生物滞留设施对不同历时的降雨滞留规律分析★

杨 建，丁 剑，陈燕秋，戴青松，王振江

(1.南京兰庭绿色建筑技术有限公司，江苏 南京 210000； 2.徐州市住建局，江苏 徐州 221000；3.江苏省城镇供水安全保障中心，江苏 南京 210000； 4.江苏省建设工程设计院有限公司，江苏 南京 210000；5.南京洞见环境科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

自2013年海绵城市首次提出以来，生物滞留设施、下凹式绿地、透水铺装等等一大批海绵设施被推广应用。其中生物滞留设施是对降雨控制最有效的一种海绵设施，也是应用最为广泛的海绵设施之一[1]。生物滞留设施主要有三个结构层，分别为滞水层、土壤层和排水层，当降雨后，雨水通过地面或者导流设施进入生物滞留设施中，雨水通过土壤下渗，对污染物净化，当降雨增加后，部分雨水滞留在滞水层中，当滞水层满后，雨水通过溢流井进入雨水管网。目前，针对生物滞留设施特点，已经做了大量研究，储杨阳等[2]对停车场、道路、居民区和产业园区不同用地类型的生物滞留设施的重金属的累积分布做了详细研究，研究发现道路和停车场周边生物滞留设施是重金属富集最为严重的地方；梁彦兰等[3]采用层次分析法对生物滞留设施的植物进行了分析评价，研究发现千屈菜、花叶芒、狼尾草等是豫北地区生物滞留系统首选植物；李俊奇等[4]通过对生物滞留设施模拟研究发现，生物滞留设施是城市径流热污染控制的有效措施。现有的研究主要对其机理进行研究分析，对于海绵城市强调的降雨控制研究较少。

因此，本文主要基于SWMM模型，采用水动力模块，通过模拟典型住宅小区中生物滞留设施在短历时降雨(芝加哥雨型)和长历时降雨(监测雨量)下的降雨径流特征，分析了其降雨滞留规律，为海绵城市建设提供了依据[5-7]。

1 研究区概况

本次研究选取了南京市浦口区桥林丝兰湖保障房作为研究对象，本项目位于南京市浦口区桥林街道，北至秋荫路、东至景天路，南至丝兰湖公园，占地面积17 976.19 m2，用地性质为二类居住用地，属于新建工程。绿地率39.88%，容积率1.99。

海绵城市建设应该将建设目标和问题相结合，充分考虑实际情况和规划指标，确定最终的海绵城市建设指标。因此，本项目根据实际下垫面情况以及地势、地形、坡度以及项目周边情况，通过采用641 m2的生物滞留设施，达到年径流总量控制率为80%，面源污染削减率为50%的目标。

2 材料与方法

本次研究主要采用SWMM进行模拟，SWMM模型是暴雨洪水管理模型，用来模拟描述动态降水-径流过程，对于单一降水事件或长期的水量与水质均可以模拟。目前，SWMM模型已经被广泛应用于海绵城市建设、暴雨径流等模拟中，本次采用最新版本的SWMM5.2，构建管线模拟区域产汇流。

2.1 研究区域汇水分区划分

根据丝兰湖的地形及竖向分析，综合考虑建筑、地形高程和雨水井分布情况，最终将研究区分为13个汇水分区，并将每块子汇水区连接到合适的雨水井上，完成了子汇水区和雨水井的概化(见图1)。

2.2 研究区域管网概化

本研究雨水最终排入景天路雨水管，根据收集的雨水管网可知，研究区内排放口数量共有1个。本研究结合施工图中的排放口和各雨水井的内底标高、管道水流流向和管径信息，划分成了22个节点和21个管段，具体概化结果如图2，图3所示。

2.3 参数选取

本研究在SWMM模型中涉及到的参数可分为水文、水力和LID三类参数。

水文参数是指子汇水区中与降雨产流相关的属性，如面积、特征宽度、平均坡度、不透水比率和透水地表曼宁粗糙率等参数[8]。

子汇水区特征宽度：汇水区域的特征宽度采用以下公式对其特征宽度求解(特征宽度为系数K乘以子汇水区域周长)：Width=K×Sqrt(area)(0.2

平均坡度[9]：平均坡度指子汇水区地表坡度的平均值，子汇水区的坡度值会影响子汇水区的汇流过程。根据CAD高程数据，绘制出等高线，然后通过如下公式计算得到：

其中，H为高程;L为长度。

不透水性：依据项目下垫面分析得到。

不透水性和透水性的曼宁系数：初始值，依据手册选取，本项目透水性曼宁系数采用0.1，不透水性曼宁系数采用0.01。

不透水性和透水性的洼蓄量[10]：初始值依据手册选取，本项目不透水地面不设置洼蓄量，透水地面采用0.05 mm 的洼蓄量。

汇水面积演算：依据地表径流分析确定，采用OUTLET进行分析计算。下垫面分析图如图4所示。

水力参数是指雨水管网中与汇流相关的属性[11-13]，如管道的种类、直径、长度等参数；雨水井和排放口的内底标高等参数。根据提供的图纸中实测标高、管径、管长等，确定了检查井及管线的相关参数值。

LID参数主要是海绵设施的相关参数。根据实际图纸，同时结合相关手册确定(见表1)。

表1 分区参数表 %

2.4 雨型设置

模型的降雨模块既可以读取实测的长序列连续降雨或单次短时降雨，也可以读取设计降雨。基于国内外很多学者将芝加哥雨型用于城市降雨情景的情况，确定芝加哥雨型作为项目论证的短历时降雨；同时采用2022年1月2日～2022年5月24日的降雨资料作为长历时降雨。

1)芝加哥雨型。

南京市暴雨强度计算公式：

其中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；P为设计暴雨重现期，a；t为降雨历时，min，t=t1+t2；t1为地面集水时间，取5 min～15 min；t2为管内流行时间，min。

采用芝加哥雨型生成器，对南京3年一遇的暴雨进行生成，其中，降雨历时为2 h，雨峰系数取值0.4(见图5)。

2)监测降雨。

采用RS-YL-N01-4翻斗式雨量计监测了2022年1月1日～2022年5月24日5个月的降雨数据。

翻斗式雨量计的核心部件采用了三维流线型设计，促使翻斗翻水更加流畅，整体设备容易清洗(见图6)。脉冲转485信号输出，可直接读取降雨量，无需二次计算，简单方便。

翻斗式雨量计可进行有线雨量数据传输、显示、自记。通过实时的感应传输，记录了5个月的降雨数据(见图7)。

自2022年1月1日至2022年5月24日监测了5个月的降雨，由于处于平水期和枯水期，降雨强度较小。

3 模拟分析

3.1 短历时暴雨模拟分析

模型针对3年一遇的短历时暴雨分别进行了没有生物滞留设施和有生物滞留设施的模拟研究，通过研究得到如图8所示结果。

从图8中可以看出，降雨后，前期雨量较小，生物滞留设施对于雨水具有留滞作用，产生径流的时间延后约30 min，但降雨继续增加时，生物滞留设施对雨水的滞留接近饱和，只能通过溢流井进入雨水管，达到洪峰后的规律两者相似，随着时间的延长，降雨停止，生物滞留设施下渗后，产生了一定的调蓄空间，后期流量相对于无生物滞留设施时小。从整体模拟图中可以看出，整体管网偏小，洪峰期间，整体管子处于满管流，同时采用了生物滞留设施后，能够降低满管流的时间。

根据图9中排口流量可以看出，在设置了生物滞留设施后，场地的降雨流量的峰值能够得到20%的削弱，整体径流量有10%左右的削弱；同时产生径流的时间相对滞后。但是满足不了年径流总量控制率的指标，说明生物滞留设施对降雨能够起到削峰作用，但不能完全满足指标要求。

总体来说，对于单一的暴雨事件，生物滞留设施能够对其起到削弱和储蓄调节雨水的作用，但是无法满足年径流总量控制率的指标，无法彻底解决内涝问题。

3.2 长历时监测降雨模拟分析

模型针对5个月的长历时降雨通过雨量计监测后，代入到模型中分别进行了没有生物滞留设施和有生物滞留设施的模拟研究，通过研究得到如图10，图11所示结果。

对于长历时降雨情况，降雨量较小，当无海绵设施时，可以看到有明显的径流，但设置了生物滞留设施后，整体径流几乎都被生物滞留设施控制住，最终整体能够满足年径流总量控制率的要求。

4 结语

通过模拟论证发现：

1)对于短历时的暴雨，生物滞留设施能够起到削弱和储蓄调节雨水的作用，但是无法满足年径流总量控制率的指标，无法彻底解决内涝问题。

2)对于长历时降雨情况，同时降雨量较小时，生物滞留设施能够将降雨量几乎都控制住，整体能够满足年径流总量控制率的要求。

3)海绵城市建设分析过程中，对于年径流总量控制率应该是一个长期分析的结果，而不是偶然性的暴雨分析结果，因此，海绵城市建设过程中，应该尽量采用模型，结合长历时降雨整体分析，才能对海绵城市建设做出更加科学的决策。