段曉涵 鄭志宏 趙飛

摘 要：近年來(lái)，海綿城市是從整體區(qū)域出發(fā)解決我國(guó)水危機(jī)的新理念，低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施是構(gòu)建海綿城市的基本框架。不同LID設(shè)施具有其獨(dú)有的特性和適用情景，為篩選可應(yīng)用于實(shí)際工程中的性?xún)r(jià)比最優(yōu)海綿園區(qū)建設(shè)模式，文章基于先前學(xué)者研究對(duì)單個(gè)LID措施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)。同時(shí)，文章以北京市亦莊調(diào)節(jié)池一期工程園區(qū)為例構(gòu)建了暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Mmodel，SWMM），模擬分析了多種海綿園區(qū)建設(shè)模式的徑流削減效果及性?xún)r(jià)比，結(jié)果表明性?xún)r(jià)比最優(yōu)的建設(shè)模式為透水鋪裝、下凹綠地及植草溝聯(lián)用模式，生態(tài)效益最優(yōu)的建設(shè)模式為透水鋪裝、下凹綠地、植草溝、生物滯留槽及綠色屋頂聯(lián)用模式，為日后海綿園區(qū)的建設(shè)提供了科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：海綿城市；低影響開(kāi)發(fā)；暴雨洪水管理模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0025-03

Abstract： In recent years， "sponge city" is a new concept to solve the water crisis in our country from the perspective of the whole region. The facilities of low impact development （LID） are the basic framework that constitutes the sponge city. Different LID facilities have their unique characteristics and applicable scenarios. In order to select the best cost-effective sponge park construction model which can be used in practical projects， this paper compares and summarizes the structural characteristics of single LID measures based on previous research. At the same time， taking the First Phase Project Park of Beijing Yizhuang Regulation Pool as an example， this paper constructs a Storm Water Management Model （SWMM）， simulating and analyzes the runoff reduction effect and cost performance ratio of several sponge park construction modes. The results show that the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space and planting grass ditch， and the best ecological benefit is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， and the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， thus providing a scientific reference for the construction of sponge parks in the future.

Keywords： sponge city； low impact development； storm flood management model

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化高速發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的水危機(jī)，高密度的不透水地面從根本上破壞了城市水體的自然循環(huán)體系，水資源問(wèn)題愈加嚴(yán)重，海綿城市理念作為問(wèn)題解決的根本途徑被提出。而低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，LID）是實(shí)現(xiàn)高效海綿城市建設(shè)的基礎(chǔ)框架，通過(guò)多種小型、分散的綠色生態(tài)設(shè)施應(yīng)用，遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”六字方針[1]，即利用源頭徑流控制系統(tǒng)恢復(fù)城市良性水文循環(huán)[2]，以期從流域?qū)用嫘迯?fù)重建生態(tài)環(huán)境并加強(qiáng)其水文特性。根據(jù)先前學(xué)者研究，目前應(yīng)用效果較好的LID設(shè)施有透水鋪裝、生物滯留槽、下凹式綠地、綠色屋頂、植草溝等，為實(shí)現(xiàn)“海綿城市”高效益的建設(shè)，對(duì)各種LID設(shè)施應(yīng)用于工程的效果及成本分析十分必要。

本文基于先前學(xué)者對(duì)單個(gè)LID措施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及徑流削減機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)，研究了單項(xiàng)LID設(shè)施的性?xún)r(jià)比，分析了各LID設(shè)施的最佳適用方式。另外，本文以北京市亦莊調(diào)節(jié)池一期工程園區(qū)為例構(gòu)建了SWMM模型，模擬分析了多種海綿園區(qū)建設(shè)模式的徑流削減效果，對(duì)篩選可應(yīng)用于實(shí)際工程中的最優(yōu)海綿園區(qū)建設(shè)模式具有重要參考價(jià)值。

2 LID設(shè)施適用性分析

2.1 透水鋪裝

透水性鋪裝是指采用透水性良好的具有空隙的材料鋪設(shè)路面，雨水能夠進(jìn)入鋪裝面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)具有儲(chǔ)水能力的基層下滲到土基，使雨水還原于地下并凈化水質(zhì)[3]。透水磚鋪裝和透水水泥混凝土鋪裝主要適用于廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、人行道以及車(chē)流量和荷載較小的道路，如建筑與小區(qū)道路、市政道路的非機(jī)動(dòng)車(chē)道等，透水瀝青混凝土路面還可用于機(jī)動(dòng)車(chē)道。據(jù)研究，滲透路面對(duì)徑流總量的削減率約為40%-90%[4]，徑流峰值削減率約為40%-65%[5]。

2.2 生物滯留槽

生物滯留槽主要適用于建筑與小區(qū)內(nèi)建筑、道路及停車(chē)場(chǎng)的周邊綠地和城市道路綠化帶等城市綠地內(nèi)，其結(jié)構(gòu)層次通常為植被層、種植土層、填料層和礫石層。黃靜巖等[6]通過(guò)對(duì)深圳市某道路生物滯留設(shè)施進(jìn)行雨水徑流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，其結(jié)果表明，當(dāng)降雨總量為3.3-76.7mm、平均雨強(qiáng)為0.03-0.67mm/min時(shí)，生物滯留設(shè)施的徑流總量削減率為50.5%-100%，峰值削減率為53.4%-100%，峰現(xiàn)時(shí)間可延遲2min以上。生物滯留槽不僅徑流削減率較高，也因其具備良好的景觀(guān)性而備受青睞。

2.3 植草溝

植草溝是指種植植被的景觀(guān)性地表溝渠排水系統(tǒng)，主要分為[7]標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝（standard conveyance swales）、干植草溝（dry swales）、濕植草溝（wet swales），汪艷寧等[8]通過(guò)模擬植草溝系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植草溝可削減70%-96%的徑流，可接納自身面積2.16倍的硬質(zhì)路面產(chǎn)生的徑流。植草溝適用于建筑與小區(qū)內(nèi)道路，廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)等不透水面的周邊，也可作為生物滯留設(shè)施等低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的預(yù)處理設(shè)施或與雨水管渠聯(lián)合應(yīng)用，適用范圍較廣。

2.4 綠色屋頂

綠色屋頂是部分或全部的建筑屋頂栽培綠植的一種屋頂景觀(guān)模式，其基本結(jié)構(gòu)由綠植層、植物生長(zhǎng)基質(zhì)和屋頂防水層組成。綠色屋頂適用于滿(mǎn)足屋頂荷載及防水條件的平屋頂建筑和坡度≤15°的屋頂建筑。據(jù)研究[9-10]，綠色屋頂對(duì)徑流總量的削減率可達(dá)15.3%-50%，峰值削減率為18.0%-62.3%。城市建筑屋頂是極佳的閑置資源，綠色屋頂是增加城市綠地面積，提高城市園林生態(tài)效益的有效手段[11]。

2.5 下凹綠地

下凹式綠地是高程低于路面的特殊綠地，可匯集周?chē)缆?、屋面等降雨徑流，前期徑流滲入地下，后期徑流蓄積于綠地中，超過(guò)蓄滲容量后徑流經(jīng)內(nèi)設(shè)雨水溢流口進(jìn)入城市排水管網(wǎng)。有研究表明，在1倍匯水面積的情況下，下凹式綠地對(duì)10，50和100年一遇的暴雨，徑流削減率分別為 87.15%，58.48%和50.75%[12]。下凹綠地簡(jiǎn)單易行、工程投資少，且適用范圍廣泛，但大面積應(yīng)用時(shí)，易受地形等條件的影響，實(shí)際調(diào)蓄容積較小。

每種LID設(shè)施均具有特性和適用范圍，據(jù)先前學(xué)者對(duì)LID設(shè)施技術(shù)的研究，對(duì)五種常用LID設(shè)施的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)分析如表1。

據(jù)研究[13-15]，LID設(shè)施均可削減徑流總量、徑流峰值及徑流系數(shù)，但其削減效果隨降雨重現(xiàn)期增大而下降。另有研究證明徑流削減效果隨LID設(shè)施布設(shè)面積比率的增大而增加，且其徑流削減率呈線(xiàn)性增加[16]。然而，LID設(shè)施建設(shè)通常限于場(chǎng)地或技術(shù)特性，不能只依賴(lài)于增加面積來(lái)提升徑流削減效果。多位學(xué)者對(duì)單一設(shè)施及組合設(shè)施的徑流削減效果進(jìn)行了模擬核算，結(jié)果表明：低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施組合徑流削減效果明顯優(yōu)于單一設(shè)施[17-19]，即在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)區(qū)域規(guī)劃的整體結(jié)構(gòu)，參照各項(xiàng)LID措施的不同性能特點(diǎn)和施工條件，采用多種LID協(xié)同作用的組合方案[20]?；诒?不同LID設(shè)施特性，本文以北京亦莊調(diào)節(jié)池為例構(gòu)建SWMM（Storm Water Management Model）模型[21]，研究適宜的海綿園區(qū)建設(shè)模式，科學(xué)選擇效益最優(yōu)的組合方案，以期為海綿建設(shè)實(shí)際工程提供直接參考。

3 典型海綿建設(shè)模式的模擬分析

3.1 SWMM模型構(gòu)建

基于亦莊調(diào)節(jié)池（一期）平面布置圖，結(jié)合道路走向及排水管線(xiàn)分布，應(yīng)用GIS對(duì)項(xiàng)目區(qū)排水管道進(jìn)行概化，把整個(gè)建模區(qū)劃分為115個(gè)匯水區(qū)。模型中使用Horton公式計(jì)算地表產(chǎn)流，其參數(shù)參考SWMM用戶(hù)手冊(cè)和土壤特性表。

查閱《北京市水文手冊(cè)》暴雨圖集，基于芝加哥雨型法設(shè)計(jì)3a重現(xiàn)期歷時(shí)24h以5min為單位時(shí)段的長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型，降雨過(guò)程如圖1。

3.2 典型海綿建設(shè)模式構(gòu)建及模擬結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)域的下墊面情況進(jìn)行LID設(shè)施的模擬建設(shè)，由于生物滯留槽和綠色屋頂單價(jià)較高，且植草溝不適于大面積應(yīng)用，即透水鋪裝及下凹綠地作為主控設(shè)施，其他三種LID設(shè)施為輔助設(shè)施，即透水鋪裝、生物滯留槽、植草溝、綠色屋頂及下凹綠地的建設(shè)面積分別為：1.9hm2、0.06hm2、0.23hm2、0.46hm2、6.02hm2?，F(xiàn)設(shè)計(jì)四種建設(shè)模式如下：1透水鋪裝&下凹式綠地；2透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝；3透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝&生物滯留槽；4透水鋪裝&下凹式綠地&植草溝&生物滯留槽&綠色屋頂。經(jīng)SWMM模擬結(jié)果如下（表2）。

由表2，性?xún)r(jià)比最優(yōu)建設(shè)模式為模式2，單位建設(shè)成本最低且其設(shè)施多樣性?xún)?yōu)于模式1。但是，海綿園區(qū)的建設(shè)通常需要進(jìn)一步考慮景觀(guān)環(huán)境效益，即模式4雖成本最高但其生態(tài)效益最佳。在海綿園區(qū)建設(shè)的實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)其具體要求及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)選用經(jīng)濟(jì)、景觀(guān)及生態(tài)綜合效益最佳的建設(shè)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

海綿城市是生態(tài)層面解決城市雨洪問(wèn)題的可持續(xù)理念，基于LID設(shè)施的多樣性，本文對(duì)常見(jiàn)LID設(shè)計(jì)特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出透水鋪裝和下凹綠地可作為主控徑流設(shè)施大面積應(yīng)用，植草溝、綠色屋頂和生物滯留槽可作為輔助設(shè)施進(jìn)行部分建設(shè)。同時(shí)，構(gòu)建SWMM模型對(duì)多種建設(shè)模式進(jìn)行模擬核算，篩選出性?xún)r(jià)比最優(yōu)和生態(tài)效益最優(yōu)的建設(shè)方案。今后應(yīng)進(jìn)一步深入研究綜合效益最佳的LID設(shè)施聯(lián)用模式，以期為不斷推進(jìn)海綿城市整體建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]仇保興.海綿城市（LID）的內(nèi)涵、途徑與展望[J].現(xiàn)代城市，2015，10（04）：1-6.

[2]王琦，宮永偉，張維偉，等.源頭徑流控制設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)及相關(guān)問(wèn)題探討[J].中國(guó)給水排水，2017，33（07）：144-148.

[3]Brattebo B O， Booth D B. Long-term stormwater quantity and quality performanceof permeable pavement systems[J].Water Res， 2003，37（18）：4369-4376.

[4]趙飛，陳建剛，張書(shū)函，等.透水鋪裝雨水入滲收集與徑流削減技術(shù)研究[J].給水排水，2011（S1）：254-258.

[5]王曉晨.基于低沖擊開(kāi)發(fā)技術(shù)的城鎮(zhèn)區(qū)域雨水系統(tǒng)規(guī)劃的優(yōu)化[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[6]黃靜巖，李俊奇，宮永偉，等.道路生物滯留帶削減雨水徑流的實(shí)測(cè)效果研究[J].中國(guó)給水排水，2017，33（11）：120-127.

[7]Thomas N D，Andrew J R. Municipal Stormwater Management[M]. Washington DC：Lewis Publishers，2002.

[8]汪艷寧，張杏娟，程方，等.植被滲透淺溝對(duì)城市暴雨徑流的調(diào)蓄效應(yīng)研究[J].中國(guó)給水排水，2012，28（05）：61-63.

[9]翟丹丹，宮永偉.簡(jiǎn)單式綠色屋頂雨水徑流滯留效果的影響因素[J].中國(guó)給水排水，2015，31（11）：106-110.

[10]段丙政，趙建偉，高勇，等.綠色屋頂對(duì)屋面徑流污染的控制效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（09）：57-59.

[11]賀坤，項(xiàng)耿銘，韋捷峰，等.城市綠色屋頂生物棲息生境設(shè)計(jì)與營(yíng)建研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，30（01）：263-267.

[12]葉水根，劉紅，孟光輝.設(shè)計(jì)暴雨條件下下凹式綠地的雨水蓄滲效果[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6（06）：53-58.

[13]李婉亭，孫冬梅，馮平.低影響開(kāi)發(fā)措施（LID）對(duì)天津市暴雨徑流影響模擬研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2017，26（03）：156-166.

[14]孟瑤瑤.低影響開(kāi)發(fā)城市雨水管理模擬[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2017.

[15]萬(wàn)英，蓋鑫.基于海綿城市建設(shè)理念的城市易澇點(diǎn)整治案例[J].給水排水，2017（3）：55-58.

[16]計(jì)寶鑫.基于SWMM模型的西安市城區(qū)匯水區(qū)域劃分與徑流特征研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2016.

[17]李陽(yáng)，何俊仕，董克寶，等.低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)在滿(mǎn)融經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)徑流削減效應(yīng)分析中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2017，35（08）：23-26.

[18]章雙雙，潘楊，李一平，等.基于SWMM模型的城市化區(qū)域LID設(shè)施優(yōu)化配置方案研究[J].水利水電技術(shù)，2018，49（06）：10-15. [19]陳彥熹.基于LID的城市化區(qū)域雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[20]胡作鵬，劉志強(qiáng)，彭森，等.低影響開(kāi)發(fā)（LID）雨水徑流控制效果模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（07）：3956-3960.

[21]許迪.SWMM模型綜述[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2014，33（6）：23-26.