城市新建小區海綿城市建設要素分析

張萬輝，羅群英，安關峰，張 蓉

(1.廣州市市政集團有限公司，廣州 510060；2.廣州市市政集團設計院有限公司，廣州 510060)

0 引 言

隨著城市化進程的加快，城區人口迅速集中，城市面積急劇膨脹，使城區及其附近區域的自然、文化和生態系統都發生了顯著的改變，對城市的水文過程產生重要的影響。城市化發展改變了城市局部的自然地貌，使原先相當部分的自然流域被不透水表面所覆蓋，造成雨水匯流速度加大，從而導致一系列相異于天然流域的城市水文問題[1-3]。加之近年來暴雨頻發，暴雨內澇對城市的基礎設施造成巨大的破壞，對城市居民的生命安全和財產構成巨大的威脅。

面對日益嚴重的城市內澇問題，世界各國積極開展針對城市內澇的實踐及研究，其中低影響開發技術(Low impact Development，簡稱LID)是一種行之有效的內澇防治方法，該技術在美國得到了廣泛研究，并有成功的工程案例[4-6]。LID是土地開發的一種可持續途徑，是基于保護生態、控制徑流源頭的城市暴雨管理措施，它包括一系列場地規劃策略及實踐技術。目前，我國主要采用LID的徑流源頭控制理念，對城市新建區進行規劃設計，應用比較成功的例子為深圳光明新區[7]。但是，該技術在城市住宅小區設計階段應用較少。城市住宅小區作為城市組成的基本單元，既是城市雨洪的排出單元又是主要受納體。若是在小區設計階段將LID理念引入，將會從源頭降低徑流量，達到城市內澇消減的目的。

本文選取廣州市一處于園林景觀設計階段的城市住宅小區作為研究對象，利用模型模擬的方法，分析城市小區開發過程中對城市徑流過程的影響，模擬研究下凹式綠地、透水地面、屋面雨水收集系統及其組合模式對雨洪控制的作用，并對其工程經濟進行分析，尋求出城市住宅小區園林設計的最優方案，達到既美化環境又實現雨洪的防治，以期為未來城市小區園林景觀設計提供新的思路和方法。

1 研究方法

1.1 研究區概況

選取廣州市一設計過程的住宅小區作為研究區域，總面積1.7 hm2。該小區位于廣州市天河區車陂街道內，該區域是1980年底建立起來的典型城鄉結合部，地處天河區東面，管轄的地域橫跨中山大道、黃埔大道，東靠東環高速公路，西至車陂路，南臨珠江，北接廣深高速公路。近年來，隨著廣州市城市化進程的擴展，該區域已成為主要的中心城區，不斷建成大量的商業住宅小區。

根據初步設計資料獲知，小區地勢東高西低，地面情況相對較為簡單，主要有樓房、綠地、道路和空地。綠地面積8.3 hm2，道路和廣場面積4.4 hm2，樓房占地面積4.3 hm2，分別占小區面積的48%、26%和25%。區內排水系統主要沿道路設置，在小區北側和南側設計了兩套獨立的排水管網，沿兩側主干道下各設計一DN300的干管，分別通過接口O1和O2接入市政管網。

1.2 子匯水區劃分及排水管網概化

子匯水區的劃分方法為：將導入到GIS的CAD圖換算成矢量數據，添加相關屬性后，利用3D分析生成TIN表面，然后再轉換成DEM數據；采用流向分析工具從DEM圖層獲取流向分析結果；然后利用水文分析中的Basins工具提取自然匯水區，并借助Thiessen多邊形工具對獲得的自然匯水區進行二次劃分，使每一個出水口對應一個匯水區；最后通過GIS分析提取相關數據，并經修正后輸入到SWMM模型中。

通過上述方法將研究區域劃分為14個子匯水區(面積變化范圍0.03～0.39 hm2)，各子匯水區的地表徑流直接排入到最近的排水設施檢查井節點，每個子匯水區對應一種土地利用類型。根據上述GIS的劃分結果以及該區域排水管網資料，遵循管徑、管材、坡度基本保持不變的原則，將研究區域內管網概化為16條管道(渠)、18個節點和2個出水口(市政管線入口)，建模區概化結果見圖1。

圖1 建模區概化結果Fig.1 Generalized map of study area

1.3 地表徑流模型的確定

SWMM模型中，地表徑流采用Green-Ampt，SCS和Horton 3種模式，其中Green-Ampt模式對土壤的要求較高，SCS模式適用于大流域，Horton模式所需資料較少[8]，因此本研究采用Horton模式。Horton模式描述了入滲率由最大值隨時間呈指數級下降至最小值的下滲過程，其公式為：

f=f∞+(f0-f∞)e-ht

(1)

式中：f為下滲率，mm/h；f∞為穩定下滲率，mm/s；f0為初始下滲率，mm/s；t為降雨歷時，s；h為下滲衰減系數。

1.4 模型初始基準參數的確定

SWMM模型中所需參數包括水文模型參數和水力模型參數。水文模型參數直接測量或根據實測資料推求；水力模型參數主要為排水管網特性數據，通過本小區排水管網設計資料獲取。

采用Horton入滲模型模擬降雨入滲過程，模型需要輸入的最大入滲率、最小入滲率和衰減系數等依據實地勘測數據和手冊典型值，見表1。匯流采用非線性水庫模型模擬，主要參數包括地表坡度、透水面、不透水面、管道的曼寧系數、透水地表和不透水地表的洼蓄量等。根據實際下墊面的情況獲得，透水地表、不透水地表和管道的曼寧系數參照典型值，見表2。透水地表和不透水地表的洼蓄量參照典型值，見表3。

按照上述原則確定參數的取值，模型模擬計算采用Dynamic Wave，計算時間步長為30 s。SWMM模型中的主要參數見表4。

表1 研究區涂層飽和土壤滲透率Tab.1 Saturated infiltration rates of test soil in study are

表2 地表曼寧系數典型值Tab.2 Manning coefficient typical values

表3 洼地儲蓄量典型值 mm

表4 SWMM模型基準參數值Tab.4 Parameter calibration results of SWMM

2 研究結果

2.1 小區開發前后雨洪特征

開發前本區域為城市郊區綠地、林地和農田，開發后該區域成為城市住宅小區，地表被建筑物、硬化地面和綠化帶覆蓋。如圖2，在地表處于原始狀態下(硬化率為0)，假若區域遭遇3年一遇暴雨，出口1處的最大徑流量為0.063 m3/s，其洪峰值出現在1小時25分，隨著地表硬化率的增加出口的最大洪峰流量逐漸增大，當硬化率達到100%時洪峰量增加到0.31 m3/s，此時洪峰出現的時間提前到了55分。因不透水地表的入滲量幾乎為零，致使徑流量隨著硬化率的提高而增大；不透水地表的高徑流系數使得雨水匯流速度極大提高，從而使洪峰出現時間提前[9]。

圖2 O1出口在3 a重現期暴雨下不同地表硬化率時徑流量Fig.2 Comparison of outlet discharges of different surface hardening rates

2.2 不同模式下小區雨洪模擬分析

2.2.1 不同綠地模式下小區雨洪模擬分析

本小區的總面積為1.7 hm2，建筑規劃面積為0.43 hm2，廣場和道路規劃面積0.44 hm2，空地面積為0.83 hm2。為到達綠化環境并收集雨水的效果，除規劃外的廣場和道路外，其余空地全部建設成綠地。而在住宅小區綠地通常分為平式綠地和下凹式綠地2種，目前住宅小區應用較多的為平式綠地，但是這種綠地的布置對小區雨洪的消減并未發揮明顯的效果。為優選出本小區較宜采用的綠地類型，對2種綠地對雨洪的消減作用進行模擬。

如圖3～圖5所示，對4種設計暴雨下不同綠地模式的模擬結果進行對比分析。下凹式綠地相比于平式綠地能較好地消減地表徑流，在3～20 a重現期暴雨下其對地表徑流的消減量為31%～43%，特別是對于3～5 a暴雨重現期下的小強度降雨，其消減量可達40%以上。下凹式綠地對地表徑流的消減作用主要來自于地表蓄積和下滲作用。由于綠地的地質狀況一定，改變地表的形式對綠地下滲作用并無明顯改變，下凹式綠地和平式綠地在不同暴雨強度下的滲透量只有1%左右；但下凹式綠地對雨水的蓄積具有明顯作用，在3～20 a重現期暴雨下，34%～41%的雨水在下凹式綠地的地表進行了蓄積，而平式綠地對雨水的蓄積量小于10%，并且下凹式綠地相對于平式綠地對雨水的蓄積量高達80%以上。

圖3 不同綠地模式入滲量對比Fig.3 Comparison of infiltration in different green space modes

圖4 不同綠地模式徑流量對比Fig.4 Comparison of outlet discharges in different green space modes

圖5 不同綠地模式蓄積量對比Fig.5 Comparison of accumulation in different green space modes

研究區出水口的洪峰流量及時間在3～5 a重現期暴雨下模擬結果如圖6所示，表明采用下凹式綠地使區域內平均徑流系數減少約0.25，出口洪峰流量減少15%，約0.02 m3/s，洪峰出現時刻推遲了5 min。這主要由于下凹式綠地地表涂層根系發達，土壤相對疏松，而且在地表深水處，水不易流失，其滯留入滲作用時流域產流系數降低，洪峰流量減少[7]，洪峰出現時間延后。但是，對于高強度暴雨，以10～20 a重現期暴雨為例，下凹式綠地對消減洪峰流量和延遲洪峰出現時間并未發揮明顯優勢。這主要是由于在高強度暴雨下，地表滲透和蓄積能力都已達到極限，則剩余高強度雨水則只能通過徑流進行排放。因此，下凹式綠地適用于城市住宅小區小強度暴雨內澇的防治，此時的下凹式綠地不僅可以美化小區環境，而且能夠大幅度地消減地表徑流，減少小區內澇的可能性；但是，對于高強度暴雨，小區內澇的防治不能單純依靠下凹式綠地的作用，應耦合其他的內澇防治措施。

圖6 不同強度降雨下下凹式綠地和平式綠地下O1出口處的徑流量Fig.6 Comparison of outlet discharges between different green belt in different rainfall intensities

2.2.2 不同透水面積模式小區雨洪模擬分析

建設透水路面是解決小區內澇的另一重要措施，其可以降低城市徑流系數，減少城市路面徑流中污染物的含量，降低熱島效應，并能提高城市路面的實用性[10]。并且透水路面是我國城市綠色建筑標準中實施的重要內容，《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2006中明確規定住宅建筑和公共建筑室外透水地面面積不得低于45%和40%[11]。

本小區原規劃不透水地面0.44 hm2，其中包括廣場、道路、人行道和停車場，通過改變透水地面比率進行本小區雨洪的模擬。由表5可以看出，隨著透水地表的比率的增加，出口徑流量、洪峰流量和徑流系數逐漸減小，尤其是透水地面的比率大于40%后洪峰消減的趨勢更加明顯。當透水地面的比率為0時，洪峰出現在55分，當采用透水地面后洪峰被延后5 min。

為考察透水地面對小區內澇的防治作用，采用100%的透水地面，對3～20 a暴雨重現期下雨洪進行模擬，如表6所示。由表6可以看出，進行透水地面改造后，小區內的地面徑流量、洪峰流量和徑流系數都有不同程度的降低。以3 a重現期暴雨為例，透水地面對小區內徑流量的消減為27%，洪峰的消減為13%，徑流系數降低44%。但是，其對10～20 a重現期暴雨的洪峰的消減率小于5%，表明透水地面對高強度降雨的洪峰的消減作用不甚明顯。

表5 研究區內不同透水地面徑流數據對比Tab.5 Simulating results of studied area in different permeable ground

表6 研究區內透水地面改造前后徑流數據對比Tab.6 Simulating results of different rainfall intensity with pre and post-development

2.2.3 屋頂雨水收集模式下小區雨洪模擬分析

為貫徹執行節約資源和保護環境的國家技術經濟政策，推進可持續發展，本小區大力推進綠色建筑的建設。其中，屋頂雨水收集是我國綠色建筑評價的重要指標。本小區擬建設屋頂雨水系統，收集的雨水經簡單的處理，用于園區綠化、清洗和景觀。并且，在暴雨季節，屋面收集系統可以收集大量雨水，減少地表徑流量，可用于小區內澇防治。本小區規劃屋頂面積0.43 hm2，若收集系統應對100 mm的降雨，則收集雨水體積約430 m3。根據建筑物的分布和屋面面積，可在S1、S2、S3、S4、S10和S11六個子區域分別設置40、40、40、50、120和130 m3的屋面雨水收集系統。

應用SWMM模型對3～20 a重現期暴雨下的本小區雨洪進行模擬，出口O1處的流量如圖7所示。小區建設屋面雨水收集系統后，能夠有效地降低地面徑流量、洪峰值和徑流系數，例如在3 a重現期暴雨下地面徑流量、洪峰值和徑流系數的消減率分別為21%、31%和34%。并且，屋面雨水收集系統能夠有效地延遲洪峰出現時刻，在5 a重現期暴雨下，洪峰延遲了25 min，而在10和20 a重現期暴雨下洪峰延遲了10 min。另外，430 m3規模的屋面雨水收集系統能夠有效地應對低強度降雨，而對高強度降雨防治作用不甚明顯，例如本收集系統在3 a重現期暴雨下對地面徑流量和洪峰的消減率為21%和31%，而在20 a重現期暴雨下二者值降為11%和2%。

圖7 采用屋面雨水收集系統時O1出口在不同重現期暴雨下徑流量Fig.7 Comparison of outlet discharges in different rainfall intensity with roof rainwater collection systems

2.2.4 組合模式下小區雨洪模擬分析

為最大程度地降低小區內澇產生的可能性，擬在小區內采用凹式綠地、滲透地面和屋面雨水收集3種組合模式，模擬結果如圖8所示。由圖可以看出，進行組合模式改造后，不同強度的降雨下小區內的地面徑流量、洪峰流量和徑流系數較原有設計都有大幅度地降低，并且能夠延遲洪峰出現時刻。以3 a重現期暴雨為例，小區內徑流量的消減為80%，洪峰的消減56%，徑流系數降低82%，洪峰延遲5 min。

圖8 不同模式下O1出口的徑流量Fig.8 Comparison of outlet discharges in different LID situations

在3a重現期降雨下，在原設計下底面地面出現積水點個數為6個，分別采用凹式綠地、透水地面和屋面收集系統雖然可以減少積水點數量，但受下游管段的管徑和流速的限制，管段下游并不能消除積水點；采用組合模式后，由于雨水下滲量和屋面雨水蓄積量的增加，地面徑流進入管道雨水量相應減少，并適應原管道設計的要求。

3 結 語

本文以城市新建住宅小區為對象，建立了SWMM模型，模擬了城市化前后小區內雨洪過程的變化，比較分析了下凹式綠地、透水地面及屋面雨水收集系統對小區內雨洪的控制作用。小區開發后將會改變原始的地面徑流特征，在相同降雨條件下區域排水口徑流量增多，峰值提前；采用凹式綠地、透水地面和屋面雨水收集系統，可以有效地增加地面雨水蓄積、較少徑流和洪峰量，但是透水地面對高強度降雨洪峰的消減作用不甚明顯。小區采用組合模式能夠有效地應對各種 強度暴雨的侵襲，以3a重現期暴雨為例，透水地面對小區內徑流量的消減為80%，洪峰的消減56%，徑流系數降低82%，洪峰延遲5min，并能實現430m3雨水的回用。

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