基于海绵城市理念的低影响开发设施应用研究

2019-01-26段晓涵郑志宏赵飞

科技创新与应用 2019年1期

段晓涵郑志宏赵飞

摘要：近年来，海绵城市是从整体区域出发解决我国水危机的新理念，低影响开发（LID）设施是构建海绵城市的基本框架。不同LID设施具有其独有的特性和适用情景，为筛选可应用于实际工程中的性价比最优海绵园区建设模式，文章基于先前学者研究对单个LID措施结构特点进行了对比总结。同时，文章以北京市亦庄调节池一期工程园区为例构建了暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Mmodel，SWMM），模拟分析了多种海绵园区建设模式的径流削减效果及性价比，结果表明性价比最优的建设模式为透水铺装、下凹绿地及植草沟联用模式，生态效益最优的建设模式为透水铺装、下凹绿地、植草沟、生物滞留槽及绿色屋顶联用模式，为日后海绵园区的建设提供了科学参考。

关键词：海绵城市；低影响开发；暴雨洪水管理模型

中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0025-03

Abstract： In recent years， "sponge city" is a new concept to solve the water crisis in our country from the perspective of the whole region. The facilities of low impact development （LID） are the basic framework that constitutes the sponge city. Different LID facilities have their unique characteristics and applicable scenarios. In order to select the best cost-effective sponge park construction model which can be used in practical projects， this paper compares and summarizes the structural characteristics of single LID measures based on previous research. At the same time， taking the First Phase Project Park of Beijing Yizhuang Regulation Pool as an example， this paper constructs a Storm Water Management Model （SWMM）， simulating and analyzes the runoff reduction effect and cost performance ratio of several sponge park construction modes. The results show that the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space and planting grass ditch， and the best ecological benefit is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， and the best construction mode is the combination of permeable paving， lower concave green space， planting grass ditch， biologic retention trough and green roof， thus providing a scientific reference for the construction of sponge parks in the future.

Keywords： sponge city； low impact development； storm flood management model

1 概述

近年來，我国城镇化高速发展带来了严重的水危机，高密度的不透水地面从根本上破坏了城市水体的自然循环体系，水资源问题愈加严重，海绵城市理念作为问题解决的根本途径被提出。而低影响开发（Low Impact Development，LID）是实现高效海绵城市建设的基础框架，通过多种小型、分散的绿色生态设施应用，遵循“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针[1]，即利用源头径流控制系统恢复城市良性水文循环[2]，以期从流域层面修复重建生态环境并加强其水文特性。根据先前学者研究，目前应用效果较好的LID设施有透水铺装、生物滞留槽、下凹式绿地、绿色屋顶、植草沟等，为实现“海绵城市”高效益的建设，对各种LID设施应用于工程的效果及成本分析十分必要。

本文基于先前学者对单个LID措施结构特点及径流削减机理进行了对比总结，研究了单项LID设施的性价比，分析了各LID设施的最佳适用方式。另外，本文以北京市亦庄调节池一期工程园区为例构建了SWMM模型，模拟分析了多种海绵园区建设模式的径流削减效果，对筛选可应用于实际工程中的最优海绵园区建设模式具有重要参考价值。

2 LID设施适用性分析

2.1 透水铺装

透水性铺装是指采用透水性良好的具有空隙的材料铺设路面，雨水能够进入铺装面层结构内部，通过具有储水能力的基层下渗到土基，使雨水还原于地下并净化水质[3]。透水砖铺装和透水水泥混凝土铺装主要适用于广场、停车场、人行道以及车流量和荷载较小的道路，如建筑与小区道路、市政道路的非机动车道等，透水沥青混凝土路面还可用于机动车道。据研究，渗透路面对径流总量的削减率约为40%-90%[4]，径流峰值削减率约为40%-65%[5]。

2.2 生物滞留槽

生物滞留槽主要适用于建筑与小区内建筑、道路及停车场的周边绿地和城市道路绿化带等城市绿地内，其结构层次通常为植被层、种植土层、填料层和砾石层。黄静岩等[6]通过对深圳市某道路生物滞留设施进行雨水径流监测试验，其结果表明，当降雨总量为3.3-76.7mm、平均雨强为0.03-0.67mm/min时，生物滞留设施的径流总量削减率为50.5%-100%，峰值削减率为53.4%-100%，峰现时间可延迟2min以上。生物滞留槽不仅径流削减率较高，也因其具备良好的景观性而备受青睐。

2.3 植草沟

植草沟是指种植植被的景观性地表沟渠排水系统，主要分为[7]标准传输植草沟（standard conveyance swales）、干植草沟（dry swales）、湿植草沟（wet swales），汪艳宁等[8]通过模拟植草沟系统实验发现，植草沟可削减70%-96%的径流，可接纳自身面积2.16倍的硬质路面产生的径流。植草沟适用于建筑与小区内道路，广场、停车场等不透水面的周边，也可作为生物滞留设施等低影响开发设施的预处理设施或与雨水管渠联合应用，适用范围较广。

2.4 绿色屋顶

绿色屋顶是部分或全部的建筑屋顶栽培绿植的一种屋顶景观模式，其基本结构由绿植层、植物生长基质和屋顶防水层组成。绿色屋顶适用于满足屋顶荷载及防水条件的平屋顶建筑和坡度≤15°的屋顶建筑。据研究[9-10]，绿色屋顶对径流总量的削减率可达15.3%-50%，峰值削减率为18.0%-62.3%。城市建筑屋顶是极佳的闲置资源，绿色屋顶是增加城市绿地面积，提高城市园林生态效益的有效手段[11]。

2.5 下凹绿地

下凹式绿地是高程低于路面的特殊绿地，可汇集周围道路、屋面等降雨径流，前期径流渗入地下，后期径流蓄积于绿地中，超过蓄渗容量后径流经内设雨水溢流口进入城市排水管网。有研究表明，在1倍汇水面积的情况下，下凹式绿地对10，50和100年一遇的暴雨，径流削减率分别为 87.15%，58.48%和50.75%[12]。下凹绿地简单易行、工程投资少，且适用范围广泛，但大面积应用时，易受地形等条件的影响，实际调蓄容积较小。

每种LID设施均具有特性和适用范围，据先前学者对LID设施技术的研究，对五种常用LID设施的应用特点和优缺点分析如表1。

据研究[13-15]，LID设施均可削减径流总量、径流峰值及径流系数，但其削减效果随降雨重现期增大而下降。另有研究证明径流削减效果随LID设施布设面积比率的增大而增加，且其径流削减率呈线性增加[16]。然而，LID设施建设通常限于场地或技术特性，不能只依赖于增加面积来提升径流削减效果。多位学者对单一设施及组合设施的径流削减效果进行了模拟核算，结果表明：低影响开发（LID）设施组合径流削减效果明显优于单一设施[17-19]，即在实际工程中应根据区域规划的整体结构，参照各项LID措施的不同性能特点和施工条件，采用多种LID协同作用的组合方案[20]。基于表1不同LID设施特性，本文以北京亦庄调节池为例构建SWMM（Storm Water Management Model）模型[21]，研究适宜的海绵园区建设模式，科学选择效益最优的组合方案，以期为海绵建设实际工程提供直接参考。

3 典型海绵建设模式的模拟分析

3.1 SWMM模型構建

基于亦庄调节池（一期）平面布置图，结合道路走向及排水管线分布，应用GIS对项目区排水管道进行概化，把整个建模区划分为115个汇水区。模型中使用Horton公式计算地表产流，其参数参考SWMM用户手册和土壤特性表。

查阅《北京市水文手册》暴雨图集，基于芝加哥雨型法设计3a重现期历时24h以5min为单位时段的长历时暴雨雨型，降雨过程如图1。

3.2 典型海绵建设模式构建及模拟结果分析

根据研究区域的下垫面情况进行LID设施的模拟建设，由于生物滞留槽和绿色屋顶单价较高，且植草沟不适于大面积应用，即透水铺装及下凹绿地作为主控设施，其他三种LID设施为辅助设施，即透水铺装、生物滞留槽、植草沟、绿色屋顶及下凹绿地的建设面积分别为：1.9hm2、0.06hm2、0.23hm2、0.46hm2、6.02hm2。现设计四种建设模式如下：1透水铺装&下凹式绿地；2透水铺装&下凹式绿地&植草沟；3透水铺装&下凹式绿地&植草沟&生物滞留槽；4透水铺装&下凹式绿地&植草沟&生物滞留槽&绿色屋顶。经SWMM模拟结果如下（表2）。

由表2，性价比最优建设模式为模式2，单位建设成本最低且其设施多样性优于模式1。但是，海绵园区的建设通常需要进一步考虑景观环境效益，即模式4虽成本最高但其生态效益最佳。在海绵园区建设的实际工程中，应根据其具体要求及建设标准选用经济、景观及生态综合效益最佳的建设方案。

4 结束语

海绵城市是生态层面解决城市雨洪问题的可持续理念，基于LID设施的多样性，本文对常见LID设计特性进行对比分析，得出透水铺装和下凹绿地可作为主控径流设施大面积应用，植草沟、绿色屋顶和生物滞留槽可作为辅助设施进行部分建设。同时，构建SWMM模型对多种建设模式进行模拟核算，筛选出性价比最优和生态效益最优的建设方案。今后应进一步深入研究综合效益最佳的LID设施联用模式，以期为不断推进海绵城市整体建设提供参考。

参考文献：

[1]仇保兴.海绵城市（LID）的内涵、途径与展望[J].现代城市，2015，10（04）：1-6.

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[3]Brattebo B O， Booth D B. Long-term stormwater quantity and quality performanceof permeable pavement systems[J].Water Res， 2003，37（18）：4369-4376.

[4]赵飞，陈建刚，张书函，等.透水铺装雨水入渗收集与径流削减技术研究[J].给水排水，2011（S1）：254-258.

[5]王晓晨.基于低冲击开发技术的城镇区域雨水系统规划的优化[D].天津：天津大学，2013.

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[9]翟丹丹，宫永伟.简单式绿色屋顶雨水径流滞留效果的影响因素[J].中国给水排水，2015，31（11）：106-110.

[10]段丙政，赵建伟，高勇，等.绿色屋顶对屋面径流污染的控制效应[J].环境科学与技术，2013，36（09）：57-59.

[11]贺坤，项耿铭，韦捷峰，等.城市绿色屋顶生物栖息生境设计与营建研究[J].西北林学院学报，2015，30（01）：263-267.