低影响开发设施布设对区域雨洪控制效果研究

张士官 吕谋 刘春娜

摘 要：以青岛市城区某小区为例，研究了低影响开发（LID）布设下区域雨洪控制效果。基于SWMM和GIS构建区域概化模型，对比分析了现状模式及布设生物滞留网格、绿色屋顶、透水铺装和3种LID设施组合布设方案下，研究区不同重现期水文与水质变化情况，结果表明：相同降雨重现期下，LID设施单独布设时，绿色屋顶对洪峰流量削减效果最好，透水铺装对径流系数削减效果最佳、降雨控制率最高;LID设施组合布设方案优于单独布设方案，且降雨重现期越小，LID设施控制效果越好;LID设施单独布设和3种LID设施组合布设方案下污染物削减能力由强到弱为LID设施组合>绿色屋顶>透水铺装>生物滞留网格。

关键词：降雨控制率;低影响开发;SWMM模型;LID设施组合

中图分类号：TU992   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.015

Abstract：Taking a certain metropolitan area in the coastal area as an example， the effect of rainwater flood control under the LID layout was studied. Based on SWMM and GIS to build a regional generalization model， compared and analyzed the regional current situation mode and deploy bioretention grid， green roof， permeable pavement and three kinds of LID combination facilities under different return periods， runoff coefficient， flood peak flow and rainfall control rate changes. The study finds out that under the same rainfall return period， the green roof has the best effect on reducing the peak flow， the permeable pavement has the strongest ability to reduce the runoff coefficient and the rainfall control rate is the highest， while the three LID combinations are better， in terms of water quality simulation， the reduction of pollutant SS discharge rate by each LID measure is： combination LID>green roof>permeable paving>bioretention grid.

Key words： rainfall control rate; low impact development; SWMM model; LID combination

近年来，随着城市化进程的加快，城市未开发前的池塘、湿地、河道被沥青大道覆盖，原有的植被、土壤等天然地面被透水性极差的硬质路面、屋顶取代，以致区域降雨后出现了径流速度加快、峰值流量增大、峰现时间提前等现象，增大了城市内涝风险。在城市内涝日益严重的情况下，海绵城市的发展理念应运而生。

海绵城市也被称之为“水弹性城市”，是国家倡导的为缓解城市内涝、促进雨水资源利用和生态环境保护的全新城市管理方式。低影响开发（LID）作为建设海绵城市的基础，其理念与技术体系是一种可持续城市雨水管理手段，既能有效收集、利用雨水资源，缓解城市用水紧张状况，又能显著减少城市地表径流，提高城市排水安全性，以绝内涝隐患。笔者以青岛市城区某小区为例，基于GIS软件与LID技术原理，利用EPA-SWMM模型对其进行概化模拟，评估了现状开发模式下与LID设施单独布设和组合布设方案下区域雨水管理效果，以期为城市区域建设提供参考。

1 模型构建

EPA-SWMM（暴雨洪水管理模型）是一种动态降雨-径流模拟模型，主要用于城市单场次降雨事件或长期水量和水质模拟，并以多种形式将结果显示出来。LID模块通过收集雨水，合理利用景观空间和采取相应措施控制暴雨径流，减少城镇非点源污染。LID设施主要包括下凹式绿地、雨水花园、植被浅沟、绿色屋顶、透水路面等。

1.1 研究区域概况及雨水系统概化

青岛市地处山东半岛南部，东、南濒临黄海，地处北温带季风区域，多年平均降水量775.6 mm，年內降水量分布不均，夏季降水集中。青岛市某小区土地利用类型以住宅、工业、道路、公园绿化为主，人口密度大，楼房较多，雨水管网排水压力较大，尤其暴雨天气，因雨水不能及时排出而形成内涝，可以说是市区的一个缩影。

研究区总面积2.08 km2，其中透水面积0.325 km2，约占15.6%，以绿化用地与公园为主;不透水面积1.755 km2，约占84.4%，以楼房与市政道路为主。研究区域内管网与管道井数据由测绘单位提供，具体管道井x、y坐标，上下游节点、井深、井底高程等由GIS提取。结合现场调研结果对研究区域进行概化，共划分为27个子汇水区、29条管道、27个节点与1个排放口，模型概化见图1。

模型率定所需实测数据来源于物联网在线监测信息平台，其中水文水力参数采用排放管流量率定，水质参数以排放SS（悬浮固体颗粒物）浓度为率定标准。选取2018年6月17日与2018年7月5日两场降雨进行模型率定，选取2018年7月23日降雨进行模型验证。根据研究区域场地特点，选用Horton入渗模型模拟研究区降雨产流入渗过程，汇流过程选用非线性水库模型模拟。降雨信息及模型确定系数（R2）见表1，由率定结果可知，R2均大于0.75，与实测数据拟合精度高，表明模型模拟效果良好。经过对模型中各参数进行反复调整，最终模型参数率定值见表2。

1.3 LID设施布设及模拟过程

（1）LID设施布设。考虑到研究区域内建筑物与不透水性市政道路较多，绿化用地较少，而雨水花园等设施占地面积较大，因此不考虑铺设雨水花园等设施。根据区域实际状况与LID设施特点，最终将3种LID设施布设于研究区内，分别为生物滞留网格、绿色屋顶和透水铺装。各项LID设施参数选取主要参考SWMM手册及文献[1-4]。

生物滞留网格就是利用植物、土壤和微生物等滞蓄、净化雨水，其规模较小、造价低，适宜布置在高密度建筑区。设施表层蓄水深度为100 mm，蓄水层厚度为400 mm;土壤层厚度为600 mm，导水率为3.302 mm/h，孔隙率为0.5。

绿色屋顶是一种在屋面种植植被以达到净化雨水，蓄积雨水，削减屋面雨水径流量，缓解热岛效应的雨水生态利用技术。设施土壤层厚度为100 mm，孔隙率为0.5。

透水铺装是典型的通过增大城市透水面积比例来缓解雨水径流，使雨水迅速滲入地表的LID调控措施。设施基层与透水层总厚度为220 mm，孔隙率为0.5;土壤层厚度为300 mm，导水率为3.302 mm/h，孔隙率为0.5;蓄水层厚度为300 mm。

（2）模拟过程。首先，对研究区域进行现状模拟分析，获取相应的地表径流等数据，模拟计算出径流系数、洪峰流量、降雨控制率及SS总量;然后，将3种LID设施分别单独布设于研究区内，即因地制宜将汇水区内的屋顶改造为绿色屋顶，街道与广场铺设透水材料，街边绿地改造为生物滞留网格设施;经过模拟获取对应的地表径流与管道流量数据;接着将3种LID设施组合后布设于区域内;最后，分别将现状模拟结果与LID设施单独布设、LID设施组合布设模拟结果进行对比分析。

1.4 降雨条件设置

结合研究区地理位置及气候条件，选取降雨重现期分别为2 a、5 a、10 a和20 a。选用芝加哥降雨模型来模拟降雨历程，雨峰系数r取0.4，降雨历时为180 min，时间步长为1 min。

2 模拟结果与分析

2.1 现状建设模式模拟与分析

将不同重现期的降雨序列依次输入模型进行模拟计算，分别得到现状模式下不同重现期的区域径流系数、洪峰流量、降雨控制率和SS总量，见表3。由表3可知，在现状建设模式下不同重现期的径流系数、洪峰流量都较大，并且随着重现期的增大径流系数与洪峰流量也增大。其原因是，现状模式下城市化进程加快，建筑面积与道路面积增大，不透水率增高，雨水不能及时下渗;河流与池塘等被填埋，而雨水管道存在老化、淤堵等问题，致使降水不能及时排出，形成内涝，造成经济损失。

理想模式下径流系数与降雨控制率应该对应，其和为1。现状模式下，由于存在内涝，部分降水溢出管道，因此总排放量降低，降雨控制率变大。

2.2 LID设施布设模式模拟与分析

将3种LID设施与LID设施组合布设于区域内，研究LID设施单独布设与组合布设的关系，模拟计算出不同重现期条件下的径流系数、洪峰流量与降雨控制率，见表4。由表4计算不同LID设施布设情况下径流系数削减率、洪峰流量削减率、降雨控制提升率，结果见表5。不同LID设施布设方案对SS总量削减状况见表5。

3种LID设施单独布设情况下，研究区径流系数和洪峰流量均有所下降，相应的降雨控制率上升。在相同降雨重现期下绿色屋顶对洪峰流量削减作用最强，2 a重现期下可达43.5%;透水铺装对研究区径流系数削减能力最好，降雨控制率提升效果最好，最佳径流系数削减率与降雨控制提升率分别为44.4%和100%;生物滞留网格作用稍差。径流削减的效果随着降雨重现期的增大有所下降。主要原因是，研究区主要是楼房建筑与透水性较差的市政道路，LID设施布设后顶层楼面替换为绿色屋顶，覆盖面积大，削减洪峰流量能力较强;透水铺装取代了原来的市政道路，大大增加了雨水的下渗能力，因此地表径流量减小，降雨控制率得以提升;由于生物滞留网格主要铺设在区域绿地内，所占面积较小，因此对径流削减能力不如前两者，但与现状模式相比较，对区域内涝调控效果好。

LID设施组合布设方案与各LID设施单独布设相比较，径流系数与洪峰流量削减效果更好，降雨控制率提升能力更强。径流削减能力在2 a重现期下最显著，径流系数与洪峰流量分别降低了70.4%、62.5%;降雨控制率在2 a重现期下最高，随着重现期的增大而降低，其降雨控制提升率在10 a重现期下最大，为164.0%。其原因是，3种LID设施在区域中共同布置，其中绿色屋顶布设在屋顶，面积大，拦截了大部分初期降雨，雨水滞留于顶层用于绿色植物后期生长;随着降雨量的增大，雨水溢流至生物滞留网格，其上的植被可以滞留以及吸收周围区域的雨水，减缓径流;降落与溢流到道路上的雨水被渗透性良好的透水铺装设施吸收，使径流在短时间内入渗到更深层土壤中。3种LID设施之间优势互补，可以达到更好的径流削减效果。

水质模拟方面，由表5可知，LID设施组合布设方案对污染物SS总量削减能力最强，其次为绿色屋顶单独布设，污染物消减能力由强到弱为LID设施组合>绿色屋顶>透水铺装>生物滞留网格。

3 结 语

基于SWMM对青岛市城区某小区进行LID设施布设下区域雨洪控制效果的模拟研究，发现LID设施可有效削减径流系数、洪峰流量及提高降雨控制率，其中LID设施单独布设条件下，绿色屋顶对洪峰流量削减效果最好，透水铺装对径流系数削减效果最佳。LID设施组合布设方案优于单独布设方案，且降雨重现期越小，LID设施控制效果越好。

不同LID设施对径流污染调控效果显著，LID设施的布设增强了雨水滞蓄能力，净化吸附雨水中的污染物，降低了面源污染，大大缓解了城市内涝隐患。

不同LID设施布设时需要考虑相邻子汇水区的影响，并且不同城市的参数不同，需综合考虑造价、空间分布、管网运行能力等情况设置参数，进而根据城市区域实际状况比选出最优LID设施组合方案，并进行优化组合方案设计，以提升LID设施处理效率。

参考文献：

[1] 李霞，石宇亭，李国金.基于SWMM和低影响开发模式的老城区雨水控制模拟研究[J].给水排水，2015，41（5）：152-156.

[2] 章双双，潘杨，李一平，等.基于SWMM模型的城市化区域LID设施优化配置方案研究[J].水利水电技术，2018，49（6）：10-15.

[3] 李春林，刘淼，胡远满，等.基于暴雨径流管理模型（SWMM）的海绵城市低影响开发措施控制效果模拟[J].应用生态学报，2017，28（8）：2405-2412.

[4] 王文亮，李俊奇，宫永伟，等.基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟[J].中国给水排水，2012，28（21）：42-44.

【责任编辑 吕艳梅】