城市更新区海绵改造对降雨径流的控制研究

景瑞瑛，卢巧慧，黄奕龙，郑妍妍

（1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，518001，深圳；2.北京大学深圳研究生院，518055，深圳）

深圳市是高强度暴雨、高密度开发的特大城市，具有内涝风险高和频率高的特点，单纯依靠雨水管网进行排水压力巨大。作为第二批海绵城市建设试点区，深圳市在全国率先开展了低影响开发及海绵城市探索与实践，然而关于城市更新区海绵改造的径流控制效果评估不足。随着深圳市产业转型升级，在旧城更新中树立海绵理念有十分重要的意义。因此本文选取海绵改造区环保产业园作为研究区域，利用现场监测和模型模拟相结合的手段，分析其对降雨径流的控制作用。

一、研究方法

以深圳市西丽环保产业园为研究区域，对海绵设施产流过程进行现场监测，计算场次降雨过程中的径流和污染物削减作用。同时采用SWMM模型模拟海绵改造后研究区的年径流总量控制率，通过不同LID设施情景分析得到单位面积海绵设施对径流的削减量。

1.环保产业园概况

环保产业园坐落在深圳市南山区西丽街道麻磡村，包括一座由旧厂房改造的办公楼、一座新建的员工宿舍楼及两栋楼之间的广场走廊，园区内运用了不同海绵技术措施。源头设施如雨水花园、透水铺装、生物滞留池等，中途措施如植草沟等，都是将雨水深度净化处理后排入市政管网。

2.现场监测

为了评估环保产业园海绵设施的场次径流控制效果，需要测定LID设施在不同历时降雨中的径流过程。其中屋顶的产流通过雨落管进入雨水花园，透水铺装汇流进入雨水花园，在雨水花园出口安装流量堰，当有雨水溢出时开始读数，计算雨水花园的径流控制效果。同时现场采集各LID设施出口水样，带回实验室分析SS浓度。

表1 雨水花园参数设置

表2 植草沟参数设置

3.研究区域概化

整个研究区域面积为8 943 m2，依据地形、汇水流向及管网分布等对研究区域进行划分，将汇水区分为33个子汇水区，共2个出口。子汇水区面积根据地图量测读取，子汇水区域特征宽度采用子汇水区域面积除以子汇水区域特征长度得到。

4.降雨条件选取

城市年径流总量控制率对应设计降雨量的确定，至少需要近30年日降雨资料。本次研究采用深圳西丽雨量站1956—2015年的年降雨资料，经过年降雨量P-Ⅲ频率配线法拟合，确定1987年为典型平水年，得到典型平水年全年降雨量为1 572.8 mm，作为SWMM模型的降雨序列条件。

5.参数选择

雨洪模拟计算的参数主要参考SWMM模型用户手册中的典型值，并参考研究区域设计参数进行设置。降雨入渗过程采用Horton入渗模型模拟，汇流采用非线性水库模型模拟，蒸发量采用每月实测蒸发量。设置三种海绵措施，根据不同海绵技术措施的特点和实际工程做法，设置特征参数见表1至表3。

6.参数率定及模型验证

采用2019年6月25日、2019年6月30日两场降雨实测径流数据与模拟结果对比分析，分别进行模型率定及验证，判别准则采用纳什效率系数NSE，当NSE＞0.6，认为模型结果可信。经过率定及验证后，最终模型参数选取结果如表4所示，模型率定结果见图1，模型验证结果见图2。

表3 透水铺装参数设置

表4 SWMM参数率定结果

二、结果与分析

1.LID设施场次径流控制效果

在38 min的短历时降雨事件中，停车场透水铺装在降雨开始后15 min出现产流，24 min后径流量达到峰值10 m3/h；雨水花园出口峰值流量削减为2.99 m3/h，相比雨落管，其流量峰现时间推迟了33 min。在167 min的中历时降雨事件中，降雨有2个明显峰值，停车场径流峰现时间延迟了12~20 min；雨水花园接纳了来自雨落管和停车场的产流，随着汇流路径增加，峰现时间延迟40 min。在24 h的长历时降雨事件中，由于长时间降雨透水铺装路面、雨水花园土壤接近饱和，峰现延迟效应有所减弱。可见工业园区经过海绵改造，组合LID设施使汇水路径增加，起到有效的延峰作用。

不同降雨历时下透水铺装和雨水花园出口流量变化不同。在短历时降雨事件中，LID设施对降雨径流控制效果更好，雨水花园的渗蓄作用可以得到充分利用；随着降雨历时增加，LID设施的径流控制效果降低。在24 h降雨事件中，降雨量达到50.2 mm，透水铺装和雨水花园的蓄水能力趋于饱和，不能继续发挥其海绵效益。雨水花园介质内的含水量越低，径流控制效果越好。

图1 模型率定结果图

图2 模型验证结果图

2.污染物SS浓度变化

以某场降雨时间为38 min、降雨量为12.8 mm的降雨为例，分析降雨过程中污染物SS浓度变化。天然雨水中SS浓度为0.1 mg/L，降雨开始时普通铺装产生径流SS浓度为222.2 mg/L。监测结果表明，降雨前10 min，雨落管和停车场汇流的SS浓度迅速达到最高，存在明显的初雨冲刷现象，而雨水花园出口SS浓度在降雨产生30 min后达到最大值17.4 mg/L。随着降雨强度的减少，海绵设施出口处SS浓度下降，之后停车场汇流的SS浓度稳定在23.7~33.6 mg/L，雨水花园出口处SS浓度接近10 mg/L。有学者发现下凹式绿地与径流下垫面面积之比为1∶2、重现期≤1年时，出水SS为7.64～9.25 mg/L，与本研究结果相近，表明下凹式绿地对SS有良好削减作用。路面和屋顶中累积的面源污染物经过组合LID设施透水铺装和雨水花园的截留及净化作用，污染物SS削减率为76.5%，可以减少排水片区的污染负荷。

3.LID设施年径流控制效果

工业园区改造前为传统排水管网，以灰色基础设施为主、道路两旁辅以10%绿化带，因此改造前无任何LID措施，屋面和路面的不透水率参考实际下垫面确定。

经过LID措施改造后，研究区总体下渗量增多，径流量随之减少。利用SWMM模拟分析，研究区年降雨径流控制率为73.9%，相比改造前提高43.4%，满足海绵城市建设径流控制率不小于70%的要求。

由于LID措施需要一定面积的地块，选择合适的LID措施进行海绵改造是海绵城市建设的重要部分。为对比分析各项LID措施对径流控制的作用，对透水铺装和雨水花园进行单独模拟。单项透水铺装设计满足以下条件：保留透水铺装，绿地均为普通绿地，普通道路维持不变。单项雨水花园设计需满足以下条件：保留雨水花园，铺装均为不透水铺装，其他绿地为普通绿地。纯透水铺装设计需满足以下条件：保留屋顶，其余地块均为透水铺装；纯雨水花园设计条件：保留屋顶，其余地块均为雨水花园。

不同地表特性下的模拟结果见表5。由表5可以看出，单项透水铺装和雨水花园下渗损失增加，对雨水排放出口的径流量均有削减。由于透水铺装实施面积占比更大，单项透水铺装对径流的削减量大于单项雨水花园。在四种情景下，纯雨水花园的径流控制率最高，达到83.1%。一方面是因为雨水花园有良好的下渗性能，另一方面是因为受雨水花园中植物蒸腾作用的影响，雨水花园的蒸发损失比透水铺装更大。

以单位面积径流削减量作为LID措施贡献大小的衡量标准，得到单位面积纯透水铺装和纯雨水花园的年径流削减量分别为2 776.7 mm和3 219.8 mm。因此在不影响研究区其他功能前提下，对周边空间进行雨水花园改造，可以进一步减少整个片区的排水压力。

三、结论和展望

LID设施对短历时降雨径流控制效果更好，其渗蓄作用可以得到充分利用，随着降雨历时增加，蓄水能力趋于饱和，径流控制作用减小。LID设施可以有效削减峰值，随着汇水路径增加，延峰作用明显。研究区污染物SS削减率为76.5%，可以减少排水片区的污染负荷，其中雨水花园具有较好的面源控制效果。

表5 不同地表特性下的模拟结果

通过SWMM模型模拟了研究区海绵改造前后对降雨径流的控制作用。结果显示，海绵改造后年降雨径流控制率为73.9%，满足海绵城市建设径流控制率不小于70%的要求，采用透水铺装和雨水花园均可以减少径流系数。以单位面积LID措施贡献大小来说，透水铺装下渗能力更强，而雨水花园径流控制能力更强，二者组合可以更好地发挥海绵效益。