Infoworks ICM 在防灾避险公园海绵化改造中的应用

2021-04-24童祯恭刘卓尧周小伟

华东交通大学学报 2021年1期

童祯恭，刘卓尧，王滢，周小伟，杨竞

（1.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013；2. 江西省城乡规划设计研究总院，江西南昌330000）

最早在1978 年颁布的日本第二次《城市公园建设五年计划》中，创立了避灾公园这个概念[1]。国内防灾公园的概念在2007 年出台的《城市抗震防灾规划标准》中，将其定义为“城市中满足避震疏散要求、可有效保证疏散人员安全的公园”[2]。所以国内的公园建设主要是以生态效应、防灾避险和景观设计3 个方面为主[3]。

现如今，公园绿地主要以低影响开发(low impact development，LID)[4]设施建设为主，在不破坏生态的前提下，雨水被LID 设施吸收和利用，使公园更具“海绵化[5]”。 LID 也在美国、加拿大和我国等许多国家得到广泛应用与发展[6-7]。在国内关于LID 设施有许多的研究，刘昌明等[8]研究表明多种LID 设施的实施建设使得常德市90%地块均能达到控制目标；蔡庆拟等[9]通过SWMM 模型软件对道路上LID 设施建模，得出了雨水花园对径流洪峰流量和径流系数的削减效果最好的结论；王雯雯等[10]通过SWMM 模型，分析了城市开发中，不同LID 设施对城市水文循环的影响，LID 设施可以有效避免城市内涝的出现；李沐寒等[11]运用GIS 和SWMM 模型构建LID 设施方案，通过5 场降雨模拟，将结果比对，分析得出最优方案，为海绵城市建设提供参考；黄子千等[12]通过Infoworks ICM 软件对济南市某路段洪涝过程构建模型，研究不同重现期和设计雨型对区域积水的影响。 SWMM 模型[13-14]和Infoworks ICM[15]针对城市道路降雨径流模型模拟的研究已较为广泛，但是Infoworks ICM 模型针对LID 设施的设计及效果评估的应用国内相对较少。 Infoworks ICM 软件有LID 设施模块，对LID 设施进行设计及模拟计算，可以实现LID 设施对径流量、径流控制率和污染物控制率的效果模拟与评估。运用Infoworks ICM 对传统模式和LID 模式进行模拟，确定并优化公园开发中LID 设施的布局及规模。

1 研究概况

1.1 区域概况

吉安市中心城区位于吉安市中部，防灾避险公园位于后河中段区域，现状用地以居住、公建商业用地、农田为主，建成区现状年径流总量控制率约为53%。规划以居住、公建商业用地、绿地为主。该地气候年平均气温为18.3 °C，历年平均晴日44 d，阴日184 d，日照时数为1 821.8 h，无霜期285 d。全市风向受季节影响变化显著，全年主导风向为北风。

1.2 避险公园现状

防灾避险公园占地面积为21.12×104m2，其中水面面积为8.4×104m2，陆地面积12.63×104m2。防灾避险公园场地在后河两侧，整体呈现南高北低，东西高中间低，地块设计标高在46～52.44 m；整体坡度较大，局部较为平坦，坡度多在1°～8°。

2 工程改造研究方案

2.1 方案总体思路

方案总体思路为：①对公园现状地块、雨水子流域等进行分析，确定公园内LID 的设施；②充分考虑公园的景观、布局和经济性等因素，对公园LID进行初步的方案布局，并构建传统模式和LID 设施模式两种模型，进行拟算；③根据结果与设计目标进行对比，运用模型软件进行模拟试算，调整方案的LID 规模，最终达到最优方案。

2.2 雨水分区划分

根据现场地块、地形及排水管道分布情况，将流域划分为20 个分区，以便更细致、切合实际地进行ICM 的模型下垫面构建，具体分析不同的分区。

2.3 下垫面分析

本项目传统开发模式下区域总面积为154 695 m2，根据现有数据，将土地利用分为现状透水铺装、硬质铺装、绿化、屋顶、水体5 类。其中项目内各分区用地性质及面积根据实际统计如图1 所示。根据下垫面解析情况，在所有分区中，公园现有的绿化用地偏多，其次是硬质铺装，水体主要集中在分区8和分区16，现状的透水铺装主要分布在分区3 和分区16。公园总体的透水区域占比大概在70%，属于绿化基础条件较好的公园。

图1 分区下垫面解析Fig.1 Analysis of underlying surface of partition

2.4 低影响开发设施的选择和布置

结合公园现场勘测、水文地质、雨水排水系统等资料，充分考虑防灾避险的需要，再根据研究表明，植草沟＋透水铺装＋绿色屋顶＋雨水花园的组合方案潜力最大[11]，故筛选出这4 种作为本项目公园的LID 设施。根据地区可改造的透水区域、屋顶，再结合防灾避险房屋建设和雨水花园设施的选取，初步将方案确定为公园现有的硬质铺装换为透水铺装，并结合现有情况，在雨水花园附近修建植草沟，植草沟将雨水引流至雨水花园处理。

3 模型构建

3.1 模型体系构建

采用ICM 水力模拟软件对该项目进行模型构建，分别构建传统模式和LID 设施模式两种模型，方便与之对比，调整方案。将现有的地下管网资料和现有的规划资料等数据整理好后，通过模型的数据导入中心将管道和节点数据导入模型中，接着导入5 min 典型年设计降雨数据。

3.2 传统模式下模型参数取值

产汇流表面参数取值情况具体如表1 所示。

表1 模型参数取值Tab.1 Model parameter values

传统模式下，根据下垫面的现状分析情况，不同下垫面类型选择对应的产流表面。产流表面设置包括径流量类型和表面类型，其中雨水在下垫面的流动主要运用ICM 模型水文模块。雨水的初期损失值一般差距较小，这次模拟就不考虑初期损失值的影响；产流模型中，不透水和透水面积构成了产流表面，此次模型模拟中，透水下垫面采用霍顿模型法，霍顿模型中需要设置初渗率、稳渗率、衰减率和恢复率这4 个关键参数，具体取值如表1 所示，非透水下垫面采用固定径流系数法，采用0.9 的固定径流系数；汇流模型采用SWMM 汇流模型，汇流参数取0.03。（依据模型手册、《室外排水设计规范》及相关文献得到参数的取值）。本项目用地主要分为硬地、屋面、透水铺装、绿地和绿色屋面5 类，其中绿地和绿色屋面为透水区域，其它均为不透水面积。

3.3 LID 模式下模型的参数取值

本次模拟用4 类不同的LID 设施，透水铺装的参数设定依据透水砖的材料与性质，再依据ICM 软件手册、实际工程试验和参考文献，完成剩下3 个LID 设施参数的设定。

透水铺装中参数取值为厚度300 mm，孔隙比0.75，渗水速率1.8 mm/h；绿色屋顶中参数取值为厚度1.25 mm，孔隙率0.5，导水率1.5 mm/h，产水能力为0.2；雨水花园中参数取值为高度200 mm，植被容积分数0.15，表面粗糙度（即曼宁值）为0.15，表面坡度为1%；植草沟中参数取值为高度200 mm，植被容积分数0.5，表面粗糙度（即曼宁值）为0.24，表面坡度为0.4%。

4 模型运行结果及分析

4.1 传统模式模拟结果

导入5 min 典型年的设计降雨数据同传统模式进行计算，各分区管控的计算指标结果如表2所示。

表2 传统模式模拟结果Tab. 2 Traditional model simulation results

根据表2 数据，对传统模式下的公园雨水管控效果进行分析。在划分的20 个分区中，7 个分区的年径流总量控制率达到预期78%的控制率目标，仍然有13 个分区的年径流总量控制率需要提高。对于13 分区、15 分区和18 分区，径流量是传统模式下最高的3 块分区，可以增设雨水花园，提高分区对径流量的削减率。在传统模式下，分区的污染物控制率平均为54.67%，公园在不增设LID 设施的情况下，污染物整体控制情况能够达标，公园内生态本底较为良好，所以，在不破坏现有绿化前提下增设LID设施，降低雨水径流量，提高公园的年径流控制率，以达到设计目标。

4.2 LID 设施模拟结果

根据传统模式的结果，有必要增设LID 设施降低雨水径流量，提高控制率。根据公园现状，公园增设4 类LID 设施，对于不增设雨水花园的分区，雨水径流在公园内的流动过程：流入透水铺装（或绿色屋顶）后，再流入植草沟，最后流入公园旁的后河；对于增设雨水花园的分区，雨水径流流入透水铺装（或绿色屋顶），再流入植草沟，植草沟将径流引流至雨水花园内，除去下渗和蒸发的部分，剩余部分进入调蓄池后，再流入后河。接着导入5 min 典型年的设计降雨数据对LID 模式进行计算，经过多次调整和优化，LID 模式下的模拟计算结果如表3所示。

表3 LID 模拟结果Tab.3 LID simulation results

根据表3 的结果，将LID 模式下的结果同传统模式下的结果进行对比，传统模式下的径流总量为54 944.79 m3，2 个控制率指标分别为72.90%，54.67%；LID 模式下的径流总量为39 371 m3，2 个控制率分别为80.31%，60.31%。经过改造后LID 设施对径流总量的削减效果较为明显，径流总量削减了28.34%，实现了公园内雨水从源头削减的效果，2个控制指标也达到了设计前的目标。