深圳民治河流域低影响开发措施水文效应评估

黄国如, 李碧琦

(1.华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

1 研究背景

随着国民经济的迅速发展，深圳市城市化程度有了显著提高，改变了城区的自然地理条件及排水体系，影响了水文要素变化规律，导致雨洪径流及洪峰流量增大，峰现时间提前，洪水陡涨陡落，行洪时间缩短，使得城市暴雨洪水出现频率与潜在风险不断增大[1]，为此国家提出海绵城市建设发展战略，以减缓城市洪涝灾害和面源污染，其中低影响开发措施(LID)为其核心内容之一。随着海绵城市建设的不断推进，利用城市雨洪模型定量化评估LID措施水文效应可为海绵城市建设提供科学依据。SWMM模型为一类较为有效的城市雨洪模型，其5.1版本增加了LID措施模块[2-3]，可利用该模型评估研究区域在采取LID措施后对降雨径流的控制效果[4-17]，例如，李霞等[4]选择天津蓟县典型小区作为研究区域，利用SWMM模型分析绿色屋顶、渗透铺装和下凹式绿地组合对地表径流量的削减率；胡爱兵等[5]利用SWMM模型对LID开发模式下的水文条件进行模拟，以指导研究区域LID设施的合理布局；戚海军[6]基于SWMM和MIKE Urban对北京建筑大学西城校区进行了LID措施的设计及效能模拟研究；蔡庆拟等[7]以广州市海珠区高尔夫小区为例，利用SWMM模型评估了低影响开发措施效果。上述研究大多基于社区单元尺度进行，本文以深圳市民治河流域为研究区域，构建基于SWMM的城市雨洪模型，并利用实测资料率定模型参数，评估LID措施对民治河流域的水文效应，进而为流域海绵城市建设提供科学参考。

2 民治河流域SWMM模型构建

2.1 研究区域概况

民治河流域位于深圳市龙华新区民治街道，该区域已基本实现农村城镇化，尤其是近年来新建了深圳北站、地铁等一批重要基础设施，带动了该区域城镇化高速发展。民治河发源于深圳市大脑壳山，起点接民治水库溢洪道，流向基本从南向北，有支流牛咀水、樟坑水汇入，终点位于下游松村北侧，与坂田河合流后汇入观澜河。民治河河道全长9.34 km，河道天然平均坡降6.69‰，集雨面积19.23 km2。根据流域内的排水管网位置分布及流向分析，流域内雨水经管网收集后主要排入民治河、樟坑水和牛咀水沿岸部分排水管网。流域水系分布见图1。

近年来，深圳市民治片区遭受了多次较为严重的暴雨袭击，均发生不同程度内涝，局部区域积水严重，给人民生产生活造成较大影响。通过对研究区2008-2014年暴雨内涝实地调研，总结出民治内涝严重片区分布情况，内涝点主要发生在南城百货、电站路、泰明菜市场、民治第一工业区、樟坑旧村、横岭旧村、白石龙村及龙塘老村等8处，具体位置如图2。

图1民治河流域水系图图2暴雨内涝点分布图

2.2 SWMM模型构建

SWMM模型是集水文、水力和水质模拟功能于一体的降雨径流模拟模型[2-3]，SWMM模型采用松散型分布式模型思想构建，数字化下垫面是构建模型的核心要素，主要分为排水系统概化与信息提取、子汇水区概化与信息提取等步骤，民治河流域SWMM模型具体构建过程详见文献[17]。

SWMM模型参数首先根据SWMM用户手册中各参数的取值范围先行确定[2-3]，再选取深圳市临近地区作为参照区域，结合该地区的参数率定结果进行参数预估[5]，并在此基础上进行参数优化。由于本研究区域内无水文站，缺乏流域出口实测流量数据，主要根据民治河流域内涝实地调查情况进行参数率定。具体选用民治河流域2008-2014年6场降雨总量和峰值强度均较大的降雨验证模型可靠性，得到民治河出口断面降雨径流过程线，结果表明出口流量过程线与降雨过程变化规律一致，模拟结果符合城市雨洪过程基本规律，并对模拟结果中的溢涝节点进行统计，尤其是20130830和20140511场次暴雨的降雨总量和降雨强度均很大，模拟得到的溢涝流量及溢涝点数量均较大，且与实际调研情况基本吻合，说明所构建的SWMM模型具有良好的精度和可靠性[17]，据此得到的SWMM模型参数如表1。

表1 SWMM模型参数取值

3 LID计算原理及方案设计

3.1 LID计算原理

各类低影响开发措施由不同的层构成，如透水铺装由透水面层、透水基层、透水底基层等组成，绿色屋顶由植物层、基质层、过滤层、排水层等组成。SWMM模型基于各种低影响开发措施的基本原理概化为7种LID调控措施，分别为生物滞留池、透水铺装、渗渠、雨水桶、植草沟、绿色屋顶及雨水花园等，SWMM模型也是通过竖向层的组合表示，主要包括表面层、路面层、土壤层、蓄水层和排水层等，不同LID措施含有不同的层，具体各LID措施所含层如表2所示[3,8-9]。

表2 各类LID措施所含结构层

注：表中√代表有该层，×代表无该层，O代表该层可选。

SWMM模型有7种LID措施，现以生物滞留池为例介绍LID计算原理，其他LID措施类似，在此不再一一赘述。SWMM将每个LID措施概化为一个含有填充物，填充物含有孔隙的蓄水池(图3)，蓄水池中表层接受直接降雨和其他不透水区的降雨入流，种植有植物，并需设置表层厚度、空间植被覆盖率、曼宁系数和坡度等参数，当表层蓄满时径流便从顶端溢流流出；土壤层需设置厚度、孔隙率、土壤持水率、凋萎点、水力传导度、水力传导坡度和水吸力等，其中孔隙率决定孔隙的体积，即可以蓄存的水的体积，凋萎点指土壤在最干旱时所含水量，而土壤持水率指水分在土壤层和其他竖向层之间不发生水分交换的最大含水量，故土壤持水率需大于凋萎点，否则模型会报错；蓄水层即类似于蓄水池蓄水，需要设置蓄水层厚度、孔隙率和下渗速率，蓄水层可以下渗雨水至本地土壤层；如果设置了排水层，蓄水层便会通过排水层向外排水，排水层需设置出流系数、出流指数及管底抬高等。

图3 生物滞留池概化图

3.2 LID措施方案设计

SWMM模型中LID控制措施是在子汇水区属性中设置，可以在同一子汇水区中设置多种不同LID措施和多个同种LID措施单元。有两种不同的方法可以将LID措施置入子汇水区，分别为：(1)向一个没有LID措施的子汇水区加入一种或多种LID措施(图4左)；(2)同一个子汇水区只添加一种LID措施(图4右)。第一种方法允许将多个LID措施混合置于一个子汇水区中，但各LID措施并列运行，每个LID措施分别处理其对应面积的子汇水区水流部分，不可以一个LID措施的出流数据作为另一个LID措施的入流数据。

第二种方法允许LID措施占据整个子汇水区，并允许接受来自上游子汇水区的出流作为该子汇水区的入流，故可以满足流向设置，但第二种方法需要创建新的子汇水区，并设置新的LID子汇水区面积属性。

图4 LID置入子汇水区方案

无论第1种、还是第2种LID措施设置方式，在设置完LID措施后，均需根据实际情况重新调整子汇水区不透水率，如将不透水区设置为透水区后，需重新计算不透水区，尤其第二种方法，还需调整新创建的子汇水区面积和原子汇水区面积等，加入LID后的不透水率调整见图5。调整后的子汇水区不透水率计算如公式(1)：

(1)

式中：p为调整后子汇水区不透水面积百分比，即不透水区占非LID部分的百分比，%；A为子汇水区面积，m2；f为调整前子汇水区不透水面积百分比，%；Aimper,LID为该子汇水区由不透水部分变为LID措施的面积，m2；ALID为调整后该子汇水区中LID措施所占面积，m2。

参考相关文献和各地区设计手册[5]，选取下垫面的50%改造为相应的低影响开发措施，分析各种方案情况下LID措施效果，其中LID措施采用第二种方法置入子汇水区，具体方案如下：

(1)方案A：将除去主干道外道路的50%改造为透水铺装，屋顶和透水铺装雨水直接排放。

(2)方案B：将绿地的50%改造为下凹式绿地，屋顶雨水汇流至下凹式绿地收集处理排放。

(3)方案C：将除去主干道外道路的50%改造为透水铺装，绿地的50%改造为下凹式绿地，透水铺装雨水直接排放，屋顶雨水汇流至下凹式绿地收集处理排放。

本模型所涉及的透水铺装和下凹式绿地等LID参数参考相关文献和模型手册[2-16]，具体设计参数如表3和表4，其中下凹式绿地参照生物滞留池进行参数设置。

将LID措施置入SWMM模型，设置包括模拟时间、模拟步长等参数，并生成模型数据文件*.inp，即可进行LID措施模拟计算。模拟时间从降雨开始后至降雨结束延后2 h，计算步长为2 s，结果记录步长为1 min。

图5 加入LID措施后的子汇水区参数调整

表3 透水铺装设计参数

表4 下凹式绿地设计参数

4 低影响开发措施水文效应评估

深圳市气象局根据深圳国家基本气象站1961-2014共54 a的降水记录，于2015年11月编制了深圳市暴雨强度公式及计算图表，公式如下：

(2)

式中：q为设计暴雨强度，L/s·hm2；t为降雨历时，min ；P为设计重现期，a。

设计暴雨采用深圳市暴雨强度公式，结合芝加哥雨型得到降雨过程，选取降雨历时为60 min，雨峰系数r=0.35，以5 min为记录间隔，得到降雨重现期分别为1、2、5、10和20 a的设计降雨过程，用于评估各种LID方案的低影响开发效果。

4.1 遭遇1年一遇1 h设计降雨

当研究区域遭遇1年一遇1 h设计降雨时，利用已经构建的SWMM模型进行模拟计算，得到各种方案情形下民治河河口径流模拟结果(图6和表5)。由图6和表5可知，当研究区域遭遇1年一遇1 h设计降雨时，3种LID方案对洪峰均有延迟作用，洪峰流量和径流量均有不同程度的削减效果。方案A对延迟峰现时间的效果最不明显，仅比现状情形延迟1 min；组合方案C对延迟峰现时间的效果最为显著，比现状情形延迟13 min，体现了3个方案对雨水滞留作用有一定差异。由流量模拟结果可看出，方案A>方案B>方案C，这是由于3个方案的削减效果不同造成，方案C是方案A和方案B的组合，故削减洪峰流量及径流量的效果最为显著，方案C洪峰流量削减率为49.03%，径流量削减率为42.16%；方案B削减效果明显优于方案A，方案B洪峰削减率为33.68%，径流量削减率为27.31%，对降雨径流控制效果较好。

图6 1年一遇降雨民治河出口流量过程图7 2年一遇降雨民治河出口流量过程

4.2 遭遇2年一遇1 h设计降雨

当研究区域遭遇2年一遇1 h设计降雨时，利用已经构建的SWMM模型进行模拟计算，得到各种方案情形下民治河河口径流模拟结果(图7和表6)。

由图7和表6可知，当研究区域遭遇2年一遇1h设计降雨时，方案A、B、C的峰现时间比现状情形分别延迟了1、9和11 min，3个方案的洪峰流量削减率分别为13.25%、25.57%和41.46%，径流量削减率分别为16.40%、24.62%和39.24%。

表5 1年一遇降雨各方案民治河出口径流模拟结果

表6 2年一遇降雨各方案民治河出口径流模拟结果

4.3 不同重现期LID措施综合评估

模拟其余不同设计重现期情形下降雨径流，可以发现民治河河口在LID措施前后流量变化过程规律与遭遇1年和2年一遇暴雨结果类似，这里不再赘述，汇总得到不同设计降雨重现期下方案A、方案B和方案C情形的模拟结果(表7)。

由表7可看出，相比现状用地，方案A、方案B和方案C均能在一定程度上延长汇流时间、削减径流量，这是由于透水铺装和下凹式绿地在一定程度上能提高城市“渗”、“滞”、“蓄”能力，方案A、方案B和方案C的洪峰流量和径流量削减率均随着重现期增大而减小。相同重现期降雨条件下，将方案A、方案B和方案C计算结果进行比较，得知各种情况下方案C>方案B>方案A，说明方案C优于方案B，方案B优于方案A。方案C为方案A与方案B的组合，低影响开发改造面积较大，效果优于方案A和方案B；方案A滞洪能力明显弱于方案B，透水铺装延迟洪峰效果不太明显，下凹式绿地延迟洪峰能力较强。同时也可以看出，对于较低设计重现期而言(比如P=1, 2)，洪峰流量和径流量削减率均较高，因此，LID组合实施可以较好地发挥控制径流作用，可有效地减缓洪涝灾害。

表7 不同重现期设计降雨各方案模拟结果

5 结 论

(1)构建了基于SWMM的深圳民治河流域城市雨洪模型，设计了3种低影响开发措施方案，分别模拟了1、2、5、10和20a不同重现期降雨对3种LID布设方案的结果，3种方案均有延迟洪峰及控制城市暴雨径流效果。

(2)方案A、方案B和方案C对洪峰流量和径流量的削减效果均随重现期增大而减小，削减效果依次为方案C>方案B>方案A，透水铺装和下凹式绿地两者的组合实施可以更好地发挥控制径流作用。

(3)方案A、方案B和方案C在5种设计重现期情形下的洪峰流量削减率分别为9.88%～16.76%、14.33%～33.68%和24.18%～49.03%，径流量削减率分别为14.04%～17.17%、19.78%～27.31%和32.96～42.16%。