海绵城市建设太湖路公园示范区运行管护模式研究

周晓晗，陈 卫

（天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384）

天津市中心城区试点海绵城市示范区属于建成区，存在土地利用率高、硬化面积比例高、地下水位高、土壤渗透系数低等特点[1]，因此在海绵城市改造过程中应设计有针对性的建设和运行维护模式.天津太湖路公园坐落于海绵城市建设示范区中，公园内部存在大片下沉式绿地和湖泊，在海绵城市渗、滞、蓄、净、用、排功能的发挥中，通过滞、蓄功能可在一定程度上弥补示范区下渗功能弱的不足[2]，所以有必要针对太湖路公园开展运行管护模式研究.通过对太湖路公园的实地考察，针对太湖路公园现状特点，在低影响开发（LID）和最佳管理措施（BMPs）的基础上设计了该示范区的运行管理和保护的最佳模式，该模式可保证各设施能够充分发挥海绵功能.在长期运行过程中可以达到海绵城市考核指标——地表径流削减率和总悬浮颗粒物的要求，还可以达到净化水体、合理收集雨水、美化景观、规范绿化用水、提高雨水资源利用率的效果，在一定程度上缓解了区内内涝，地下水失衡[3]等一系列问题.

1 研究对象与方法

1.1 太湖路公园概况

太湖路公园位于天津市河西区内，占地约7 hm2，该公园西接解放南路，南接外环南路，如图1所示.公园内部分布有2.3万m2的人工湖，绿地面积约为4万m2，各类居民生活服务设施以及停车位若干.

图1 太湖路公园

1.2 太湖路公园现状

太湖路公园的各个运行设施有一定的局限性，公园内现有植被高度比周边高，这样会导致一出现降雨植被不易蓄水，园内的人工湖流动性差，容易使湖水中有异味、异物，雨水汇入到湖里后不能得到充分的处理，湖水的水质下降；公园内的道路没有设置透水铺装等相应的设施，一旦出现降雨的情况路面就会积水，周围的植被因雨水过多而死亡.同时公园的地下水位高，周围土地的盐碱化也比较严重，雨水的下渗效果较差，因此在海绵城市方案运用到太湖路公园之前，公园对雨水处理的情况不乐观.

1.3 方法

SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，它是在各类低影响开发（LID）的基础上将研究地域分成较小的均匀子汇水面积来计算降雨径流、时变降雨及地表漫流的非线性演算等相关过程的空间变化，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质，在其他非城市区域也有广泛的应用[4].

1.3.1 管护模式的设计

模式一（滞留为主，下渗为辅）：当该示范区出现降雨时，降水首先经过的是透水铺装设施，只要雨水落到了该太湖路公园的LID设施上，就能增加雨水的下渗作用，雨水沿路面流经下凹式绿地中（属于中间较低，两边较高的LID设施），随后可以流入到该设施中间较低的位置，这样可以防止多余的雨水流出该设施使周围路面积水.最后，当降雨量过大，公园内的所有存储设施全部贮存满时，多余的水量可通过溢流道进入公园内的中心湖（见图2）.中心湖对城市降水起到了削锋补枯，稳定降水的作用，使得该公园的降水能够得到合理的处置.

图2 模式一的全局布置图

模式二（下渗为主，滞留为辅）：当该示范区出现降雨时，降水首先下渗到园内人行道的渗透铺装设施，该设施利用降水，不仅可以有效缓解地表积水的问题，还可以充分发挥该设施的蓄存雨水作用来补充城市的地下水资源，调节城市的气候，这样可以让游客在观赏的过程中既保证安全，又可以感受园内良好的环境氛围.在地势不高的地方，各设施在综合作用下可以去除大颗粒的污染物，同时减缓一定的流速.另外，将降水拦蓄起来，储存的雨水可以进行灌溉、防汛等用途.当降雨量达到一定的指标，同时所有贮水设施贮存满时，将多余的水量再排入园内的中心湖，通过湖内微生物的综合作用，使得水质得到一定的改善，这样可以调节气候，使得水体达到地表水Ⅳ类的海绵城市考核指标要求（见图3）.

图3 模式二的全局布置图

1.3.2 汇水区的划分

研究区域的面积约为7.6 hm2，综合考虑降雨时研究区内的水流情况将其划分为8个子汇水区域，并在人工湖处设置了一个排水口，同时根据研究区域中间低两边高的地势特点设置了相应的出水水流方向线（见图4），根据天津市河西区海绵城市规划图中的管道以及太湖路公园的实际情况综合考虑，在绘制子汇水区时就不涉及管道设计，其中各子汇水区的概况统计如表1所示.

表1 研究区子汇水区域概况统计hm2

图4 子汇水区的划分

1.3.3 暴雨设计

根据《天津市海绵城市设计建设技术规范》规定[5]，天津市暴雨强度分为四个区，其中本研究区太湖路公园属于I区，根据暴雨总量和180 min的雨型分配表计算，采用重现期为2，3，5 a的降雨量，在历时三个小时内每五分钟采集一次降雨量，如表2所示.

表2 第I区不同重现期24 h暴雨设计值

分别用不同重现期的总降雨量与180 min设计暴雨雨型分配表（见表3）中的百分比进行乘法计算，得到不同重现期下每间隔5 min的降雨量.

表3 180 min设计暴雨雨型分配表

本文对该研究区模拟出三个情景，即①空白情景：未设置LID设施；②情景一：设置LID设施（下凹式绿地，透水铺装）；③情景二：设置LID设施（生物滞留设施，透水铺装）.

1.3.4 参数的确定

根据《天津市海绵城市建设技术规范》以及文献[6]-[8]搜集了SWMM中LID的相关参数进行设置.

根据透水铺装[9-10]的相应设施的有关规定，表面植被容积分数40%、表面粗糙度Ra0.012、表面坡度1.0%；路面的厚度为120 mm、孔隙比18%、不渗透表面积分数为35%、渗透性为100 mm/h；蓄水厚度设置为360 mm、孔隙比为65%、渗水速率为250 mm/h；渠下的流量指数设置为0.5.

根据海绵城市相关规定，对下凹式绿地[11-12]的参数进行相应的设计：表面护堤高度为30.4 mm、表面植被容积分数为40%、表面粗糙度Ra0.24；其土壤厚度为600 mm、孔隙率为50%、产水能力容积分数为20%、萎蔫点容积分数为10%、导水率0.5 mm/h、导水率坡度为10.0、吸上水头3.5 mm；其蓄水厚度300 mm、孔隙比60%、渗水速率0.5 mm/h；其渠下流量指数为0.5、偏移高度为6 mm.

根据上述生物滞留设施[13-14]的相关设置规定，其表面设置护堤高度100 mm、植被容积分数为75%、表面粗糙度Ra0.24、表面坡度百分比为1.0%；其土壤厚度600 mm、孔隙比为50%、产水能力容积分数为20%、萎蔫点容积分数为10%、导水率为0.5 mm/h、导水率坡度10.0、吸上水头为3.5 mm.

本文中的SWMM参数是套用其用户手册的标准和进行模拟推演论文中[15]的参考数值，其中下渗使用的是HORTON模型，最大下渗速率为20 mm/h、最小下渗速率为10 mm/h、衰减常数为4、排干时间为7 d.汇流计算时需要的主要参数坡度为0.5%、不渗透百分比20%、不渗透性N1值为0.012、渗透性N2值为0.05、不渗透性洼地蓄水为3.5 mm、渗透性洼地蓄水为6.5 mm.

2 模拟结果分析

2.1 数据

通过对各汇水区的相关参数的设置以及计算，对8个汇水区分别在不同重现期的径流以及TSS含量进行模拟，由于两边高中间低的地势，水流最后全部汇入汇水区1（中心湖），由于在SWMM软件里没有湖泊模块，所以软件里面把汇水区1默认为普通地块，所以会有径流系数，一般情况下，本身湖泊具有一定的调蓄作用，所以不会排出多少水，本文就只针对总径流入量进行分析，所以只考虑汇水区1的数据，其统计数据如表4-6所示.

表4 空白情景各重现期汇水区1的数据统计

表5 情景一各重现期汇水区1的径流数据统计

表6 情景二各重现期汇水区1的径流数据统计

2.2 结果分析

2.2.1 径流量比较

通过使用SWMM对三种情景的径流量进行模拟，在不同的重现期下，三种情景对于汇水区1的瞬时径流入数据统计如图5-7所示，图8为在三种情景下流入汇水区1的径流入总和.

由图5-7可以明显地看出，在设置LID设施后流入中心湖汇水区1的径流量得到了明显地改善.可见生物滞留设施、下凹式绿地以及透水铺装等LID设施能够明显地截留雨水，起到储蓄及下渗雨水的作用，最终流入中心湖的雨水变少.添加LID设施的两种模式相比，由图8可以明显地看出情景一比情景二效果好很多.

图5 重现期为2 a时汇水区1的瞬时径流入值

图6 重现期为3 a时汇水区1的瞬时径流入值

图8 三种情景汇水区1的累积径流入值

图7 重现期为5 a时汇水区1的瞬时径流入值

各汇水区流入中心湖的径流入量如表7所示，在重现期为2 a的情况下，模式一比模式二使流入中心湖的径流多减少了12%；在重现期为3 a的情况下，同样模式一比模式二流入中心湖的径流量多减少了12%；在重现期为5 a的情况下，两种模式流入中心湖的径流量相比，模式一比模式二多减少了11%.

表7 不同重现期下的三种情景汇水区1累积径流量削减率统计%

2.2.2 污染物含量的比较

使用SWMM对三种情景的表面污染物含量进行模拟，其三种情景的汇水区1的TSS浓度的瞬时变化数据如图9-11所示，三种情景下汇水区1的TSS的质量变化如图12所示.

图12 汇水区1三种情景TSS质量的变化

由图9-11可以看出TSS的浓度在设置LID设施后随时间的增加而下降，说明LID设施对雨水中污染物起到了一定降解与截留去除的作用，使得最终汇入中心湖的TSS质量浓度明显降低，所以设置LID设施可以改善中心湖中的TSS.但是，设置LID设施的两种模式相比，情景一的情况下TSS质量浓度下降的速率比情景二更快一些，重现期越大，TSS的质量浓度也就越高，但是不管重现期为2 a，3 a，5 a，最终模式一比模式二去除截留TSS的效果更好一些，更适合该研究区，能够以最快的速率去除TSS.

图9 重现期为2 a时汇水区1 TSS质量浓度的数据变化

图10 重现期为3 a时汇水区1 TSS质量浓度的数据变化

图11 重现期为5 a时汇水区1 TSS质量浓度的数据变化

在重现期为2 a的情况下，模式一比模式二能够使中心湖TSS的质量多下降7%；在重现期为3 a的情况下，两种模式均使中心湖的TSS质量有所下降，但是模式一比模式二的质量多下降6%；在重现期为5 a的情况下，模式一比模式二的TSS质量多下降5%（见表8）.所以综上所述，模式一以滞留为主、下渗为辅的下凹式绿地和透水铺装设施更适用于该研究区，该模式能使流入中心湖的TSS的浓度快速率下降，并且还能使TSS的质量快速下降，使中心湖的水质有一定的改善.

表8 不同重现期下的三种情景汇水区1 TSS质量削减率统计%

3 结论

（1）经分析发现模式一，以滞留为主，下渗为辅更适用于太湖路公园.经计算表明，在重现期为2 a情况下，未设置LID设施时对雨水的控制率为58%，而使用模式一控制了83%的雨水，模式二控制了77%的雨水；在重现期为3 a的情况下，未设置LID设施时对雨水的控制率为51%，而使用模式一控制了75%的雨水，模式二控制了69%的雨水；在重现期为5 a的情况下，未设置LID设施时对雨水的控制率为45%，使用模式一控制了68%的雨水，模式二控制了61%的雨水.所以，模式一对雨水的控制，更适合该研究区太湖路公园.

（2）对于悬浮污染物TSS而言，在重现期为2 a的情况下，未设置LID设施时对TSS的控制率为58%，而模式一控制了90%的污染物，模式二仅仅控制了62%；在重现期为3 a的情况下，未设置LID设施时对TSS的控制率为51%，而模式一控制了87%的污染物，模式二仅控制了55%；在重现期为5 a的情况下，未设置LID设施时对TSS的控制率为45%，而模式一控制了85%的污染物，模式二仅仅控制了50%.模式一对TSS的控制，更适合该研究区太湖路公园.