基于LID的城市内涝情景模拟研究

孙诗琴

(中煤(西安)地下空间科技发展有限公司,陕西 西安 710199)

0 引 言

近年来,城市排水系统引发的各种事件频繁发生,短时强降雨来势凶猛速度极快,也导致城市内水体污染和内涝突发性灾害频发,对城市的正常生产生活和经营管理造成严重影响[1]。气候变暖极端天气因素、地面不透水面积比例增加、排水体制及其雨水污水消纳处理能力不足等城市规划建设的理念和管理方面的许多原因造成城市排水污染和内涝[2],尽管政府部门、研究机构和实施单位在不同历史时期对城市排水规划、设施建设等方面[3],做了大量研究和工程实践,也取得不同阶段不同需求的相应成效[4,5],但城市内水体污染和城区内涝现象依旧频繁发生,这对城市管理和各项相关工作正常运转带来前所未有的极大挑战。

为了使城市排水系统安全运营,提出了“低影响开发”概念[6,7]:低影响开发[8-10]是海绵城市建设[11]的关键性技术。发生降雨时利用低影响开发技术对雨水进行存储、净化,在需要利用雨水时,将储存的雨水加以利用,释放出的雨水可以冲洗路面,灌溉草木,补充地下水等,实现雨水资源的高效利用[12,13]。

1 低影响开发方案设计

1.1 低影响开发位置设计

LID布局需综合考虑研究区土地利用类型、下垫面类型(表1)、雨洪控制成果、景观设计、建造和维护成本(表2)、限制条件等因素[14,15]。其中土地利用类型、下垫面类型、雨洪控制效果、景观设计作为低影响开发设施的初步筛选条件,建造和维护成本、限制条件等因素作为低影响开发优化布局的考量标准[16,17]。本文综合考虑各方因素,选择透水铺装[18]、雨水花园[19]和绿色屋顶作为低影响开发研究对象[20]。

表1 各类城市用地LID设施适用表[14]

表2 各项LID设施的水文功能和功能费用[21]

LID布局方式有两种,一种是以单一或多种LID措施代替等面积的子汇水区内的未设置LID措施的区域,另一种是创建新的子汇水区,多采用单一的LID措施[22]。本研究采用第一种LID布局方法(图1),结合海绵城市建设规划,在SWMM模型中设置单一LID措施和组合LID措施[23],模拟研究区降雨序列,比较不同LID方案的雨洪响应效果。以研究区土地利用类型为依据,共设计七种LID方案(表3)。方案1(图2(a))为布设于人行道和停车场的透水铺装;方案2(图2(b))是布设于面积较大绿地的雨水花园;方案3(图2(c))是用于屋顶改造的绿色屋顶;方案4(图2(d))是透水铺装和雨水花园的适建范围;方案5(图2(e))是透水铺装和绿色屋顶的适建范围;方案6(图2(f))是雨水花园和绿色屋顶的适建范围;方案7(图2(g))是透水铺装、雨水花园和绿色屋顶的适建范围。

图2 七种LID方案适建范围,(a)-(g)分别为方案1-方案7

表3 LID方案设置

1.2 低影响开发参数设计

LID参数主要分为经验值和实验值[24],土壤层厚度和蓄水层厚度为实验值;土壤层的孔隙率和导水率坡度、路面层孔隙比和蓄水层孔隙比主要根据实验或SWMM模型用户手册提供的经验值确定。

(1)透水铺装参数设计

根据透水铺装适用范围,研究区内所有子汇水区均布设相应比例透水铺装,改造面积 66.95 ha,占比16.21%。透水铺装参数设置具体如表4所示。

表4 透水铺装参数设置

(2)雨水花园参数设计

根据雨水花园适用范围,研究区内子汇水区H1、H12、H13和H24布设相应比例透水铺装,改造面积 107.70 ha,占比26.08%。雨水花园参数设置具体如表5所示。

表5 雨水花园参数设置

(3)绿色屋顶参数设计

根据绿色屋顶适用范围,研究区内子汇水区除H3、H12、H13、H24以外,其余子汇水区均布设相应比例绿色屋顶,改造面积 67.77 ha,占比16.41%。绿色屋顶参数设置具体如表6所示。

表6 绿色屋顶参数设置

2 不同低影响开发方案的雨洪响应分析

以总径流量削减率、洪峰流量削减率和径流系数削减率作为评估各项LID方案雨洪控制效果的指标。通过措施比选,得到雨洪控制方面的最佳LID方案。

2.1 单一LID方案的雨洪响应分析

利用SWMM模拟不同重现期下布设各项单一LID方案时研究区的总径流量削减率、洪峰流量削减率和径流系数削减率,所得结果分别如图3、图4和图5所示。

图3 不同单一LID方案的总径流量削减率

图4 不同单一LID方案的洪峰流量削减率

图5 不同单一LID方案的径流系数削减率

(1)单一LID方案对总径流量的削减效果

由图3可知,三种单一LID方案均对总径流量削减有一定效果。在相同重现期条件下,单一LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:透水铺装>绿色屋顶>雨水花园。方案1中,随着重现期增大,总径流量削减率随之减少,说明透水铺装在降雨强度较小时具有明显削减地表径流量效果,总径流量削减率达到22.49%,但在降雨强度较大时,雨洪控制效果较弱。方案2中,总径流量削减率随着重现期增大明显增加,说明雨水花园对总径流量的削减成效受降雨强度影响较大,在高重现期时,总径流量削减率达到16.65%。方案3中,绿色屋顶对总径流量的削减率在重现期P=2a、P=5a时基本保持不变,分别为20.78%、20.68%,在重现期P=10a时,削减率略有下降,值为20.51%。

(2)单一LID方案对洪峰流量的削减效果

由图4可知,三种单一LID方案均对洪峰流量指标削减具有一定成效。在相同重现期条件下,单一LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:绿色屋顶>透水铺装>雨水花园。方案1中,在三种重现期条件下,透水铺装对洪峰流量的削减率无明显起伏,约为25%,说明透水铺装对洪峰流量的削减成效与降雨强度无明显关联。方案2中,在三种重现期条件下,雨水花园对洪峰流量的削减成效无明显起伏,约为14%,说明雨水花园对洪峰流量的削减成效与降雨强度无明显关联。方案3中,随重现期增大,绿色屋顶对洪峰流量的削减效果略有增加,削减率在29%左右,说明绿色屋顶对洪峰流量有较为明显的控制效果,在高重现期下,对洪峰流量控制效果较好。

(3)单一LID对径流系数的削减效果

由图5可知,三种单一LID方案均对径流系数指标具有削减成效。在相同重现期条件下,单一LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:绿色屋顶和透水铺装对径流系数削减效果相当,雨水花园对径流系数削减效果最弱。方案1中,透水铺装对径流系数削减成效随重现期增大先下降后基本保持不变,削减率在24%～27%之间,说明透水铺装对径流系数的削减成效在低、中重现期下受降雨强度影响较大。方案2中,随重现期增大,雨水花园对径流系数的削减成效先基本保持不变后增加,削减率在5%～7%之间,说明雨水花园对径流系数的削减效果较弱。方案3中,绿色屋顶对径流系数的削减成效随重现期增大先减小后增加,削减率在26%左右,说明绿色屋顶对径流系数削减效果显著,与透水铺装削减成效相当。

2.2 组合LID方案的雨洪响应分析

利用SWMM模拟不同重现期下布设各项组合LID方案时研究区的总径流量削减率、洪峰流量削减率和径流系数削减率,所得结果分别如图6、图7和图8所示。

图6 不同组合LID方案的总径流量削减率

图7 不同组合LID方案的洪峰流量削减率

图8 不同组合LID方案的径流系数削减率

(1)组合LID方案对总径流量的削减效果

由图6可知,组合LID方案对总径流量的削减性能均高于单一LID方案,组合方案的总径流量削减率随重现期增大而明显增大,说明组合方案在降雨强度较大时仍具有显著控制径流效果,其中方案7:透水铺装&雨水花园&绿色屋顶对总径流量削减成效最为显著,削减率在42%～48%之间。方案4中,三种重现期下的总径流量削减率在24%～29%之间。方案5中,三种重现期下的总径流量削减率在24%～32%之间。方案6中,三种重现期下的总径流量削减率在24%～31%之间。

比较透水铺装、绿色屋顶和雨水花园两两组合的LID方案在相同重现期下的总径流量削减率可知,①重现期P=2a时,两两组合LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:雨水花园&绿色屋顶>透水铺装&绿色屋顶≈透水铺装&雨水花园。②重现期P=5a时,两两组合LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:雨水花园&绿色屋顶>透水铺装&雨水花园>透水铺装&绿色屋顶。③重现期P=10a时,两两组合LID方案对总径流量削减成效由大到小依次为:透水铺装&绿色屋顶>雨水花园&绿色屋顶>透水铺装&雨水花园。由此可见,组合LID对总径流量的削减性能并不是简单地将单一LID方案性能的叠加,而需考虑其他因素,如限制条件、土壤肥力等因素。

(2)组合LID方案对洪峰流量的削减效果

由图7可知,组合LID方案对洪峰流量的削减效果均高于单一LID方案,组合方案的洪峰流量削减率随重现期增大而明显增大,说明组合方案在降雨强度较大时仍具有显著控制洪峰流量效果,其中方案7:透水铺装&雨水花园&绿色屋顶对洪峰流量削减效果最为显著,削减率在52%～55%之间。方案4中,三种重现期下的洪峰流量削减率在27%～30%之间。方案5中,三种重现期下的洪峰流量削减率在37%～40%之间。方案6中,三种重现期下的洪峰流量削减率在34%～37%之间。

由以上数据可知,三种重现期下,两两组合LID方案对洪峰流量削减成效由大到小依次为:透水铺装&绿色屋顶>雨水花园&绿色屋顶>透水铺装&雨水花园。说明两两组合LID方案中透水铺装&绿色屋顶的组合方案对洪峰流量削减成效最佳。

(3)组合LID方案对径流系数的削减效果

由图8可知,组合LID方案对径流系数的削减效果均高于单一LID方案,组合方案的径流系数削减率随重现期增大而明显增大,说明组合方案在降雨强度较大时仍具有显著控制径流系数效果,其中方案7:透水铺装&雨水花园&绿色屋顶对径流系数削减成效最为显著,削减率在43%～47%之间。方案4中,三种重现期下的径流系数削减率在20%～24%之间。方案5中,三种重现期下的径流系数削减率在35%～39%之间。方案6中,三种重现期下的径流系数削减率在22%～26%之间。

比较透水铺装、绿色屋顶和雨水花园两两组合的LID方案在相同重现期下的径流系数削减率可知,三种重现期下,两两组合LID方案对径流系数削减效果由大到小依次为:透水铺装&绿色屋顶>雨水花园&绿色屋顶>透水铺装&雨水花园。说明两两组合LID方案中透水铺装&绿色屋顶的组合方案对径流系数削减效果最佳。

3 结 论

(1)从总径流量削减效果来看,透水铺装、雨水花园、绿色屋顶的三者组合方案对总径流量削减成果优于其他LID方案,削减率在42%～48%之间。两两组合LID方案的总径流量削减成效均优于单一LID方案。在两两组合LID方案中,在重现期P=2a和P=5a时,雨水花园、绿色屋顶组合方案对总径流量的削减效果最佳,P=10a时,透水铺装、绿色屋顶组合方案对总径流量的削减效果最佳。

(2)从洪峰流量削减效果来看,透水铺装、雨水花园、绿色屋顶的组合方案削减成果优于其他LID方案,削减率在52%～55%之间。两两组合方案的洪峰流量削减成果均优于单一LID方案。两两组合LID方案中透水铺装&绿色屋顶的组合方案对洪峰流量削减成果最佳,削减率在37%～40%之间。

(3)从径流系数削减效果来看,透水铺装、雨水花园、绿色屋顶的组合方案对径流系数的削减成果优于其他LID方案,削减率在43%～47%之间。两两组合方案的径流系数削减成果均优于单一LID方案[21]。两两组合LID方案中透水铺装、绿色屋顶的组合方案对径流系数的削减成果最佳,削减率在35%～39%之间。