施對(duì)排水管網(wǎng)性能影響的研究匱乏。因此，本研究將以遷安市實(shí)際情況為基礎(chǔ)，識(shí)別LID設(shè)施對(duì)內(nèi)澇和管網(wǎng)內(nèi)流速的影響，以期綜合考慮LID設(shè)施對(duì)排水系統(tǒng)性能的影響。

1 研究?jī)?nèi)容

本文在不同規(guī)模LID設(shè)施與不同重現(xiàn)期排水管網(wǎng)組合的基礎(chǔ)上，識(shí)別LID設(shè)施建設(shè)對(duì)排水管網(wǎng)性能的影響，選取河北省遷安市海綿城市試點(diǎn)區(qū)作為研究區(qū)域。對(duì)遷安試點(diǎn)區(qū)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，并對(duì)LID開(kāi)發(fā)后的城市排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，加以情景分析。本文選用SWMM作為構(gòu)建城市排水系統(tǒng)的平臺(tái)，近年來(lái)，SWMM被不斷地修正和完善，5.0版本能夠良好地模擬植草溝、透水鋪裝等LID模塊。

1.1 研究區(qū)域概況

遷安海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)總面積21.5 km2，其中建筑用地占比56%，道路用地占比18%，綠地占比15%，水系占比1%，裸地占比10%。地塊綜合徑流系數(shù)0.54。老城區(qū)的硬化面積比例大，建筑屋頂占比接近70%，綜合徑流系數(shù)較高，達(dá)到0.85，產(chǎn)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)很大。

遷安市全年降水量的80%以上集中在6月～9月，其中又以7月、8月份為最。由于降水的年內(nèi)分配不均導(dǎo)致每年夏季陰雨連連，十分容易發(fā)生內(nèi)澇。

1.2 研究區(qū)域概化

根據(jù)遷安市的實(shí)際材料確定試點(diǎn)區(qū)的高程信息、匯水區(qū)信息等，建立好管網(wǎng)的骨架結(jié)構(gòu)后，通過(guò)向當(dāng)?shù)嘏潘臼占匾O(shè)施、溢流口、泵站的結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)，錄入模型。研究區(qū)域概化結(jié)果如圖1所示。

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期管網(wǎng)構(gòu)建

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2014版)》，雨水管道的設(shè)計(jì)流量計(jì)算方式如式(1)所示：

Q=qΨF

(1)

其中，Q為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(ha·s)；Ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，ha。

其中遷安市的暴雨強(qiáng)度公式如式(2)所示：

(2)

其中，q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(ha·s)；t為降雨歷時(shí)，min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年。

根據(jù)當(dāng)?shù)赜玫厍闆r、城市規(guī)模等選擇合適的徑流系數(shù)，本文徑流系數(shù)為0.6，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算具體管道的上游匯水面積。根據(jù)計(jì)算得到的設(shè)計(jì)流量對(duì)照雨水管道水力計(jì)算表?yè)Q算管道的管徑。為了更好地對(duì)系統(tǒng)化方案進(jìn)行評(píng)估，選取對(duì)結(jié)果較為不利的芝加哥雨型來(lái)設(shè)計(jì)降雨。結(jié)合本案例實(shí)際可分別計(jì)算得出P=0.5，1，3，5時(shí)四種不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)的雨水管設(shè)計(jì)流量，按照滿(mǎn)流排水管道管徑與設(shè)計(jì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系生成本研究需要的四套雨水管網(wǎng)。

1.3.2不同規(guī)模LID設(shè)施生成

本研究暫不考慮LID設(shè)施種類(lèi)的影響，因此各種類(lèi)型的LID設(shè)施按照實(shí)際規(guī)劃中的比例鋪設(shè)，分別為植草溝8%，透水鋪裝43%，入滲溝2%，生物滯留44%，雨水桶3%。結(jié)合研究區(qū)域不透水面積比例以及實(shí)際情況，模擬的LID設(shè)施總規(guī)模為10%，20%，30%，40%，50%，每種規(guī)模的LID設(shè)施位置分布均隨機(jī)500次。

綜上，本研究共考慮了5種LID設(shè)施的總規(guī)模和4種管網(wǎng)的規(guī)模，交叉形成20種情景，每種組合情景對(duì)應(yīng)500種LID設(shè)施位置，共計(jì)10 000種方案。

1.4 參數(shù)設(shè)置

本研究中的相關(guān)雨季參數(shù)設(shè)置直接采用當(dāng)?shù)睾＞d城市建設(shè)方案中的率定結(jié)果，如表1所示。

表1 雨季參數(shù)取值

SWMM5.0中提供了五種概化LID設(shè)施，分別為：植草溝(Vegetative Swales)、透水鋪裝(Porous Pavement)、入滲溝(Infiltration Trenches)、生物滯留(Bio-retention Cells)、調(diào)蓄池(Rain Barrels)。本研究中采用當(dāng)?shù)貙?shí)際規(guī)劃中的LID設(shè)施參數(shù)為對(duì)應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體取值如表2所示。

表2 LID設(shè)施參數(shù)取值

2 研究結(jié)果

2.1 LID設(shè)施對(duì)內(nèi)澇削減率的影響

如圖2所示，在1年期降雨下，對(duì)500種LID設(shè)施的位置分布方案模擬的內(nèi)澇削減率進(jìn)行均值分析，比較不同規(guī)模LID設(shè)施與不同規(guī)模排水管網(wǎng)組合對(duì)內(nèi)澇削減率產(chǎn)生的影響。

結(jié)果顯示，LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的10%規(guī)模增長(zhǎng)到20%規(guī)模時(shí)，排水系統(tǒng)的內(nèi)澇削減能力平均提升28.74%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的20%規(guī)模增長(zhǎng)到30%規(guī)模時(shí)，排水系統(tǒng)的內(nèi)澇削減能力平均提升25.93%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的30%規(guī)模增長(zhǎng)到40%規(guī)模時(shí)，排水系統(tǒng)的內(nèi)澇削減能力平均提升17.20%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的40%規(guī)模增長(zhǎng)到50%規(guī)模時(shí)，排水系統(tǒng)的內(nèi)澇削減能力平均提升4.94%。每增加10%規(guī)模的LID設(shè)施，內(nèi)澇削減率平均提升8.61%。

2.2 LID設(shè)施對(duì)排水管網(wǎng)內(nèi)流速的影響

加入LID設(shè)施后，由于管網(wǎng)的局部入流量會(huì)減小，因此，管網(wǎng)內(nèi)的流速較加入LID設(shè)施前會(huì)減小。以管網(wǎng)內(nèi)流速分布變化作為觀測(cè)對(duì)象來(lái)分析加入LID設(shè)施對(duì)管網(wǎng)內(nèi)流速的影響。

如圖3a)～圖3d)所示，LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的10%規(guī)模增長(zhǎng)到20%規(guī)模時(shí)，排水管網(wǎng)內(nèi)流速平均下降5.47%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的20%規(guī)模增長(zhǎng)到30%規(guī)模時(shí)，排水管網(wǎng)內(nèi)流速平均下降6.41%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的30%規(guī)模增長(zhǎng)到40%規(guī)模時(shí)，排水管網(wǎng)內(nèi)流速平均下降8.14%；LID設(shè)施由匯水區(qū)面積的40%規(guī)模增長(zhǎng)到50%規(guī)模時(shí)，排水管網(wǎng)內(nèi)流速平均下降10.90%。每增加10%規(guī)模的LID設(shè)施，管網(wǎng)內(nèi)流速平均降低7.73%。

3 結(jié)論及建議

本文從內(nèi)澇總量和管網(wǎng)內(nèi)流速變化兩個(gè)指標(biāo)研究了低影響開(kāi)發(fā)(LID)設(shè)施對(duì)排水管網(wǎng)性能的影響。

通過(guò)研究在1年降雨重現(xiàn)期下，在不同規(guī)模的LID設(shè)施和不同規(guī)模的排水管網(wǎng)組合下，排水系統(tǒng)內(nèi)澇總量削減率和管網(wǎng)內(nèi)流速的變化情況，得出了LID設(shè)施對(duì)于排水管網(wǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果顯示：LID設(shè)施能夠控制內(nèi)澇，但會(huì)使管網(wǎng)內(nèi)流速降低，內(nèi)澇的控制能力和管網(wǎng)內(nèi)流速變化受到LID設(shè)施規(guī)模以及管網(wǎng)規(guī)模的影響。

在實(shí)際海綿城市建設(shè)時(shí)，老城區(qū)的海綿城市改造，可結(jié)合實(shí)際管網(wǎng)情況，以一定內(nèi)澇控制水平和管網(wǎng)內(nèi)流速變化水平為標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理的LID設(shè)施規(guī)模；新城區(qū)的海綿城市建設(shè)，可以一定內(nèi)澇控制水平、管網(wǎng)內(nèi)流速變化水平，選擇合理規(guī)模的LID設(shè)施和排水管網(wǎng)組合，規(guī)劃出合理有效的LID設(shè)施與排水管網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)方案。此外，在今后的研究中，可以考慮加入LID設(shè)施和管網(wǎng)建設(shè)成本作為約束條件，以得到成本更加經(jīng)濟(jì)的建設(shè)組合。