基于LID的城市內(nèi)澇情景模擬研究

孫詩琴

(中煤(西安)地下空間科技發(fā)展有限公司,陜西 西安 710199)

0 引 言

近年來,城市排水系統(tǒng)引發(fā)的各種事件頻繁發(fā)生,短時(shí)強(qiáng)降雨來勢兇猛速度極快,也導(dǎo)致城市內(nèi)水體污染和內(nèi)澇突發(fā)性災(zāi)害頻發(fā),對城市的正常生產(chǎn)生活和經(jīng)營管理造成嚴(yán)重影響[1]。氣候變暖極端天氣因素、地面不透水面積比例增加、排水體制及其雨水污水消納處理能力不足等城市規(guī)劃建設(shè)的理念和管理方面的許多原因造成城市排水污染和內(nèi)澇[2],盡管政府部門、研究機(jī)構(gòu)和實(shí)施單位在不同歷史時(shí)期對城市排水規(guī)劃、設(shè)施建設(shè)等方面[3],做了大量研究和工程實(shí)踐,也取得不同階段不同需求的相應(yīng)成效[4,5],但城市內(nèi)水體污染和城區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)象依舊頻繁發(fā)生,這對城市管理和各項(xiàng)相關(guān)工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來前所未有的極大挑戰(zhàn)。

為了使城市排水系統(tǒng)安全運(yùn)營,提出了“低影響開發(fā)”概念[6,7]:低影響開發(fā)[8-10]是海綿城市建設(shè)[11]的關(guān)鍵性技術(shù)。發(fā)生降雨時(shí)利用低影響開發(fā)技術(shù)對雨水進(jìn)行存儲、凈化,在需要利用雨水時(shí),將儲存的雨水加以利用,釋放出的雨水可以沖洗路面,灌溉草木,補(bǔ)充地下水等,實(shí)現(xiàn)雨水資源的高效利用[12,13]。

1 低影響開發(fā)方案設(shè)計(jì)

1.1 低影響開發(fā)位置設(shè)計(jì)

LID布局需綜合考慮研究區(qū)土地利用類型、下墊面類型(表1)、雨洪控制成果、景觀設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)成本(表2)、限制條件等因素[14,15]。其中土地利用類型、下墊面類型、雨洪控制效果、景觀設(shè)計(jì)作為低影響開發(fā)設(shè)施的初步篩選條件,建造和維護(hù)成本、限制條件等因素作為低影響開發(fā)優(yōu)化布局的考量標(biāo)準(zhǔn)[16,17]。本文綜合考慮各方因素,選擇透水鋪裝[18]、雨水花園[19]和綠色屋頂作為低影響開發(fā)研究對象[20]。

表1 各類城市用地LID設(shè)施適用表[14]

表2 各項(xiàng)LID設(shè)施的水文功能和功能費(fèi)用[21]

LID布局方式有兩種,一種是以單一或多種LID措施代替等面積的子匯水區(qū)內(nèi)的未設(shè)置LID措施的區(qū)域,另一種是創(chuàng)建新的子匯水區(qū),多采用單一的LID措施[22]。本研究采用第一種LID布局方法(圖1),結(jié)合海綿城市建設(shè)規(guī)劃,在SWMM模型中設(shè)置單一LID措施和組合LID措施[23],模擬研究區(qū)降雨序列,比較不同LID方案的雨洪響應(yīng)效果。以研究區(qū)土地利用類型為依據(jù),共設(shè)計(jì)七種LID方案(表3)。方案1(圖2(a))為布設(shè)于人行道和停車場的透水鋪裝;方案2(圖2(b))是布設(shè)于面積較大綠地的雨水花園;方案3(圖2(c))是用于屋頂改造的綠色屋頂;方案4(圖2(d))是透水鋪裝和雨水花園的適建范圍;方案5(圖2(e))是透水鋪裝和綠色屋頂?shù)倪m建范圍;方案6(圖2(f))是雨水花園和綠色屋頂?shù)倪m建范圍;方案7(圖2(g))是透水鋪裝、雨水花園和綠色屋頂?shù)倪m建范圍。

圖2 七種LID方案適建范圍,(a)-(g)分別為方案1-方案7

表3 LID方案設(shè)置

1.2 低影響開發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)

LID參數(shù)主要分為經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)驗(yàn)值[24],土壤層厚度和蓄水層厚度為實(shí)驗(yàn)值;土壤層的孔隙率和導(dǎo)水率坡度、路面層孔隙比和蓄水層孔隙比主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)或SWMM模型用戶手冊提供的經(jīng)驗(yàn)值確定。

(1)透水鋪裝參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)透水鋪裝適用范圍,研究區(qū)內(nèi)所有子匯水區(qū)均布設(shè)相應(yīng)比例透水鋪裝,改造面積 66.95 ha,占比16.21%。透水鋪裝參數(shù)設(shè)置具體如表4所示。

表4 透水鋪裝參數(shù)設(shè)置

(2)雨水花園參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)雨水花園適用范圍,研究區(qū)內(nèi)子匯水區(qū)H1、H12、H13和H24布設(shè)相應(yīng)比例透水鋪裝,改造面積 107.70 ha,占比26.08%。雨水花園參數(shù)設(shè)置具體如表5所示。

表5 雨水花園參數(shù)設(shè)置

(3)綠色屋頂參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)綠色屋頂適用范圍,研究區(qū)內(nèi)子匯水區(qū)除H3、H12、H13、H24以外,其余子匯水區(qū)均布設(shè)相應(yīng)比例綠色屋頂,改造面積 67.77 ha,占比16.41%。綠色屋頂參數(shù)設(shè)置具體如表6所示。

表6 綠色屋頂參數(shù)設(shè)置

2 不同低影響開發(fā)方案的雨洪響應(yīng)分析

以總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數(shù)削減率作為評估各項(xiàng)LID方案雨洪控制效果的指標(biāo)。通過措施比選,得到雨洪控制方面的最佳LID方案。

2.1 單一LID方案的雨洪響應(yīng)分析

利用SWMM模擬不同重現(xiàn)期下布設(shè)各項(xiàng)單一LID方案時(shí)研究區(qū)的總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數(shù)削減率,所得結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 不同單一LID方案的總徑流量削減率

圖4 不同單一LID方案的洪峰流量削減率

圖5 不同單一LID方案的徑流系數(shù)削減率

(1)單一LID方案對總徑流量的削減效果

由圖3可知,三種單一LID方案均對總徑流量削減有一定效果。在相同重現(xiàn)期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝>綠色屋頂>雨水花園。方案1中,隨著重現(xiàn)期增大,總徑流量削減率隨之減少,說明透水鋪裝在降雨強(qiáng)度較小時(shí)具有明顯削減地表徑流量效果,總徑流量削減率達(dá)到22.49%,但在降雨強(qiáng)度較大時(shí),雨洪控制效果較弱。方案2中,總徑流量削減率隨著重現(xiàn)期增大明顯增加,說明雨水花園對總徑流量的削減成效受降雨強(qiáng)度影響較大,在高重現(xiàn)期時(shí),總徑流量削減率達(dá)到16.65%。方案3中,綠色屋頂對總徑流量的削減率在重現(xiàn)期P=2a、P=5a時(shí)基本保持不變,分別為20.78%、20.68%,在重現(xiàn)期P=10a時(shí),削減率略有下降,值為20.51%。

(2)單一LID方案對洪峰流量的削減效果

由圖4可知,三種單一LID方案均對洪峰流量指標(biāo)削減具有一定成效。在相同重現(xiàn)期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:綠色屋頂>透水鋪裝>雨水花園。方案1中,在三種重現(xiàn)期條件下,透水鋪裝對洪峰流量的削減率無明顯起伏,約為25%,說明透水鋪裝對洪峰流量的削減成效與降雨強(qiáng)度無明顯關(guān)聯(lián)。方案2中,在三種重現(xiàn)期條件下,雨水花園對洪峰流量的削減成效無明顯起伏,約為14%,說明雨水花園對洪峰流量的削減成效與降雨強(qiáng)度無明顯關(guān)聯(lián)。方案3中,隨重現(xiàn)期增大,綠色屋頂對洪峰流量的削減效果略有增加,削減率在29%左右,說明綠色屋頂對洪峰流量有較為明顯的控制效果,在高重現(xiàn)期下,對洪峰流量控制效果較好。

(3)單一LID對徑流系數(shù)的削減效果

由圖5可知,三種單一LID方案均對徑流系數(shù)指標(biāo)具有削減成效。在相同重現(xiàn)期條件下,單一LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:綠色屋頂和透水鋪裝對徑流系數(shù)削減效果相當(dāng),雨水花園對徑流系數(shù)削減效果最弱。方案1中,透水鋪裝對徑流系數(shù)削減成效隨重現(xiàn)期增大先下降后基本保持不變,削減率在24%～27%之間,說明透水鋪裝對徑流系數(shù)的削減成效在低、中重現(xiàn)期下受降雨強(qiáng)度影響較大。方案2中,隨重現(xiàn)期增大,雨水花園對徑流系數(shù)的削減成效先基本保持不變后增加,削減率在5%～7%之間,說明雨水花園對徑流系數(shù)的削減效果較弱。方案3中,綠色屋頂對徑流系數(shù)的削減成效隨重現(xiàn)期增大先減小后增加,削減率在26%左右,說明綠色屋頂對徑流系數(shù)削減效果顯著,與透水鋪裝削減成效相當(dāng)。

2.2 組合LID方案的雨洪響應(yīng)分析

利用SWMM模擬不同重現(xiàn)期下布設(shè)各項(xiàng)組合LID方案時(shí)研究區(qū)的總徑流量削減率、洪峰流量削減率和徑流系數(shù)削減率,所得結(jié)果分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 不同組合LID方案的總徑流量削減率

圖7 不同組合LID方案的洪峰流量削減率

圖8 不同組合LID方案的徑流系數(shù)削減率

(1)組合LID方案對總徑流量的削減效果

由圖6可知,組合LID方案對總徑流量的削減性能均高于單一LID方案,組合方案的總徑流量削減率隨重現(xiàn)期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強(qiáng)度較大時(shí)仍具有顯著控制徑流效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對總徑流量削減成效最為顯著,削減率在42%～48%之間。方案4中,三種重現(xiàn)期下的總徑流量削減率在24%～29%之間。方案5中,三種重現(xiàn)期下的總徑流量削減率在24%～32%之間。方案6中,三種重現(xiàn)期下的總徑流量削減率在24%～31%之間。

比較透水鋪裝、綠色屋頂和雨水花園兩兩組合的LID方案在相同重現(xiàn)期下的總徑流量削減率可知,①重現(xiàn)期P=2a時(shí),兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&綠色屋頂≈透水鋪裝&雨水花園。②重現(xiàn)期P=5a時(shí),兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園>透水鋪裝&綠色屋頂。③重現(xiàn)期P=10a時(shí),兩兩組合LID方案對總徑流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。由此可見,組合LID對總徑流量的削減性能并不是簡單地將單一LID方案性能的疊加,而需考慮其他因素,如限制條件、土壤肥力等因素。

(2)組合LID方案對洪峰流量的削減效果

由圖7可知,組合LID方案對洪峰流量的削減效果均高于單一LID方案,組合方案的洪峰流量削減率隨重現(xiàn)期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強(qiáng)度較大時(shí)仍具有顯著控制洪峰流量效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對洪峰流量削減效果最為顯著,削減率在52%～55%之間。方案4中,三種重現(xiàn)期下的洪峰流量削減率在27%～30%之間。方案5中,三種重現(xiàn)期下的洪峰流量削減率在37%～40%之間。方案6中,三種重現(xiàn)期下的洪峰流量削減率在34%～37%之間。

由以上數(shù)據(jù)可知,三種重現(xiàn)期下,兩兩組合LID方案對洪峰流量削減成效由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。說明兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂?shù)慕M合方案對洪峰流量削減成效最佳。

(3)組合LID方案對徑流系數(shù)的削減效果

由圖8可知,組合LID方案對徑流系數(shù)的削減效果均高于單一LID方案,組合方案的徑流系數(shù)削減率隨重現(xiàn)期增大而明顯增大,說明組合方案在降雨強(qiáng)度較大時(shí)仍具有顯著控制徑流系數(shù)效果,其中方案7:透水鋪裝&雨水花園&綠色屋頂對徑流系數(shù)削減成效最為顯著,削減率在43%～47%之間。方案4中,三種重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)削減率在20%～24%之間。方案5中,三種重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)削減率在35%～39%之間。方案6中,三種重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)削減率在22%～26%之間。

比較透水鋪裝、綠色屋頂和雨水花園兩兩組合的LID方案在相同重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)削減率可知,三種重現(xiàn)期下,兩兩組合LID方案對徑流系數(shù)削減效果由大到小依次為:透水鋪裝&綠色屋頂>雨水花園&綠色屋頂>透水鋪裝&雨水花園。說明兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂?shù)慕M合方案對徑流系數(shù)削減效果最佳。

3 結(jié) 論

(1)從總徑流量削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂?shù)娜呓M合方案對總徑流量削減成果優(yōu)于其他LID方案,削減率在42%～48%之間。兩兩組合LID方案的總徑流量削減成效均優(yōu)于單一LID方案。在兩兩組合LID方案中,在重現(xiàn)期P=2a和P=5a時(shí),雨水花園、綠色屋頂組合方案對總徑流量的削減效果最佳,P=10a時(shí),透水鋪裝、綠色屋頂組合方案對總徑流量的削減效果最佳。

(2)從洪峰流量削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂?shù)慕M合方案削減成果優(yōu)于其他LID方案,削減率在52%～55%之間。兩兩組合方案的洪峰流量削減成果均優(yōu)于單一LID方案。兩兩組合LID方案中透水鋪裝&綠色屋頂?shù)慕M合方案對洪峰流量削減成果最佳,削減率在37%～40%之間。

(3)從徑流系數(shù)削減效果來看,透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂?shù)慕M合方案對徑流系數(shù)的削減成果優(yōu)于其他LID方案,削減率在43%～47%之間。兩兩組合方案的徑流系數(shù)削減成果均優(yōu)于單一LID方案[21]。兩兩組合LID方案中透水鋪裝、綠色屋頂?shù)慕M合方案對徑流系數(shù)的削減成果最佳,削減率在35%～39%之間。