低影响开发措施的城市雨洪控制效果模拟

蔡庆拟,陈志和,陈 星,陈幸桢,张丹蓉

(1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098; 2. 中山大学水资源与环境研究中心,广东 广州 510275;3. 广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心,广东 广州 510275; 4. 广州市番禺区水务局,广东 广州 511400)

低影响开发措施的城市雨洪控制效果模拟

蔡庆拟1,陈志和2,3,陈 星1,陈幸桢2,4,张丹蓉1

(1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098; 2. 中山大学水资源与环境研究中心,广东 广州 510275;3. 广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心,广东 广州 510275; 4. 广州市番禺区水务局,广东 广州 511400)

以广州市某小区为研究对象,根据实测降雨径流资料,结合现状排水管网,建立暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM),模拟不同降雨条件下的产流与排水状况。基于SWMM的低影响开发(low impact development,LID)模块,模拟分析采用渗透铺装、下凹式绿地、雨水花园和LID组合方案对城市雨洪的控制作用。结果表明,采用渗透铺装、下凹式绿地和雨水花园等LID措施,洪峰流量和径流系数均明显降低,可有效缓解市政管网的排水压力,各种LID措施的雨洪控制效果在低重现期降雨时更为显著。其中雨水花园对径流系数和洪峰流量的削减效果最显著;LID组合措施对洪峰的削减和滞后作用较好;下凹式绿地和渗透铺装单独布设的雨洪控制效果一般。关键词：SWMM;海绵城市;低影响开发;雨水花园;渗透铺装;下凹式绿地

近年来,快速城市化造成水循环过程的改变,在城市化驱动下,硬质化路面面积增加,区域降雨径流改变[1-3]。如许有鹏等[4]研究发现，临安市城市化前后南苕溪流域年径流量增加将近30%,径流系数提高将近20%。下垫面变化及城市雨、热岛效应造成产汇流过程发生变化,进而导致城市内涝频发[5-6]。据住建部统计,2007—2015年全国超过360个城市遭遇内涝,北京、广州、武汉等城市的严重内涝甚至造成人员伤亡。因此,在快速城市化地区提高防洪排涝能力,缓解城市内涝,让城市不再“看海”显得越来越重要。

国外对此类问题研究较早，如美国的低影响开发(low impact development，LID)，英国的可持续发展排水系统(sustainable urban drainage systems，SUDS)，澳大利亚的水敏感城市设计(water sensitive urban design，WSUD)，日本城市泄洪系统和雨水地下储存系统等[7]。我国在总结国外城市雨洪控制理念的基础上，结合国内实际提出了一种可持续发展的城市建设模式——海绵城市。海绵城市强调城市在应对环境变化以及暴雨洪水灾害时能有较好的“弹性”，在保护和修复现有“海绵体”的基础上，新建一定数量的“海绵体”，将城市内涝水“化整为零、变害为利”，实现自然积存、自然渗透、自然净化[8]。

随着“海绵城市”的提出,城市雨水管理逐渐成为国内学者的研究热点。如唐双成等[9]通过实验研究得出雨水花园对暴雨径流的削减效果较为显著,年径流削减高达90%以上;黄俊杰等[10]对植草沟的实地试验结果表明,植草沟能有效削减道路径流和洪峰流量,延后峰现时间等;翟丹丹等[11]研究表明绿色屋顶对雨水径流有一定的滞留作用,但随降雨强度增大滞留效果减弱。LID措施的合理选用是海绵城市建设的重要环节。Guan等[12]对蓄水池、绿色屋顶、渗透路面等进行模拟,分析不同降雨条件下LID措施对地表径流的控制作用;Palla等[13]通过实验模拟研究了绿色屋顶、渗透路面对水文过程的影响效果。本文选取广州市某小区为研究对象,利用实测降雨径流数据,率定城市排水模拟参数,模拟研究不同LID措施在不同降雨条件下对城市雨洪的控制效果,以期为海绵城市的实践提供理论支撑。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区域概况

选取广州市某小区地块作为研究对象,该区域用地主要由居住、绿地、道路广场用地组成,总面积为43.29万m2。研究区域属于亚热带海洋性季风气候区,多年平均气温为21.8℃,雨量丰沛,多年平均降雨量为1 675.5 mm,降雨多集中于4—9月,占全年降雨量的80%,尤其以5—6月雨量最大,占全年降雨量的32%。

1.2 模型概化

暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM)由松散型分布式物理模型思想构建而成,下垫面的数字化过程可分为子流域划分、子流域信息提取及概化、排水系统信息提取及概化3个步骤[14]。依据研究区域的地形高程实测数据,考虑地表特性、土地利用及雨水管网的分布情况,共划分25个子流域,41个节点,41条管道,2个排水口,雨水管网概化图见图1[15]。研究区域内各子汇水区的雨水径流收集到雨水井中,再通过雨水管网汇流,最后分别通过排水口1和排水口2排入大和涌。

图1 研究区域雨水管网概化

1.3 现场观测与参数率定

1.3.1 现场观测

选取研究区域中有代表性的观测点,实地观测降雨、径流等水文过程。选择仪器布置点时,主要考虑土地利用规划和现有的雨水管网设置情况,尽可能使布设位置具有代表性,反映研究区域的降雨和产汇流状况。通过实时观测的方式获取同步且连续的降雨和径流数据。共布设1个雨量观测点以及3个流量观测点,观测点位置见图1。雨量记录仪放于地表空旷处,而流量计安置于雨水管网内,两者同步记录,每10 min存储一组数据。

1.3.2 参数率定

在SWMM中,参数分为可测量得到的确定性参数和需要优化的不确定性参数两种。其中确定性参数包括汇水区面积、平均坡度、漫流宽度、不透水面积和透水面积比例、管径及管道的长度等,可通过对收集的资料进行一定的技术处理获得参数值。不确定性参数则包括地表洼蓄深度、地表曼宁系数、管道曼宁系数、下渗参数等,主要通过参考参数的推荐取值范围、相关文献、邻近类似区域的研究成果和实测资料等方式率定获得[16-17]。

本文根据2013年8月14日(2∶40—13∶00)典型降雨过程的实测数据率定SWMM的参数。产流计算选用适合小区域模拟的霍顿(Horton)公式,地表产汇流计算时间步长设为1 min,管网汇流计算时间步长设为0.5 s。经多次试算反复调整,取初始下渗率为103.81 mm/h,稳定下渗率为11.44 mm/h,下渗衰减系数为2.75 h-1。汇流过程不透水地面洼蓄深度取1 mm,透水地面洼蓄深度取10～11 mm,不透水地面和透水地面的曼宁系数分别取0.01～0.015和0.3～0.4,管网曼宁系数取0.011～0.013。

1.4 模型验证

根据2013年8月15日(2:00—16:00)降雨过程的实测数据验证率定后的模型,模型验证结果见图2。该场次降雨总降雨量为51.9 mm,地表径流深为38.2 mm,平均产流系数为0.736,基本反映区域地块的覆盖情况,模拟结果体现该区域产汇流规律。模型验证结果显示,观测点1、2、3的模拟结果的纳什效率系数分别为0.89、0.88、0.90,模拟质量较好,可信度高。说明基于SWMM构建的模型合理可靠,可用于研究地块市政排水设施的地表径流控制模拟。

图2 3处流量观测点降雨流量过程验证

2 设计暴雨及LID措施布设

应用验证后的SWMM,分析不同设计暴雨条件下,不同LID措施布设方案对研究区域地表径流的调控效果。

2.1 设计暴雨

我国城市排水设计大多采用的是均匀雨型,但均匀雨型的计算结果与实际降雨过程相差甚远,尤其在城市化地区更为显著[18]。近年来,国内外众多学者提出了包括三角形雨型、芝加哥雨型[19]、Huff雨型[20]等计算方法,这些雨型更符合客观实际。因此,本文设计雨型选用芝加哥雨型。以最大雨强出现的时间作为原点或时间标度,设计暴雨过程线可表达为

(1)

(2)

式中:Sp为某一重现期时的雨力;i峰前、i峰后为峰前、峰后瞬时雨强;t1为峰前时间;t2为峰后时间;b、n为暴雨公式的参数;r为雨峰系数,本文取r=0.375。

本文暴雨公式采用广州市水务局发布的广州市中心城区暴雨公式,见表1。其中q为暴雨强度，t为时间。

表1 设计暴雨计算公式

2.2LID措施布设

本文结合研究区域现有开发建设情况,遵循LID措施布设原则[21],提出4种LID措施布设方案。2个排水口的集水区域内各LID措施布设面积及所占比例见表2,各种措施布设参数参考SWMM操作手册与国内外相关文献[16,22-23],LID措施布设情况见图3。

表2 LID措施布设情况

图3 LID措施布设图

方案1:雨水花园。雨水花园指人工或天然的浅凹绿地,用于收集雨水,经过植被土壤的净化之后逐渐就地下渗,涵养地下水。雨水花园蓄水层深度为200 mm,植物体积比为20%;土壤层厚为500 mm,孔隙率为0.3;蓄水层厚为200 mm,孔隙比为0.6,雨水花园底部不设暗渠,无出流设施,雨水下渗后直接补给地下水。本文布设的雨水花园面积为4.2万m2,占总面积的9.70%。

表3 不同降雨重现期下各布设方案洪峰模拟结果

方案2:渗透铺装。渗透铺装指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替现有的硬质化路面铺装材料,在确保道路使用强度和耐久性的基础上,使暴雨径流能在短时间内渗入土壤或进入雨水管网中,从而达到削减地表径流的目的。本文布设的渗透铺装的面层厚度为60 mm,孔隙比为0.1,糙率为0.014;基层与垫层厚度为250 mm,孔隙比为0.43。将小区的部分硬化路面、停车场等改为渗透铺装,布设的渗透铺装总面积为3.63万m2,占总面积的8.39%。

方案3:下凹式绿地。下凹式绿地与普通绿地区别在于绿地高程低于路面,路面产生径流可流入绿地中储存起来,可有效减少径流直接外排量。本文布设的下凹式绿地面积为5.67万m2,滞蓄深度为100 mm,占总面积的13.09%。

方案4:LID组合方案。充分利用各子汇水区的自然条件,综合设置3种LID措施。将上述3种LID措施组合布设,各种LID措施的布设面积及参数设置均与其单独布设时一致。组合方案的LID布设总面积为前3种方案中布设面积的总和,即13.50万m2,占总面积的31.18%。

3 模拟结果与分析

为了评估LID措施对不同重现期暴雨的影响,利用设计暴雨公式(式1)推求出重现期P为1、2、5年,降雨历时t=2 h的设计暴雨过程,降雨采用的时间间隔Δt=1 min。运用SWMM模拟现状用地及渗透铺装、雨水花园、下凹式绿地单独布设和LID组合布设方案在不同设计暴雨重现期下出口断面径流过程,模拟总时长取4.5 h,时间步长为1 min。

3.1 洪峰流量

在不同设计暴雨重现期下各LID布设方案的出口断面洪峰模拟结果见表3。由表3可以看出：①与现状用地相比，4种方案均能够起到削减和滞后洪峰的作用，各重现期设计暴雨过程中的洪峰流量均有所减少，峰现时间滞后。这是由于渗透铺装、雨水花园和下凹式绿地等LID措施能在一定程度上提高城市“渗”、“滞”、“蓄”能力。②4种方案中，洪峰削减比例随重现期的增大出现先增加后减少的现象，在5年一遇降雨情况下洪峰削减比例较小。这是由于LID措施的蓄水容积有限，超过最大蓄水容积的部分将形成径流。③4种方案对洪峰削减比例从大到小依次是：LID组合、渗透铺装、雨水花园、下凹式绿地。LID组合方案对洪峰流量的削减效果最为显著，在1、2年一遇降雨情况下洪峰削减比例可达40%左右，而在5年一遇降雨时也能削减30%的洪峰。进一步计算单位布设面积的削峰滞洪效果，可以得出：在削减洪峰效果上，4种方案效果从大到小依次是：LID组合、雨水花园、渗透铺装、下凹式绿地；而在滞后洪峰效果上，LID组合效果最佳，下凹式绿地次之，渗透铺装和雨水花园效果不明显。

3.2 径流总量

各布设方案下不同设计暴雨重现期下的出口断面径流总量模拟结果见表4。由表4可看出：①对比现状用地，4种方案均能在一定程度上降低区域的径流系数，削减径流总量，体现海绵城市的“吸水”功能。②4种方案的径流系数减少效果均随降雨重现期的增大而减少，主要是由于LID措施的滞蓄水能力有限，当降雨量随重现期增大而增大时，LID措施的滞蓄水效果会逐渐减弱。③4种方案径流系数减少比例从大到小依次是：LID组合、雨水花园、渗透铺装、下凹式绿地。LID组合总布设面积最大，因此径流系数减少比例最大，而雨水花园蓄水层较厚，蓄水能力强于渗透铺装，下凹式绿地削减径流系数能力不明显。在此基础上，计算单位布设面积的径流总量及径流系数，得出：雨水花园削减径流总量、径流系数的效果最佳，渗透铺装和LID组合方案次之，下凹式绿地效果不显著。

表4 不同降雨重现期下各布设方案径流总量情况

表5 不同降雨重现期下各布设方案溢流节点数与地表蓄水深度模拟结果

3.3 溢流节点数与地表蓄水深度

不同设计暴雨重现期下各布设方案的溢流节点数和地表蓄水深度模拟结果见表5,其中溢流节点指管内积水深度超过排水管顶高程的节点,地表蓄水深度指降雨过程中地表植被及LID措施蓄水总量折算到全流域的水深。由表5可看出:①对比现状用地,4种方案均能减少溢流节点数量,重现期为1年时尤为显著,在重现期为2、5年时LID组合方案仍有显著效果,单独布设方案效果一般。主要由于重现期较大的降雨产生的径流量远大于LID措施的滞蓄水能力,导致LID措施对减少溢流节点能力减弱。②4种方案的地表蓄水深度较现状用地均能有明显增加,且均随重现期增大而增加。③从溢流节点减少以及增加地表蓄水深度来看,4种方案的效果从大到小依次是:LID组合方案、雨水花园、渗透铺装、下凹式绿地。

综上可知,渗透铺装、雨水花园、下凹式绿地均能够达到削减洪峰流量、滞后峰现时间、削减径流总量及增加地表蓄水量的目的,可有效提高城市地表蓄滞水量,减少市政排水管网的压力,并且LID措施对城市内涝的缓解效果在低重现期降雨时更为显著。在布设面积相同时,雨水花园能够起到较好的削减径流系数和洪峰流量作用,LID组合方案则在削减及滞后洪峰效果上较明显。

4 结 论

随着城市化的快速发展,城市雨洪控制研究得到广泛重视。本文以典型城市化地区——广州市某小区为例,结合实测资料建立并率定SWMM。通过模型模拟评估了不同重现期下不同LID措施对洪峰流量和径流总量的控制效果。结果表明:采用4种LID布设方案均能减少洪峰流量、径流总量以及径流系数,从而减小城市市政管网的排水压力,缓解城市内涝。其中雨水花园在削减径流系数和洪峰流量上有更好的效果,滞后洪峰效果不明显;LID组合方案在削减洪峰流量和延后洪峰出现时间上效果比较显著,削减径流系数效果一般;渗透铺装单独布设的雨洪控制效果一般;下凹式绿地能起到一定滞后洪峰作用,对径流量削减效果不明显。由于LID措施自身滞蓄水能力的限制,在低重现期降雨时,对城市雨洪控制效果更显著。

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Simulation of control efficiency of low impact development measures for urban stormwater

CAI Qingni1, CHEN Zhihe2, 3, CHEN Xing1, CHEN Xingzhen2, 4, ZHANG Danrong1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchCenterofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 3.GuangdongEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterSecurityRegulationandControlforSouthernChina,Guangzhou510275,China;4.WaterAffairsBureauofPanyuDistrict,Guangzhou511400,China)

A storm water management model (SWMM) was set up in this study to simulate runoff generation and drainage with different types of precipitation in a residential area in Guangzhou City, based on real-time observed rainfall-runoff data and the current drainage network. Combined with the low impact development (LID)module, the influences of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and combined LID appliances on urban storm water were simulated and analyzed. The results show that both peak flow and the runoff coefficient decreased significantly through application of permeable pavement, sunken lawns, rain gardens, and LID appliances, which was conducive to the drainage of municipal pipe network. The effect of storm water control and utilization was more significant during low-return periods. The decreases of peak flow and the runoff coefficient were more significant when rain gardens were used. The combined LID appliances had more significant effects in reducing peak flow and postponing the time of peak flow. The effect of storm water control and utilization was not significant when permeable pavement and sunken lawns were used.

SWMM; sponge city; low impact development; rain garden; permeable pavement; sunken lawn

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.006

国家自然科学基金(51379225);广东省自然科学基金(2014A030313102)

蔡庆拟(1992—),男,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail:caiqn@hhu.edu.cn

陈星,副教授。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

X52

A

1004-6933(2017)02-0031-06

2016-09-10 编辑：王 芳)