不同LID設施組合對區域雨洪控制效果的影響模擬

周 昕,高玉琴,吳 迪

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

隨著城市化進程的加快，極端暴雨引發的城市內澇問題不斷加劇，低影響開發(low impact development, LID)理念逐漸在現代城市建設中得以實踐[1-2]。LID提倡因地制宜，常采用綠色屋頂、植被淺溝、下凹綠地、滲渠、生物滯留等設施對雨水徑流進行生態化、低能耗處理,盡可能模擬雨水自然循環過程，對改善城市的生態環境具有重要作用和意義。Pyke等[3]對波士頓南部某重建區域進行了雨水模擬分析，指出LID設施能提高社區適應降水變化的能力；Danfoura等[4]評估了舊金山市某滲渠設施的雨水徑流氧化還原狀況，結果表明滲渠設施可以有效降低地下水污染；Ercolani等[5]在城市流域尺度上分析了綠色屋頂對緩解城市化水文影響的作用，表明建造綠色屋頂是減少城市排水系統流量的有效方法；Matos等[6]研究了LID對UIAD校園的水文影響，結果表明LID設施可使峰值流量降低68%～95%；常曉棟等[7]以北京市清河流域為研究對象，在各種重現期降水方案下對不同LID設施組合進行了模擬分析，結果表明LID組合措施對高頻暴雨的洪峰流量和徑流總量削減率可高達66.2%和49.4%；李靜思等[8]以西安市某轄區為例，模擬分析了不同降雨頻率下匯流單元協同改造的效果，結果表明匯流單元的協同改造可有效削減不同降雨頻率下的徑流洪峰，降低徑流總量，減小區域整體徑流系數?？梢奓ID設施對緩解城市內澇、改善地下水水質、削減城市雨水徑流量起到積極作用。本文在前人的研究基礎上，對不同重現期降雨下，不同LID設施組合對城市地表徑流、排水管網溢流及污染物排放情況的改善作用進行模擬研究。

為了研究不同LID設施組合對區域雨洪調控效果的影響，以南京市雨花臺區一區域為研究對象，建立暴雨徑流管理模型(storm water management model, SWMM)，模擬4種不同LID設施組合下研究區的地表徑流、排水管網溢流及污染物排放情況，以期為該區域的雨洪控制方案制定提供參考。

1 研究區概況

研究區位于江蘇省南京市雨花臺區，總面積約9.94 hm2，如圖1所示。研究區內整體地勢平坦，平均坡度2.69%，屬亞熱帶季風氣候，多年平均降水量為1 090.4 mm，年內降水分布不均，5—9月為汛期，其中6、7月梅雨季為全年降雨集中時期，易形成洪澇災害。

圖1 研究區示意圖

研究區主要以住宅建筑群、小區道路、停車場等不透水硬質下墊面為主，也包括綠地、裸露地面等軟質透水地面，其中不透水地面面積占總面積的78.9%，無天然或人工水系發揮雨水調蓄作用，遭遇暴雨時仍采用快速排放模式，不能有效解決內澇問題。研究區內部建設有比較完備的排水管網。

2 模型構建與模擬方案設計

SWMM是美國環保局為解決城市排水問題而推出的暴雨徑流管理模型，該模型可對單場暴雨產生的徑流進行動態模擬，進而解決城市排水系統存在的相關水量和水質問題。模型中的LID模塊可結合水文模塊和水質模塊模擬LID設施對地表徑流、排水管網溢流及污染物排放情況的影響。

2.1 基礎數據

研究區雨洪模型構建所涉及的基礎數據有：實測降雨資料及對應降雨下研究區出口水量和水質檢測數據、排水系統布置圖、土地利用數據、地形數據(表1)，其中出口水質數據主要為TSS、COD、TN和TP這4項監測指標的數據。

表1 研究區基礎數據

2.2 模型構建

2.2.1研究區概化

根據設計單位提供的綜合管網布置圖及實際檢測和勘察數據，對研究區域排水管網進行適當概化。借助ArcGIS軟件的空間分析及數據采集處理功能，結合研究區域DEM圖、土地利用圖和排水系統布置圖，利用泰森多邊形法和人工局部調整相結合的方法對匯水區進行劃分。整個研究區共劃分為54個子匯水區，概化后的排水管道有78條，管網節點78個，管網末端出水口1個，如圖2所示。

2.2.2設計暴雨

根據GB 50014—2006《室外排水設計規范》，暴雨強度計算公式如下：

(1)

式中：q為設計暴雨強度，mm/min；P為設計重現期，a；t為降雨歷時，min；A1、C、b、n為參數。研究區地處南京市，A1、C、b、n取值分別為64.172、0.837、32.9和1.011。采用芝加哥雨型法設計暴雨，降雨歷時2 h，降雨雨峰相對位置取0.4，由式(1)計算得到設計重現期為2 a、3 a、5 a和10 a的2 h降雨強度過程線如圖3所示。

(a) 排水管網概化及子匯水區劃分

圖3 不同重現期暴雨的降雨強度過程線

2.3 模型參數

研究區的子匯水區面積大小、特征寬度、平均坡度、不透水面積比例、管徑大小、管長、管道形狀、節點高程等可由下墊面信息和排水管網信息得到，本文主要通過GIS軟件和實測數據獲取。

2.3.1水文模塊的參數設置

水文模塊主要模擬地表徑流的產流和匯流過程。參考SWMM用戶手冊[9]，地表產流采用Horton入滲模型來模擬研究區的產流入滲過程，研究區內土壤屬壤土，最大下滲率為78 mm/h，最小下滲率為5.5 mm/h，衰減系數為3 h-1。管段進出口及平均損失系數取0.012，由于研究區地表情況復雜，均勻性差，無洼不透水區面積占比取為25%。地表匯流需要率定的參數初值：不透水區洼蓄量 1.5 mm，透水區洼蓄量7.5 mm，不透水區曼寧系數0.015，透水區曼寧系數0.18，管段曼寧系數0.13。

2.3.2水質模塊的參數設置

參考GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，選取TSS、TN、TP、COD共4種非點源污染物作為水質模擬的主要污染物指標，模擬其在研究區排水管網末端出水口處的排放狀況。根據研究區域特點，將下墊面分為屋面、道路、綠地3種土地利用類型，各子匯水區根據實際情況分別賦予3種下墊面相應的面積比。不同下墊面均選取指數函數進行污染物的累積與沖刷模擬，參考SWMM用戶手冊提供的參考值以及查閱相關的研究資料[11]，選取參數初值如表2所示。

表2 污染物累積與沖刷參數初值

2.4 模型參數率定與驗證

分別采用2017年7月21日和8月24日兩場降雨研究區排水管網末端出水口的實測流量及各污染物質量濃度數據來率定和驗證模型參數。這兩場降雨雨量適中，形成較大徑流，監測結果應用性良好。選取決定系數R2和Nash系數ENS[10-11]評價模型的模擬效果。

采用2017年7月21日降雨對模型進行率定，模型參數率定結果見圖4，可以看出：研究區排水管網末端出水口流量和各污染物質量濃度模擬值與實測值擬合程度較好，R2值與ENS值均高于0.81。

(a) 排水管網末端出水口流量

采用2017年8月24日降雨對模型進行驗證，模擬結果中的研究區排水管網末端出水口流量及各污染物質量濃度與實測值的擬合程度及變化趨勢吻合良好，R2值與ENS值均高于0.84，表明模型對研究區的適用性好，滿足要求，因此模型參數的取值為上述水文、水質模塊參數設置中的初值。

2.5 模擬方案設計

通過對研究區場地條件的實地勘察和分析，初步選取LID設施為：綠色屋頂、生物滯留設施、雨水花園、植草溝、滲渠、透水鋪裝和雨水桶。根據模型模擬得到研究區當前的排水管網運行情況，在溢流點所在區間加大LID設施面積的布置比例。參考相關研究成果及實際工程經驗[12-19]，對7種LID設施進行組合設定了4種方案。

a. 方案1。按照最基本的LID布置方式，布置最常見、建設簡單、成本較低的植草溝、滲渠和雨水桶(收集利用雨水)。大體設計方案為：小區內道路兩邊的雨水溝采用植草溝或滲渠來傳輸、調蓄雨水；適宜的建筑周邊使用雨水桶收集屋面雨水。共布置雨水桶196.5 m2、植草溝4 000 m2、滲渠2 000 m2。

b. 方案2。采用雨水桶、雨水花園、生物滯留設施、綠色屋頂、透水鋪裝這5種LID設施。布置方案如下：小區內道路周邊綠地設置生物滯留設施；在景觀水體或其他水系以及地勢低洼處建設雨水花園或生物滯留設施；在未設置雨水桶的住宅建筑屋面建造綠色屋頂；在停車場、人行道等載重負荷較小的小區道路布設透水鋪裝。共布置雨水桶78.6 m2、生物滯留設施1 120 m2、雨水花園1 040 m2、綠色屋頂 6 750 m2、透水鋪裝9 020 m2。

c. 方案3。選用全部7種LID設施，布置方案如下：小區內道路兩邊的雨水溝采用植草溝來轉輸、調蓄雨水，并搭配滲渠共同發揮作用；其他幾類LID設施的布置形式與方案2大致相同。共布置雨水桶39.3 m2、植草溝2 600 m2、滲渠1 300 m2、生物滯留設施960 m2、雨水花園800 m2、綠色屋頂5 750 m2、透水鋪裝8 000 m2。

d. 方案4?？紤]到透水鋪裝建造時需要破壞原有道路，選用除透水鋪裝外的6種LID設施。方案布置大致參照方案3，共布置雨水桶170.3 m2、植草溝6 000 m2、滲渠2 000 m2、生物滯留設施800 m2、雨水花園720 m2、綠色屋頂4 000 m2。

在SWMM的LID模塊中分別按照上述方案添加不同LID設施組合，結合水文、水質模塊模擬不同重現期降雨條件下研究區4種LID方案的地表徑流、排水管網溢流以及污染物排放情況，以此分析各方案的雨洪控制效果。

表3 雨水入滲量及地表徑流量模擬結果

表4 節點溢流情況模擬結果

3 模擬結果與分析

3.1 地表徑流

在不同重現期的降雨條件(P=2 a、3 a、5 a、10 a時研究區2 h降水量分別為59.2 mm、66.2 mm、75.0 mm 和86.9 mm)下，4種LID方案下研究區雨水入滲量及地表徑流量模擬結果見表3。由表3可見，相同重現期降雨條件下，不同LID方案均對雨水起到一定的滯蓄作用。方案2的雨水入滲量最大，徑流量最小，對雨水的滯蓄效果最好。當P=5 a時，方案2較現狀情況可使研究區降雨入滲量增大10.594 mm，徑流量減小22.978 mm，削減率達38.4%；徑流系數減小0.306。當P=10 a時，方案2較現狀情況可使研究區降雨入滲量增大12.453 mm，徑流量減小25.274 mm，削減率達35.8%；徑流系數減小0.291。

3.2 排水管網溢流

由表4可知，對于P=2 a、3 a的降雨，研究區內相應的檢查井節點均沒有溢流情況出現，管道也無超載情況，說明4種設計方案均可使排水系統重現期提升至3 a。對于P=5 a的降雨，4種LID方案均無節點溢流，方案1內有3條管道出現超載，超載狀態持續時間均在5 min以內，其他方案無管道超載。當P=10 a時，4種LID方案均有節點溢流情況發生，溢流情況相比現狀明顯改善，溢流節點數減少，最大溢流時間縮短，可緩解當前研究區的排水壓力。其中方案2中溢流點為3個，減少75%；溢流時間為9.0 min，縮短75.8%；對節點溢流情況改善效果最好。

3.3 污染物排放

4種LID方案下各污染物排放量削減率見表5。由表5可見，4種LID方案對研究區排水管網末端出水口處4種污染物的排放量有明顯削減作用，該作用總體上隨重現期的增大而減小，衰減幅度較小。方案2削減效果最佳，削減率在60%左右。

4 結 論

a. 建立了以南京市雨花臺區一區域為研究區的暴雨徑流管理模型，對研究區排水管網末端出水口流量及各污染物質量濃度進行模擬，驗證結果表明模型適用性好，滿足要求。

表5 污染物排放量削減率

b. 在不同重現期降雨條件下，4種LID方案對研究區均有減小徑流量、緩解節點溢流和削減污染物排放量的作用。但LID設施也具有一定的局限性，隨著降雨重現期的增大，對研究區的雨洪控制效果降低。

c. 以綠色屋頂和透水鋪裝為主，并布置了適當比例的生物滯留設施與雨水花園的方案2對研究區的雨洪控制效果較好。