居住区低影响开发情景模拟分析

冯一帆

摘要：本文将南京市江心洲的洲岛家园作为研究案例，依据国家层面的海绵城市的控制目标与地方的相关标准，建立了洲岛家园低影响开发模型，使用功能最大化情景、经济实用型情景及基础情景三种情景进行对比分析，对居住小区低影响项目的设计与效果验证具有一定借鉴意义。

关键词：海绵城市；低影响开发；居住区；雨洪管理；径流总量控制率

引言

低影响开发（Low Impact Development，简称LID）孕育于西方20世纪七、八十年代的雨洪管理（stormwater management）[1]。其核心理念是从源头上通过一系列分散的小型LID设施控制雨水径流形成，最大限度地维持开发前的场地水文系统，实现区域良性水循环[2-4]。本文采用SWMM模型对地块内LID改造后排水系统的运行情况进行模拟，并在三种情景模拟结果基础上对径流控制效果进行对比分析，对同区位及降雨类型相似地区的居住小区改造提供一定的借鉴意义。

1洲岛家园概况

1.1小区概况

本文选取的实际案例位于文化东路以北、南上水道之南、白鹭水道之东的洲岛家园，依据江心洲的土地利用规划，属于居住用地。目前，一期已建设完成，二期在建。

1.2场地条件

洲岛家园处于江心洲的中南部，土层松软，坡度十分平缓，排水条件较差，较适合进行低影响开发设施的建造。

江心洲年平均降雨量约1200mm，降雨量较大，且主要集中在6、7月份，由于江心洲地下水位较高且为江心浮岛，四周筑有长江堤坝，因此需要通过低影响开发改造降低雨水外排压力。

2控制目标确定

低影响开发（LID）是海绵城市建设的重要组成[5]，洲岛家园一期绿地率较高，建筑密度较低，且小区内开敞空间较为充足，具有较好的低影响改造条件。同时，根据发达国家的设计经验，如果绿地的径流总量外排率在15%～20%之间时，与其对应的年径流总量的控制率最佳是80%～85%[6]。因此，将洲岛家园低影响开发年径流总量控制率确定为85%，相应的降雨量为37.0mm。

3低影响开发系统模型的设计

3.1研究区概化

研究区总面积为70000m2，其中不透水下垫面的面积约占33%，由停车场、建筑屋面和道路组成；透水下垫面的面积约占67%，主要为绿地。

依据SWMM模型的应用要求，应通过所研究区域的排水路线、排水分区、管网及地形的特点对于整个的汇水区域进行概化设计。通过现状排水管渠及高程分析将小区划分为13个子汇水区，同时对小区内10条雨水管渠和2个雨水排口进行概化，如下图所示。

3.2模型参数的确定

3.2.1模型参数的确定

不透水率、坡度、面积和流域的宽度可以使用概化图直接计算得到。其他的参数是模型在计算过程中得到的一些参数。在降雨的产生过程中，可以使用Horton渗入的方式对于本文的渗透模型进行研究。

3.2.2低影响开发措施参数的确定

研究区域采用的低影响开发设施有生物滞留设施、透水铺装、下沉式绿地、干式植草沟和绿色屋顶。上述措施主要的参数是由案例的设计资料所得到[7-8]，其余的参数依据SWMM模型手册确定[9]。

3.3设计降雨数据准备

3.3.1短历时暴雨强度公式

采用芝加哥雨型，芝加哥法雨型为一定重现期下不同历时最大雨强复合而成，雨型确定包括综合雨峰位置系数及芝加哥降雨过程线模型。通过引入综合雨峰位置系数r来描述暴雨峰值发生的时刻，将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两个部分。

3.3.2设计降雨重现期

模型降雨时间采用3h，设计重现期依次为5a、3a、1a、0.5a，公式中采用不同的设计重现期的总降雨量与平均的降雨强度。资料显示，多数的降雨峰值时刻出现在0.3T～0.5T之间，本模型的峰值时刻选取为0.5T。

4情景模拟分析

4.1情景模拟介绍

依据控制目标，模型设计采用功能最大化、经济适用型和基础情景等3种不同的情景方案。基础情景采用洲岛家园原有规划设计方案进行模拟；经济适用型其核心思想是经济、方便操作，共布置3种类型LID设施，包括下沉式绿地、透水铺装和干式植草沟；功能最大化是LID设施的充分利用，共布置5种类型LID设施，包括干式植草沟、下沉式绿地、透水铺装、生物滞留设施和绿色屋顶[10]。

4.2情景模拟分析

4.2.1地表径流流量及其变化率模拟分析

通过对不同的降雨强度进行功能最大化情景、经济适用型情景和基础情景的不同的开发模式下的居住区的地表径流的变化情况的模拟，得出了地表径流的变化曲线，如下图所示。

由图可知，无论是使用功能最大化情景、经济适用型情景或是基础情景的开发模式，整个雨水系统的地表径流变化曲线均落后于降雨过程，即区域的地表径流洪峰流量出现时间要晚于峰值时刻。产生这一现象的主要原因是雨水经过滞蓄、填洼和地表下渗的过程，产生的降雨不能迅速形成地表径流，降雨事件与地表径流产生存在时间差。

无论采用何种降雨强度模拟，功能最大化和经济适用型情景地表径流曲线均低于未使用低影响开发设施的基础情景，且最大功能情景模拟结果低于经济适用型情景模拟结果，由此看出低影响开发设施对地表径流削弱效果明显。

4.2.2管道流量及其变化率模拟分析

使用居住区的雨水系统的模型，对于三种情景下的管道流量和最大的發生时间进行一定的模拟，得到的居住区管道的流量图，如下图4-2所示。

从整体上来说，在不同的降雨重现期下，采用一定的低影响的开发技术对管道的流量具有明显的削弱作用，管内剩余空间大大增多。并且，在同种降雨重现期下进行模拟，功能最大化情景模拟得到的数据明显好于经济适用型。

5结论

（1）降雨事件和地表径流产生存在时间差异，地表径流变化曲线均落后于降雨的过程，从而得出地表径流洪峰流量出现时间晚于降雨峰值时刻，且随着降雨重现期的增加，三种情景下的峰值出现均呈现整体前移。

（2）低影响开发设施对地表径流削弱效果较好，特别是在小于或降雨初期情况下，对于地表径流控制效果明显。且功能最大化型明显优于经济适用型情景，说明低影响设施的规模及种类对地表径流控制效果影响较大，建议在满足区域地表径流控制目标的情况下，通过经济适用型低影响设施方案对场地内低影响设施进行优化调整，综合考虑布局总量与设施类型。

（3）从整体上来说，在不同的降雨重现期下，采用一定的低影响的开发技术，相比较未使用低影响开发技术的管道的流量具有明显的削弱作用，管内剩余空间大大增多。并且，在同种的降雨重现下进行模拟，功能最大化情景模拟得到的数据明顯要好于经济适用型。

参考文献：

[1]李强. 低影响开发理论与方法述评[J]. 城市发展研究，2013，（06）：30-35.

[2]James M B，Dymond R L. Bioretention hydrologic performance in an urban storm water network [J]. Journal of Hydrologic Engineering，2011，17（3）：431-436.

[3]Franklin J C. Improving urban watershed health through suburban infi ll design and development [D]. Virginia：VT，2011.

[4]Erickson V G. Designing for water quality [D]. Virginia：VT，2000.

[5]车伍，赵杨，李俊奇等. 海绵城市建设指南解读之基本概念与综合目标[J]. 中国给水排水，2015，（08）：1-5.

[6]李俊奇，王文亮，车伍等. 海绵城市建设指南解读之降雨径流总量控制目标区域划分[J]. 中国给水排水，2015，（08）：6-12.

[7]宫永伟，戚海军，李俊奇，李小静，任心欣，朱振羽. 城市道路低影响开发设计的雨洪滞蓄效果分析[J]. 中国给水排水，2014，（09）：151-154+158.

[8]李家科，刘增超，黄宁俊，张佳扬，李怀恩，沈冰. 低影响开发（LID）生物滞留技术研究进展[J]. 干旱区研究，2014，（03）：431-439.

[9]何爽，刘俊，朱嘉祺. 基于SWMM模型的低影响开发模式雨洪控制利用效果模拟与评估[J]. 水电能源科学，2013，（12）：42-45.

[10]赵宇. 低影响开发理念在城市规划中的应用实践[J]. 规划师，2013，（S1）：42-46.