基于SWMM的城市道路LID设施雨水调控效果研究——以武汉市工业路为例

卢明明

江淑卉

裘鸿菲

城市化进程使城市不透水面积增加，导致雨洪灾害频发、水质污染、水资源供需矛盾加剧。道路是城市三种主要下垫面之一，也是城市排水系统的支撑，对雨水的排放、洪涝灾害的预防和居民安全的保障至关重要。2019年8月1日，住房和城乡建设部发布实行了《海绵城市建设评价标准》（GBT 51345—2018），对城市道路雨水调控能力做出了明确要求，强调通过景观设计，利用LID设施调控雨水[1]。城市道路LID设施是城市绿地和城市道路的交集，亟待风景园林学、土木工程等交叉学科中的定量研究。

近年来SWMM在城市道路LID设施雨水调控方面应用广泛。叶阳等通过实验性模拟结果的对比，得出汇水系统的绿地雨洪调蓄效率、汇水系统和各类用地基于雨水调蓄理念下的最低绿地率[2]。王雯雯等以深圳光明新区为研究区域，发现下凹式绿地可削减洪峰流量、减小径流系数[3]。胡爱兵等以某已建城市道路为例，运用SWMM模拟在连续降雨和场降雨条件下的年雨水入渗量和年降雨蒸发量[4]。汤伟真等采用SWMM模拟评价城市道路低影响开发雨水设计方案的滞蓄减排效果，表明LID设施能够有效控制径流量，缓解管道排水压力[5]。尚蕊玲等以陕西省沣西新城西部排水区为例，用SWMM软件模拟3种降雨事件下，添加雨水花园和渗渠措施对其水质水量的影响[6]。刘一瑶等通过在清华学堂路增设1525m2的LID设施，达到五年一遇的雨强下，削减径流量6686m3的效果[7]。

图1 城市道路宏观雨水径流示意图

图2 工业路建设范围图

图3 工业路横断面结构示意图

图4 工业路雨水径流示意图

图5 工业路SWMM模型概化示意图

现有研究往往针对城市道路等某研究对象的实际情况建立模型进行模拟，缺乏与传统开发模式在不同重现期下的对比分析，难以定量验证和评价低影响开发模式城市道路的雨水调控效果。且现有研究未针对城市道路的结构特点将不同LID设施进行实验性单因素城市道路雨水调控效果模拟，无法确定适用于城市道路的LID设施及其调控机制。本文在分析城市道路径流规律和适用于城市道路的LID设施的基础上，选取武汉市工业路为研究对象，在不同降雨条件下，运用SWMM模型模拟与评估LID设施的雨水调控效果，旨在基于定量评估对比分析各单项LID设施贡献率大小及削减效率，为城市道路LID设施布设提供指导。

1 研究准备

1.1 研究对象

按照城市道路等级分类和雨水径流规律，可分为城市快速路、城市干道、城市支路，其宏观（周边范围）雨水径流方式如图1所示。快速路配置的中央分隔带、路侧分隔带等为LID设施创造了良好的立地条件，较少设置人行道及人行道绿带。其高架段雨水通过泄水管排出，比城市管渠排水效率高，不受周边地表径流影响，雨洪风险不如其他城市道路；城市干道拥有较大的路面面积，LID的种类和可用面积都最为充分。但城市干道多位于中心城区，周边建设强度高，地表径流量大，雨洪灾害造成的损失大，是城市道路系统雨水调控的重心；城市支路较少设置中央隔离带、非机动车道和侧分带，LID设施主要是人行道和车行道的透水路面和人行道绿化带的生态树池，管网等级低。其在降雨事件里多充当传输通道作用，大暴雨下需高级管网完成雨水排放后才能有效排放，因而雨水问题频发，易形成城市“看海”现象，但对城市交通安全和环境安全威胁不及城市干道。

表1 城市道路LID设施的适用性

图6 不同重现期下的降雨分布

图7 不同重现期下传统开发模式城市道路系统径流

图8 不同重现期下基于低影响开发的城市道路系统径流

图9 不同方案下的系统径流对比（0.5年一遇）

图10 不同方案下的系统径流对比（1年一遇）

图11 不同方案下的系统径流对比（2年一遇）

微观层面（红线范围）各类城市道路雨水径流的模拟过程类似，以城市干道武汉市工业路（城市干道）为例说明。工业路（友谊大道—和平大道，以下简称“工业路”）是武汉市青山片区海绵城市（南干渠片区）建设PPP项目，也是低影响开发理念下的城市道路海绵化改造系统中典型的交通性道路。工业路总体长度1363.81m，宽度40m，其中机动车道宽14m，两侧机非隔离带宽3m，非机动车道宽4m，人行道宽4m（图2～3）。其降雨受力面主要包括：透水沥青路面、透水铺装以及绿化带，雨水径流方向如图4所示。

表2 研究区域LID设施参数表

表4 传统开发模式城市道路模拟运行结果

1.2 城市道路LID设施

各类LID设施的结构和功能特点、对空间形态的要求等是决定其是否能在城市道路上应用的关键因素。如：不设置蓄水池的原因在于其用地需求较大，但城市道路范围内空间有限。不采用人工土壤渗滤的原因在于人工土壤的长期使用性能无法满足要求（人工渗滤土壤的功能年限在一年左右，而城市道路的使用年限通常在10年以上[8]，若周期性更换渗滤土壤则会导致工程的不经济）。通过实际工程案例与文献资料对适用于城市道路的LID设施进行分析[9]，得出表1。

2 模型建立

2.1 传统开发模型构建

基于工业路所在区域雨水排放系统布局，按照SWMM模型应用要求的指导，并结合相关雨水管网资料，对开发后的排水分区进行符合实际情况的概化，最终共划分子汇水区133个、设置雨水管段62条、检查井节点58个、总排放口3个。具体模型构建如图5所示。

表3 不同重现期的平均降雨强度和降雨总量

表5 基于低影响开发的城市道路模拟运行结果

表6 2年一遇降雨下各布设场景的调控性能

2.2 低影响开发模型构建

研究区域的生态滞留设施主要为非机动车道与人行道之间的下沉式绿地、雨水花园以及生态树池，促进雨水下渗补充地下水，减少排往雨水管的水量，滞留带内的植物也对径流污染物起到拦截、吸附和降解作用；研究区域的植草沟主要为机动车道与非机动车道之间的绿化带；研究区域的透水路面分为人行道透水铺装和车行道透水沥青（全路段采用），起到储存和转输雨水径流的作用。人行道铺设透水砖，增加了城市道路透水面积，相关参数根据所采用透水砖的特性设置，参数项目与透水沥青相同，数值不同。

模型LID设施参数主要依据调查结果设定，对于获取确有困难的，以《武汉市排水防涝系统规划设计标准》（以下简称《标准》）标准值为准，同时标准值也用来校正调查结果；少数《标准》中也未明确要求的，采用SWMM用户手册中的推荐值（表2）。

构建低影响开发模式模型，因地制宜且最大限度地布设生态滞留设施、透水路面、植草沟等LID设施。将定义的LID设施按照相应的布设比例，添加到各子汇水区图元属性表中，研究区域内绿地、铺装面积与传统开发模型中设置相同。

2.3 设计降雨

采用芝加哥雨型作为降雨设计用型。根据《武汉市海绵城市规划设计导则》提供的暴雨强度公式（1），分别计算出设计重现期为0.5、1、2、5、10年的降雨量（图6），得到降雨总量结果分别为21.32mm、40.65mm、59.98mm、85.54mm、104.87mm（表3）。

式中：q——为设计暴雨强度（L/s·hm2）；

P——为设计暴雨重现期（年）；

t——为降雨历时（分钟）。

3 结果分析

模拟不同降雨条件下，低影响开发模式和传统开发模式下城市道路LID设施对雨水径流量、峰值流量和雨峰时间的调控效果，分析各单项LID设施的径流控制效率。

3.1 传统开发模式城市道路模型运行结果

在重现期分别为0.5、1、2、5、10年的降雨条件下，研究传统开发模式城市道路的地表径流量、峰值流量和雨峰时间（表4、图7）。由表可得，在重现期依次为0.5、1、2、5、10年的降雨条件下，传统开发模式城市道路地表径流总量分别为10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm；峰现时间分别为75min、75min、75min、75min、90min；峰值流量分别为0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。

由此可见，城市道路雨水径流量与降雨强度呈正相关关系。在历时75min，径流流量达到最大，降雨后较短时长内径流量激增可能是引发城市道路积涝现象的关键因素。雨水管网超负荷工作，产生溢流，形成地表积水。如何快速有效地疏导这部分雨水径流，是解决城市道路雨水问题的关键。

传统路面渗透性差，基本没有雨水调控功能。大部分雨水以地表径流的形式流出子汇水区，导致城市道路雨水径流量和峰值流量激增，严重影响城市道路系统寿命和交通安全等。

3.2 低影响开发城市道路模型运行结果

在重现期分别为0.5、1、2、5、10年的降雨条件下，研究低影响开发模式城市道路的地表径流总量、峰值流量和峰现时间（表5、图8）。由表可知，重现期分别为0.5、1、2、5、10年的降雨条件下，低影响开发模式城市道路地表径流总量分别为6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，峰值流量分别为0.17m3/s、0.32m3/s、0.5m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。峰现时间均为降雨开始后的90min，峰值持续一定时间，在降雨135min之后，径流值逐渐降低，在195min之后趋近于零。总降雨量一定时，低影响开发模式下的城市道路地表径流量较传统开发模式明显降低，而总渗入量和地表最终蓄水深度都有大幅度提高。表明低影响开发模式下雨水径流和峰值流量的削减主要是依靠LID设施的入渗和滞蓄作用。从整个降雨过程来看，LID设施调控城市道路雨水的效能并不是稳定的，呈现前期强后期弱的规律，符合LID设施调控雨水的机理。

3.3 传统开发和低影响开发模式城市道路雨水调控对比

图12 不同方案下的系统径流对比（5年一遇）

图13 不同方案下的系统径流对比（10年一遇）

图14 不同降雨强度下LID设施对径流的削减效果

图15 不同降雨强度下的系统径流

通过分析比较传统开发模式和低影响开发模式城市道路在不同重现期下的系统径流量，定量探究LID设施在调控雨水方面的作用（图8～13）。由图可知，对于重现期分别为0.5、1、2、5、10年的暴雨，采用传统开发模式，城市道路地表径流总量分别为10.63mm、27.13mm、45.91mm、56.98mm、84.86mm。而采用低影响开发模式，城市道路地表径流总量分别下降至6.41mm、15.14mm、27.19mm、35.86mm、55.36mm，低影响开发城市道路的地表径流均低于传统开发模式城市道路，径流总量削减率分别为39.7%、44.2%、40.9%、37.0%、34.8.0%，随重现期增大呈先增大后减小的规律，说明超过10年一遇降雨超过了LID设施雨水径流量调控范围。

采用传统开发模式，城市道路峰值流量分别为0.50m3/s、1.13m3/s、2.26m3/s、3.60m3/s、3.44m3/s。采用低影响开发模式，城市道路峰值流量分别降至0.17m3/s、0.32m3/s、0.50m3/s、0.59m3/s、0.79m3/s。低影响开发城市道路的峰值流量均低于传统开发模式城市道路，峰值流量削减率分别为66.0%、71.6%、77.8%、83.6%、77.0%，随重现期增大呈先增大后减小的规律，说明超过10年一遇降雨超过了LID设施雨水峰值调控范围。

对于重现期分别为0.5、1、2、5年的降雨，雨峰时间均推迟15min，LID设施有推迟城市道路雨水雨峰时间的作用，且其作用效果是相对稳定的，与降雨大小并无明显关系。

在五种不同的降雨条件下，低影响开发模式下的城市道路在控制径流总量和削减峰值流量方面均有不同程度的作用。当降雨重现期由0.5年一遇增大到5年一遇时，峰值流量削减率依次递增，但由5年一遇增大到10年一遇时，又有所下降。当降雨重现期由0.5年一遇增大到1年一遇时，径流总量、径流系数削减率呈上升趋势，高于1年一遇时，又依次降低。在中小重现期下，LID设施的雨水调控效果更加显著。随着重现期的增大，径流总量削减率和峰值流量削减率均呈现先增后减的趋势（图14）。当降雨强度上升到一定程度时，削减量曲线的曲率趋于平稳，此时各低影响设施逐渐饱和，LID设施对雨水径流的控制能力到达极限（图15），LID设施对城市道路雨水雨峰时间推迟的作用相对稳定。

3.4 单项LID设施雨水调控效果对比分析

由表6可知，对城市道路雨水径流量的削减，透水路面贡献最大，以二年一遇降雨下为例，其贡献率为33.2%。其次为生态滞留设施，贡献率为6.2%。最后为植草沟，贡献率为1.3%。对峰值流量的削减，透水路面贡献最大，贡献率为73%。其次为生态滞留设施，贡献率为11.9%。最后为植草沟，贡献率为7.9%。

在单位面积相同时，各项LID设施对径流总量削减效率排序为：生态滞留设施＞组合型＞透水路面＞植草沟；对峰值流量削减的效率排序为：生态滞留设施＞透水路面＞组合型＞植草沟（表6）。

4 结论与讨论

4.1 各等级城市道路LID设施雨水调控策略

各等级城市道路因其宽度、结构形式等差异，径流规律和LID设施布设方式不尽相同，应采用不同的雨水调控策略。快速路应重点考虑泄水管和下承LID设施（雨水花园等）的对接，减少对下方道路造成径流；城市干道应是城市道路系统雨水调控的重心，雨水调控重点是减少路面及外排径流，如建设LID设施和提高城市雨水管渠等级等；城市支路易发雨水问题而雨洪风险一般，可多设植草沟等传输型LID设施进行雨水调控。

4.2 不同重现期城市道路LID设施雨水调控效果

系统径流总量与降雨强度呈正相关，传统路面渗透性差，基本没有雨水调控功能，严重影响城市道路寿命与交通安全性；低影响开发模式下的城市道路地表径流量较传统开发模式明显降低，总渗入量和地表最终蓄水深度都有大幅度提高，雨水径流和峰值流量的削减主要依靠LID设施的入渗和滞蓄作用。采用LID组合模式的城市道路，在0.5年一遇到10年一遇的降雨强度下，对径流总量的削减率为34.8%～44.2%，对峰值流量的削减率为66.0%～83.6%，雨峰时间稳定推迟15min。LID设施对城市道路中小重现期雨水调控作用显著，主要表现在雨水径流量和峰值流量的削减上，而大重现期下其雨水调控效果一般，雨水径流量和峰值流量的削减率都有所下降。LID设施在对十年一遇以上暴雨的调控效果不尽人意，需要进一步研究大重现期城市道路雨水调控的其他策略。暴雨状况下LID设施对城市道路雨水调控意义在于能推迟雨峰时间，使城市居民、绿色和灰色雨水设施等能做好充足准备抵御雨洪。

4.3 各类城市道路LID设施雨水调控效果对比

在对地表径流的削减作用方面，透水路面和生态滞留设施贡献较大，其中透水路面径流削减贡献率为30.5%～34.9%，生态滞留设施径流削减贡献率为3.6%～10.8%，植草沟径流削减贡献率为0.7%～1.5%。在对峰值流量的削减作用方面，透水路面贡献最大，贡献率为60.0%～76.5%。其次为生态滞留设施，贡献率为2.9%～11.9%，最后为植草沟，贡献率为0%～7.9%。在单位面积相同时，各项LID设施对径流总量削减效率排序为：生态滞留设施＞组合型＞透水路面＞植草沟，对峰值流量削减效率排序为：生态滞留设施＞透水路面＞组合型＞植草沟。由于布设面积原因，各项LID设施的径流削减量与峰值消减量之和大于组合LID设施削减量。LID设施对城市道路雨水调控效能以径流峰值为界，呈现出先强后弱的规律，随设计降雨重现期增大而降低，LID设施的雨水调蓄能力逐渐饱和，LID设施对中小雨（二年一遇及以下）的城市道路径流调控作用更明显。就单项LID设施而言，从削减径流量和峰值流量的角度而言宜优先布设生态滞留设施，硬质表面可考虑透水路面。由于面积受限，绿色雨水设施在城市道路雨水调控方面显现出局限性，城市道路景观设计时应更重视透水铺装材料的应用，降低道路绿地的雨水调控负荷。

研究表明通过合理的空间组织分布、LID设施协同作用等方式，能提升城市道路LID设施雨水调控性能，改善降雨时城市道路积水情况，为创造良好城市环境提供途径。

资料来源：文中图表均由作者绘制。