居住區低影響開發評價及優化研究

劉曉云，姜 雨，丁曉輝，張碩新*

(1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.陜西師范大學 西北歷史環境與社會經濟發展研究院，陜西 西安 710119)

極端天氣和快速的城鎮化導致居住區水災害頻發，居住區水生態系統面臨著越來越嚴峻的挑戰[1]。居住區人口高度聚集，土地開發強度較大，極大地削弱了城市系統的自我調節能力[2]。為了解決居住區發展與水資源之間的矛盾，需要將低影響開發(low impact development，以下簡稱LID)引入到城市建設中，提升居住區應對極端天氣的能力[3-4]。低影響開發是指為了維持場地開發以前的水文特征，在開發過程中采用的源頭、分散式措施，使開發前后場地的徑流總量、峰現時間、峰值流量等水文特征保持不變的技術[5]。城市水文環境相比于自然流域環境更加復雜多變，難以進行精確的模擬與分析，因此需要應用城市雨洪模型對城市降雨特性進行研究[6-7]。在眾多雨洪模型中，SWMM(storm water management model)模型對城市管網區域模擬效果較好，在城市給排水規劃、城市低影響開發及海綿城市建設中應用相當廣泛[8]。SWMM是美國環保局為設計和管理城雨洪而開發的，主要用于模擬動態的降雨-徑流過程，能夠完整地模擬城市降雨徑流過程和污染物傳輸過程，主要用于處理城市區域徑流水文過程，包括時變降雨量、地表水蒸發、降雪累積與融化、洼地蓄水降雨截留、不飽和土壤的降雨下滲、利用各種類型的低影響開發措施捕獲和滯留的降雨徑流量[9]。

目前，有研究表明低影響開發改變居住區的峰值徑流量及年徑流量[10-16]，利用小規模、低能耗、可持續、與景觀設計以及土地開發利用相結合的措施，有效修復被傳統的雨洪排放系統破壞的水文機制，減少對天然水文循環干擾，實現城市功能完善和生態環境保護雙贏的效果，因此在城市雨洪管理中得到了廣泛應用[17]，相關研究成果中多利用SWMM模型對大尺度研究區進行單次或連續降雨模擬，對中小尺度地區研究的文獻較少，增加小尺度居住區低影響開發效果評估的研究極為必要[18]。因此，本研究以陜西省西咸新區空港花園B區為研究對象，采用模型模擬方法，基于研究區洪澇風險的基礎上，評估單獨和組合低影響開發應對極端降水事件的徑流調控能力，進而為降低研究區雨洪風險制定最優低影響開發方案，為西北地區居住區低影響開發建設提供有益的參考。

1 研究區概況

陜西省西咸新區位于暖溫帶，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。由于大氣環流和所處地形的綜合作用，該區域夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。研究區位于渭河北側黃土塬上，所在地地勢平坦，北高南低，南北高差3.11 m，平均坡度9‰。該小區位于西安咸陽國際機場西側(圖1)，目前周邊除已建成的空港花園A區、C區、公共綠地以及空港花園商業中心外，均為農田。本研究調取了研究區附近的秦都區國家基本氣象站的降雨數據，根據該站點1960-2014年日最大降雨量和1981-2010年月平均降雨量2組數據的統計分析可知，該區域多年平均降水量約為520 mm，其中，近50%的全年降雨量集中在7-9月，并且夏季降水多為暴雨，極易帶來水土流失和洪澇等自然災害。

研究區域周邊內有公共設施、市政公用設施和綜合網交通設施(對外交通和道路廣場)用地，空港花園社區土地利用類型分為建筑屋面、綠地、道路、水系四類，由于水系的徑流量和徑流污染濃度的變化不在本研究范圍內，故模型中土地利用類型僅考慮建筑、綠地和道路三大類。該小區建成較早，小區內沒有任何低影響開發措施，因此空港花園社區B區具有典型性。

圖1 中國陜西省西咸新區空港花園社區區位

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

收集前期資料分析研究區易澇風險敏感點，對研究區域實地勘查，觀察場地降雨溢流積水情況，記錄降雨時徑流雨水流向，保證基礎數據準確性，為后續人工管網概化和匯水區劃分提供現實依據；根據西咸新區的水文資料確定模型，運用雨洪管理模型搭建模型，深入研究參數獲取方法與取值范圍，并率定校準，模擬不同重現期和低影響開發條件下的徑流過程，并運行得到結果。

2.2 研究數據

搭建研究區模型需要獲取支撐數據，包括2類主要數據：(1)研究區排水管網CAD文件，研究區遙感影像圖、建設用地圖、排水管網工程圖、給排水等設計資料、物探及勘察資料，SWMM模型水文、水力模塊中部分數據的初值來自研究區CAD圖紙，獲取研究區域管網數據信息(節點高程、管長、管徑、流向、坡度等屬性數據)；查閱相關文獻和SWMM模型操作手冊[19-20]，再通過率定模型參數，獲得符合本研究區情況的經驗參數值[21]。(2)參考《西咸新區城市總體規劃(2015-2030)》《西咸新區海綿城市建設專項規劃》《西咸新區空港新城海綿城市專項規劃》《西咸新區暴雨強度公式及降雨雨型研究》等規劃標準，獲得區域內暴雨強度公式，據此選擇低影響開發類型。

3 模型構建

3.1 雨水管網及匯水區概化

依據研究區域管網數據信息、下墊面特征、實際建筑、景觀設計圖和相鄰雨水排水系統，對雨水管道處理后獲取管渠的進水節點、出水節點、長度、管徑進水高程和出水高程，選擇處理對模擬結果產生直接影響的檢查井，概化研究區的排水系統(管道、檢查井)。研究區實際的排水管道為圓管，研究區域內的雨水管段、節點概化后，管網概化圖能顯示研究區內的管網位置和管段走向，節點代表檢查井，線段代表管道，排放口代表和市政管網向連接的管口。將研究區域內排水管網簡化為102個排水節點(J1～J102)、102條雨水管渠(GQ1～GQ102)和2個雨水排放口(PFK_1和PFK_2)，設置雨量計(YLJ1)，管網概化后的檢查井和管道見圖2。根據管網圖實際徑流將匯水區內的管網簡化，將研究區域劃分為12個子匯水面作為模型中各雨水徑流過程的模擬單元(圖3)。

3.2 降雨情景確定

通過模擬時段流量實現降雨時管段水流運行過程，設計降雨強度的時間序列，為SWMM模型提供連續性降雨過程情景。根據《西咸新區暴雨強度公式及降雨雨型研究》中當地的暴雨強度公式，結合芝加哥雨型模型對不同重現期短歷時降雨設計，設計短歷時降雨作為模型所需降雨資料，西咸新區采用的暴雨強度公式為：

(1)

式中，q為設計暴雨強度[L/(s·hm2)]；P為設計重現期(a)；t為降雨歷時(min)，t=t1+t2，t1為起點集水時間(取10～25 min)，t2為管內雨水流行時間(min)。

圖2 研究區管網概化圖

圖3 研究區匯水區概化圖

3.3 模型參數輸入及率定

暴雨洪水管理模型(SWMM)需要設置常用選項(雨量計、日期、時間步長、動態波、報告設置和文件)、非校準參數(子匯水區域面積、寬度、坡度、不透水面積和無洼蓄不透水面積)、校準參數(不透水區洼蓄量、透水區洼蓄量、不透水區曼寧系數、透水區曼寧系數)、霍頓公式參數(最大入滲率、最小入滲率、衰減常數、排干時間)。對于缺乏降雨數據監測系統的城市新區來說，模型檢驗和率定可采取徑流系數法[25-26]。芝加哥暴雨過程合成情景雨量過程線，在降雨歷時內造峰，用平均降雨強度合成降雨過程線，降雨過程線只是平均強度不同，對任何歷時的降雨都適用，芝加哥降雨過程線模型應用于排水系統已經得到很多文獻驗證[27-28]，為了分析不同降雨強度下低影響開發措施對雨洪的削減作用，使用芝加哥雨型設計了4場降雨過程，取綜合雨峰位置系數[29]r=0.4，降雨歷時120 min，重現期P取2、5、10、50 a(圖4)。根據文獻研究選擇取值范圍，以SWMM模型分別設置多個降雨序列，模擬結果得出的研究區綜合徑流系數與現狀綜合徑流系數的比值系數多次校準(表1)，查閱城市排水設計手冊和《室外排水設計規范》[30]，校準結果值符合城市建筑較密的居住區的徑流系數的0.5～0.7范圍，結果證明模型具有可行性。

圖4 重現期2、5、10 a和50 a芝加哥雨型雨量過程曲線

表1 SWMM模型參數率定表

4 研究區內澇風險評估

研究區有2條主要雨水干管J10-PFK_1(左)和J93-PFK_2(右)，分別包含16個和19個主要節點(圖2)。雨水管網設計重現期為1 a，在模擬重現期為2、5、10 a和50 a的降水事件時，場地內均會有節點溢流。居住區暴雨控制的設計標準為50 a，對暴雨洪水管理模型(SWMM)設置參數后，模擬在50 a重現期下，利用管段水位剖面圖功能顯示管道內水流實時狀態和節點溢流情況，J10-PFK_1管段在51 min時，節點J16、J23、J28、J29開始出現溢流，62 min后，節點J10、J11、J12、J18、J29相繼出現溢流(圖5)；J93-PFK_2管段在48 min時，節點J90、J75、J79、J91、J88、J89開始出現溢流，62 min后節點J93、J96、J51、J58相繼出現溢流(圖6)。經過模擬可以直觀顯示研究區內管道承受高重現期降雨事件時，應對極端降雨事件的能力較差，場地有內澇發生的風險。

圖5 管道J10-PFK_1水位剖面

5 居住區不同低影響開發方案效能評估及優化

研究區屬于已建成的居住區，不透水面積比例為65.16%，無法進行綠色屋頂改造；同時研究區為自重濕陷性黃土場地，無法滿足占地規模較大的低影響開發建設要求；根據研究區場地特征有蓄水需求。低影響開發初步篩選根據西咸新區自然地理條件、水文地質特點、洪澇防治的要求選取，初步篩選后，在設施功能、建筑安全、景觀效果、管網建設和生態多樣等具體指標終選考量，最終選用了透水鋪裝、植草溝、雨水花園和雨水罐。其中，雨水花園可以應對高重現期暴雨事件，處理初期雨水，溢流雨水有組織排放到市政管道；植草溝是栽種植被的低洼溝渠，搭配其他低影響開發同時布設；透水鋪裝是具有滲透特性的道路，能快速下滲雨水，不同功能區域采用不同構造的透水磚，在濕陷性黃土地區，機動車道路應避免使用透水鋪裝，雨水下滲會造成機動道路路基損壞，載重過大時會破壞路面，甚至造成路面下陷；雨水儲存設施按照黃土濕陷劃分等級設計。

5.1 單類型低影響開發效能評估

為實現區域低影響開發設施的控制效果，低影響開發設施的面積設置盡可能實現最大化，主干道路作為保證消防車道不能采用滲透鋪裝，低影響開發布設須保證功能用地不動的原則，計算研究區各用地類型的面積后，確定布設面積不能超過道路、綠地面積的80%。為了對比分析低影響開發效果，參數的面積統一設置為道路面積的60%，評估單獨低影響開發措施的減災控制性能。分別在2、5、10 a和50 a的暴雨設計重現期下，布設相同面積的透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐四種低影響開發措施，雨水罐作用是收集屋面雨水，單獨低影響開發設置處理不滲透面積都按照建筑屋面面積比例輸入，模擬整個研究區4 h降雨徑流過程，并與未添加低影響開發前的降雨徑流量對比(圖7)，計算添加低影響開發后對地表徑流量、峰值流量和徑流系數的削減率。

相同面積的單獨低影響開發在低重現期(<5 a)情景下模擬，在2 a重現期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數削減率均>55%，雨水花園保持>51%，雨水罐>50%，植草溝和未做低影響開發措施改造相比峰值流量削減43.75%，徑流量和徑流系數削減率為負值，數值控制在-5%以內；在5 a重現期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數削減率均>52%，雨水花園>48%，雨水罐>45%，植草溝在和未做低影響開發措施改造相比峰值流量削減42.02%，徑流量和徑流系數削減率為0.14%、-2.09%；在高重現期(≥10 a)降雨情景模擬，在10 a重現期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數削減率均>47%，雨水花園>43%，雨水罐>45%，植草溝在和未做低影響開發改造相比峰值流量削減39.74%，徑流量和徑流系數削減率為0.68%、-4.94%；在50 a重現期時，透水鋪裝在徑流量、峰值流量和徑流系數削減率均>43%，雨水花園>42%，雨水罐>40%，植草溝和未做低影響開發改造相比峰值流量削減率為39.74%，徑流量和徑流系數削減率為1.37%、-0.14%。

5.2 組合低影響開發方案效能評估

對于景觀效果要求低且尺度較小的城市區域，設置2種類型低影響開發方案，具體設計方案為：方案A：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝；方案B：40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園；方案C：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的雨水花園；對研究區布設多種類型低影響開發措施，評價在應對不同重現期降雨時的有效性，設計多類型布設方案：方案D：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園；方案E：80%道路面積改造的透水鋪裝+40%綠地面積改造的植草溝+40%綠地面積改造的雨水花園+雨水罐。組合方案設計重現期為2、5、10 a和50 a，利用暴雨洪水模型模擬組合方案在四種暴雨設計重現期下降雨徑流狀態，提取組合方案的模擬值中徑流量、洪峰流量和徑流系數，比較不同組合低影響開發方案徑流控制效果(表2)。

組合方案共設計了2種、多種類型組合方案，匯總組合方案與單獨類型LID模擬結果，在2 a設計降雨條件下，組合方案徑流量從小到大對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案D=方案E；徑流系數結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；在5 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數值對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案A<方案B=方案C，方案E<方案D；徑流系數結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D。在10 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數值從小到大對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；徑流系數結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；在50 a設計降雨條件下，組合方案徑流量數值對比結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；峰值流量結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D；徑流系數結果為：方案C<方案A<方案B，方案E<方案D。

表2 組合低影響開發方案模擬結果

6 結論與討論

6.1 結論

單獨的透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐的雨洪調控性能存在差異。在2 a低重現期下，單獨的透水鋪裝措施與未做低影響改造相比，在徑流量、峰值流量和徑流系數方面削減率均>55%，雨水花園削減率>51%，雨水罐達到>50%，植草溝峰值流量削減率為43.75%；在50 a高重現期下，透水鋪裝削減率均>43%，雨水花園>42%，雨水罐達到>40%，植草溝峰值流量削減率為39.74%。植草溝峰值削減能力尚可，但徑流量和徑流系數的控制能力有局限，可見植草溝主要作用是輸送雨水。

組合方案融合了單獨措施的性能優勢，徑流控制效果優于單獨措施。透水鋪裝和雨水花園兩種類型低影響開發組合比單一措施控制效果好，透水鋪裝、雨水花園、植草溝和雨水罐多種類型組合方案控制徑流的穩定性明顯優于2種類型組合，證明了低影響開發是傳統建設模式的有效替代方法，并保證了景觀效果多樣性。

組合方案優化后達到控制目標。綜合考慮到研究區濕陷性黃土場地對雨水花園的防滲要求，以及實施難度、建設成本和植草溝對景觀效果影響等因素，最終確定的設計方案為：設計道路面積80%的透水鋪裝，設計綠地面積20%的植草溝和10%的雨水花園和雨水罐。

6.2 討論

相比以往研究，本研究充分考慮了研究區域的地質特征和規范要求，并兼顧了小尺度低影響開發布設的合理性和經濟性的考量，提高方案的適用性和針對性。由于4種措施的實施效果均受到所用材料(透水材料孔隙率、土壤質地等)和具體施工工藝(基層厚度、夯實程度等)的制約，因此在方案落地時，仍須根據實際情況進一步核算和調整，以獲得最佳徑流控制效果。

通過本研究得出，暴雨洪水管理模型能夠有效地模擬居住區排水管網的工作狀態以及評估低影響開發對居住區地表徑流的控制效果，可以幫助景觀設計師在設計工作中科學合理的確定低影響開發布設方案；同時，在實現海綿城市建設目標的前提下，通過組合方案的運用，兼顧城市景觀的觀賞性和生物多樣性，因此本研究可以為西北地區，尤其是渭北臺塬區濕陷性黃土場地的低影響開發建設提供了有益的參考。但需要指出的是，暴雨洪水管理模型的使用需要結合管道、檢查井節點、道路和建筑物的分布情況進行模型概化，過細和過粗的概化都會影響到模型運算結果的準確性，在建模過程中需要研究者根據經驗，結合模型概化原理和區域實際產匯流進行模型概化，對研究者的操作經驗要求較高。