LID措施组合的城市道路水文水质模拟与区域适应性研究

胡云进 王 松 郜会彩

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000；3.浙江省山体地质灾害防治协同创新中心，浙江 绍兴 312000)

0 引言

城市化进程的不断加快导致城市道路面积的不断增加，道路硬化用地面积占城市建设用地面积的15%～20%[1].研究发现，降雨形成的径流雨水最先在地势低的路面快速形成，突破管道排水能力后，大量雨水汇集呈现面型扩散导致地表漫流的产生，影响道路行车安全；近年来道路雨洪问题日益受到关注.张超[2]等人利用模型分析了不同降雨频率下透水路面和原生路面对径流的处理能力，得出透水路面与总径流量的关系曲线.胡爱兵[2]等人以深圳光明新区为例，模拟了传统市政道路与LID市政道路在连续降雨条件下的径流情况，发现LID措施对降雨峰值流量有一定程度的削减.朱浩然[3]等人利用SWMM对城市道路的不同透水铺装结构进行了模拟分析，得出全透型路面对雨水的消纳处理能力优于半透型路面和排水型路面，优化率在45%～85%之间.黄兵[4]等人以昆明市市政道路为例，建立了SWMM模型，对两场典型降雨进行了模拟，表明模拟结果和监测结果相吻合，Nash效率系数为0.71～0.82.马箐[5]等人利用SWMM对水质进行研究分析，得出组合LID措施比单一LID措施的污染物去除效果更佳，对非点源污染物的去除更显著.宫曼莉[6]等人对透水铺装与生物滞留池组合下道路面源污染进行去除效果评估，发现污染物颗粒与构造和粗糙度有关，此种组合形式可以有效地削减污染物含量.许申来[7]等人对北方地区海绵城市建设的探索以及邹宇[8]对南方地区海绵城市建设的研究表明，南北方城市因为地域不同、降雨条件差异等，LID措施也有不同的效果，但未进行LID措施组合的区域适应性分析.

综上所述，目前大多数学者基于SWMM模型进行了单一或组合LID措施的水文及水质模拟，但是对低高频降雨下道路LID措施选择以及区域适应性分析研究很少.本文针对LID措施组合区域适应性研究的不足，以某市主干道LID措施设计为例，分析不同LID措施组合对道路径流削减以及污染物去除的效果，研究不同LID措施组合的区域适应性，以期为今后城市道路LID措施的优化组合与设计等提供参考.

1 模拟模型建立

1.1 研究区域概况

本文选取的研究区域是某市双向四车道城市道路，路段总长1 500 m，横断面宽36 m，主要由机动车道、绿道、中央分隔带和两侧绿化带组成.研究区域面积为9.57公顷，其中不透水面积为6.31公顷、透水面积为3.26公顷；各个子汇水区的不透水面积率在39%～85%之间.各个子区域具有不同的地表特征，因此将每一部分划分为独立的子汇水区，在子汇水区域中可以根据需求设置不同LID措施，结合本文研究对象为道路区域，考虑机动车道荷载作用，在绿道采用透水铺装结构，中央分隔带设置为生物滞留池，两侧绿化带采用下沉式绿地.结合区域地形、土地利用类型调查结果和管网数据，利用泰森多边形将研究区域划分为17个子汇水区，17个节点和4个出水口，建立的研究区SWMM排水管网模型如图1所示.

图1 研究区域排水管网模型概化图

1.2 模型边界设定

模型上下边界为城市市政排水管网的排水口，左右边界为两侧道路红线，雨水顺路坡进行排放.

1.3 模型参数率定

采用Horton入渗模型来模拟地表降水的下渗过程，需要输入的参数包括最大入渗速率、稳定入渗参数和入渗衰减系数[9]等，见式(1).

f=f1+(f0-f1)e-kt

(1)

f0为最大入渗速率(mm·h-1)；f1为稳定入渗速率；k为入渗衰减系数(h-1)；t为入渗历时(h).通过查阅资料得到该地区土质为砂质壤土[10]， 取f0=76.8 mm·h-1，f1=3.3 mm·h-1，k=4 h-1.模拟过程采用运动波进行流量计算，研究区域各部分的主要参数见表1.

1.4 LID措施参数设置

文献[11]的研究表明，下沉式绿地相对于平式和普通绿地削减径流量和洪峰流量的效果更佳[11].因此，LID措施设计主要对传统的排水设计进行改进，将设置在机动车道与非机动车道的绿化隔离带改造为生态排水系统；考虑机动车道需承受荷载作用，仅将非机动车道改造为透水铺装.结合运行维护便利性，海绵城市道路中LID措施的布设选为透水铺装、生物滞留池和下沉式绿地.LID措施设计参数见表2～表4.

表1 模型主要参数

类型参数单位取值坡度/%1不透水下垫面面积比例%39～85曼宁系数-0.013洼蓄量mm1.27透水下垫面最大入渗速率mm·h-176.8稳定入渗速率mm·h-13.3衰减速率常数h-14地表干燥期d7曼宁系数-0.15洼蓄量mm7.62管渠最大深度m0.4粗糙系数-0.024

表2 生物滞留池参数

表层土壤层蓄水层底部排水层蓄水深度/mm200厚度/mm300 高度/mm350 排水系数/(mm·h-1)18.7植被覆盖深度0.2孔隙率0.43 孔隙比0.75 排水指数0.5表面粗糙系数0.24产水能力0.2 导水率/(mm·h-1)300 暗渠偏移高度/mm100表面坡度/%1枯萎点0.09 堵塞因子0 导水率/(mm·h-1)10.5 导水率坡度5 吸水头/mm90

表3 透水铺装参数

表层透水铺装层蓄水层底部排水层蓄水深度/mm2厚度/mm160高度/mm250 排水系数/(mm·h-1)15.8植被覆盖深度0孔隙率0.33孔隙比0.5 排水指数0.5表面粗糙系数0.013不透水表面系数0导水率/(mm·h-1)250 暗渠偏移高度/mm50表面坡度/%1.5渗透性/(mm·h-1)250堵塞因子0 堵塞因子0

表4 下沉式绿地参数

表层土壤层蓄水层底部排水层蓄水深度/mm100厚度/mm250高度/mm450排水系数/(mm·h-1)0植被覆盖深度0.85孔隙率0.43孔隙比0.75排水指数0表面粗糙系数0.24产水能力0.11导水率/(mm·h-1)250暗渠偏移高度/mm0表面坡度/%1枯萎点0.05堵塞因子0导水率/(mm·h-1)30导水率坡度5吸水头/mm61

1.5 降雨雨型的选取

根据研究区域的暴雨强度设计公式，采用芝加哥雨型生成器(式(2))生成降雨历时120 min、峰值比例为0.4[12]的3种重现期下的降雨雨型(5R、10R、20R).模拟计算均采用以上三种不同重现期下的雨型，计算时间步长为1 min，降雨雨型见图2.

(2)

式中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；p为降雨重现期；t为降雨历时，min.

图2 研究区域不同重现期下的降雨雨型

2 LID措施组合水文水质模拟分析

在加入LID措施之前，先对传统模型进行模拟分析.发现在5R降雨下，当雨量达到峰值时，有8个节点产生积水；10R降雨下有10个节点产生积水且一个节点积水严重；20R降雨下有11个节点产生积水且2个节点积水严重；传统道路设施方案在不同重现期下的径流系数均大于0.8，普通的道路绿化没有起到减少和滞留地表径流的作用.

根据道路上所配选的三种LID措施，对传统措施与LID措施组合情况进行对比分析.共设置三种工况：①传统措施；②透水铺装与生物滞留池组合措施；③透水铺装与下沉式绿地组合措施.按照每个汇水区的面积，对不透水面积及相应的绿地面积进行配比不同的LID措施.根据道路设施的布设情况，将人行道和自行车道改设为透水铺装，绿化区按百分比进行划分.

2.1 水文模拟

在5R、10R、20R三种不同重现期降雨下，对径流量、径流系数和峰值流量进行对比分析(见表5).发现加入两种LID组合措施后，区域内的径流量削减率在37.1%～48.6%之间，径流削减效果明显，LID组合措施的径流系数可降低至0.42，峰值流量削减率可达到34.4%.由表5可知，透水铺装与生物滞留池组合对径流量的削减能力大于透水铺装与下沉式绿地组合；透水铺装与生物滞留池组合对不同重现期降雨的径流量削减率变化不大，在48.5%左右；透水铺装与下沉式绿地组合随降雨强度的增加削减率逐渐降低.

加入两种LID组合措施后，分析了不同降雨重现期下研究区域内节点内涝情况，5R降雨下在降雨达到峰值时区域内节点积水个数降低至6个；10R降雨下节点积水个数降低至7个，有一

表5 不同降雨重现期下传统措施与组合措施水文量值的对比

水文量值重现期传统措施透水铺装与生物滞留池透水铺装与下沉式绿地径流量/mm(削减率/%)P=5R1222.03630.71(48.40)698.82(42.80)P=10R1404.62723.34(48.50)848.31(39.60)P=20R1587.65816.14(48.60)998.33(37.10)径流系数(削减率/%)P=5R0.820.42(46.30)0.47(48.80)P=10R0.840.43(45.40)0.51(45.40)P=20R0.850.44(47.10)0.54(44.70)峰值流量/(m3·s-1)(削减率/%)P=5R0.3120.205(34.30)0.205(34.30)P=10R0.3720.244(34.40)0.244(34.40)P=20R0.4320.284(34.30)0.302(30.1)下渗量/mm(增长率/%)P=5R181.27318.66(76)363.2(100)P=10R182.29348.28(91)394.63(116)P=20R183.11377.74(106)425.97(133)

个节点积水严重；20R降雨下节点积水个数降低至8个，有一个节点积水严重.由此可知在加入两种LID组合措施后对道路节点积水的削减作用较为明显.

由表5下渗量可知，两种LID组合措施对提高雨水的下渗能力作用明显，下渗增长率在76%～133%之间；透水铺装与下沉式绿地组合措施的下渗能力强于透水铺装与生物滞留池组合措施.

2.2 水质模拟

根据研究区域内雨水污染物等资料的分析结果，在模型中加入三种雨水污染物：SS、COD、TN，分析不同LID组合措施对污染物的去除作用.

传统措施下道路区域径流污染物的含量偏大，在5R降雨下SS、COD、TN的径流污染物含量占各污染物总量的81.8%，下渗污染物含量占各污染物总量的12.1%，见图3.在10R降雨下SS、COD、TN的径流污染物含量占各污染物总量的83.6%，下渗污染物含量占各污染物总量的10.8%；在20R降雨下SS、COD、TN的径流污染物含量占各污染物总量的85.1%，下渗污染物含量占各污染物总量的9.8%.由此可知，随着雨强的增大，径流污染物含量不断增加，下渗污染物含量不断降低，主要是由于随雨强增大，土壤的孔隙被污染物堵塞， 阻碍污染物的下渗， 导致径流污染物含量增加，下渗污染物含量降低.

图3 5R降雨下传统措施污染物含量分析图

两种不同LID组合措施对污染物的去除能力基本相同，在5R、10R、20R降雨下对污染物去除率均为44.8%左右.径流污染物含量和下渗污染物含量对比分析结果见图4.

图4 5R降雨下组合措施②(透水铺装+生物滞留池)和③(透水铺装+下沉式绿地)径流污染物含量与下渗污染物含量对比图

由图4可知各污染物的径流含量，在加入透水铺装与生物滞留池组合措施后，5R降雨下SS、COD和TN径流含量削减率为49.1%；在加入透水铺装与下沉式绿地组合措施后，5R降雨下SS、COD和TN径流含量削减率为43.7%.透水铺装与生物滞留池组合措施对径流污染物含量削减效果优于透水铺装与下沉式绿地组合措施.

由图4可知，在加入透水铺装与生物滞留池组合措施后，5R降雨下SS、COD和TN下渗污染物含量增长率为83.5%；在加入透水铺装与下沉式绿地组合措施后，5R降雨下SS、COD和TN下渗污染物含量增长率为108.8%.透水铺装与下沉式绿地组合措施对提高污染物下渗量优于透水铺装与生物滞留池组合措施.

在10R降雨下，透水铺装与生物滞留池组合措施对SS、COD和TN径流含量削减率为49.2%，下渗污染物含量增长率为99.7%；透水铺装与下沉式绿地组合措施对SS、COD和TN径流含量削减率为40.5%，下渗污染物含量增长率为125.9%.20R降雨下，透水铺装与生物滞留池组合措施对SS、COD和TN径流含量削减率为49.3%，下渗污染物含量增长率为115.9%；透水铺装与下沉式绿地组合措施对SS、COD和TN径流含量削减率为38.0%，下渗污染物含量增长率为143.1%.具体见图5.

图5 不同降雨重现期下组合措施②(透水铺装+生物滞留池)和③(透水铺装+下沉式绿地)径流含量削减率和下渗损失增长率对比图

由图5可知，随着雨强的增大，透水铺装与生物滞留池组合措施对各污染物径流含量的削减率基本保持不变，下渗污染物含量增长率不断增加，增长率为16.2%；透水铺装与下沉式绿地组合措施对各类污染物径流含量的削减率不断降低，下渗污染物含量增长率为17.1%.

3 LID措施组合的区域适应性分析

我国南北方城市存在气候差异，年降雨量从南向北递减；北方城市降雨少且蓄水能力差，而南方城市降雨多且历时较长.生物滞留池措施可通过植物、土壤和微生物系统对道路径流进行蓄渗并净化雨水中的污染物，在雨水丰富时期将雨水滞留在池里面可降低管网的排水压力；下沉式绿地措施可收集道路雨水，并进行下渗补给地下水，也可进一步设置地下雨水回收设施，将雨水进行二次利用[13].

根据南北方地区降雨特点以及前述水文水质模拟结果可知，透水铺装与生物滞留池组合在南方地区对削减径流量和径流污染物含量的效果优于透水铺装与下沉式绿地组合措施，以目前我国南方地区雨水多降雨频繁的特点，透水铺装与生物滞留池组合措施可以将雨水滞留在池里面形成小型水生态景观，不仅可削减地表径流量而且对改善道路生态有一定的优势.相对于南方地区，北方地区的雨水资源较少、蒸发量大，道路雨水应注重下渗收集，透水铺装与下沉式绿地组合措施在对道路雨水进行汇集下渗的同时，可设置地下雨水收集模块，尽量减少雨水的蒸发并收集更多的雨水资源，以便后期的二次利用.

综上分析，透水铺装与生物滞留池组合措施适合用于南方多雨地区，透水铺装与下沉式绿地组合措施适合用于北方少雨地区.

4 结束语

传统措施与LID组合措施的水文模拟结果表明，LID组合措施可有效削减降雨产生的地表径流，并提高区域雨水的下渗能力；透水铺装与生物滞留池组合措施对径流的削减强于透水铺装与下沉式绿地组合措施，但后者对区域下渗能力提高效果优于前者.水质模拟结果表明，透水铺装与生物滞留池组合措施对径流污染物含量削减效果优于透水铺装与下沉式绿地组合措施，但后者对提高污染物下渗损失的效果更好.因此，在北方雨水短缺地区促进雨水下渗更为重要，更适宜采用透水铺装与下沉式绿地组合措施；而在南方雨水丰富地区，透水铺装与生物滞留池组合措施对削减地表径流及去除污染物效果更佳，因此适宜采用透水铺装与生物滞留池组合措施.