低影響開發措施應對極端降雨情況的有效性研究

【摘" " 要】：為了探究低影響開發（LID）措施在極端降雨情境下對區域徑流的改善效果，搭建了5種綠色屋頂物理模型試驗裝置（GR1-GR5），得到其在模擬降雨工況下的降雨-徑流響應曲線；構建了銅陵市銅官區魚頭地塊SWMM徑流模型并與試驗數據結合，重點分析了綠色屋頂基質厚度及初始飽和度對區域徑流改善效果的影響。結果表明：基質構成體積比輕沙壤土∶腐殖土∶蛭石=5∶3∶2時對區域徑流改善效果最為明顯，較未構建LID時，各降雨工況下的區域整體徑流削減5.13%～18.09%；基質構成體積比腐葉土∶蛭石∶沙土=7：2：1及田園土+草炭+蛭石和肥料=4：3：1時，徑流分別削減3.41%～11.75%和2.98%～10.18%，區域徑流改善效果最差；區域整體徑流削減率與綠色屋頂基質層厚度正相關，徑流峰值削減率受基質厚度影響稍低；區域整體徑流削減率與綠色屋頂土壤基質初始飽和度近乎線性負相關，徑流峰值削減率亦隨土壤基質初始飽和度的增加呈降低的趨勢。

【關鍵詞】：低影響開發；極端降雨；徑流；綠色屋頂

【中圖分類號】：TU992.0 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-48-07

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.013

Research on the Effectiveness of Low-Impact Development Measures in Dealing with Extreme Rainfall

【Abstract】： In order to explore the improvement effect of low impact development （LID） measures on regional runoff under extreme rainfall conditions， five kinds of green roof physical model test devices （GR1-GR5） were built， and the rainfall runoff response curve under simulated rainfall conditions was obtained. Secondly， the SWMM runoff model of Yutou plot in Tongguan District of Tongling City was constructed， and combined with the test data， the analysis was focused on the effects of green roof substrate thickness and initial saturation on regional runoff improvement were studied. The results show that the application of matrix composition volume ratio：light sandy loam∶humus∶vermiculite =5∶3∶2 has the most obvious improvement effect on regional runoff. Compared with the case without LID， the overall regional runoff reduction rate under different rainfall conditions is between 5.13%～18.09%. When matrix composition volume ratio：leaf mould ∶vermiculite ∶sandy soil and garden soil ∶turf∶vermiculite and fertilizer are applied， the runoff reduction rate is between 3.41%～11.75% and 2.98%～10.18%， respectively， and the regional runoff improvement effect is the worst. There was a positive correlation between the overall runoff reduction rate and the substrate thickness of the green roof， and the influence of the substrate thickness on the runoff peak reduction rate was slightly lower. There was a linear negative correlation between the overall runoff reduction rate and the initial saturation of the green roof soil matrix， and the reduction rate of the peak runoff also showed a decreasing trend with the increase of the initial saturation of the soil matrix.

【Key words】： low-impact development measures；extreme rainfall； runoff；green roof

隨著我國城鎮化進程不斷推進，城市不透水面積占比越來越高，降雨徑流滯留能力大大減弱，流域內的正常水循環也遭到破壞[1～2]，隨之引發城市內澇、水環境污染、水資源短缺，熱島效應等一系列環境問題[3～5]。為應對這些問題，我國在21世紀初提出了建設“海綿城市”的新發展理念，該理念的核心為低影響開發技術（LID），即通過一系列“滲、滯、蓄、凈、用、排”措施，實現區域水文的良性循環，從而達到徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制以及雨水資源化利用等多種目標[6]。常見的LID措施有生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、透水路面以及其他各種小型措施[3]，其中，綠色屋頂設施因不占用城市用地資源且與傳統重力式和虹吸式屋面排水系統[7]不同，具有雨水徑流量削減、徑流峰值削減、節約能源、減少空氣和噪音污染等優勢，受到國內外學者廣泛關注[8～11]。

本文以5種實際的綠色屋頂模型裝置在室內模擬降雨試驗中獲取的降雨-徑流數據為基準，使用SWMM模型中LID模塊構建了5種對應的綠色屋頂低影響開發措施，通過模擬結果與實際測量結果的對比調整、校核參數，以校核后的模型開展了安徽省銅陵市銅官區魚頭地塊低影響開發措施在極端降雨工況下對區域整體徑流改善效果的分析，以此來識別5種基質類型綠色屋頂措施在緩解區域整體徑流方面的優劣，量化綠色屋頂基質厚度及基質初始飽和度對其調節區域徑流效果的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區域

研究區域位于安徽省銅陵市銅官區需對魚頭地塊進行開發建設。采用SWMM模型對匯水區內的排水管網進行概化，得到SWMM雨水徑流模型，共計25個子匯水區、29個管道節點、28條管線、1段景觀明渠及1個排放口。見圖1。

1.2 綠色屋頂模型試驗

研究為探討不同基質構成綠色屋頂設施的雨水調控效果差異，參照JGJ 155—2013《種植屋面工程技術規程》要求，構建了5組綠色屋頂模型試驗裝置，各裝置的主要區別在于基質構成。見表1。

參考合肥市暴雨強度公式（1），設計了合肥市一年一遇持續時間30 min的均勻降雨模式（總雨量27 mm），通過室內模擬降雨裝置（西安清遠測控技術有限公司），得到各綠色屋頂裝置的降雨-徑流實測數據，作為后期建模分析時綠色屋頂設施構造參數的率定依據。見圖2。

式中：q為暴雨強度，mm/min；P代表設計降雨重現期，a；t為降雨歷時min。

1.3 模型參數設置及率定

SWMM模型中的參數可分為兩大類：一類為可從資料上直接獲取的、較明確的參數，如子匯水面積、漫流寬度、不滲透面積比例、管道長度、管徑大小、井底高程等；另一類為不易獲取，需要根據區域的實際徑流情況來調整、率定及驗證的參數，如不透水區洼蓄量、不透水區曼寧系數、透水區洼蓄量、透水區曼寧系數以及霍頓入滲相關參數等。

由于研究區域正處于待開發建設階段，缺乏相應的降雨-徑流實測數據，不能通過出水口的實測數據對區域SWMM徑流模型進行率定及驗證；故而，參考劉興波[12]提出的基于徑流系數的城市降雨徑流模型參數校準方法對SWMM模型的參數進行校準及率定。建模區域的不透水區面積覆蓋率為43.33%，建筑較稀居住區（不透水區面積覆蓋率30%～50%）綜合徑流系數經驗值位于0.4～0.6之間[13]，調整后的模型在銅陵市0.5、1、3 a一遇且降雨歷時2 h時的綜合徑流系數分別為0.42、0.49、0.6，符合要求。見表2。

SWMM模型中LID模塊有關綠色屋頂的參數設置分為表面層、土壤層和排水層，其中難以確定且對綠色屋頂設施雨水調控效果影響較大的為土壤層中的孔隙率、產水能力和導水率。根據前期室內模擬降雨試驗得到的各綠色屋頂裝置出流實測數據，將模擬結果與之對比來不斷率定上述參數，直至模擬結果與實測數據接近。見表3。

1.4 降雨條件設置

依據安徽省銅陵市暴雨強度公式（2），設計了一定重現期的芝加哥雨型：降雨歷時t取120 min，雨峰系數取0.4，設計暴雨重現期P依次取0.5、1、3、5、10 a。見圖3。

式中：q為暴雨強度，mm/min；P為設計降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

2 結果分析

假定建模區域所有屋頂全部構建綠色屋頂設施，分別模擬了5種構造方案在5種暴雨情境下區域的降雨-徑流情況，并與未構建綠色屋頂時的區域產流情況比較。

2.1 綠色屋頂基質類型影響分析

添加綠色屋頂設施后，區域降雨時地表徑流量得到較明顯改善，排放口出流有明顯滯后效應。由于各類型綠色屋頂設施基質類型不同，導致其雨水滯蓄能力存在較明顯差異，進而在降雨時，對區域整體徑流量的削減效果亦有所不同。GR2對區域徑流改善效果最為明顯，較未構建LID時各降雨工況下的區域整體徑流削減率5.13%～18.09%；GR3對區域徑流量的削減效果亦較為明顯，較未構建LID整體徑流削減率4.55%～15.98%；對區域徑流削減效果最差的為GR4和GR5，其在各降雨工況下的徑流削減率分別為3.41%～11.75%和2.98%～10.18%。綠色屋頂設施對區域徑流的削減效應與降雨重現期呈負相關關系，即隨著降雨重現期的增加，區域徑流削減率逐漸降低，綠色屋頂徑流削減效應變差，此與大部分LID究得出的結論相似[14]。隨著降雨重現期由0.5 a增加到10 a，各工況下區域徑流平均削減率從14.05%逐步降低至4.03%。見圖4和表4。

綠色屋頂各項參數中，滲透率表征了雨水下滲速率，若瞬時降雨入流量高于下滲量，則雨水來不及下滲，直接形成表面徑流，提前從綠色屋頂設施表面溢流排出。此種情況下，若降雨時間過短，則由于基質層滲透速率的限制，會使得綠色屋頂的雨水滯留效率偏低；但較長降雨歷時，對雨水滯留效率的影響則相對有限。

本次設計的降雨歷時均為2 h，歷時較長，綠色屋頂模擬降雨試驗時GR1、GR2、GR3及GR4中均未觀察到有表面徑流產生，故此4種綠色屋頂在參數率定時參考SWMM模型應用手冊及相關研究中有關基質層滲透率的取值，將滲透率取值定為100 mm/h，在對比分析各類型綠色屋頂設施應用場景下對區域徑流削減率的影響也是較為合理的；GR5由于室內模擬降雨試驗觀察到了表面徑流，故研究對比其開始出流的時間，不斷調整滲透率參數，最終確定滲透率的數值為47 mm/h。

添加各類型綠色屋頂設施后，排放口出流量峰值明顯降低，體現了綠色屋頂設施的雨水滯蓄作用。見圖5。

進一步對比各類型綠色屋區域產流過程可發現，5種綠色屋頂中， GR5對區域徑流排放峰值的削減效果最差，而GR1、GR2、GR3、GR4徑流量峰值削減則較為一致。不難看出，綠色屋頂設施基質層的滲透速率是影響其徑流峰值流量削減效果的關鍵因素，若基質滲透速率較低，則降雨強度稍大時便易產生表面徑流，失去雨水滯蓄意義。因此，在構造綠色屋頂設施時，應謹慎選擇基質層土壤類型，避免選用滲透性能較差的基質。

2.2 基質厚度及土壤初始飽和度影響分析

綠色屋頂構建時基質厚度的選擇是由屋頂可承受荷載及種植的植物種類決定的，通常為100～900 mm不等；基質厚度不同，必然導致綠色屋頂滯蓄雨水能力的差異，進而影響區域整體的徑流特性。選取參數率定時更為嚴謹的綠色屋頂GR5，設置了100、150、200、250、300 mm5種基質厚度，研究條件允許時不同基質厚度綠色屋頂設施對區域整體徑流的影響。考慮現實中降雨往往是連續的，每一場獨立降雨事件發生前，綠色屋頂的滯蓄能力可能并沒有得到完全甚至是較好的恢復；因此，設定土壤基質初始飽和度分別為0、10%、20%、30%、40%，以定量評估基質初始條件對區域整體徑流改善效果的影響。

隨著綠色屋頂基質厚度的增加，其帶來的區域整體徑流量的削減率亦呈增加的趨勢，但是對于不同重現期降雨，增加的趨勢又有所不同：低重現期的降雨（0.5、1 a）區域徑流削減率先隨基質厚度的增加呈上升的趨勢，在到達拐點處后便保持在較為穩定的數值，不再隨基質厚度的增加而上升；較高重現期降雨（3、5、10 a）徑流削減率隨基質厚度的增加一直呈上升的趨勢。拐點意味著此厚度的綠色屋頂設施可完全滯留降雨入滲的雨水，雨水不會從底部排水層排出，故即使繼續增加基質厚度，但由于相同降雨時長內入滲的雨水量是一定的，所以并不會增加雨水滯留量。

徑流峰值削減率與基質厚度的變化關系亦表現出兩種變化趨勢：低重現期降雨綠色屋頂對區域徑流峰值的削減會保持在較高水平，不會隨基質厚度的增加有明顯變化；較高重現期降雨區域徑流峰值削減率先隨基質厚度的增加呈上升趨勢，重現期越大上升幅度越大，但在達到拐點后，就保持穩定水平，不再隨基質厚度的增加而發生明顯變化。見圖6。

徑流量削減率與基質初始飽和度近乎線性負相關，低重現期降雨，徑流量削減率降低得更快。在基質初始飽和度從30%增加至40%的過程中，區域徑流量削減率從正值降低至0甚至為負值，意味著此時區域內添加的綠色屋頂設施已不能起到削減雨水徑流量的作用，反而會導致區域徑流量的增加。

SWMM模型中LID措施（包含綠色屋頂、雨水花園、生物滯留池）土壤基質初始飽和度定義為降雨發生前，基質初始充水程度，0對應了土壤基質萎焉點（孔隙中殘留的結合水的體積占干燥土壤總體積的分數，土壤含水量不能低于這一限度）時的含水量，而100%對應于水分充滿基質孔隙時的含水量。所以，在土壤基質初始飽和度從0逐步增加至100%時，基質含孔隙水越來越多，當超過基質最大持水能力時，便會產生滲流，導致額外的徑流量。當然，現實中連續降雨期間，LID設施雨水滯留能力雖得不到完全恢復，但是以常用的6、12、24 h的間隔來區分獨立降雨事件時，LID設施有足夠的時間排除土壤孔隙水，并根據氣溫、風速、太陽輻射等環境因素的不同來恢復自身雨水滯蓄能力。所以，也不會產生導致區域整體徑流量增加的極端情況。

本研究模擬LID設施不同土壤基質初始飽和度下區域的降雨-徑流情況，較為直觀的體現了降雨事件發生前LID設施初始條件對區域徑流量的影響程度，并發現對于此基質類型的綠色屋頂設施，在其土壤基質初始飽和度到達40%左右時便失去了雨水徑流削減能力。綠色屋頂設施對區域徑流峰值削減率隨土壤基質初始飽和度的增加呈降低的趨勢，較低重現期降雨降低速率呈增加的趨勢，較高重現期降雨降低速率呈降低的趨勢。此外，較高重現期降雨綠色屋頂設施隨基質初始飽和度的增加快速失去徑流峰值削減能力：在3 a重現期下，綠色屋頂設施在基質初始飽和度為40%時的徑流峰值削減率為0.32%，近乎失去峰值削減能力；而在5、10 a重現期下，當基質初始飽和度為30%時，綠色屋頂的峰值削減率僅分別為0.75%和0.08%，亦失去徑流峰值削減能力。見圖7。

3 結論

采取綠色屋頂物理模型試驗和SWMM徑流模型演算相結合的方式，研究了低影響開發（LID）措施在極端降雨情況下對區域徑流的改善效果。對于5種不同基質構造的綠色屋頂設施， GR2對區域徑流改善效果最為明顯，較未構建LID時各降雨工況下區域整體徑流削減率5.13%～18.09%； GR4和GR5徑流削減率3.41%～11.75%和2.98%～10.18%，區域徑流改善效果最差。區域整體徑流削減率與綠色屋頂基質層厚度呈正相關關系，且在低重現期降雨條件下存在增長的拐點，而在高重現期降雨下則一直保持顯著增長的趨勢；區域徑流峰值削減率在低重現期降雨條件下隨基質厚度增加無明顯變化，但在高重現期降雨條件下先隨基質厚度的增加呈上升的趨勢，到達拐點后保持相對穩定。區域整體徑流削減率與綠色屋頂設施土壤基質初始飽和度近乎線性負相關，區域徑流峰值削減率隨綠色屋頂土壤基質初始飽和度的增加呈降低的趨勢。

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