蔡家珍

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000)

雨水作為大自然水循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，具有調(diào)節(jié)和補給地下水資源的作用，然而在當(dāng)前城市建設(shè)中，由于不透水下墊面的大量存在，雨水不僅得不到有效利用反而易引起洪澇災(zāi)害。居住區(qū)是目前海綿城市建設(shè)的重要場所，結(jié)合居住區(qū)各種場地景觀要素，合理布設(shè)滲透鋪裝、生物滯留帶、植被淺溝、綠色屋頂?shù)染坝^雨水設(shè)施，解決傳統(tǒng)排水系統(tǒng)所產(chǎn)生的水資源問題[1]。另一方面，雨洪管理模型(SWMM)中的5種雨水處置設(shè)施能實現(xiàn)對雨水徑流過程的模擬，從而能有效評價景觀雨水系統(tǒng)對居住區(qū)徑流調(diào)控效果[2]。本研究以漳州市某居住區(qū)為研究對象，采用SWMM模型模擬不同降雨條件下，研究區(qū)景觀雨水系統(tǒng)構(gòu)建前后的徑流變化，探討基于閩南地區(qū)的降雨特征及土壤特性條件下，景觀雨水系統(tǒng)在居住區(qū)中的水文效應(yīng)，評價其對居住區(qū)的徑流調(diào)控效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為閩南地區(qū)漳州市某居住區(qū)，該區(qū)域年平均降雨量為1 500～1 700 mm，夏季多臺風(fēng)暴雨，土壤特性為磚紅壤性紅壤土，滲透系數(shù)約為5.0×10-4m/s，面積為1.238 hm2，共有5棟高層建筑，其中道路廣場和停車場面積為4 057.5 m2,屋面面積2 481.7 m2,整研究區(qū)不透水面積率為52.8%，綠地率為47.2%，整體設(shè)計坡度為0.4%～2.5%，排水方式采用雨污分流。

1.2 研究方法

依據(jù)現(xiàn)狀地形圖和基礎(chǔ)資料，構(gòu)建研究區(qū)的SWMM模型，并通過3場實測降雨徑流事件對模型參數(shù)進行率定和驗證。研究借助合成降雨模擬法，模擬研究區(qū)域布設(shè)一定規(guī)模比例的綠色屋頂、高位花壇、透水鋪裝、植草溝、雨水花園等景觀雨水設(shè)施前后的水文過程，研究在閩南降雨強度大，土壤滲透較差的環(huán)境下，景觀雨水系統(tǒng)對居住區(qū)的徑流削減效果。

1.3 景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控下的居住區(qū)徑流路徑

雨水經(jīng)綠色屋頂蓄滲凈化后，由建筑雨落管流入層疊錯落的高位種植池，通過臺層式的高位種植池滯留過濾后，順著道路一邊的植草溝匯入景觀綠地中的雨水花園或下凹綠地等生物滯留帶。當(dāng)這些生物滯留帶達到飽和狀態(tài)時，過量的經(jīng)過景觀雨水設(shè)施處理后的雨水將由溢流口排入周邊的市政管網(wǎng)[3-4]。在此過程中，景觀雨水系統(tǒng)能促進雨水滯蓄下滲，起到削減徑流流量、減緩徑流速度的作用。(見圖1)。

圖1 雨水設(shè)施布局及徑流路徑

2 模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概化

依據(jù)研究區(qū)域地形標(biāo)高、地塊類型、雨水管網(wǎng)分布情況與下墊面類型，遵循概化原則，將整個研究區(qū)概化成12個子匯水區(qū)(S1-S12)、10條雨水管(C1-C10)、10個檢查井節(jié)點(J1-J10)和1個排放口(O1)，概化結(jié)果(見圖2)。

2.2 模型參數(shù)及產(chǎn)匯流模型選取

模型參數(shù)是根據(jù)課題組前期研究成果、當(dāng)?shù)赝寥兰敖涤晏匦再Y料、參考SWMM模型用戶手冊及相關(guān)文獻預(yù)設(shè)的，并通過反復(fù)調(diào)試參數(shù)使得相對偏差最小化。[5]本研究采用Horton模型進行地表徑流入滲過程的模擬演算，匯流過程采用非線性水庫模型[6-12]，水力演算模擬采用運動波方程，Horton模型參數(shù)、洼蓄量、曼寧系數(shù)等不確定參數(shù)通過3場實測降雨徑流事件進行率定。景觀雨水設(shè)施的模型參數(shù)來源于設(shè)計規(guī)格(見表1)，通過SWMM模型中LID控制器設(shè)定后，再應(yīng)用到子匯水區(qū)內(nèi)。

圖2 研究區(qū)域概化

表1 景觀雨水設(shè)施規(guī)模及用地分配比例

2.3 模型參數(shù)率定

選取研究區(qū)出水口作為監(jiān)測點，采用流速面積法監(jiān)測流量，采用2017年5月8日(總降雨量72.8 mm)和2017年5月26日(總降雨量42.3 mm)的降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)對構(gòu)建的SWMM模型參數(shù)進行率定。根據(jù)參數(shù)的局部靈敏度不同，采用人工試錯法，在一定范圍內(nèi)不斷調(diào)整參數(shù)數(shù)值，使模擬結(jié)果接近于實測數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，模擬的降雨徑流過程與實測降雨水量過程基本擬合，說明流量參數(shù)率定結(jié)果較精確。率定模型參數(shù)結(jié)果為居住區(qū)綠地、雨水管道、道路路面的曼寧系數(shù)分別為0.15、0.013、0.012，按照磚紅壤性紅壤土的土壤質(zhì)地及率定結(jié)果，最小、最大入滲率為2.524 mm/h和69.5 mm/h，衰減系數(shù)為4 h-1，透水面和不透水面中洼地儲蓄水深度為5 mm和 1.5 mm。

圖3 兩場降雨事件模型率定結(jié)果

2.4 模型參數(shù)驗證

模型驗證采用2017年6月的一場降雨實測數(shù)據(jù)，對比模擬結(jié)果與研究區(qū)域排放口節(jié)點(O1)監(jiān)測結(jié)果(見圖4)，得出徑流總量和峰值流量相對誤差分別為5.6%、4.9%。兩種誤差均在允許范圍內(nèi)，說明模型精度滿足工程應(yīng)用要求，可用來進行居住區(qū)景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控效果模擬。

圖4 模型流量驗證結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨事件選擇

研究是基于SWMM模型，對比不同降雨強度下居住區(qū)傳統(tǒng)開發(fā)模式和景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控模式下的徑流總量和峰值流量。設(shè)計降雨選用芝加哥降雨過程線合成，該方法基于當(dāng)?shù)乇┯陱姸裙郊坝攴逑禂?shù)合成降雨情景，能綜合反映區(qū)域的典型降雨特性，設(shè)計降雨歷時為2 h，通過研究資料顯示，各地區(qū)雨峰系數(shù)選取多數(shù)在0.3～0.5之間，本研究采用0.4，得出重現(xiàn)期研究區(qū)域2年、5年、10年、20年一遇的降雨量為70.064 0 mm、83.588 2 mm、93.818 8 mm、104.049 4 mm。

3.2 景觀雨水設(shè)施規(guī)模與用地比例

結(jié)合研究區(qū)實際水文情況，充分利用設(shè)施的蓄滲能力延長徑流路徑和徑流時間，并綜合考慮建造成本，確定研究區(qū)景觀雨水設(shè)施的布局和規(guī)模比例。研究區(qū)土質(zhì)特征為磚紅壤性紅壤土，滲透性較差，并常發(fā)生高強度降雨，為了避免雨水花園、下凹綠地、植草溝等設(shè)施的植物長期淹水危害生長，蓄水深度設(shè)計<10 cm?？傮w上除透水鋪裝外，各類型的景觀雨水設(shè)施面積均不超過其所在下墊面面積的50%，所有景觀雨水設(shè)施的面積總和約占研究區(qū)域面積的42.24%(見表1)。

3.3 結(jié)果與討論

分別以漳州市2年、5年、10年、20年一遇的2 h典型設(shè)計降雨作為模擬的水量邊界條件，研究區(qū)景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控前后排放口節(jié)點(O1)的模擬結(jié)果及徑流變化(見圖5，表2)。

圖5 不同重現(xiàn)期2 h降雨徑流過程曲線

LID設(shè)施種類重現(xiàn)期/a徑流總量/m3徑流削減量/m3徑流削減率/%峰值流量/(m3/s)峰值流量削減量/(m3/s)峰值削減率/%傳統(tǒng)開發(fā)模式2550.127 65670.153 610760.172 820860.192 0景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控模式2243156.40.101 179.25303755.20.118 677.210344253.90.129 875.120394753.40.14273.9

在景觀雨水系統(tǒng)調(diào)控下，研究區(qū)出水口2年、5年、10年、20年的徑流總量分別減少了56.4%、55.2%、53.9%、53.4%，峰值流量分別減少了79.2%、77.2%、75.1%、73.9%。這表明針對閩南多雨和土壤滲透性較差的環(huán)境下多種景觀雨水設(shè)施聯(lián)合應(yīng)用能對降雨徑流起到明顯的削峰減排作用，因此在綠化率較高的居住區(qū)具有很好的應(yīng)用潛力。但隨著重現(xiàn)期及降雨強度的增大，景觀雨水系統(tǒng)對徑流削減率呈現(xiàn)出減小趨勢，這是由于重現(xiàn)期及降雨強度越大，各類景觀雨水設(shè)施的滯留蓄滲量達到飽和的時間越快，設(shè)施綜合削峰減排功效越弱。另外當(dāng)設(shè)計暴雨強度超過景觀雨水設(shè)施的滯蓄和下滲能力時，系統(tǒng)只具有延長漫流路徑的功能，徑流削減效果降低。

根據(jù)圖5徑流過程模擬結(jié)果顯示，雖然徑流總量和峰值流量削減效果顯著，但徑流集中產(chǎn)生在降雨后的1 h內(nèi)，導(dǎo)致這階段的徑流量仍然較大。這主要是因為透水路面所占比例較大，生物滯留設(shè)施難以迅速展現(xiàn)其蓄滲優(yōu)勢，致使降雨徑流入滲速度下降。

4 結(jié) 論

(1)居住區(qū)的景觀雨水系統(tǒng)能有效調(diào)控雨水徑流，尤其是應(yīng)對低強度短歷時降雨效果顯著，但隨重現(xiàn)期及降雨強度的增大，削減效果呈現(xiàn)出減小趨勢。當(dāng)各類景觀雨水設(shè)施設(shè)置面積比例接近小區(qū)總面積的50%時，在2年一遇至20年一遇的降雨條件下，景觀雨水系統(tǒng)對居住區(qū)雨水徑流總量的削減率均在50%以上，起到了減少總徑流量的作用，而對峰值流量的削減率為75%左右，發(fā)揮了削減洪峰的顯著功效。

(2)綜合考慮雨水徑流調(diào)控效果和經(jīng)濟性設(shè)置各類景觀雨水設(shè)施規(guī)模大小，不同建設(shè)項目其景觀雨水系統(tǒng)所占比例亦不相同。居住區(qū)植物綠化景觀需求量大，景觀雨水設(shè)施應(yīng)用空間受限小，具有較大的應(yīng)用潛力。本研究僅對閩南地區(qū)居住區(qū)內(nèi)景觀雨水系統(tǒng)設(shè)置面積比例接近50%的效果模擬，還可以針對不同土壤及降雨特性的區(qū)域進行其它比例下的設(shè)置效果模擬，從而更全面地評估景觀雨水系統(tǒng)對居住區(qū)的徑流削減效果。