胡愛(ài)兵，任心欣，丁年，湯偉真

(深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518028)

摘要：以深圳市某低影響開(kāi)發(fā)（LID）示范區(qū)為例，通過(guò)對(duì)示范區(qū)構(gòu)建現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型和LID模型，探討了示范區(qū)LID規(guī)劃目標(biāo)的制定方法、LID設(shè)施布局的總體思路以及基于LID目標(biāo)的LID設(shè)施優(yōu)化方法，最終得到示范區(qū)LID設(shè)施布局方案。模擬結(jié)果表明，通過(guò)在示范區(qū)綜合應(yīng)用一定規(guī)模（綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹(shù)池等5類LID設(shè)施占示范區(qū)總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計(jì)約為31.5%）的LID設(shè)施，可使示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值、峰值流量接近現(xiàn)狀值。

目前SWMM在城市降雨徑流模擬方面已有廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)關(guān)于SWMM在城市區(qū)域性低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施的布局及效果評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用研究尚較少。運(yùn)用SWMM的LID模塊，通過(guò)對(duì)場(chǎng)降雨事件及連續(xù)降雨事件的模擬，可實(shí)現(xiàn)LID設(shè)施對(duì)雨水徑流量、峰值流量、污染負(fù)荷及年合流制溢流（CSO）發(fā)生頻率控制效果的模擬和評(píng)估，從而指導(dǎo)城市開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中LID設(shè)施的布局及優(yōu)化。筆者以深圳市某LID示范區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用SWMM對(duì)其現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式和LID開(kāi)發(fā)模式下的水文條件進(jìn)行模擬，以指導(dǎo)示范區(qū)LID設(shè)施的合理布局。

1 研究區(qū)域概況

研究對(duì)象是深圳市即將開(kāi)發(fā)建設(shè)的LID示范區(qū)域，面積約為24 hm²。示范區(qū)西側(cè)現(xiàn)狀為建設(shè)密度較高的城中村及客家圍屋，其余地塊為大片綠地或裸地，東側(cè)瀕臨丁山河，整體西北高、東南低。示范區(qū)用地規(guī)劃的下墊面類型包括建筑與小區(qū)、綠地、市政道路、停車場(chǎng)等。根據(jù)測(cè)算，示范區(qū)現(xiàn)狀不透水率約為24%，現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)為0.29。

2 研究方法

2.1 LID規(guī)劃目標(biāo)

低影響開(kāi)發(fā)的基本原理是通過(guò)分散的、源頭的設(shè)施使區(qū)域開(kāi)發(fā)建設(shè)后的水文狀態(tài)盡量接近于開(kāi)發(fā)建設(shè)前，反映在具體量化指標(biāo)上，要求區(qū)域開(kāi)發(fā)建設(shè)后的雨水徑流量和峰值流量盡量接近于開(kāi)發(fā)建設(shè)前的水平。本次研究將基于示范區(qū)現(xiàn)狀的雨水徑流量和峰值流量模擬結(jié)果，確定LID規(guī)劃目標(biāo)為：①示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值。該目標(biāo)可通過(guò)示范區(qū)的年綜合雨量徑流系數(shù)表征，即示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的年綜合雨量徑流系數(shù)不大于現(xiàn)狀值。②示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的峰值流量盡量接近現(xiàn)狀值。峰值流量控制目標(biāo)是針對(duì)全年中最強(qiáng)的一場(chǎng)降雨進(jìn)行控制，其不確定因素眾多。要求示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的峰值流量不大于現(xiàn)狀值很難實(shí)現(xiàn)，且意義不大；而要求開(kāi)發(fā)建設(shè)后的峰值流量盡量接近于現(xiàn)狀值則更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 研究總體思路

研究總體思路如圖1所示。

圖1 研究總體思路

首先，對(duì)示范區(qū)的現(xiàn)狀水文特征進(jìn)行模型評(píng)估，進(jìn)而確定LID目標(biāo)；其次，根據(jù)示范區(qū)的詳細(xì)藍(lán)圖規(guī)劃，綜合考慮示范區(qū)的空間布局、景觀要求、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)管理等因素，進(jìn)行LID設(shè)施的初步布局，并進(jìn)行模型評(píng)估；第三，將LID初步方案的模擬結(jié)果與LID目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行LID布局方案的優(yōu)化調(diào)整，并再次進(jìn)行模擬；反復(fù)調(diào)整直至結(jié)果達(dá)到LID目標(biāo)，最終得到LID設(shè)施的布局方案。

2.3 模型構(gòu)建

為便于分析，本次研究共構(gòu)建了3種不同情景下的模型：①現(xiàn)狀模型，即基于現(xiàn)狀下墊面的模型；②傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型，即按傳統(tǒng)模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)，不采用LID設(shè)施的模型；③LID模型，即在建設(shè)項(xiàng)目的各類下墊面綜合應(yīng)用多種LID設(shè)施后的模型。

2.4 設(shè)計(jì)降雨

SWMM中降雨數(shù)據(jù)可以是實(shí)際降雨數(shù)據(jù)，也可以是設(shè)計(jì)雨型，本次模擬采用實(shí)際降雨數(shù)據(jù)。選取深圳市某雨量站2012年5 min滑動(dòng)雨量記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到全年逐分鐘瞬時(shí)雨量，該雨量站2012年記錄降雨總量為1723.20 mm，接近深圳市多年平均降雨量。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)狀模型結(jié)果

① 現(xiàn)狀模型構(gòu)建

現(xiàn)狀條件下，除已建城中村、客家圍屋及兩條道路外，其余用地均為綠地和裸土，生態(tài)本底良好。根據(jù)示范區(qū)地形及現(xiàn)狀排水組織，將其劃分為9個(gè)一級(jí)匯水區(qū)；結(jié)合模型概化要素及精度要求，再將其細(xì)分為22個(gè)二級(jí)匯水區(qū)。最終示范區(qū)被概化為22個(gè)二級(jí)匯水區(qū)，24個(gè)檢查井節(jié)點(diǎn)，23條排水管道。

② 現(xiàn)狀模型結(jié)果

采用2012年全年降雨進(jìn)行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線

由圖2（a）可知，現(xiàn)狀條件下，示范區(qū)只有較大的降雨才會(huì)產(chǎn)生徑流，大部分中、小雨無(wú)徑流產(chǎn)生，說(shuō)明大部分降雨被入滲或滯蓄，現(xiàn)狀年雨量綜合徑流系數(shù)約為0.26。由圖2（b）可知，示范區(qū)2012年全年徑流峰值流量出現(xiàn)在第119天，峰值流量接近3.14 m³/s。

3.2 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型結(jié)果

① 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型構(gòu)建

傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型的構(gòu)建是基于示范區(qū)詳細(xì)藍(lán)圖規(guī)劃，按規(guī)劃，示范區(qū)除客家圍屋等少部分區(qū)域改造外，其余區(qū)域均為新建區(qū)域。根據(jù)示范區(qū)詳細(xì)藍(lán)圖規(guī)劃和雨水管網(wǎng)規(guī)劃，將示范區(qū)劃分為11個(gè)一級(jí)匯水區(qū)、30個(gè)二級(jí)匯水區(qū)，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下墊面匯水區(qū)劃分及SWMM模型界面如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型的構(gòu)建

② 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型結(jié)果

采用2012年全年降雨進(jìn)行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖4所示�？梢钥闯�,在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型下，示范區(qū)能夠形成徑流的降雨量高達(dá)908mm，年雨量綜合徑流系數(shù)為0.53，是現(xiàn)狀值的兩倍；示范區(qū)全年徑流峰值流量出現(xiàn)在第206天，峰值流量接近5.5 m³/s，遠(yuǎn)高于現(xiàn)狀值。表明在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型下，示范區(qū)水文狀態(tài)有較大變化，示范區(qū)不透水下墊面的大量增加減少了雨水徑流的入滲和滯蓄，致使徑流量和峰值流量顯著增大。

圖4 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線

3.3 LID模型結(jié)果

① 示范區(qū)LID目標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)途徑

根據(jù)現(xiàn)狀模型結(jié)果，確定示范區(qū)LID目標(biāo)為：①年綜合雨量徑流系數(shù)≤0.26；②峰值流量接近3.14 m³/s。示范區(qū)LID目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑：在示范區(qū)各建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行5類LID設(shè)施的布局與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)雨水徑流的源頭削減，進(jìn)而達(dá)到示范區(qū)LID目標(biāo)。

② LID模型構(gòu)建

LID模型的構(gòu)建也是基于示范區(qū)詳細(xì)藍(lán)圖規(guī)劃。相比傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，LID模式是在示范區(qū)的下墊面因地制宜、綜合應(yīng)用多種LID設(shè)施進(jìn)行雨水徑流的控制。LID模型的雨水徑流組織如圖5所示。根據(jù)示范區(qū)用地規(guī)劃和雨水管網(wǎng)規(guī)劃，結(jié)合圖5所示的徑流組織，將示范區(qū)劃分為11個(gè)一級(jí)匯水區(qū)、30個(gè)二級(jí)匯水區(qū)。

圖5 LID模式下各類下墊面的徑流組織

LID模型共定義了5類LID設(shè)施，各類LID設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 各類LID設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)合SWMM用戶手冊(cè)、相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)際工程試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各類LID設(shè)施的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。存水區(qū)植被覆蓋百分比參考用戶手冊(cè)建議取0.15；配置土壤層孔隙率取0.18，田間持水率取0.1，枯萎點(diǎn)取0.3；雨水花園、綠色屋頂、下凹綠地和LID樹(shù)池的土壤水力傳導(dǎo)率分別取18、36、3.6、3.6 mm/h；路面層孔隙比取0.1，蓄水層孔隙比取0.43；綠色屋頂?shù)娜霛B率取0，其他設(shè)施取1.8mm/h；排水層中綠色屋頂按蓄水24 h排空取值。

③ LID模型結(jié)果

采用2012年全年降雨進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)數(shù)輪優(yōu)化調(diào)整，得到LID最終方案的模型結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型及LID模型結(jié)果對(duì)比

由表2可知，在LID模式下，示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后年綜合雨量徑流系數(shù)與現(xiàn)狀值相同，峰值流量接近現(xiàn)狀值，這表明通過(guò)在不同的下墊面綜合應(yīng)用多種LID設(shè)施，可以使示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的水文狀態(tài)盡量接近開(kāi)發(fā)建設(shè)前，達(dá)到示范區(qū)LID目標(biāo)。另外由表2可知，LID模式下示范區(qū)的總徑流量較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式降低51%，峰值流量較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式削減40%；在總降雨量固定的情況下，LID模式下的總蒸發(fā)量和總?cè)霛B量較傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式均有大幅度提高，最終地表蓄水無(wú)明顯變化，表明LID模式下雨水徑流量和峰值流量的削減主要是基于雨水徑流的蒸發(fā)和入滲。

4 LID設(shè)施布局

根據(jù)示范區(qū)LID的最終布局方案，以示范區(qū)內(nèi)X地塊為例，說(shuō)明示范區(qū)各地塊LID設(shè)施的布局。X地塊面積為4.70hm²，包括屋面、綠地、鋪裝場(chǎng)地等3類下墊面，各下墊面面積及LID設(shè)施面積見(jiàn)表3。X地塊的LID設(shè)施布局見(jiàn)圖6。

表3 X地塊LID設(shè)施一覽表

圖6 X地塊LID設(shè)施布局方案

由表3可知，對(duì)于X地塊，并非所有的下墊面均需建設(shè)LID設(shè)施，對(duì)某一類下墊面，只需建設(shè)一定比例的LID設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)LID目標(biāo)。例如，對(duì)屋頂而言，只需將地塊內(nèi)48.0%的屋頂建設(shè)為綠色屋頂即可，其余屋頂可設(shè)置太陽(yáng)能設(shè)施或用作他用，這樣既符合經(jīng)濟(jì)性的原則，又可避免LID設(shè)施與其他設(shè)施建設(shè)的沖突�？傮w而言，各類LID設(shè)施的面積均不超過(guò)其所在下墊面面積的一半。X地塊內(nèi)所有LID設(shè)施的面積約占X地塊總面積的44.6%。

示范區(qū)由5個(gè)地塊以及市政道路和公共綠地組成。就整個(gè)示范區(qū)而言，綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹(shù)池占示范區(qū)總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計(jì)約為31.5%。

5 結(jié)論

① 采用SWMM可有效模擬LID開(kāi)發(fā)模式下的城市區(qū)域水文狀態(tài)，為城市區(qū)域內(nèi)各建設(shè)項(xiàng)目LID設(shè)施的布局與優(yōu)化提供技術(shù)支持和依據(jù)。

② 對(duì)深圳市某示范區(qū)分別構(gòu)建現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模型和LID模型，并進(jìn)行模擬和對(duì)比分析，結(jié)果表明，通過(guò)在示范區(qū)綜合應(yīng)用一定規(guī)模的綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹(shù)池，即可使示范區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值、峰值流量接近現(xiàn)狀值。

③ 綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等因素，LID設(shè)施的規(guī)模不宜過(guò)大。不同的建設(shè)項(xiàng)目，其LID設(shè)施所占比例亦不相同。通過(guò)對(duì)示范區(qū)每一地塊及市政道路和公共綠地的LID設(shè)施規(guī)模的統(tǒng)計(jì)，LID設(shè)施的面積達(dá)到示范區(qū)總面積的1/3即可達(dá)到示范區(qū)LID目標(biāo)。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第21期“城市雨水管理”欄目）

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