城市新建小区海绵城市建设要素分析

张万辉，罗群英，安关峰，张 蓉

(1.广州市市政集团有限公司，广州 510060；2.广州市市政集团设计院有限公司，广州 510060)

0 引 言

随着城市化进程的加快，城区人口迅速集中，城市面积急剧膨胀，使城区及其附近区域的自然、文化和生态系统都发生了显著的改变，对城市的水文过程产生重要的影响。城市化发展改变了城市局部的自然地貌，使原先相当部分的自然流域被不透水表面所覆盖，造成雨水汇流速度加大，从而导致一系列相异于天然流域的城市水文问题[1-3]。加之近年来暴雨频发，暴雨内涝对城市的基础设施造成巨大的破坏，对城市居民的生命安全和财产构成巨大的威胁。

面对日益严重的城市内涝问题，世界各国积极开展针对城市内涝的实践及研究，其中低影响开发技术(Low impact Development，简称LID)是一种行之有效的内涝防治方法，该技术在美国得到了广泛研究，并有成功的工程案例[4-6]。LID是土地开发的一种可持续途径，是基于保护生态、控制径流源头的城市暴雨管理措施，它包括一系列场地规划策略及实践技术。目前，我国主要采用LID的径流源头控制理念，对城市新建区进行规划设计，应用比较成功的例子为深圳光明新区[7]。但是，该技术在城市住宅小区设计阶段应用较少。城市住宅小区作为城市组成的基本单元，既是城市雨洪的排出单元又是主要受纳体。若是在小区设计阶段将LID理念引入，将会从源头降低径流量，达到城市内涝消减的目的。

本文选取广州市一处于园林景观设计阶段的城市住宅小区作为研究对象，利用模型模拟的方法，分析城市小区开发过程中对城市径流过程的影响，模拟研究下凹式绿地、透水地面、屋面雨水收集系统及其组合模式对雨洪控制的作用，并对其工程经济进行分析，寻求出城市住宅小区园林设计的最优方案，达到既美化环境又实现雨洪的防治，以期为未来城市小区园林景观设计提供新的思路和方法。

1 研究方法

1.1 研究区概况

选取广州市一设计过程的住宅小区作为研究区域，总面积1.7 hm2。该小区位于广州市天河区车陂街道内，该区域是1980年底建立起来的典型城乡结合部，地处天河区东面，管辖的地域横跨中山大道、黄埔大道，东靠东环高速公路，西至车陂路，南临珠江，北接广深高速公路。近年来，随着广州市城市化进程的扩展，该区域已成为主要的中心城区，不断建成大量的商业住宅小区。

根据初步设计资料获知，小区地势东高西低，地面情况相对较为简单，主要有楼房、绿地、道路和空地。绿地面积8.3 hm2，道路和广场面积4.4 hm2，楼房占地面积4.3 hm2，分别占小区面积的48%、26%和25%。区内排水系统主要沿道路设置，在小区北侧和南侧设计了两套独立的排水管网，沿两侧主干道下各设计一DN300的干管，分别通过接口O1和O2接入市政管网。

1.2 子汇水区划分及排水管网概化

子汇水区的划分方法为：将导入到GIS的CAD图换算成矢量数据，添加相关属性后，利用3D分析生成TIN表面，然后再转换成DEM数据；采用流向分析工具从DEM图层获取流向分析结果；然后利用水文分析中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；最后通过GIS分析提取相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中。

通过上述方法将研究区域划分为14个子汇水区(面积变化范围0.03～0.39 hm2)，各子汇水区的地表径流直接排入到最近的排水设施检查井节点，每个子汇水区对应一种土地利用类型。根据上述GIS的划分结果以及该区域排水管网资料，遵循管径、管材、坡度基本保持不变的原则，将研究区域内管网概化为16条管道(渠)、18个节点和2个出水口(市政管线入口)，建模区概化结果见图1。

图1 建模区概化结果Fig.1 Generalized map of study area

1.3 地表径流模型的确定

SWMM模型中，地表径流采用Green-Ampt，SCS和Horton 3种模式，其中Green-Ampt模式对土壤的要求较高，SCS模式适用于大流域，Horton模式所需资料较少[8]，因此本研究采用Horton模式。Horton模式描述了入渗率由最大值随时间呈指数级下降至最小值的下渗过程，其公式为：

f=f∞+(f0-f∞)e-ht

(1)

式中：f为下渗率，mm/h；f∞为稳定下渗率，mm/s；f0为初始下渗率，mm/s；t为降雨历时，s；h为下渗衰减系数。

1.4 模型初始基准参数的确定

SWMM模型中所需参数包括水文模型参数和水力模型参数。水文模型参数直接测量或根据实测资料推求；水力模型参数主要为排水管网特性数据，通过本小区排水管网设计资料获取。

采用Horton入渗模型模拟降雨入渗过程，模型需要输入的最大入渗率、最小入渗率和衰减系数等依据实地勘测数据和手册典型值，见表1。汇流采用非线性水库模型模拟，主要参数包括地表坡度、透水面、不透水面、管道的曼宁系数、透水地表和不透水地表的洼蓄量等。根据实际下垫面的情况获得，透水地表、不透水地表和管道的曼宁系数参照典型值，见表2。透水地表和不透水地表的洼蓄量参照典型值，见表3。

按照上述原则确定参数的取值，模型模拟计算采用Dynamic Wave，计算时间步长为30 s。SWMM模型中的主要参数见表4。

表1 研究区涂层饱和土壤渗透率Tab.1 Saturated infiltration rates of test soil in study are

表2 地表曼宁系数典型值Tab.2 Manning coefficient typical values

表3 洼地储蓄量典型值 mm

表4 SWMM模型基准参数值Tab.4 Parameter calibration results of SWMM

2 研究结果

2.1 小区开发前后雨洪特征

开发前本区域为城市郊区绿地、林地和农田，开发后该区域成为城市住宅小区，地表被建筑物、硬化地面和绿化带覆盖。如图2，在地表处于原始状态下(硬化率为0)，假若区域遭遇3年一遇暴雨，出口1处的最大径流量为0.063 m3/s，其洪峰值出现在1小时25分，随着地表硬化率的增加出口的最大洪峰流量逐渐增大，当硬化率达到100%时洪峰量增加到0.31 m3/s，此时洪峰出现的时间提前到了55分。因不透水地表的入渗量几乎为零，致使径流量随着硬化率的提高而增大；不透水地表的高径流系数使得雨水汇流速度极大提高，从而使洪峰出现时间提前[9]。

图2 O1出口在3 a重现期暴雨下不同地表硬化率时径流量Fig.2 Comparison of outlet discharges of different surface hardening rates

2.2 不同模式下小区雨洪模拟分析

2.2.1 不同绿地模式下小区雨洪模拟分析

本小区的总面积为1.7 hm2，建筑规划面积为0.43 hm2，广场和道路规划面积0.44 hm2，空地面积为0.83 hm2。为到达绿化环境并收集雨水的效果，除规划外的广场和道路外，其余空地全部建设成绿地。而在住宅小区绿地通常分为平式绿地和下凹式绿地2种，目前住宅小区应用较多的为平式绿地，但是这种绿地的布置对小区雨洪的消减并未发挥明显的效果。为优选出本小区较宜采用的绿地类型，对2种绿地对雨洪的消减作用进行模拟。

如图3～图5所示，对4种设计暴雨下不同绿地模式的模拟结果进行对比分析。下凹式绿地相比于平式绿地能较好地消减地表径流，在3～20 a重现期暴雨下其对地表径流的消减量为31%～43%，特别是对于3～5 a暴雨重现期下的小强度降雨，其消减量可达40%以上。下凹式绿地对地表径流的消减作用主要来自于地表蓄积和下渗作用。由于绿地的地质状况一定，改变地表的形式对绿地下渗作用并无明显改变，下凹式绿地和平式绿地在不同暴雨强度下的渗透量只有1%左右；但下凹式绿地对雨水的蓄积具有明显作用，在3～20 a重现期暴雨下，34%～41%的雨水在下凹式绿地的地表进行了蓄积，而平式绿地对雨水的蓄积量小于10%，并且下凹式绿地相对于平式绿地对雨水的蓄积量高达80%以上。

图3 不同绿地模式入渗量对比Fig.3 Comparison of infiltration in different green space modes

图4 不同绿地模式径流量对比Fig.4 Comparison of outlet discharges in different green space modes

图5 不同绿地模式蓄积量对比Fig.5 Comparison of accumulation in different green space modes

研究区出水口的洪峰流量及时间在3～5 a重现期暴雨下模拟结果如图6所示，表明采用下凹式绿地使区域内平均径流系数减少约0.25，出口洪峰流量减少15%，约0.02 m3/s，洪峰出现时刻推迟了5 min。这主要由于下凹式绿地地表涂层根系发达，土壤相对疏松，而且在地表深水处，水不易流失，其滞留入渗作用时流域产流系数降低，洪峰流量减少[7]，洪峰出现时间延后。但是，对于高强度暴雨，以10～20 a重现期暴雨为例，下凹式绿地对消减洪峰流量和延迟洪峰出现时间并未发挥明显优势。这主要是由于在高强度暴雨下，地表渗透和蓄积能力都已达到极限，则剩余高强度雨水则只能通过径流进行排放。因此，下凹式绿地适用于城市住宅小区小强度暴雨内涝的防治，此时的下凹式绿地不仅可以美化小区环境，而且能够大幅度地消减地表径流，减少小区内涝的可能性；但是，对于高强度暴雨，小区内涝的防治不能单纯依靠下凹式绿地的作用，应耦合其他的内涝防治措施。

图6 不同强度降雨下下凹式绿地和平式绿地下O1出口处的径流量Fig.6 Comparison of outlet discharges between different green belt in different rainfall intensities

2.2.2 不同透水面积模式小区雨洪模拟分析

建设透水路面是解决小区内涝的另一重要措施，其可以降低城市径流系数，减少城市路面径流中污染物的含量，降低热岛效应，并能提高城市路面的实用性[10]。并且透水路面是我国城市绿色建筑标准中实施的重要内容，《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中明确规定住宅建筑和公共建筑室外透水地面面积不得低于45%和40%[11]。

本小区原规划不透水地面0.44 hm2，其中包括广场、道路、人行道和停车场，通过改变透水地面比率进行本小区雨洪的模拟。由表5可以看出，随着透水地表的比率的增加，出口径流量、洪峰流量和径流系数逐渐减小，尤其是透水地面的比率大于40%后洪峰消减的趋势更加明显。当透水地面的比率为0时，洪峰出现在55分，当采用透水地面后洪峰被延后5 min。

为考察透水地面对小区内涝的防治作用，采用100%的透水地面，对3～20 a暴雨重现期下雨洪进行模拟，如表6所示。由表6可以看出，进行透水地面改造后，小区内的地面径流量、洪峰流量和径流系数都有不同程度的降低。以3 a重现期暴雨为例，透水地面对小区内径流量的消减为27%，洪峰的消减为13%，径流系数降低44%。但是，其对10～20 a重现期暴雨的洪峰的消减率小于5%，表明透水地面对高强度降雨的洪峰的消减作用不甚明显。

表5 研究区内不同透水地面径流数据对比Tab.5 Simulating results of studied area in different permeable ground

表6 研究区内透水地面改造前后径流数据对比Tab.6 Simulating results of different rainfall intensity with pre and post-development

2.2.3 屋顶雨水收集模式下小区雨洪模拟分析

为贯彻执行节约资源和保护环境的国家技术经济政策，推进可持续发展，本小区大力推进绿色建筑的建设。其中，屋顶雨水收集是我国绿色建筑评价的重要指标。本小区拟建设屋顶雨水系统，收集的雨水经简单的处理，用于园区绿化、清洗和景观。并且，在暴雨季节，屋面收集系统可以收集大量雨水，减少地表径流量，可用于小区内涝防治。本小区规划屋顶面积0.43 hm2，若收集系统应对100 mm的降雨，则收集雨水体积约430 m3。根据建筑物的分布和屋面面积，可在S1、S2、S3、S4、S10和S11六个子区域分别设置40、40、40、50、120和130 m3的屋面雨水收集系统。

应用SWMM模型对3～20 a重现期暴雨下的本小区雨洪进行模拟，出口O1处的流量如图7所示。小区建设屋面雨水收集系统后，能够有效地降低地面径流量、洪峰值和径流系数，例如在3 a重现期暴雨下地面径流量、洪峰值和径流系数的消减率分别为21%、31%和34%。并且，屋面雨水收集系统能够有效地延迟洪峰出现时刻，在5 a重现期暴雨下，洪峰延迟了25 min，而在10和20 a重现期暴雨下洪峰延迟了10 min。另外，430 m3规模的屋面雨水收集系统能够有效地应对低强度降雨，而对高强度降雨防治作用不甚明显，例如本收集系统在3 a重现期暴雨下对地面径流量和洪峰的消减率为21%和31%，而在20 a重现期暴雨下二者值降为11%和2%。

图7 采用屋面雨水收集系统时O1出口在不同重现期暴雨下径流量Fig.7 Comparison of outlet discharges in different rainfall intensity with roof rainwater collection systems

2.2.4 组合模式下小区雨洪模拟分析

为最大程度地降低小区内涝产生的可能性，拟在小区内采用凹式绿地、渗透地面和屋面雨水收集3种组合模式，模拟结果如图8所示。由图可以看出，进行组合模式改造后，不同强度的降雨下小区内的地面径流量、洪峰流量和径流系数较原有设计都有大幅度地降低，并且能够延迟洪峰出现时刻。以3 a重现期暴雨为例，小区内径流量的消减为80%，洪峰的消减56%，径流系数降低82%，洪峰延迟5 min。

图8 不同模式下O1出口的径流量Fig.8 Comparison of outlet discharges in different LID situations

在3a重现期降雨下，在原设计下底面地面出现积水点个数为6个，分别采用凹式绿地、透水地面和屋面收集系统虽然可以减少积水点数量，但受下游管段的管径和流速的限制，管段下游并不能消除积水点；采用组合模式后，由于雨水下渗量和屋面雨水蓄积量的增加，地面径流进入管道雨水量相应减少，并适应原管道设计的要求。

3 结 语

本文以城市新建住宅小区为对象，建立了SWMM模型，模拟了城市化前后小区内雨洪过程的变化，比较分析了下凹式绿地、透水地面及屋面雨水收集系统对小区内雨洪的控制作用。小区开发后将会改变原始的地面径流特征，在相同降雨条件下区域排水口径流量增多，峰值提前；采用凹式绿地、透水地面和屋面雨水收集系统，可以有效地增加地面雨水蓄积、较少径流和洪峰量，但是透水地面对高强度降雨洪峰的消减作用不甚明显。小区采用组合模式能够有效地应对各种 强度暴雨的侵袭，以3a重现期暴雨为例，透水地面对小区内径流量的消减为80%，洪峰的消减56%，径流系数降低82%，洪峰延迟5min，并能实现430m3雨水的回用。

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