陳 芳，張浩月，胡曉紅，劉 煌

(1. 招商局生態(tài)環(huán)保科技有限公司，重慶 400067； 2. 成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)地面服務(wù)有限公司，四川 成都 610000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路里程快速增長(zhǎng)，高速公路服務(wù)區(qū)數(shù)量劇增。工程建設(shè)將使服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的自然地表的水文發(fā)生變化。當(dāng)暴雨時(shí)節(jié)來(lái)臨時(shí)，可能使大量水體滯留產(chǎn)生內(nèi)澇。加之我國(guó)高速服務(wù)區(qū)排水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后、已建排水設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、排水技術(shù)措施單一等問(wèn)題，服務(wù)區(qū)雨洪控制技術(shù)亟待提升[1]。

為改善城市化導(dǎo)致的雨水下滲受阻問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者先后提出了最佳管理措施BMPs[2]、低影響開(kāi)發(fā)LID[3]、城市水敏感設(shè)計(jì)WSUD[4]、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)SUDS[5]等技術(shù)。其中LID低影響開(kāi)發(fā)模式是BMPs的繼承和創(chuàng)新，被多個(gè)國(guó)家廣泛實(shí)踐。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了較多研究，其中北京建筑大學(xué)車(chē)伍教授從宏觀和中觀層面對(duì)雨洪控制管理開(kāi)展了系統(tǒng)的研究；在微觀層面，許仕榮等[6]基于城市排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)建立不同用地場(chǎng)景的排水管網(wǎng)水力模型。趙子成等[7]建立了結(jié)構(gòu)可靠度理論等數(shù)學(xué)方法來(lái)預(yù)測(cè)既有管網(wǎng)的可靠度。

綜上所述，目前針對(duì)城市和流域開(kāi)展的雨洪控制研究較多，而針對(duì)公路開(kāi)展研究較少。因此，基于海綿型高速公路服務(wù)區(qū)的總體理念下，提出LID設(shè)施選擇原則，構(gòu)建雨洪管理控制技術(shù)并進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，并運(yùn)用暴雨洪水管理模型SWMM模擬驗(yàn)證。

1 海綿型服務(wù)區(qū)LID開(kāi)發(fā)模式

1.1 LID概念及設(shè)施

LID是一種基于生態(tài)的雨洪管理方法。LID設(shè)施種類較多，高速公路服務(wù)區(qū)適宜采用的主要有以下4種：

1.1.1 透水鋪裝

透水鋪裝是指一類空隙率較高、透水性能較好的路面鋪裝材料，可用于路面匯水、降水等的儲(chǔ)存或滲透排水，見(jiàn)圖1。常用于城市公園、市政道路非機(jī)動(dòng)車(chē)道、小車(chē)停車(chē)位等。

圖1 透水鋪裝Fig. 1 Permeable pavement

1.1.2 綠色屋頂

綠色屋頂利用植物對(duì)建筑物的屋頂、天臺(tái)等區(qū)域進(jìn)行綠化，見(jiàn)圖2。綠色屋頂一般自上而下由植物層、土壤層和排水層組成。

圖2 綠色屋頂Fig. 2 Green roof

1.1.3 植草溝

植草溝是一種通過(guò)重力流來(lái)收集、傳輸和排放雨水的地表溝渠，可有效削減地表徑流、去除和減少污染物，見(jiàn)圖3。

圖3 植草溝Fig. 3 Grass swale

1.1.4 下凹式綠地

下凹式綠地可削減雨水流量，回補(bǔ)地下水資源，減少對(duì)綠地的澆灌頻率，同時(shí)也有助于控制面源污染，見(jiàn)圖4。

圖4 下凹式綠地Fig. 4 Sunken lawn

1.2 LID設(shè)施的選擇要素

1.2.1 考慮地質(zhì)及水文條件

應(yīng)詳細(xì)調(diào)研服務(wù)區(qū)匯水區(qū)域的地質(zhì)及水文條件，并結(jié)合雨洪控制目標(biāo)，選擇適宜的LID設(shè)施。

1.2.2 考慮LID設(shè)施的功能及適用條件

公路服務(wù)區(qū)由于地域差異，在LID設(shè)施選擇上與城市道路、公園等相比，具有特殊性。首先，由于透水鋪裝的承載力特性，其主要適用于服務(wù)區(qū)小車(chē)停車(chē)位及人行廣場(chǎng)。其次，不宜在停車(chē)場(chǎng)大量選用生態(tài)樹(shù)池類的LID措施，以免影響視線，綠地可多采用下凹式方式。此外，服務(wù)區(qū)綜合樓等建筑中可考慮采用綠色屋頂。最后，可在適宜地帶靈活選用植草溝取代傳統(tǒng)的排水設(shè)施。

1.2.3 考慮LID設(shè)施經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性不僅要考慮設(shè)施本身的造價(jià)，也需考慮其后期管理維護(hù)費(fèi)用，并與傳統(tǒng)排水設(shè)施進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2.4 考慮景觀協(xié)調(diào)性

服務(wù)區(qū)是公路景觀營(yíng)造的重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)充分結(jié)合其空間布局以及功能分區(qū)特性，打造良好的景觀效果。

1.3 LID設(shè)施經(jīng)濟(jì)性分析

LID設(shè)施與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)施在單位面積的估算差值見(jiàn)表1。由表1可知，大部分LID設(shè)施在工程單價(jià)上雖高出傳統(tǒng)設(shè)施，但考慮到在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下，暴雨可能造成周邊道路積水嚴(yán)重，服務(wù)區(qū)內(nèi)澇，影響服務(wù)區(qū)正常運(yùn)營(yíng)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，LID設(shè)施在經(jīng)濟(jì)性方面仍具有優(yōu)勢(shì)。

表1 與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)施估算對(duì)比Table 1 Comparing tables with traditional development facility estimates

2 SWMM模型

2.1 模型功能

SWMM模型被廣泛應(yīng)用于控制洪水和保護(hù)水質(zhì)的排水系統(tǒng)及滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)、自然渠道系統(tǒng)泛洪區(qū)的地圖繪制、最小化合流制排水管道溢流的控制策略設(shè)計(jì)、進(jìn)流量和滲入對(duì)排水管道溢流的影響評(píng)價(jià)等。

2.2 模型建立流程

1)排水管網(wǎng)概化：利用建模區(qū)域已有的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，綜合考慮管道長(zhǎng)度、管徑、坡度等屬性信息，提取并整理服務(wù)區(qū)排水管道的基礎(chǔ)信息。

2)劃分子匯水區(qū)域：以圖紙中地形標(biāo)高、雨水管網(wǎng)情況等為確定依據(jù)，子匯水區(qū)匯集雨水就近排入雨水管網(wǎng)或相近的匯水面積；根據(jù)服務(wù)區(qū)特性，將下墊面分為3類，其中透水地面不產(chǎn)生徑流，有洼蓄量的不透水地面在降雨過(guò)程中首先滿足地表的洼蓄量后再產(chǎn)生徑流，無(wú)洼蓄量的不透水地面在暴雨初始即產(chǎn)生徑流。論文在雨水系統(tǒng)平面圖以及現(xiàn)場(chǎng)勘查地表匯流狀況的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行子匯水區(qū)域的劃分。

3)模型背景圖創(chuàng)建：對(duì)圖紙進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，刪除多余的排水管段，保留建筑的輪廓，并在初步建模背景圖中劃分子匯水區(qū)，標(biāo)明雨水徑流方向，從而生成模型背景圖。

4)模型參數(shù)確定：主要根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)取值[8]。①不同類型面積比例：服務(wù)區(qū)下墊面大多不透水，初始參數(shù)值設(shè)為5%；②洼蓄量取值：透水區(qū)為6.35 mm，不透水區(qū)為1.58 mm；③曼寧粗糙系數(shù)取值：透水區(qū)為0.15，不透水區(qū)為0.011。

3 案例分析

3.1 工程概況

以重慶渝蓉高速公路圍龍服務(wù)區(qū)北側(cè)為研究對(duì)象。服務(wù)區(qū)所在區(qū)域年平均降雨量1 075 mm。區(qū)域?qū)贉\丘陵地貌。該服務(wù)區(qū)為改擴(kuò)建項(xiàng)目，北側(cè)用地面積為123畝，地勢(shì)為南高北低?？偨ㄖ娣e12 932.17 m2，停車(chē)位383個(gè)，見(jiàn)圖5。

圖5 服務(wù)區(qū)北側(cè)平面Fig. 5 Plane of north side of service area

3.2 不同開(kāi)發(fā)模式下的模擬

按照文獻(xiàn)[9]中對(duì)年徑流總量控制率確定該地年徑流總量控制率為80%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為26.8 mm。

本次建模對(duì)圍龍服務(wù)區(qū)在年徑流總量控制率為80%時(shí)的雨洪情況進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證其是否已經(jīng)達(dá)到海綿城市指標(biāo)要求。

3.2.1 天然未開(kāi)發(fā)模式

天然地表具有良好的透水性，土壤類型在整個(gè)匯水區(qū)域也是相同的。因此，不需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行劃分，見(jiàn)圖6。

圖6 開(kāi)發(fā)前場(chǎng)地概化Fig. 6 Pre-development venue outline

降雨模型采用的是2 h芝加哥雨型，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮重現(xiàn)期為0.5、1、2、3、5、10和20年，筆者以5年一遇的降雨強(qiáng)度為例，在SWMM模型中雨量計(jì)RG1設(shè)置120 min的總降雨量為66.93 mm，并輸入模型的其他相關(guān)參數(shù)，模型運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可看出，匯水區(qū)的總徑流量為13.93 mm，洪峰流量為0.22 CMS，研究區(qū)域的徑流系數(shù)為0.26。

3.2.2 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式

傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式會(huì)極大地影響匯水區(qū)域的水文效應(yīng)。根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際匯流情況和雨水管道走向，將地表徑流分配到相應(yīng)的雨水井，將場(chǎng)地概化為53個(gè)子匯水區(qū)域，51個(gè)節(jié)點(diǎn)，51條管道，7個(gè)排放口，見(jiàn)圖7。

圖7 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下場(chǎng)地概化Fig. 7 Venue outline of traditional development model

模型運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)子匯水區(qū)的平均徑流系數(shù)為0.79，區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的檢查井節(jié)點(diǎn)有溢流情況，部分子匯水區(qū)、出水口、節(jié)點(diǎn)溢流情況模擬輸出結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表2 天然未開(kāi)發(fā)模式子匯水區(qū)模擬結(jié)果Table 2 Sub-catchment simulation results of natural undeveloped model

表3 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式子匯水區(qū)模擬結(jié)果Table 3 Sub-catchment simulation results of traditional development model

表4 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式出水口模擬結(jié)果Table 4 Water outlet simulation results of traditional development model

表5 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式節(jié)點(diǎn)溢流模擬結(jié)果Table 5 Node overflow simulation results of traditional development model

3.2.3 LID開(kāi)發(fā)模式

根據(jù)圍龍服務(wù)區(qū)實(shí)際情況，選擇下凹式綠地、滲透路面、綠色屋頂、植草溝4種LID設(shè)施，具體如下：

1)滲透鋪裝

根據(jù)圖紙，小車(chē)停車(chē)位和綜合樓前廣場(chǎng)鋪裝合計(jì)占地約11 000 m2，可改造面積約占總面積的13%，見(jiàn)圖8。滲透鋪裝的應(yīng)用會(huì)影響地表不透水比例及滲透速率。

圖8 可改造為滲透鋪裝的區(qū)域分布Fig. 8 Area distribution of retrofitting permeable pavement

2)綠色屋頂

綜合服務(wù)樓、水配房和維修車(chē)間的屋頂均為不透水區(qū)域，可改造成為綠色屋頂，見(jiàn)圖9。模型中將綠色屋頂概化為具有一定地表積水、曼寧系數(shù)較高的不透水地表[10]。

圖9 可改造為綠色屋頂?shù)膮^(qū)域分布Fig. 9 Area distribution of retrofitting green roof

3)植草溝

植草溝可在小范圍內(nèi)替換雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，服務(wù)區(qū)可改造區(qū)域見(jiàn)圖10。

圖10 可改造為植草溝的區(qū)域分布Fig. 10 Area distribution of retrofitting grass swale

4)下凹式綠地

可在服務(wù)區(qū)中設(shè)置18塊小面積的下凹式綠地，見(jiàn)圖11。其在SWMM模型中表現(xiàn)為小面積的條形匯水區(qū)，滲透量大，地表曼寧系數(shù)高。

圖11 可改造為下凹式綠地的區(qū)域分布Fig. 11 Area distribution of retrofitting sunken lawn

在SWMM模型中，各LID設(shè)施的每個(gè)單元層的結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)參數(shù)需要單獨(dú)定義。其確定主要參考SWMM用戶手冊(cè)、文獻(xiàn)[9]等相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)。本次模型中設(shè)施參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。

模型運(yùn)行后，在年徑流總量控制率為80%的情況下，發(fā)現(xiàn)子匯水區(qū)的平均徑流系數(shù)為0.44，區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的檢查井節(jié)點(diǎn)有溢流情況，部分子匯水區(qū)、出水口、節(jié)點(diǎn)溢流情況模擬輸出結(jié)果見(jiàn)表6～表8。

表6 LID開(kāi)發(fā)模式子匯水區(qū)模擬結(jié)果Table 6 Sub-catchment simulation results of LID development model

表7 LID開(kāi)發(fā)模式出水口模擬結(jié)果Table 7 Water outlet simulation results of LID development model

表8 LID開(kāi)發(fā)模式節(jié)點(diǎn)溢流模擬結(jié)果Table 8 Node overflow simulation results of LID development model

3.3 模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果可以看出不同開(kāi)發(fā)模式下，服務(wù)區(qū)的雨水徑流情況有較大差異，具體如下：

3.3.1 采用傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)前后比較

開(kāi)發(fā)后，場(chǎng)地的出水口雨水峰值流量明顯增加，峰值時(shí)間提前了20 min，匯水區(qū)徑流系數(shù)從0.26增大到0.79。場(chǎng)地在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下，因?yàn)橛不娣e大，雨水下滲量減少，導(dǎo)致雨水徑流阻力變小，洪峰流量增大，峰現(xiàn)時(shí)間提前，雨水管網(wǎng)壓力增大。

3.3.2 采用海綿城市理念開(kāi)發(fā)前后比較

開(kāi)發(fā)后，場(chǎng)地的出水口雨水峰值流量增加不大，峰值時(shí)間相差7 min，徑流系數(shù)從0.26增加到了0.44。因此，說(shuō)明海綿型服務(wù)區(qū)能延遲峰現(xiàn)時(shí)間、減少洪峰流量和徑流系數(shù)，緩解雨水管網(wǎng)的壓力。

3.3.3 兩種開(kāi)發(fā)模式比較

采用傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)后的雨水峰值流量高于海綿城市理念開(kāi)發(fā)模式，徑流系數(shù)從0.79減少到0.44，峰值時(shí)間提前了13 min。說(shuō)明服務(wù)區(qū)采用海綿城市理念開(kāi)發(fā)，在雨水控制方面優(yōu)于傳統(tǒng)模式。

綜上所述，在年徑流總量控制率為80%的降雨情景下，與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式相比，海綿型服務(wù)區(qū)的雨水徑流控制情況具有顯著優(yōu)勢(shì)，也更接近開(kāi)發(fā)前的水文環(huán)境。

4 結(jié) 論

1)選用服務(wù)區(qū)LID設(shè)施時(shí)，應(yīng)考慮場(chǎng)地的地質(zhì)與水文條件、LID設(shè)施的功能及適用條件、經(jīng)濟(jì)性以及景觀協(xié)調(diào)性等要素。

2)服務(wù)區(qū)采用傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)，地表大面積硬化，場(chǎng)地雨水徑流情況較為嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)后，相應(yīng)的檢查井節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)溢流情況，并且導(dǎo)致雨水徑流系數(shù)變大，洪峰流量增大、峰現(xiàn)時(shí)間提前，雨水管網(wǎng)壓力增大。

3) 結(jié)合公路服務(wù)區(qū)特點(diǎn)及不同LID設(shè)施特點(diǎn)，建議選用透水鋪裝、綠色屋頂、植草溝和下凹式綠地來(lái)進(jìn)行雨洪控制。通過(guò)設(shè)置LID設(shè)施，可緩解服務(wù)區(qū)內(nèi)澇，使水文環(huán)境與場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前更接近。