基于SWMM的深圳市某區域LID設施布局與優化
胡愛兵，任心欣，丁年，湯偉真
(深圳市城市規劃設計研究院有限公司，廣東深圳 518028)
摘要：以深圳市某低影響開發（LID）示范區為例，通過對示范區構建現狀模型、傳統開發模型和LID模型，探討了示范區LID規劃目標的制定方法、LID設施布局的總體思路以及基于LID目標的LID設施優化方法，最終得到示范區LID設施布局方案。模擬結果表明，通過在示范區綜合應用一定規模（綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池等5類LID設施占示范區總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計約為31.5%）的LID設施，可使示范區開發建設后的年徑流總量不大于現狀值、峰值流量接近現狀值。
目前SWMM在城市降雨徑流模擬方面已有廣泛應用，但國內關于SWMM在城市區域性低影響開發（LID）設施的布局及效果評價方面的應用研究尚較少。運用SWMM的LID模塊，通過對場降雨事件及連續降雨事件的模擬，可實現LID設施對雨水徑流量、峰值流量、污染負荷及年合流制溢流（CSO）發生頻率控制效果的模擬和評估，從而指導城市開發建設過程中LID設施的布局及優化。筆者以深圳市某LID示范區為研究對象，運用SWMM對其現狀、傳統開發模式和LID開發模式下的水文條件進行模擬，以指導示范區LID設施的合理布局。
1 研究區域概況
研究對象是深圳市即將開發建設的LID示范區域，面積約為24 hm2。示范區西側現狀為建設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，東側瀕臨丁山河，整體西北高、東南低。示范區用地規劃的下墊面類型包括建筑與小區、綠地、市政道路、停車場等。根據測算，示范區現狀不透水率約為24%，現狀綜合徑流系數為0.29。
2 研究方法
2.1 LID規劃目標
低影響開發的基本原理是通過分散的、源頭的設施使區域開發建設后的水文狀態盡量接近于開發建設前，反映在具體量化指標上，要求區域開發建設后的雨水徑流量和峰值流量盡量接近于開發建設前的水平。本次研究將基于示范區現狀的雨水徑流量和峰值流量模擬結果，確定LID規劃目標為：①示范區開發建設后的年徑流總量不大于現狀值。該目標可通過示范區的年綜合雨量徑流系數表征，即示范區開發建設后的年綜合雨量徑流系數不大于現狀值。②示范區開發建設后的峰值流量盡量接近現狀值。峰值流量控制目標是針對全年中最強的一場降雨進行控制，其不確定因素眾多。要求示范區開發建設后的峰值流量不大于現狀值很難實現，且意義不大；而要求開發建設后的峰值流量盡量接近于現狀值則更具有現實意義。
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，對示范區的現狀水文特征進行模型評估，進而確定LID目標；其次，根據示范區的詳細藍圖規劃，綜合考慮示范區的空間布局、景觀要求、經濟性、維護管理等因素，進行LID設施的初步布局，并進行模型評估；第三，將LID初步方案的模擬結果與LID目標進行對比，根據對比結果進行LID布局方案的優化調整，并再次進行模擬；反復調整直至結果達到LID目標，最終得到LID設施的布局方案。
2.3 模型構建
為便于分析，本次研究共構建了3種不同情景下的模型：①現狀模型，即基于現狀下墊面的模型；②傳統開發模型，即按傳統模式進行開發建設，不采用LID設施的模型；③LID模型，即在建設項目的各類下墊面綜合應用多種LID設施后的模型。
2.4 設計降雨
SWMM中降雨數據可以是實際降雨數據，也可以是設計雨型，本次模擬采用實際降雨數據。選取深圳市某雨量站2012年5 min滑動雨量記錄數據，經處理后得到全年逐分鐘瞬時雨量，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 模擬結果及分析
3.1 現狀模型結果
① 現狀模型構建
現狀條件下，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，生態本底良好。根據示范區地形及現狀排水組織，將其劃分為9個一級匯水區；結合模型概化要素及精度要求，再將其細分為22個二級匯水區。最終示范區被概化為22個二級匯水區，24個檢查井節點，23條排水管道。
② 現狀模型結果
采用2012年全年降雨進行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖2所示。
圖2 現狀模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線
由圖2（a）可知，現狀條件下，示范區只有較大的降雨才會產生徑流，大部分中、小雨無徑流產生，說明大部分降雨被入滲或滯蓄，現狀年雨量綜合徑流系數約為0.26。由圖2（b）可知，示范區2012年全年徑流峰值流量出現在第119天，峰值流量接近3.14 m3/s。
3.2 傳統開發模型結果
① 傳統開發模型構建
傳統開發模型的構建是基于示范區詳細藍圖規劃，按規劃，示范區除客家圍屋等少部分區域改造外，其余區域均為新建區域。根據示范區詳細藍圖規劃和雨水管網規劃，將示范區劃分為11個一級匯水區、30個二級匯水區，傳統開發模式下墊面匯水區劃分及SWMM模型界面如圖3所示。
圖3 傳統開發模型的構建
② 傳統開發模型結果
采用2012年全年降雨進行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖4所示。可以看出,在傳統開發模型下，示范區能夠形成徑流的降雨量高達908mm，年雨量綜合徑流系數為0.53，是現狀值的兩倍；示范區全年徑流峰值流量出現在第206天，峰值流量接近5.5 m3/s，遠高于現狀值。表明在傳統開發模型下，示范區水文狀態有較大變化，示范區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 傳統開發模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線
3.3 LID模型結果
① 示范區LID目標及其實現途徑
根據現狀模型結果，確定示范區LID目標為：①年綜合雨量徑流系數≤0.26；②峰值流量接近3.14 m3/s。示范區LID目標的實現途徑：在示范區各建設項目進行5類LID設施的布局與優化，實現雨水徑流的源頭削減，進而達到示范區LID目標。
② LID模型構建
LID模型的構建也是基于示范區詳細藍圖規劃。相比傳統開發模式，LID模式是在示范區的下墊面因地制宜、綜合應用多種LID設施進行雨水徑流的控制。LID模型的雨水徑流組織如圖5所示。根據示范區用地規劃和雨水管網規劃，結合圖5所示的徑流組織，將示范區劃分為11個一級匯水區、30個二級匯水區。
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設施，各類LID設施的結構尺寸見表1。
表1 各類LID設施的結構尺寸
結合SWMM用戶手冊、相關文獻以及實際工程試驗結果，對各類LID設施的參數進行設置。存水區植被覆蓋百分比參考用戶手冊建議取0.15；配置土壤層孔隙率取0.18，田間持水率取0.1，枯萎點取0.3；雨水花園、綠色屋頂、下凹綠地和LID樹池的土壤水力傳導率分別取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；綠色屋頂的入滲率取0，其他設施取1.8mm/h；排水層中綠色屋頂按蓄水24 h排空取值。
③ LID模型結果
采用2012年全年降雨進行模擬，經過數輪優化調整，得到LID最終方案的模型結果如表2所示。
表2 現狀模型、傳統開發模型及LID模型結果對比
由表2可知，在LID模式下，示范區開發建設后年綜合雨量徑流系數與現狀值相同，峰值流量接近現狀值，這表明通過在不同的下墊面綜合應用多種LID設施，可以使示范區開發建設后的水文狀態盡量接近開發建設前，達到示范區LID目標。另外由表2可知，LID模式下示范區的總徑流量較傳統開發模式降低51%，峰值流量較傳統開發模式削減40%；在總降雨量固定的情況下，LID模式下的總蒸發量和總入滲量較傳統開發模式均有大幅度提高，最終地表蓄水無明顯變化，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和入滲。
4 LID設施布局
根據示范區LID的最終布局方案，以示范區內X地塊為例，說明示范區各地塊LID設施的布局。X地塊面積為4.70hm2，包括屋面、綠地、鋪裝場地等3類下墊面，各下墊面面積及LID設施面積見表3。X地塊的LID設施布局見圖6。
表3 X地塊LID設施一覽表
圖6 X地塊LID設施布局方案
由表3可知，對于X地塊，并非所有的下墊面均需建設LID設施，對某一類下墊面，只需建設一定比例的LID設施即可實現LID目標。例如，對屋頂而言，只需將地塊內48.0%的屋頂建設為綠色屋頂即可，其余屋頂可設置太陽能設施或用作他用，這樣既符合經濟性的原則，又可避免LID設施與其他設施建設的沖突。總體而言，各類LID設施的面積均不超過其所在下墊面面積的一半。X地塊內所有LID設施的面積約占X地塊總面積的44.6%。
示范區由5個地塊以及市政道路和公共綠地組成。就整個示范區而言，綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池占示范區總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計約為31.5%。
5 結論
① 采用SWMM可有效模擬LID開發模式下的城市區域水文狀態，為城市區域內各建設項目LID設施的布局與優化提供技術支持和依據。
② 對深圳市某示范區分別構建現狀模型、傳統開發模型和LID模型，并進行模擬和對比分析，結果表明，通過在示范區綜合應用一定規模的綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池，即可使示范區開發建設后的年徑流總量不大于現狀值、峰值流量接近現狀值。
③ 綜合考慮經濟性等因素，LID設施的規模不宜過大。不同的建設項目，其LID設施所占比例亦不相同。通過對示范區每一地塊及市政道路和公共綠地的LID設施規模的統計，LID設施的面積達到示范區總面積的1/3即可達到示范區LID目標。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第21期“城市雨水管理”欄目）
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