深圳民治河流域低影響開發措施水文效應評估

黃國如, 李碧琦

(1.華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

1 研究背景

隨著國民經濟的迅速發展，深圳市城市化程度有了顯著提高，改變了城區的自然地理條件及排水體系，影響了水文要素變化規律，導致雨洪徑流及洪峰流量增大，峰現時間提前，洪水陡漲陡落，行洪時間縮短，使得城市暴雨洪水出現頻率與潛在風險不斷增大[1]，為此國家提出海綿城市建設發展戰略，以減緩城市洪澇災害和面源污染，其中低影響開發措施(LID)為其核心內容之一。隨著海綿城市建設的不斷推進，利用城市雨洪模型定量化評估LID措施水文效應可為海綿城市建設提供科學依據。SWMM模型為一類較為有效的城市雨洪模型，其5.1版本增加了LID措施模塊[2-3]，可利用該模型評估研究區域在采取LID措施后對降雨徑流的控制效果[4-17]，例如，李霞等[4]選擇天津薊縣典型小區作為研究區域，利用SWMM模型分析綠色屋頂、滲透鋪裝和下凹式綠地組合對地表徑流量的削減率；胡愛兵等[5]利用SWMM模型對LID開發模式下的水文條件進行模擬，以指導研究區域LID設施的合理布局；戚海軍[6]基于SWMM和MIKE Urban對北京建筑大學西城校區進行了LID措施的設計及效能模擬研究；蔡慶擬等[7]以廣州市海珠區高爾夫小區為例，利用SWMM模型評估了低影響開發措施效果。上述研究大多基于社區單元尺度進行，本文以深圳市民治河流域為研究區域，構建基于SWMM的城市雨洪模型，并利用實測資料率定模型參數，評估LID措施對民治河流域的水文效應，進而為流域海綿城市建設提供科學參考。

2 民治河流域SWMM模型構建

2.1 研究區域概況

民治河流域位于深圳市龍華新區民治街道，該區域已基本實現農村城鎮化，尤其是近年來新建了深圳北站、地鐵等一批重要基礎設施，帶動了該區域城鎮化高速發展。民治河發源于深圳市大腦殼山，起點接民治水庫溢洪道，流向基本從南向北，有支流牛咀水、樟坑水匯入，終點位于下游松村北側，與坂田河合流后匯入觀瀾河。民治河河道全長9.34 km，河道天然平均坡降6.69‰，集雨面積19.23 km2。根據流域內的排水管網位置分布及流向分析，流域內雨水經管網收集后主要排入民治河、樟坑水和牛咀水沿岸部分排水管網。流域水系分布見圖1。

近年來，深圳市民治片區遭受了多次較為嚴重的暴雨襲擊，均發生不同程度內澇，局部區域積水嚴重，給人民生產生活造成較大影響。通過對研究區2008-2014年暴雨內澇實地調研，總結出民治內澇嚴重片區分布情況，內澇點主要發生在南城百貨、電站路、泰明菜市場、民治第一工業區、樟坑舊村、橫嶺舊村、白石龍村及龍塘老村等8處，具體位置如圖2。

圖1民治河流域水系圖圖2暴雨內澇點分布圖

2.2 SWMM模型構建

SWMM模型是集水文、水力和水質模擬功能于一體的降雨徑流模擬模型[2-3]，SWMM模型采用松散型分布式模型思想構建，數字化下墊面是構建模型的核心要素，主要分為排水系統概化與信息提取、子匯水區概化與信息提取等步驟，民治河流域SWMM模型具體構建過程詳見文獻[17]。

SWMM模型參數首先根據SWMM用戶手冊中各參數的取值范圍先行確定[2-3]，再選取深圳市臨近地區作為參照區域，結合該地區的參數率定結果進行參數預估[5]，并在此基礎上進行參數優化。由于本研究區域內無水文站，缺乏流域出口實測流量數據，主要根據民治河流域內澇實地調查情況進行參數率定。具體選用民治河流域2008-2014年6場降雨總量和峰值強度均較大的降雨驗證模型可靠性，得到民治河出口斷面降雨徑流過程線，結果表明出口流量過程線與降雨過程變化規律一致，模擬結果符合城市雨洪過程基本規律，并對模擬結果中的溢澇節點進行統計，尤其是20130830和20140511場次暴雨的降雨總量和降雨強度均很大，模擬得到的溢澇流量及溢澇點數量均較大，且與實際調研情況基本吻合，說明所構建的SWMM模型具有良好的精度和可靠性[17]，據此得到的SWMM模型參數如表1。

表1 SWMM模型參數取值

3 LID計算原理及方案設計

3.1 LID計算原理

各類低影響開發措施由不同的層構成，如透水鋪裝由透水面層、透水基層、透水底基層等組成，綠色屋頂由植物層、基質層、過濾層、排水層等組成。SWMM模型基于各種低影響開發措施的基本原理概化為7種LID調控措施，分別為生物滯留池、透水鋪裝、滲渠、雨水桶、植草溝、綠色屋頂及雨水花園等，SWMM模型也是通過豎向層的組合表示，主要包括表面層、路面層、土壤層、蓄水層和排水層等，不同LID措施含有不同的層，具體各LID措施所含層如表2所示[3,8-9]。

表2 各類LID措施所含結構層

注：表中√代表有該層，×代表無該層，O代表該層可選。

SWMM模型有7種LID措施，現以生物滯留池為例介紹LID計算原理，其他LID措施類似，在此不再一一贅述。SWMM將每個LID措施概化為一個含有填充物，填充物含有孔隙的蓄水池(圖3)，蓄水池中表層接受直接降雨和其他不透水區的降雨入流，種植有植物，并需設置表層厚度、空間植被覆蓋率、曼寧系數和坡度等參數，當表層蓄滿時徑流便從頂端溢流流出；土壤層需設置厚度、孔隙率、土壤持水率、凋萎點、水力傳導度、水力傳導坡度和水吸力等，其中孔隙率決定孔隙的體積，即可以蓄存的水的體積，凋萎點指土壤在最干旱時所含水量，而土壤持水率指水分在土壤層和其他豎向層之間不發生水分交換的最大含水量，故土壤持水率需大于凋萎點，否則模型會報錯；蓄水層即類似于蓄水池蓄水，需要設置蓄水層厚度、孔隙率和下滲速率，蓄水層可以下滲雨水至本地土壤層；如果設置了排水層，蓄水層便會通過排水層向外排水，排水層需設置出流系數、出流指數及管底抬高等。

圖3 生物滯留池概化圖

3.2 LID措施方案設計

SWMM模型中LID控制措施是在子匯水區屬性中設置，可以在同一子匯水區中設置多種不同LID措施和多個同種LID措施單元。有兩種不同的方法可以將LID措施置入子匯水區，分別為：(1)向一個沒有LID措施的子匯水區加入一種或多種LID措施(圖4左)；(2)同一個子匯水區只添加一種LID措施(圖4右)。第一種方法允許將多個LID措施混合置于一個子匯水區中，但各LID措施并列運行，每個LID措施分別處理其對應面積的子匯水區水流部分，不可以一個LID措施的出流數據作為另一個LID措施的入流數據。

第二種方法允許LID措施占據整個子匯水區，并允許接受來自上游子匯水區的出流作為該子匯水區的入流，故可以滿足流向設置，但第二種方法需要創建新的子匯水區，并設置新的LID子匯水區面積屬性。

圖4 LID置入子匯水區方案

無論第1種、還是第2種LID措施設置方式，在設置完LID措施后，均需根據實際情況重新調整子匯水區不透水率，如將不透水區設置為透水區后，需重新計算不透水區，尤其第二種方法，還需調整新創建的子匯水區面積和原子匯水區面積等，加入LID后的不透水率調整見圖5。調整后的子匯水區不透水率計算如公式(1)：

(1)

式中：p為調整后子匯水區不透水面積百分比，即不透水區占非LID部分的百分比，%；A為子匯水區面積，m2；f為調整前子匯水區不透水面積百分比，%；Aimper,LID為該子匯水區由不透水部分變為LID措施的面積，m2；ALID為調整后該子匯水區中LID措施所占面積，m2。

參考相關文獻和各地區設計手冊[5]，選取下墊面的50%改造為相應的低影響開發措施，分析各種方案情況下LID措施效果，其中LID措施采用第二種方法置入子匯水區，具體方案如下：

(1)方案A：將除去主干道外道路的50%改造為透水鋪裝，屋頂和透水鋪裝雨水直接排放。

(2)方案B：將綠地的50%改造為下凹式綠地，屋頂雨水匯流至下凹式綠地收集處理排放。

(3)方案C：將除去主干道外道路的50%改造為透水鋪裝，綠地的50%改造為下凹式綠地，透水鋪裝雨水直接排放，屋頂雨水匯流至下凹式綠地收集處理排放。

本模型所涉及的透水鋪裝和下凹式綠地等LID參數參考相關文獻和模型手冊[2-16]，具體設計參數如表3和表4，其中下凹式綠地參照生物滯留池進行參數設置。

將LID措施置入SWMM模型，設置包括模擬時間、模擬步長等參數，并生成模型數據文件*.inp，即可進行LID措施模擬計算。模擬時間從降雨開始后至降雨結束延后2 h，計算步長為2 s，結果記錄步長為1 min。

圖5 加入LID措施后的子匯水區參數調整

表3 透水鋪裝設計參數

表4 下凹式綠地設計參數

4 低影響開發措施水文效應評估

深圳市氣象局根據深圳國家基本氣象站1961-2014共54 a的降水記錄，于2015年11月編制了深圳市暴雨強度公式及計算圖表，公式如下：

(2)

式中：q為設計暴雨強度，L/s·hm2；t為降雨歷時，min ；P為設計重現期，a。

設計暴雨采用深圳市暴雨強度公式，結合芝加哥雨型得到降雨過程，選取降雨歷時為60 min，雨峰系數r=0.35，以5 min為記錄間隔，得到降雨重現期分別為1、2、5、10和20 a的設計降雨過程，用于評估各種LID方案的低影響開發效果。

4.1 遭遇1年一遇1 h設計降雨

當研究區域遭遇1年一遇1 h設計降雨時，利用已經構建的SWMM模型進行模擬計算，得到各種方案情形下民治河河口徑流模擬結果(圖6和表5)。由圖6和表5可知，當研究區域遭遇1年一遇1 h設計降雨時，3種LID方案對洪峰均有延遲作用，洪峰流量和徑流量均有不同程度的削減效果。方案A對延遲峰現時間的效果最不明顯，僅比現狀情形延遲1 min；組合方案C對延遲峰現時間的效果最為顯著，比現狀情形延遲13 min，體現了3個方案對雨水滯留作用有一定差異。由流量模擬結果可看出，方案A>方案B>方案C，這是由于3個方案的削減效果不同造成，方案C是方案A和方案B的組合，故削減洪峰流量及徑流量的效果最為顯著，方案C洪峰流量削減率為49.03%，徑流量削減率為42.16%；方案B削減效果明顯優于方案A，方案B洪峰削減率為33.68%，徑流量削減率為27.31%，對降雨徑流控制效果較好。

圖6 1年一遇降雨民治河出口流量過程圖7 2年一遇降雨民治河出口流量過程

4.2 遭遇2年一遇1 h設計降雨

當研究區域遭遇2年一遇1 h設計降雨時，利用已經構建的SWMM模型進行模擬計算，得到各種方案情形下民治河河口徑流模擬結果(圖7和表6)。

由圖7和表6可知，當研究區域遭遇2年一遇1h設計降雨時，方案A、B、C的峰現時間比現狀情形分別延遲了1、9和11 min，3個方案的洪峰流量削減率分別為13.25%、25.57%和41.46%，徑流量削減率分別為16.40%、24.62%和39.24%。

表5 1年一遇降雨各方案民治河出口徑流模擬結果

表6 2年一遇降雨各方案民治河出口徑流模擬結果

4.3 不同重現期LID措施綜合評估

模擬其余不同設計重現期情形下降雨徑流，可以發現民治河河口在LID措施前后流量變化過程規律與遭遇1年和2年一遇暴雨結果類似，這里不再贅述，匯總得到不同設計降雨重現期下方案A、方案B和方案C情形的模擬結果(表7)。

由表7可看出，相比現狀用地，方案A、方案B和方案C均能在一定程度上延長匯流時間、削減徑流量，這是由于透水鋪裝和下凹式綠地在一定程度上能提高城市“滲”、“滯”、“蓄”能力，方案A、方案B和方案C的洪峰流量和徑流量削減率均隨著重現期增大而減小。相同重現期降雨條件下，將方案A、方案B和方案C計算結果進行比較，得知各種情況下方案C>方案B>方案A，說明方案C優于方案B，方案B優于方案A。方案C為方案A與方案B的組合，低影響開發改造面積較大，效果優于方案A和方案B；方案A滯洪能力明顯弱于方案B，透水鋪裝延遲洪峰效果不太明顯，下凹式綠地延遲洪峰能力較強。同時也可以看出，對于較低設計重現期而言(比如P=1, 2)，洪峰流量和徑流量削減率均較高，因此，LID組合實施可以較好地發揮控制徑流作用，可有效地減緩洪澇災害。

表7 不同重現期設計降雨各方案模擬結果

5 結 論

(1)構建了基于SWMM的深圳民治河流域城市雨洪模型，設計了3種低影響開發措施方案，分別模擬了1、2、5、10和20a不同重現期降雨對3種LID布設方案的結果，3種方案均有延遲洪峰及控制城市暴雨徑流效果。

(2)方案A、方案B和方案C對洪峰流量和徑流量的削減效果均隨重現期增大而減小，削減效果依次為方案C>方案B>方案A，透水鋪裝和下凹式綠地兩者的組合實施可以更好地發揮控制徑流作用。

(3)方案A、方案B和方案C在5種設計重現期情形下的洪峰流量削減率分別為9.88%～16.76%、14.33%～33.68%和24.18%～49.03%，徑流量削減率分別為14.04%～17.17%、19.78%～27.31%和32.96～42.16%。