基于LID理论的透水路面雨洪控制模拟分析

王 雷 张 杰 王小龙

(1.河北水利电力学院，河北 沧州 061001；2.河北省岩土工程安全与变形控制重点实验室，河北 沧州 061001；3.河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心，河北 沧州 061001)

我国现处于城镇化高速发展时期，不渗透下垫面增加，异常天气频发，降水量明显增多，城市内涝问题严重，传统的“快排式”防洪排涝方法已无法解决日益突出的内涝问题。海绵城市基于低影响开发理论，能够使雨水得到吸纳、蓄渗和缓释，能有效缓解城市内涝，降低非点源污染，具有重要的现实意义[1-2]。

雨水计算模型是研究雨水管理以及低影响开发技术的一项重要方法。20世纪90年代，我国开始利用计算模型从事雨水管理研究[3]，1993年岑国平等[4]开发了我国第一个完整的城市雨水管道计算模型，它兼顾了雨水管道的设计、城市雨洪的控制、污染物的防治等功能。随后，国内其他学者也进行了类似研究，宋耘等[5]通过构建SWMM模型，利用快速推算最大积水深度法很好地模拟了南京“7·18”暴雨积水过程；高曼等[6]采用边际效益法和成本效益法，研究了山地小区LID 设施的组合比例规律；向代锋等[7]采用修正的Morris筛选法和互信息法，分析了不同重现期洪峰流量、径流系数对SWMM参数的敏感性；周冠南等[8]建立SWMM模型研究了萍乡市西南片区的水文响应和成本效益问题，对海绵城市的建设效果进行了评价。然而，国内专门研究透水路面调控雨水水量与水质问题的成果并不多，更鲜有研究透水路面投入使用后的阻塞问题。因此，本文以沧州中欧绿色产业园为例，构建了SWMM模型，模拟计算透水路面对径流总量和两种常见污染物TP、TN的削减效果，探究了透水路面受设计降雨重现期和路面阻塞因子影响的变化规律，可为透水路面的设计、建设与管理提供一定理论支撑和技术参考。

1 研究区域概况

研究区域为沧州中欧绿色产业园，地理坐标为东经117°27′4″～117°27′20″，北纬38°24′11″～38°24′29″，该地区属暖温带大陆季风气候，年平均气温为12.5℃，年平均降水量581mm，夏季受太平洋副热带高压影响，极易形成强降雨。研究区域建设总面积约11hm2，硬化程度较高，其中屋顶面积达到55.3%，道路和绿地面积占比分别为22.5%和22.2%。

2 SWMM模型构建

借助研究区域平面布置图，依据园区建筑、道路、场地竖向设计及雨水管线分布情况，按照就近排放原则，将研究区域划分为55个子汇水区、106个节点和1个排放口。模拟过程中设置为封闭边界，四周没有入流，排放口边界条件设置为自由出流，初始地表无积水。子汇水区布设情况见图1。

图1 子汇水区布设情况

2.1 参数输入与率定

本区域在构建模型时，根据项目设计资料、工作手册确定面积、特征宽度等参数，下渗速率、曼宁系数等不确定性参数需通过率定确定。因该科技园区刚建立，尚无实测监控数据，国内常采用刘兴坡等[9-10]提出的径流系数法经多次调整迭代校准模型参数。本研究区域不透水面积比例为77.8%，属于城镇建筑密集居住区，综合径流系数为0.6～0.8，见表1。迭代调整后，重现期为1年时的计算径流系数为0.713，在 0.6～0.8之间，满足要求。

表1 综合径流系数[11]

为了验证模型在常见重现期下的稳定性，继续选取重现期为2年和3年进行验证，当重现期为2年时，径流系数为0.771；当重现期为3年时，径流系数为0.796，说明本研究采用的参数具有较高的稳定性。研究区域模型参数见表2。

表2 研究区域模型参数

透水路面设置为半透水路面，路面参数取值见表3[12]。

表3 透水路面设计参数

2.2 暴雨强度计算

根据相关水文气象资料，沧州市暴雨强度计算公式为

式中:q为设计暴雨强度，L/(s·m2);t为降雨历时，min;P为重现期,年。

经过查阅相关文献[13]，了解到所在地区降雨峰值较为靠前，确定峰值比例r为0.4，降雨历时为120min，重现期选用1年、2年和3年，降雨量分别为45.95mm、59.47mm和67.62mm，利用芝加哥雨型建立研究区域降雨过程曲线,见图2。

图2 1年、2年、3年重现期降雨过程曲线

3 分析研究

3.1 透水路面对径流的影响

节点和积水点统计情况见表4，由表4可知，透水路面改造前，1年重现期时无积水节点，说明研究区域基本满足1年重现期设计要求；当重现期为2年时，有20个节点发生积水，积水量为21.0万m3；重现期达到3年时，积水节点最多，达到23个，积水量达到45.5万m3，说明该区域应对极端降雨能力不足，容易出现区域内涝。设计透水路面后，2年重现期情况下未出现积水情况，当重现期为3年时，有2个节点出现积水，积水量为0.3万m3，说明设置透水路面使内涝情况得到明显缓解，能够提高区域防洪能力，但是随着重现期增加，透水路面的削减效果有所减弱，这是因为随着雨量的增大，透水路面蓄水层达到饱和状态，降雨量大于蓄水层外排量，地表开始产生大量径流。

表4 节点和积水点统计

在不同重现期条件下，研究区域排放口的径流随时间变化的曲线见图3，由图3可知，1年重现期时，径流总量削减39.37%，峰值削减33.78%，峰现时间延缓1min；2年重现期时，径流总量削减38.18%，峰值削减31.61%，峰现时间延缓3min；3年重现期时，径流总量削减37.69%，峰值削减24.27%,峰现时间延缓5min，说明透水路面在削减径流总量、峰值流量方面具有很好的效果，延缓峰现时间方面表现一般。同时，随着设计重现期的增大，控制效果逐渐降低。

图3 不同重现期降雨强度及径流时间过程曲线

透水路面改造前后径流控制情况见表5，由表5可以看出，透水路面改造后，研究区域的总体下渗量增加1倍，且径流量削减约40%；加LID措施后，径流系数均控制在0.5以下。

表5 透水路面改造前后径流控制情况

3.2 污染物TP、TN浓度的影响分析

本文选取雨前的干旱时间为5天，天然雨水中TN浓度取值为1.00mg/L,TP浓度取值为0.02mg/L[14]，不同土地利用类型的积累及冲刷参数见表6[15-16]。

表6 地表物累计及冲刷参数

1年、2年、3年重现期两种污染物浓度变化情况见图4～图6，由图4～图6可知，在1年、2年和3年重现期设计降雨条件下，透水路面改造前，TP浓度峰值出现的时刻分别为降雨后54min、降雨后55min、降雨后55min；设置透水路面后，TP浓度峰值出现的时刻分别为降雨后56min、降雨后57min、降雨后57min，污染物TP浓度峰值削减率分别为25.00%、19.23%、14.98%。透水路面改造前，TN浓度峰值出现的时刻分别为降雨后55min、降雨后51min、降雨后53min；设置透水路面后，TN浓度峰值出现的时刻分别为降雨后57min、降雨后53min、降雨后55min，污染物TN浓度峰值削减率分别为11.66%、6.48%、3.39%。由此可见，透水路面对于TP、TN两种污染物浓度峰现时间的影响均不敏感，对削减浓度峰值有较大贡献，对TP的浓度峰值削减率最大达到25.00%，TN最大达到11.66%，但随着重现期的增大，浓度峰值削减率有较大程度的降低。

图4 1年重现期两种污染物浓度变化

图5 2年重现期两种污染物浓度变化

图6 3年重现期两种污染物浓度变化

透水路面对污染物TP、TN的影响见表7，由表7可知，设置透水路面后，在1年重现期下，排放口中污染物TP总量削减率达到50.72%，污染物TN总量削减率达到41.60%。透水路面对于两种污染物总量的削减率要优于峰值削减率。

表7 透水路面对污染物TP、TN的影响

3.3 路面阻塞对径流的影响分析

透水路面投入使用后，路面孔隙会被尘土颗粒、垃圾等物质阻塞，随着物质的积累，透水路面的渗水能力会逐渐降低。本文设置阻塞因子为200%[17]，模拟透水路面严重阻塞后对研究区域径流量和污染物浓度的影响规律，见表8。

由表8可以看出，在设置透水路面条件下，在重现期1～30年时，路面阻塞对径流系数没有影响，但对大重现期(50年)降雨的径流控制效果影响明显，径流系数增加1.1%，这是由于路面渗透速率降低，雨水的下渗减少，路面出现积水。重现期为1年时，路面阻塞对TP、TN的削减率没有影响；重现期10年以后，由于阻塞的影响，TP、TN的削减率出现下降趋势。为避免以上现象，应定期对路面进行清扫维护，保持路面渗水能力，减少地表径流。

4 结 语

本文构建了沧州中欧绿色产业园区地表径流和非点源污染模型，评估了该研究区域防洪能力，即仅满足1年重现期设计，在极端降雨时易出现区域内涝。进行透水路面改造后，透水路面在削减径流总量、峰值流量方面具有很好的效果，最大削减率分别达到39.37%和33.78%。但是，透水路面延缓峰现时间能力欠佳，随着降雨设计重现期增大，径流削减效果均有所减弱。在处理非点源污染方面，透水路面对于TP、TN两种污染物浓度峰现时间的影响均不敏感，对削减浓度峰值、总量有较大贡献，TP峰值削减率和总量削减率分别达到25.00%和50.72%，TN达到11.66%和41.60%，随着重现期的增大，浓度洪峰削减率、总量削减率有较大幅度下降。同时，路面阻塞对透水路面发挥渗透能力有较大影响。因此，由于透水路面在延缓峰现时间方面效果较差，在进行海绵化改造时，透水路面应配合其他LID设施使用，且应定期清洗和维护。研究成果可为海绵科技园区的推广以及透水路面的设计运维提供一定理论支持。