低影響開發措施的城市雨洪控制效果模擬

蔡慶擬,陳志和,陳 星,陳幸楨,張丹蓉

(1. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學水資源與環境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區水安全調控工程技術研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區水務局,廣東 廣州 511400)

低影響開發措施的城市雨洪控制效果模擬

蔡慶擬1,陳志和2,3,陳 星1,陳幸楨2,4,張丹蓉1

(1. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098; 2. 中山大學水資源與環境研究中心,廣東 廣州 510275;3. 廣東省華南地區水安全調控工程技術研究中心,廣東 廣州 510275; 4. 廣州市番禺區水務局,廣東 廣州 511400)

以廣州市某小區為研究對象,根據實測降雨徑流資料,結合現狀排水管網,建立暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM),模擬不同降雨條件下的產流與排水狀況?；赟WMM的低影響開發(low impact development,LID)模塊,模擬分析采用滲透鋪裝、下凹式綠地、雨水花園和LID組合方案對城市雨洪的控制作用。結果表明,采用滲透鋪裝、下凹式綠地和雨水花園等LID措施,洪峰流量和徑流系數均明顯降低,可有效緩解市政管網的排水壓力,各種LID措施的雨洪控制效果在低重現期降雨時更為顯著。其中雨水花園對徑流系數和洪峰流量的削減效果最顯著;LID組合措施對洪峰的削減和滯后作用較好;下凹式綠地和滲透鋪裝單獨布設的雨洪控制效果一般。關鍵詞：SWMM;海綿城市;低影響開發;雨水花園;滲透鋪裝;下凹式綠地

近年來,快速城市化造成水循環過程的改變,在城市化驅動下,硬質化路面面積增加,區域降雨徑流改變[1-3]。如許有鵬等[4]研究發現，臨安市城市化前后南苕溪流域年徑流量增加將近30%,徑流系數提高將近20%。下墊面變化及城市雨、熱島效應造成產匯流過程發生變化,進而導致城市內澇頻發[5-6]。據住建部統計,2007—2015年全國超過360個城市遭遇內澇,北京、廣州、武漢等城市的嚴重內澇甚至造成人員傷亡。因此,在快速城市化地區提高防洪排澇能力,緩解城市內澇,讓城市不再“看海”顯得越來越重要。

國外對此類問題研究較早，如美國的低影響開發(low impact development，LID)，英國的可持續發展排水系統(sustainable urban drainage systems，SUDS)，澳大利亞的水敏感城市設計(water sensitive urban design，WSUD)，日本城市泄洪系統和雨水地下儲存系統等[7]。我國在總結國外城市雨洪控制理念的基礎上，結合國內實際提出了一種可持續發展的城市建設模式——海綿城市。海綿城市強調城市在應對環境變化以及暴雨洪水災害時能有較好的“彈性”，在保護和修復現有“海綿體”的基礎上，新建一定數量的“海綿體”，將城市內澇水“化整為零、變害為利”，實現自然積存、自然滲透、自然凈化[8]。

隨著“海綿城市”的提出,城市雨水管理逐漸成為國內學者的研究熱點。如唐雙成等[9]通過實驗研究得出雨水花園對暴雨徑流的削減效果較為顯著,年徑流削減高達90%以上;黃俊杰等[10]對植草溝的實地試驗結果表明,植草溝能有效削減道路徑流和洪峰流量,延后峰現時間等;翟丹丹等[11]研究表明綠色屋頂對雨水徑流有一定的滯留作用,但隨降雨強度增大滯留效果減弱。LID措施的合理選用是海綿城市建設的重要環節。Guan等[12]對蓄水池、綠色屋頂、滲透路面等進行模擬,分析不同降雨條件下LID措施對地表徑流的控制作用;Palla等[13]通過實驗模擬研究了綠色屋頂、滲透路面對水文過程的影響效果。本文選取廣州市某小區為研究對象,利用實測降雨徑流數據,率定城市排水模擬參數,模擬研究不同LID措施在不同降雨條件下對城市雨洪的控制效果,以期為海綿城市的實踐提供理論支撐。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區域概況

選取廣州市某小區地塊作為研究對象,該區域用地主要由居住、綠地、道路廣場用地組成,總面積為43.29萬m2。研究區域屬于亞熱帶海洋性季風氣候區,多年平均氣溫為21.8℃,雨量豐沛,多年平均降雨量為1 675.5 mm,降雨多集中于4—9月,占全年降雨量的80%,尤其以5—6月雨量最大,占全年降雨量的32%。

1.2 模型概化

暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM)由松散型分布式物理模型思想構建而成,下墊面的數字化過程可分為子流域劃分、子流域信息提取及概化、排水系統信息提取及概化3個步驟[14]。依據研究區域的地形高程實測數據,考慮地表特性、土地利用及雨水管網的分布情況,共劃分25個子流域,41個節點,41條管道,2個排水口,雨水管網概化圖見圖1[15]。研究區域內各子匯水區的雨水徑流收集到雨水井中,再通過雨水管網匯流,最后分別通過排水口1和排水口2排入大和涌。

圖1 研究區域雨水管網概化

1.3 現場觀測與參數率定

1.3.1 現場觀測

選取研究區域中有代表性的觀測點,實地觀測降雨、徑流等水文過程。選擇儀器布置點時,主要考慮土地利用規劃和現有的雨水管網設置情況,盡可能使布設位置具有代表性,反映研究區域的降雨和產匯流狀況。通過實時觀測的方式獲取同步且連續的降雨和徑流數據。共布設1個雨量觀測點以及3個流量觀測點,觀測點位置見圖1。雨量記錄儀放于地表空曠處,而流量計安置于雨水管網內,兩者同步記錄,每10 min存儲一組數據。

1.3.2 參數率定

在SWMM中,參數分為可測量得到的確定性參數和需要優化的不確定性參數兩種。其中確定性參數包括匯水區面積、平均坡度、漫流寬度、不透水面積和透水面積比例、管徑及管道的長度等,可通過對收集的資料進行一定的技術處理獲得參數值。不確定性參數則包括地表洼蓄深度、地表曼寧系數、管道曼寧系數、下滲參數等,主要通過參考參數的推薦取值范圍、相關文獻、鄰近類似區域的研究成果和實測資料等方式率定獲得[16-17]。

本文根據2013年8月14日(2∶40—13∶00)典型降雨過程的實測數據率定SWMM的參數。產流計算選用適合小區域模擬的霍頓(Horton)公式,地表產匯流計算時間步長設為1 min,管網匯流計算時間步長設為0.5 s。經多次試算反復調整,取初始下滲率為103.81 mm/h,穩定下滲率為11.44 mm/h,下滲衰減系數為2.75 h-1。匯流過程不透水地面洼蓄深度取1 mm,透水地面洼蓄深度取10～11 mm,不透水地面和透水地面的曼寧系數分別取0.01～0.015和0.3～0.4,管網曼寧系數取0.011～0.013。

1.4 模型驗證

根據2013年8月15日(2:00—16:00)降雨過程的實測數據驗證率定后的模型,模型驗證結果見圖2。該場次降雨總降雨量為51.9 mm,地表徑流深為38.2 mm,平均產流系數為0.736,基本反映區域地塊的覆蓋情況,模擬結果體現該區域產匯流規律。模型驗證結果顯示,觀測點1、2、3的模擬結果的納什效率系數分別為0.89、0.88、0.90,模擬質量較好,可信度高。說明基于SWMM構建的模型合理可靠,可用于研究地塊市政排水設施的地表徑流控制模擬。

圖2 3處流量觀測點降雨流量過程驗證

2 設計暴雨及LID措施布設

應用驗證后的SWMM,分析不同設計暴雨條件下,不同LID措施布設方案對研究區域地表徑流的調控效果。

2.1 設計暴雨

我國城市排水設計大多采用的是均勻雨型,但均勻雨型的計算結果與實際降雨過程相差甚遠,尤其在城市化地區更為顯著[18]。近年來,國內外眾多學者提出了包括三角形雨型、芝加哥雨型[19]、Huff雨型[20]等計算方法,這些雨型更符合客觀實際。因此,本文設計雨型選用芝加哥雨型。以最大雨強出現的時間作為原點或時間標度,設計暴雨過程線可表達為

(1)

(2)

式中:Sp為某一重現期時的雨力;i峰前、i峰后為峰前、峰后瞬時雨強;t1為峰前時間;t2為峰后時間;b、n為暴雨公式的參數;r為雨峰系數,本文取r=0.375。

本文暴雨公式采用廣州市水務局發布的廣州市中心城區暴雨公式,見表1。其中q為暴雨強度，t為時間。

表1 設計暴雨計算公式

2.2LID措施布設

本文結合研究區域現有開發建設情況,遵循LID措施布設原則[21],提出4種LID措施布設方案。2個排水口的集水區域內各LID措施布設面積及所占比例見表2,各種措施布設參數參考SWMM操作手冊與國內外相關文獻[16,22-23],LID措施布設情況見圖3。

表2 LID措施布設情況

圖3 LID措施布設圖

方案1:雨水花園。雨水花園指人工或天然的淺凹綠地,用于收集雨水,經過植被土壤的凈化之后逐漸就地下滲,涵養地下水。雨水花園蓄水層深度為200 mm,植物體積比為20%;土壤層厚為500 mm,孔隙率為0.3;蓄水層厚為200 mm,孔隙比為0.6,雨水花園底部不設暗渠,無出流設施,雨水下滲后直接補給地下水。本文布設的雨水花園面積為4.2萬m2,占總面積的9.70%。

表3 不同降雨重現期下各布設方案洪峰模擬結果

方案2:滲透鋪裝。滲透鋪裝指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替現有的硬質化路面鋪裝材料,在確保道路使用強度和耐久性的基礎上,使暴雨徑流能在短時間內滲入土壤或進入雨水管網中,從而達到削減地表徑流的目的。本文布設的滲透鋪裝的面層厚度為60 mm,孔隙比為0.1,糙率為0.014;基層與墊層厚度為250 mm,孔隙比為0.43。將小區的部分硬化路面、停車場等改為滲透鋪裝,布設的滲透鋪裝總面積為3.63萬m2,占總面積的8.39%。

方案3:下凹式綠地。下凹式綠地與普通綠地區別在于綠地高程低于路面,路面產生徑流可流入綠地中儲存起來,可有效減少徑流直接外排量。本文布設的下凹式綠地面積為5.67萬m2,滯蓄深度為100 mm,占總面積的13.09%。

方案4:LID組合方案。充分利用各子匯水區的自然條件,綜合設置3種LID措施。將上述3種LID措施組合布設,各種LID措施的布設面積及參數設置均與其單獨布設時一致。組合方案的LID布設總面積為前3種方案中布設面積的總和,即13.50萬m2,占總面積的31.18%。

3 模擬結果與分析

為了評估LID措施對不同重現期暴雨的影響,利用設計暴雨公式(式1)推求出重現期P為1、2、5年,降雨歷時t=2 h的設計暴雨過程,降雨采用的時間間隔Δt=1 min。運用SWMM模擬現狀用地及滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地單獨布設和LID組合布設方案在不同設計暴雨重現期下出口斷面徑流過程,模擬總時長取4.5 h,時間步長為1 min。

3.1 洪峰流量

在不同設計暴雨重現期下各LID布設方案的出口斷面洪峰模擬結果見表3。由表3可以看出：①與現狀用地相比，4種方案均能夠起到削減和滯后洪峰的作用，各重現期設計暴雨過程中的洪峰流量均有所減少，峰現時間滯后。這是由于滲透鋪裝、雨水花園和下凹式綠地等LID措施能在一定程度上提高城市“滲”、“滯”、“蓄”能力。②4種方案中，洪峰削減比例隨重現期的增大出現先增加后減少的現象，在5年一遇降雨情況下洪峰削減比例較小。這是由于LID措施的蓄水容積有限，超過最大蓄水容積的部分將形成徑流。③4種方案對洪峰削減比例從大到小依次是：LID組合、滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地。LID組合方案對洪峰流量的削減效果最為顯著，在1、2年一遇降雨情況下洪峰削減比例可達40%左右，而在5年一遇降雨時也能削減30%的洪峰。進一步計算單位布設面積的削峰滯洪效果，可以得出：在削減洪峰效果上，4種方案效果從大到小依次是：LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地；而在滯后洪峰效果上，LID組合效果最佳，下凹式綠地次之，滲透鋪裝和雨水花園效果不明顯。

3.2 徑流總量

各布設方案下不同設計暴雨重現期下的出口斷面徑流總量模擬結果見表4。由表4可看出：①對比現狀用地，4種方案均能在一定程度上降低區域的徑流系數，削減徑流總量，體現海綿城市的“吸水”功能。②4種方案的徑流系數減少效果均隨降雨重現期的增大而減少，主要是由于LID措施的滯蓄水能力有限，當降雨量隨重現期增大而增大時，LID措施的滯蓄水效果會逐漸減弱。③4種方案徑流系數減少比例從大到小依次是：LID組合、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。LID組合總布設面積最大，因此徑流系數減少比例最大，而雨水花園蓄水層較厚，蓄水能力強于滲透鋪裝，下凹式綠地削減徑流系數能力不明顯。在此基礎上，計算單位布設面積的徑流總量及徑流系數，得出：雨水花園削減徑流總量、徑流系數的效果最佳，滲透鋪裝和LID組合方案次之，下凹式綠地效果不顯著。

表4 不同降雨重現期下各布設方案徑流總量情況

表5 不同降雨重現期下各布設方案溢流節點數與地表蓄水深度模擬結果

3.3 溢流節點數與地表蓄水深度

不同設計暴雨重現期下各布設方案的溢流節點數和地表蓄水深度模擬結果見表5,其中溢流節點指管內積水深度超過排水管頂高程的節點,地表蓄水深度指降雨過程中地表植被及LID措施蓄水總量折算到全流域的水深。由表5可看出:①對比現狀用地,4種方案均能減少溢流節點數量,重現期為1年時尤為顯著,在重現期為2、5年時LID組合方案仍有顯著效果,單獨布設方案效果一般。主要由于重現期較大的降雨產生的徑流量遠大于LID措施的滯蓄水能力,導致LID措施對減少溢流節點能力減弱。②4種方案的地表蓄水深度較現狀用地均能有明顯增加,且均隨重現期增大而增加。③從溢流節點減少以及增加地表蓄水深度來看,4種方案的效果從大到小依次是:LID組合方案、雨水花園、滲透鋪裝、下凹式綠地。

綜上可知,滲透鋪裝、雨水花園、下凹式綠地均能夠達到削減洪峰流量、滯后峰現時間、削減徑流總量及增加地表蓄水量的目的,可有效提高城市地表蓄滯水量,減少市政排水管網的壓力,并且LID措施對城市內澇的緩解效果在低重現期降雨時更為顯著。在布設面積相同時,雨水花園能夠起到較好的削減徑流系數和洪峰流量作用,LID組合方案則在削減及滯后洪峰效果上較明顯。

4 結 論

隨著城市化的快速發展,城市雨洪控制研究得到廣泛重視。本文以典型城市化地區——廣州市某小區為例,結合實測資料建立并率定SWMM。通過模型模擬評估了不同重現期下不同LID措施對洪峰流量和徑流總量的控制效果。結果表明:采用4種LID布設方案均能減少洪峰流量、徑流總量以及徑流系數,從而減小城市市政管網的排水壓力,緩解城市內澇。其中雨水花園在削減徑流系數和洪峰流量上有更好的效果,滯后洪峰效果不明顯;LID組合方案在削減洪峰流量和延后洪峰出現時間上效果比較顯著,削減徑流系數效果一般;滲透鋪裝單獨布設的雨洪控制效果一般;下凹式綠地能起到一定滯后洪峰作用,對徑流量削減效果不明顯。由于LID措施自身滯蓄水能力的限制,在低重現期降雨時,對城市雨洪控制效果更顯著。

[ 1 ] GRANT S B, SAPHORES J D, FELDMAN D L, et al. Taking the “waste” out of “waste water” for human water security and ecosystem sustainability[J]. Science,2012,337(6095):681-686.

[ 2 ] HALLEGATTE S, GREEN C, NICHOLLS R J, et al. Future flood losses in major coastal cities[J]. Nature Climate Change, 2013(9):802-806.

[ 3 ] 宋曉猛, 張建云, 王國慶,等. 變化環境下城市水文學的發展與挑戰Ⅱ:城市雨洪模擬與管理[J]. 水科學進展, 2014, 25(5):752-764. (SONG Xiaomeng,ZHANG Jianyun,WANG Guoqing,et al. Development and challenges of urban hydrology in a changing environment II:urban stormwater modeling and management [J]. Advances in Water Science,2014,25(5):752-764 (in Chinese))

[ 4 ] 許有鵬, 丁瑾佳, 陳瑩. 長江三角洲地區城市化的水文效應研究[J]. 水利水運工程學報, 2009(4):67-73. (XU Youpeng,DING Jinjia,CHEN Ying. Impacts of urbanization on hydrology in Yangtze River Delta[J]. Hydro-Science and Engineering,2009(4):67-73. (in Chinese))

[ 5 ] 張建云, 宋曉猛, 王國慶,等. 變化環境下城市水文學的發展與挑戰I:城市水文效應[J]. 水科學進展, 2014, 25(4):594-605. (ZHANG Jianyun,SONG Xiaomeng,WANG Guoqing,et al. Development and challenges of urban hydrology in a changing environment I:hydrological response to urbanization [J]. Advances in Water Science,2014,25(4):594-605 (in Chinese))

[ 6 ] 孫艷偉, 王文川, 魏曉妹, 等. 城市化生態水文效應[J]. 水科學進展, 2012, 23(4):569-574. (SUN Yanwei,WANG Wenchuan,WEI Xiaomei,et al. Eco-hydrological impacts of urbanization[J].Advances in Water Science,2012,23(4):569-574 (in Chinese))

[ 7 ] 崔廣柏, 張其成, 湛忠宇,等. 海綿城市建設研究進展與若干問題探討[J]. 水資源保護, 2016, 32(2):1-4. (CUI Guangbo,ZHANG Qicheng,ZHAN Zhongyu,et al. Research progress and discussion of sponge city construction[J]. Water Resources Protection,2016,32(2):1-4.(in Chinese))

[ 8 ] 吳丹潔, 詹圣澤, 李友華,等. 中國特色海綿城市的新興趨勢與實踐研究[J]. 中國軟科學, 2016(1):79-97. (WU Danjie,ZHAN Shengze,LI Youhua,et al. New trends and practical research on the sponge cities with Chinese characteristics[J]. China Soft Science,2016(1):79-97. (in Chinese))

[ 9 ] 唐雙成, 羅紈, 賈忠華,等. 雨水花園對暴雨徑流的削減效果[J]. 水科學進展, 2015, 26(6):787-794. (TANG Shuangcheng,LUO Wan,JIA Zhonghua,et al. Effect of rain gardens on storm runoff reduction[J]. Advances in Water Science,2015, 26(6):787-794. (in Chinese))

[10] 黃俊杰, 沈慶然, 李田. 植草溝對道路徑流的水文控制效果研究[J]. 中國給水排水, 2016(3):118-122. (HUANG Junjie,SHEN Qingran, LI Tian. Study on hydrological effect of grass swales on road runoff[J]. China Water and Wastewater,2016(3):118-122. (in Chinese))

[11] 翟丹丹, 宮永偉, 張雪,等. 簡單式綠色屋頂雨水徑流滯留效果的影響因素[J]. 中國給水排水, 2015(11):106-110. (ZHAI Dandan,GONG Yongwei,ZHANG Xue,et al. Influence factors of extensive green roof on stormwater runoff retention performance[J]. China Water and Wastewater,2015(11):106-110.(in Chinese))

[12] GUAN M, SILLANPAA N, KOIVUSALO H. Assessment of LID practices for restoring pre-development runoff regime in an urbanized catchment in southern Finland.[J]. Water Science & Technology, 2015, 71(10):1485-1491.

[13] PALLA A, GNECCO I. Hydrologic modeling of low impact development systems at the urban catchment scale[J]. Journal of Hydrology, 2015, 528:361-368.

[14] 喻海軍, 黃國如, 武傳號. 基于SWMM模型的濟南城市雨洪模擬研究[J]. 水資源研究，2012, 1(6):433-439. (YU Haijun,HUANG Guoru,WU Chuanhao. Study on urban storm water modeling at Jinan City using SWMM model [J]. Journal of Water Resources Research, 2012, 1(6):433-439. (in Chinese))

[15] ZHU Z, CHEN Z, CHEN X, et al. Approach for evaluating inundation risks in urban drainage systems[J]. Science of the Total Environment, 2016, 553:1-12.

[16] ROSSMAN L A. Storm water management model user’s manual, version 5.0[M]. Cincinnati: National Risk Management Research Laboratory, 2010.

[17] DAVID J R,JOHN C C,MICHAEL E D. Calibration and verification of SWMM for low impact development [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2015, 51(3):746-757.

[18] 鄒霞, 宋星原, 張艷軍,等. 城市地表暴雨產流模型及應用[J]. 水電能源科學, 2014(3):10-14. (ZOU Xia, SONG Xingyuan, ZHANG Yanjun, et al. Research and application of rainstorm runoff yield model in urban surface[J]. Water Resources and Power,2014(3):10-14. (in Chinese))

[19] KEIFER C J, CHU H H. Synthetic storm pattern for drainage design[J]. Journal of the Hydraulics Division, 1957, 83(4): 1-25.

[20] KIBLER D F. Urban stormwater hydrology[M]. Washington D C: American Geophysical Union, 1982.

[21] 建城函[2014]275號 海綿城市建設技術指南(試行)[S].

[22] BURSZTAADAMIAK E, MROWIEC M. Modelling of green roofs’ hydrologic performance using EPA’s SWMM[J]. Water Science & Technology, 2013, 68(1):36-42.

[23] QIN H P, LI Z X, FU G. The effects of low impact development on urban flooding under different rainfall characteristics[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 129(18):577-585.

Simulation of control efficiency of low impact development measures for urban stormwater

CAI Qingni1, CHEN Zhihe2, 3, CHEN Xing1, CHEN Xingzhen2, 4, ZHANG Danrong1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchCenterofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.GuangdongEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterSecurityRegulationandControlforSouthernChina,Guangzhou510275,China;4.WaterAffairsBureauofPanyuDistrict,Guangzhou511400,China)

A storm water management model (SWMM) was set up in this study to simulate runoff generation and drainage with different types of precipitation in a residential area in Guangzhou City, based on real-time observed rainfall-runoff data and the current drainage network. Combined with the low impact development (LID)module, the influences of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and combined LID appliances on urban storm water were simulated and analyzed. The results show that both peak flow and the runoff coefficient decreased significantly through application of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and LID appliances, which was conducive to the drainage of municipal pipe network. The effect of storm water control and utilization was more significant during low-return periods. The decreases of peak flow and the runoff coefficient were more significant when rain gardens were used. The combined LID appliances had more significant effects in reducing peak flow and postponing the time of peak flow. The effect of storm water control and utilization was not significant when permeable pavement and sunken lawns were used.

SWMM; sponge city; low impact development; rain garden; permeable pavement; sunken lawn

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.006

國家自然科學基金(51379225);廣東省自然科學基金(2014A030313102)

蔡慶擬(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:caiqn@hhu.edu.cn

陳星,副教授。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

X52

A

1004-6933(2017)02-0031-06

2016-09-10 編輯：王 芳)