低影响开发措施的建设对城镇排涝模数的影响研究

彭秋伟，罗 强，王修贵，肖君健

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 湖北省城市规划设计研究院，武汉 430071)

城市化进程改变了城市地区原有土地利用和植被覆盖，使得城市的下垫面发生变化，主要表现在不透水层面积增加，从而使得暴雨期间洪峰流量提前，汇流时间缩短，与气候变化的共同作用，导致城市内涝加剧，严重地影响了城市的安全，城市内涝的治理迫在眉睫。

传统的城市内涝治理以雨水管网和泵站排涝为主，这一模式仅考虑排水，没有考虑利用地形、植被的滞蓄作用，因此这种传统的城市“快排”模式效率较低且增加灰色排水设施[1]规模以及排水压力，无法应对城市化的进程。为解决城市排水能力不足，城市雨洪管理技术开始被重视，其中低影响开发(Low Impact Development，LID)在工程实践中获得了较好的应用成效。

LID最早于20世纪90年代初由美国马里兰州的王子乔治郡以雨水花园为基础提出，主要采用分散、多样、小型等技术从源头上储存、渗滤、蒸发以及截留雨水，最大限度地保护开发改造地区的水文机制，减少负面环境影响，其主要包括生物滞留(bio-retention)、绿色屋顶(green roof)、可渗透路面(peameable pavement system)等措施[2]。已有研究表明LID在洪峰削减、地下水补给、社区雨水综合利用、非点源污染控制等城市问题方面有显著效果[3]。

目前，对LID的研究，主要在于城市水文效应模拟、LID技术的应用、LID对城市径流污染控制等方面。而LID对于传统城市排涝工程规划中排涝模数的影响，尚缺乏定量的研究。本文以广州市南沙区大岗镇为背景，拟建立区域SWMM模型模拟城区的水文过程，并通过情景分析，研究不同LID措施实施后对城市排涝模数的定量影响，以此为城市排涝工程的建设提供参考。

1 研究区概况

广州市南沙区大岗镇地处珠江三角洲，113°20′49″～113°33′10″E、22°43′44″～22°51′40″N，为典型的珠三角冲积平原。年平均降雨量1 650 mm，地下水位埋深1.5～3.0 m,地势低平，河网纵横，暴雨期间极易受涝。涝水通过各支涌汇入大岗沥和潭州沥，然后通过南顺水闸排入上横沥。城区包括大岗镇全部和灵山镇部分，集水面积约为12.1 km2。地面高程在5.2～6.8 m之间(广州高程)。

2 研究方法

EPA SWMM模型于1971年由美国环保署开发，集水文、水力及水质模拟功能于一体的分布式城市暴雨径流管理模型[4]。利用其LID模块模拟场次降雨事件可评估LID措施对城镇管网排水的影响。

2.1 城区产汇流模型建立

2.1.1设计暴雨

本文设计暴雨包括2 h短历时暴雨和24 h长历时暴雨。采用2 h短历时暴雨对城区管网模型参数率定。采用24 h长历时暴雨计算不同LID措施情景下城镇区域的排涝模数。

短历时暴雨由广州市市政排水2 h短历时暴雨强度公式计算得到。24 h长历时设计暴雨利用排区内或邻近雨量站的长系列点雨量或面雨量资料进行P-Ⅲ型曲线拟合，从而可得到不同设计重现期下的暴雨量。

2.1.2城区排水系统概化

已建城区总集水面积12.1 km2。土地利用状况主要为屋面、道路、绿地、广场4中典型下垫面，分别占汇水区总面积的23%、33%、25%、19%。不透水面积为9.1 km2，占城区总面积75%。根据SWMM模型原理和实测管网数据，对研究区概化，将整个研究区划分为87个子汇水单元，163个铰点，13个排放口，见图1。

图1 城镇区管网模型概化图

2.1.3城区产汇流计算

SWMM模型中，各个子汇水区域可划分为透水区、有洼蓄能力的不透水区和无洼蓄不透水区三部分。地表产流即对三类地表径流量分别进行计算，然后通过面积加权得到子汇水区的径流过程线。研究区降雨量充足，地下水位高，土壤入渗能力较大。为更好的描述该城区可透水地面的渗透性能，本研究选用Horton模型模拟区域的入渗过程。模型中采用非线性水库模型计算地面汇流，即将子汇水区视为一个水深不大的水库。降雨是该水库的入流，土壤入渗和地表径流是水库的出流，通过求解连续方程和曼宁方程(式1)得出流过程。管网汇流通过动力波法完全求解圣维南方程组来完成(式2)[5]。

(1)

式中：Q为子汇水区出流量，m3/s；A1为子汇水区面积，hm2；W为子汇水区特征宽度，m；i为降雨强度，mm/h；f为下渗强度，mm/h；S为子流域坡度，m/m；h为地表径流的平均水深，mm；hp为滞蓄水深，mm；n为曼宁系数。

(2)

式中：Q为进出控制单元体流量，m3/s；A2为过水断面面积，m2；h为水位，m；q为旁侧入流量，m2/s；C为谢才系数，m0.5/s；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；Qt为进出节点流量，m3/s；At为节点自由表面积，m2。

2.2 LID措施情景设置

由城区土地利用状况实测资料分析得到城区土地利用主要为屋面、道路、绿地、广场4种典型下垫面，分别占汇水区总面积的23%、33%、25%、19%，其相应面积分别为2.78、3.99、3.03、2.3 km2。

针对研究区的土地利用类型选用绿色屋顶、透水路面、雨水花园3种LID措施作为控制单元即将部分屋面改造为绿色屋顶、道路和广场改造为透水路面、绿地改造为雨水花园，利用SWMM模型模拟其雨洪控制效果。考虑实际情况，绿色屋顶、透水路面、雨水花园最大可布设面积分别为2.78、4.25、2.5 km2。

(1)绿色屋顶。绿色屋顶主要由植被层、基质层、过滤层、排水层、防水层等组成，通过介质对雨水的储存以及植被的蒸发而实现对降雨径流的控制。本文根据项目区实际并参考《屋顶绿化设计规范》以及相关文献设置绿色屋顶参数，绿色屋顶植物覆盖率为100%，基质层厚度100 mm，过滤层厚度100 mm，排水层厚度100 mm，洼蓄量4.5 mm[6,7]。其他参数参考SWMM模型使用手册设定。

(2)透水路面。透水路面有多孔沥青、多孔混凝土路面、碎石等多种形式。渗透路面可有效降低不透水地面面积，增加雨水下渗能力，削减雨水径流。本文关于渗透路面的参数设置根据项目区实况并参考《建筑与小区雨水利用工程技术规范》[8]以及相关文献。面层厚度为60 mm、孔隙率为0.22，基质层厚度为120 mm、孔隙率糙率为0.28；垫层厚度为150 mm、空隙率为0.35[9]。其他参数参考SWMM模型手册[4]。

(3)雨水花园。雨水花园一般建设在停车场或居民区附近，在低洼区域种植灌木、花草等植被，通过土壤和植被以及洼地的滞蓄作用将雨水滞留从而减少径流量。其设计结构依据当地土壤渗透性能、区域降雨条件、土地利用方式等而定。本文雨水花园结构由蓄水层(160 mm)、植被覆盖层(55 mm)、种植土层(1 000 mm)、碎石填料层、防渗层组成[10]。填料层的持水率、空隙比等参数按SWMM模型手册取值分别为0.2、0.4。

(4)LID组合情景设置。 由实测土地利用资料知城镇区各子汇水区下垫面条件类似，故参照城镇总面积设置LID措施面积比例，然后按照各子汇水面积等比例分配各子汇水区LID措施面积。LID措施情景规模如表1所示。情景1表示未设置LID措施；情景2、3、4各LID措施总面积相同皆为2.5 km2；情景5、6是混合LID措施。

表1 城区LID组合规模

注：绿色屋顶率=布设绿色屋顶面积/可布设绿色屋顶总面积，透水路面率和雨水花园率的计算方法类似。

2.3 参数选取和率定

模型中确定性参数如子汇水区面积、宽度、平均坡度、不透水率、管道长度、管径、节点高程等由实测资料得到。经验性参数如不透水区糙率、透水区糙率、透水区洼蓄量、霍顿公式参数等选取于相关的研究文献或SWMM模型手册[11,13]，对模型参数的率定采用刘兴坡[12]提出的基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法，通过反复迭代试算得到最佳参数集。以2 h 短历时设计暴雨为基础，利用模拟得到综合径流系数,分别用重现期为1 a和3 a的合成降雨检验参数率定结果在常见降雨重现期范围内的稳健性[13]。

城镇典型区域不透水面积率为75%，根据表2[14]以及相关文献[15]，按地表种类面积加权计算得到典型区域综合径流系数为0.7，故取0.7为目标径流系数。

表2 径流系数经验值表

2.4 区域排涝模数的计算

根据项目区的排水实际，城区管网各出水口的出流均汇入大岗沥，也是在排涝过程中需要排出的水量。因此，利用SWMM模型计算得到城区管网各个出水口流量过程线，将出口流量汇总后再根据排区面积，即可计算得到排涝模数,计算公式为:

(3)

式中：q为排区排涝模数，m3/(s·km2)；Q为汇入大岗沥总过流量，m3/s；F为排区总面积，km2。

3 计算结果以及分析

依据10 a一遇24 h暴雨一日排干的排涝标准，利用水量平衡法分别计算大岗镇区在有无实施LID措施时遭遇5、10、20、30、50 a一遇的重现期下24 h暴雨时泵站的设计流量，再除以控制面积得到城区的排涝模数。成果见表3。

表3 排涝模数计算

将表3中情景1的排涝模数分别减去情景2、情景3、情景4、情景5、情景6中的数据可以得到不同LID措施在不同重现期下的排涝模数削量，见图2。

图2 各重现期下不同LID措施的排涝模数削减量

分析上述数据以及图表可以得出如下结论：

(1)由图2情景2、情景3、情景4可知，LID措施对排涝模数的削减量随重现期的增加是呈下降趋势。相同的LID面积(2.5 km2,占城区总面的20.6%)下，各单项LID措施对排涝模数削减效果排序为：雨水花园>透水路面>绿色屋顶。在5 a一遇24 h暴雨条件下3种LID措施对排涝模数的削减率分别为8.5%、6.4%、6.1%。而在50 a一遇24 h暴雨条件下3种单项LID措施(情景2～情景4)对排涝模数几乎没有影响。其中在任何重现期暴雨下绿色屋顶对排涝模数影响最小且随着暴雨重现期的增加各LID措施对城区排涝模数的影响效果逐渐减弱。

雨水花园对排涝模数的影响大小主要取决于其介质层深度、介质层的土壤类型、有无出流设施、研究区天然土壤性能等。在不考虑出流设施情形下，研究区天然土壤性能对雨水花园的地下水补给影响较大。故在遭遇24 h降雨时重现期较小的降雨能大量补给地下水，而重现期较大的场次降雨当雨量超过土壤饱和含水量，同时雨强高于土壤饱和水力传导系数时仍形成大量径流。

透水路面通过透水空隙使雨水通过表层渗透到底层，在不设置底层排水层时，雨水直接入渗到底层土壤补给地下水。其基层与垫层之间能短时间存储雨水。相对于雨水花园，透水路面由于表层有一定的不透水面积且无植被的滞留作用，故其对径流的影响远小于雨水花园。

绿色屋顶对排涝模数的影响较小主要是因为绿色屋顶的洼蓄量较小，虽能截流部分雨水但当雨量超过屋顶材料的饱和含水率后会形成有效径流。

(2)情景5是同时设置雨水花园、透水路面、绿色屋顶3种LID措施且面积相等为2.5 km2时。在5 a一遇24 h暴雨条件下排涝模数由未设置LID措施时的7.76 m3/(s·km2)降低至5.65 m3/(s·km2)，削减率为27%。在遭遇50 a一遇24 h暴雨时排涝模数由未设置LID措施时的13.6 m3/(s·km2)降低至12.55 m3/(s·km2)，削减率为 8.1%。

情景6同时设置雨水花园、透水路面、绿色屋顶3种LID措施且它们的面积率皆为100%。此时在5 a一遇24 h暴雨条件下排涝模数由未设置LID措施时的7.76 m3/(s·km2)降低至4.45 m3/(s·km2)，削减率为42%。在遭遇50 a一遇24 h暴雨时排涝模数由未设置LID措施时的13.6 m3/(s·km2)降低至11.63 m3/(s·km2)，削减率为 14.9%。

分别计算出情景5、情景6中各重现期下排涝模数与情景1中排涝模数的比例，见表4。

4 结 语

(1)本文采用模型模拟的方法，对雨水花园、透水路面、绿色屋顶影响城镇排涝模数效果进行了分析。结果表明在布设面积相同的情形下，对排涝模数影响最大的是雨水花园，其次是透水路面，绿色屋顶最小；

表4 情景5、6排涝模数与情景1排涝模数比值

(2)建设LID措施对于排区排涝模数的削减有很好的效果，尤其是对于5、10 a一遇暴雨情景下。对于本研究区排涝规划标准为10 a一遇24 h最大暴雨一日排完。在充分布设LID措施后遭遇10 a一遇24 h暴雨的排涝模数仅为情景1的71%，也仅高于情景1中遭遇5 a一遇暴雨时所需排涝模数的28%。而对于遭遇50 a一遇暴雨时布设LID措施能使排涝模数降为情景1时的86%。

(3)参数的选择对于模型模拟的结果影响较大，本文参数的选取于相关文献和实际资料。基本符合工程项目区的要求。因此模拟结果对本项目区具有一定参考性。但由于模型中各种LID措施参数如洼蓄量、渗透系数、曼宁系数等选取单一，而工程实际状况复杂，故在工程项目中还应根据实际情形因地制宜建设LID措施。

综上所述，充分利用城镇区土地建设低影响开发措施有利于减轻城镇排涝压力、能有效缓解我国快速城市化过程带来的内涝灾害方面的问题。但LID措施的建设对于控制长重现期的强降雨引起城市地表径流量以及汇流速度快速增大而导致的城市涝灾尚有一定的局限性。传统的泵站抽排仍是控制涝灾风险的主要方式。在除涝防灾的工程规划实践中应充分考虑区域规划现状、合理利用土地资源、逐步推行城市低影响开发措施的建设，建立“蓄、滞、渗、排”相结合的现代排水防涝体系。

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