基于不同排水片區的低影響開發措施優化方案選取

韓璐遙， 葉興成， 王 飛， 朱程亮， 欒 慕， 周 宏， 劉 俊

(1.河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京 210098； 2.宿遷市水務局， 江蘇 宿遷 223800)

近年來，基于源頭控制理念的低影響開發措施(LID)被廣泛應用于新老城區的改造中，不同的低影響開發措施減控效果主要通過SWMM模型來模擬分析[1-2]。SWMM模型(雨水管理模型)是由美國環保局在1971年首次提出，經過不斷的發展，在最新版本SWMM5.1中提供了8種LID措施的控制模擬[3]。國內關于LID措施的研究多側重于不同LID措施在不同降雨重現期下水量水質的削減控制效果對比，而對于各LID在不同排水條件下的綜合削減控制效果沒有過多關注。在應對區域尺度的海綿城市規劃時，為提高源頭控制整體效果，應針對不同的排水條件尋找適用于各片區的最佳LID布設方案。

基于此目標，本文研究了龍巖市中心城區不同排水片區的各LID措施布設效果差異，同時由于研究區域屬于山區城市，各排水片區多依據地勢就近排入相應河道，在選取LID布設方案時為最大程度緩解相應河道排澇壓力，本文對各LID措施的綜合削減控制效果分別進行長、短歷時降水模擬。模擬結果包括分析短歷時降水情況下LID措施對徑流總量、洪峰流量及TSS負荷的削減效率，以及長歷時降水情況下各LID措施對3個指標削減效果的降水歷時敏感性。在此基礎上為各片區選取了最佳LID布設方案，可為宏觀尺度的優化LID布設方案提供參考。

1 研究區概況

龍巖市位于福建省西南部，屬亞熱帶海洋性季風氣候。該區域雨季長、雨量多、強度大，多年平均降雨量1 450～2 200 mm。中心城區地處龍巖市盆地，境內山嶺與河谷相間，整體呈帶狀分布。地勢總體呈南高北低、西高東低的走向。該區域依據地勢進行排水分區，各分區排水可根據管網布局及地形因素就近入河。研究區域總面積134.56 km2，平均不透水面積39.3%。城市土地利用類型主要包括住宅(33.94%)、工業用地(21.74%)、道路(16.09%)、綠地(9.56%)、公共設施(9.43%)以及商業和服務設施(4.74%)。由于該區域管網布設標準偏低，且城市化進程較快，土地利用緊張，故雨水管網改擴建困難，暴雨洪水問題突出[4]。

2 研究區域模型構建

2.1 研究區域模型概化

中心城區包括城區、郊區及山丘區。本文通過GIS軟件提取城區的地形地貌及土地利用布局，結合城區實際的管網排水情況來劃分子匯水區。郊區位于中心城區外側，未進行雨水管網布設，故依據地形資料進行分區。中心城區上游的山丘區采用《福建省暴雨洪水查算圖表》進行產匯流計算，并通過汛期水庫調度模式計算出流，將山丘區匯水概化為SWMM模型的上邊界入流。根據研究區的管網布局和地形因素，地面徑流可就近入河。最終將研究區劃分為553個子匯水區，包括711個節點，698條管段和11個堰。模型概化見圖1。

2.2 模型參數設置

依據研究區實際情況并結合相關文獻和SWMM用戶手冊，對模型參數進行選取。本文主要采用霍頓下滲模型來模擬研究區域的產流入滲過程。最大下滲率范圍為25.4～50.8 mm/h，穩定下滲率為2.54 mm/h,衰減系數2～7 h-1。子流域坡度依據龍巖市中心城區實際地形及規劃資料選取，范圍為0.32%～10.01%。不透水區糙率取0.015，洼蓄量1 mm；透水區糙率取0.2，洼蓄量取5 mm。不透水區無洼蓄百分比在整個研究區范圍為25%～80%。匯流模塊采用非線性水庫模型，排水系統的流量演算采用動力波演算模型[5]。

圖1 龍巖市中心城區模型概化圖

為分析各LID措施對面源污染減控效果的空間差異性，選取TSS作為污染指標[6-7]，根據相關文獻及研究區實際情況，在SWMM模型水質模塊中率定并輸入相應參數，如表1所示：

表1 水質模塊模型參數表

2.3 模型參數率定

SWMM模型參數的率定主要是對地表粗糙系數、洼蓄量等具體數值需要通過模型率定確定或者經多項調查研究加經驗取值才能確定的參數進行率定。為檢驗基于SWMM模型構建的暴雨內澇模型是否符合城市內澇研究的要求，此次參數率定采取2010年6月14日22時至6月15日22時共計24 h實測暴雨，降雨總量為120.50 mm，主要用于積水點率定。為分析模擬的可靠性，模擬得出易澇區與福建省龍巖市城鄉規劃局提供的實際易澇區的對比情況見表2。

表2 模擬易澇區與實際易澇區對比表

從模擬結果來看，模擬易澇區與實際易澇區相比總體情況比較吻合，說明模型的計算結果較為可靠。但有些與實際情況仍存在差別，其原因主要有兩方面：(1)由于地面淹水情況是調查資料，而實際

淹水調查資料不夠詳實，有些是估計得出，部分地區存在漏報錯報現象，所以模擬易澇點比實際易澇點多；(2)由于系統無法模擬一些細小管道，對于管道臨時性堵塞的情況也無法全面調查，所以對于一些局部地區的淹水點，無法可靠地模擬和分析。

2.4 典型排水片區選取及其空間差異性對比

為測試LID措施的效果并分析其對水量、水質在不同排水片區的減控作用，從上述概化區域中選取3個典型的獨立排水片區。根據河流水系的分布、地形地貌的變化，結合現狀排水系統的建設等情況，按原《龍巖市中心城區管線綜合規劃》，選取位于中心城區的上游、中游和下游的排水片區，記為片區A、片區B和片區C(見圖1)。

3個排水片區均具有多種用地類型，其下墊面組成情況分別為片區A：屋頂38%、廣場0%、道路14%、綠地48%；片區B：屋頂40%、廣場0%、道路17%、綠地43%；片區C：屋頂33%、廣場0%、道路26%、綠地41%。

3個排水片區占地面積和平均不透水率相差不大，但各自用地功能定位不同。通過GIS提取信息及實際調研情況，對比得出各排水片區的排水條件差異性見表3。

表3 排水條件差異性對比表

2.5 設計降雨模型

2.5.1 短歷時設計暴雨 短歷時降雨強度計算采用福建省住房和城鄉建設廳發布的暴雨強度公式：

(1)

式中：q為降雨強度，L/(s·hm2)；T為降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

按照管道排水設計要求，短歷時設計暴雨采用120min作為統計歷時，并采用芝加哥雨型作為短歷時設計雨型[8]。通過統計分析雨量站歷時120min最大雨量時間分布，確定綜合雨峰位置系數r=0.54。結合龍巖市暴雨強度公式，得出1年一遇、2年一遇及5年一遇降雨重現期下短歷時設計降雨過程見圖2。

圖2 短歷時設計降雨過程

2.5.2 長歷時設計暴雨 為研究各LID措施對長歷時降水的敏感性，對長歷時設計暴雨采用同頻率縮放法計算24h設計暴雨[9]。長歷時設計暴雨時程分配按照福建省最大3d設計雨型表得到24h設計降雨過程，見圖3。

圖3 長歷時設計降雨過程

2.6 LID布設方案

根據研究區域特性選取適用于研究區域的低影響開發措施[10]，包括雨水花園、綠色屋頂和滲透鋪裝。在本次制定方案時，除需結合研究區域實際情況選擇布設LID措施及相應布設比例外，還要控制各工程投資總數的大致相同。各LID措施投資成本及維護狀況如表4所示。綜合考慮以上因素，在A、B、C3個排水片區擬定4種方案：(1)設置10%的雨水花園；(2)設置20%的綠色屋頂；(3)設置15%的滲透鋪裝；(4)組合措施(包括3%的雨水花園、7%的綠色屋頂和5%的滲透鋪裝)。為兼顧緩解管道排水與相應河道排澇的要求，選取2h短歷時設計暴雨(包括重現期為1年一遇、2年一遇和5年一遇)和24h長歷時設計暴雨(包括重現期為10年一遇、20年一遇和50年一遇)共6場，來模擬各LID模塊在不同排水片區的徑流總量、洪峰流量和污染物負荷的削減效果，以尋求在不同重現期降雨情況下的最佳總體效果。本次研究的總體效果評價包括在短歷時降水情況下的減控效率，以及對長歷時降雨的敏感性，即選取效率較高且較為穩定的LID措施方案。短歷時設計雨量范圍為44.1～66.7mm,長歷時設計雨量范圍為128.6～153.9mm。

表4 低影響開發技術設施投資及維護狀況

3 模擬結果分析

3.1 徑流總量控制效果對比

徑流總量反映了區域產流能力。為降低區域洪澇風險，需綜合考慮LID措施對區域徑流總量及洪峰流量的控制[11-12]。相對于無LID布置，不同LID布置方案下各片區徑流總量削減率如表5所示。

表5 各LID布置方案下的徑流總量削減率

在不同降雨重現期下，片區A、片區B、片區C的徑流總量削減范圍依次為3.85%～36.57%、4.60%～35.34%、2.83%～33.73%(表5)。綜合長歷時和短歷時共6個重現期的降雨場次模擬結果，比較各方案對徑流總量總體的削減效果(包括短歷時降雨情況下的削減效率及長歷時降雨情況下的敏感性)可以得出在片區A中以綠色屋頂方案最優，為9.84%～36.57%；片區B中組合措施最優，為10.97%～35.34%；片區C中雨水花園方案最優，為15.10%～29.87%。

隨著降雨重現期的增大，各LID布設方案對徑流削減控制效果均有所降低，但變化程度各有不同(表5)。其中以滲透鋪裝較為明顯，即滲透鋪裝在短歷時低重現期時對徑流削減效果較好，在長歷時高重現期時效果較差[14]。綠色屋頂及組合措施對不同降雨歷時的敏感性一般，雨水花園對不同降雨歷時的敏感性不明顯，故在結合長歷時降水時，LID措施對徑流總量的削減效果以雨水花園最穩定。

3.2 洪峰流量控制效果對比

相對于無LID方案，不同LID布置方案下各片區的峰值流量削減率如表6所示。

表6 各LID布置方案下的洪峰流量削減率

在不同降雨重現期下，片區A、片區B、片區C的洪峰流量削減范圍依次為4.35%～29.76%，3.94%～26.03%，4.16%～24.84%(表6)。各LID布設方案對洪峰流量的總體削減效果，在片區A中綠色屋頂最好，為4.35%～29.76%；片區B中組合措施最好，為7.58～25.68%；片區C中滲透鋪裝最好，為10.37%～22.56%。

從表6中還可以看出，綠色屋頂在短歷時低重現期時對洪峰流量削減控制效果較好；雨水花園和組合措施對洪峰流量的削減效果受降雨歷時的影響一般；滲透鋪裝對于降雨歷時的敏感性不明顯，在不同降雨歷時及不同重現期下對洪峰流量的削減效果較穩定。各LID布設方案對洪峰流量的控制效果均隨著降雨重現期的增加有不同程度的降低。

3.3 面源污染負荷控制效果對比

本文主要研究了各LID布設方案在不同排水片區對TSS的控制效果的差異。相對于無LID布置，不同LID布置方案下對各片區的TSS削減率如表7所示。

表7 各LID布置方案下的TSS削減率

在不同降雨重現期下，片區A、片區B、片區C的TSS污染負荷削減范圍依次為6.24%～44.86%，7.04%～42.25%，8.42%～45.11%(表7)。綜合長、短歷時共6個重現期的降雨場次分析，得出結論：片區A、片區B、片區C對TSS負荷的削減率均以雨水花園效果最好，分別為19.33%～38.37%、17.93%～39.29%和23.5%～40.89%。

在結合了長歷時降雨的情況下，相比于其他布設方案，雨水花園對TSS負荷的削減效果對不同降雨歷時及重現期的敏感程度最低(表7)，因為降雨歷時的增加延長了雨水花園與污染物的接觸時間，從一定程度上減弱了高強度降雨對地表TSS沖刷的影響。綠色屋頂和滲透鋪裝在短歷時低重現期下對TSS削減效果較好，但在長歷時高重現期時由于受到雨水的沖刷，導致部分被吸附存儲的污染物再次進入徑流，從而降低了其對TSS的削減控制效果[15]。

4 方案選取及結果分析

為綜合評價各LID措施對徑流總量、洪峰流量及面源污染負荷的削減控制效果，根據海綿城市的指導理念并結合研究區的實際情況，設定徑流總量削減率指標所占權重為0.6，洪峰流量和污染物負荷削減率指標所占權重均為0.2。

綜合長、短降水歷時情況下對徑流總量、洪峰流量和TSS負荷3個指標的削減控制效果可以得出：

片區A的LID最佳布設方案為綠色屋頂方案。由于片區A以倉儲用地及居住用地為主，結構相對簡單，故劃分的子匯水區數量少且面積大，各子匯水區之間影響較小。LID布設方案中以綠色屋頂方案布設比例最大，因此對于徑流總量及洪峰流量的削減率較高。且片區A位于上游，污染物濃度相對較低，綜合以上因素，片區A優選綠色屋頂方案。

片區B優選組合措施方案。片區B位于中心城區中游，以商業用地及住宅用地為主，人流量較大，用地布局復雜，故子匯水區數量多且面積相對較小，各子匯水區易受其他子匯水區來水的影響。組合措施中的綠色屋頂能夠有效削減各子匯水區自身的降雨徑流，而雨水花園和滲透鋪裝具有一定的處理其他不滲透區域徑流的能力，在短歷時低重現期下，除了處理自身的降雨徑流外，還可以處理部分其他來水從而提高整體效率。片區B污染物濃度相對較高，組合措施中各LID均具有削減TSS負荷的能力，且雨水花園在長歷時下對污染物的削減仍可發揮顯著作用。

片區C優選雨水花園方案。片區C處于中心城區下游，以工業用地和交通樞紐建設用地為主，該片區污染物濃度最高。在該片區，要求LID措施能夠更有效減少TSS污染負荷。雨水花園對TSS負荷的削減控制效果受降雨歷時的影響小于其他3個方案，故雨水花園方案效果較穩定。該片區的不滲透區域相對分散，而雨水花園能夠處理其他不滲透區域來水的比例最高，且雨水花園對降水歷時敏感性相對較小，因此對該片區的徑流總量及洪峰流量也具有較好的削減效果。綜合以上因素，片區C優選雨水花園方案。

5 結 論

(1)本文通過模擬各LID布設方案在不同排水片區，對于徑流總量、洪峰流量及面源污染負荷(TSS)的削減控制效果，可以看出各LID措施在不同的排水片區表現相似，但效果不同。

(2)各LID措施對于不同排水片區水量和水質的削減率均隨著降雨歷時及重現期的增加而降低，但降低程度略有不同。滲透鋪裝對徑流總量削減在短歷時降雨下效果較好，綠色屋頂對于洪峰流量削減在短歷時降雨情況下效果較好。對于TSS削減，滲透鋪裝和綠色屋頂均在短歷時降雨下較為有效。

(3)通過權重分配對各LID措施效果進行綜合評價，可以得出結論如下：上游排水片區A優選綠色屋頂方案；中游排水片區B優選組合措施方案；下游排水片區C優選雨水花園方案。

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