厦门市海绵城市试点区翔城国际LID工程效果模拟与评估

杨一夫

厦门市海绵城市试点区翔城国际LID工程效果模拟与评估

杨一夫

研究区域概况

翔城国际片区是厦门市翔安新城海绵城市建设试点区的首期启动区。受季风、台风影响，雨量充沛，多年平均降雨量为1197mm，年际变化较大，年内分布也不均匀。降雨主要集中在3～7月梅雨季节和4～10月台风雨季节，约占全年降雨量的80%[1]。

研究区域总面积为60.9ha，开发前以村庄、裸土、农田及池塘为主，目前经过高强度的开发，对原先自然渗透性良好的下垫面造成了较为严重的破坏。可以预见，若按这种传统、粗暴的模式进行开发建设，用地中“蓝线”“绿块”将消失，自然生态环境将破坏，排水防涝窘境将被人为造成。

庆幸的是，当地规划部门已经意识到这个问题，并通过翔安新城海绵城市建设实施方案、翔安区排水防涝规划、翔安区山水保护规划等一系列研究论证，保留了村庄东侧的水体及绿地，除提升洋塘居住区的生活品质外，更大程度上为控制雨洪提供了调蓄空间和行泄通道，减少了对天然水文循环的扰动。

按照海绵城市建设理念对片区空间布局进行优化，调整后研究区域不透水面积为34.8ha，占总面积的57.2%，由居住用地、村庄建设用地、公建用地、教育用地的屋面及道路、停车场组成；透水面积为24.2ha，占总面积的39.7%，由绿地（公园绿地及其他建设用地中的绿地）组成；其他为水域，面积为1.9ha，占总面积的3.1%。研究区域用地现状及规划见图1～3。

图1 研究区域开发前地貌

图2 研究区域开发建设现状

图3 研究区域空间布局规划

SWMM模型

SWMM模型是由美国国家环保署开发，用于模拟场降雨或长期降雨系列的水量或水质动态的降雨-径流模型。SWMM5.0可模拟生物滞留、透水铺装、雨桶、渗渠及植被浅沟等5种低影响开发措施，其他LID措施例如屋顶绿化、下凹式绿地均可通过调整参数进行模拟。结合模型中的水力模块、LID模块，实现雨水滞留、蒸发、下渗等水文过程的模拟。

LID在场地中的布置方式有两种：

1.场地层面：将LID措施设置为一个独立的子汇水区，用子汇水区的属性参数来表达LID措施，此方式使场地内雨水处置路径可视化，适用于小地块的LID集成技术效果模拟。

2.子汇水区层面：将一种或几种预先定义好的LID措施直接应用到子汇水区内。此方式无法明确指定LID措施的服务区域及处置路径，适合较大区域的LID模拟。应注意子汇水区的参数（如不透水率、特征宽度)在扣除LID措施面积后确定[2]，如图4。

图4 布置LID后子汇水区的参数调整

模型应用

1.研究区域概化

基于SWMM模型的应用要求，结合排水防涝规划及海绵城市建设实施方案对研究区域排水系统进行概化，共划分子汇水区12个，雨水管10条，检查井8个，排出口1个，调蓄水体1个。研究区域概化图见图5。

图5 研究区域概化图

2.海绵城市建设规划

研究区域采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复“海绵”功能。遵循海绵城市建设原则，提出以下4种海绵城市建设措施。

（1）调蓄水体。调蓄水体虽不是传统LID（狭义LID）措施，但是属于海绵城市（广义LDI）范畴，对研究区域而言尤为重要，整个区域的雨水最终都是汇入该水体进行消纳和调蓄，对该片区防洪排涝起到关键的作用。

（2）屋顶绿化。屋面硬化在研究区域内占有较大比例，通过屋顶绿化建设，不仅能够改善建筑性能、美化城市景观，还可有效减缓屋面雨水排入市政雨水管道的速度和流量，在削减城市雨水径流量和面源污染负荷方面作用明显。屋顶绿化率≥20%。

（3）下凹式绿地。针对已建或待建建筑小区、道路和公园，将绿地建为下凹式绿地，调整路面、绿地和雨水口高程的关系，使绿地高程低于路面高程，则道路和建筑物等不透水区上的雨水径流会先流入下凹式绿地，下凹式绿地内水蓄满后流入雨水口。下凹式绿地率≥50%

（4）透水铺装。透水铺装是典型的通过降低城市不透水面积比例而对径流进行调控的LID措施，能使暴雨径流在很短的时间内入渗到更深层的土壤中。研究区域内人行道、步行街、广场及停车场等均建为透水铺装，透水铺装率≥70%。

根据研究区域实际情况，针对各子汇水区LID措施提出了规划指标，见表1。

表1 各子汇水区建设概况及LID措施规划指标表

3.参数选取

研究区域内子汇水区的面积、特征宽度、坡度、管径、管长、检查井底标高及区域不透水面积比例等均可由下垫面信息和管网信息获取。模型参数的取值主要结合当地实际情况并参考SWMM模型用户手册中的推荐值[3]及相关文献。降雨入渗模型采用Horton入渗模型，地表径流的汇流采用非线性水库模型，水力模型选用动态波模型。

4.设计降雨

为了评估海绵城市建设对不同重现期暴雨的作用， 分别求出 P=2、5、10年的降雨量为61.78mm、73.95mm、83.16mm。选用芝加哥降雨过程线模型合成降雨情景，降雨历时t=2h，雨峰系数r=0.4，降雨时间间隔取5min。其他参数参照厦门地区暴雨强度公式[4]而定。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）。

5.模拟结果与分析

应用SWMM模型计算传统开发（无调蓄）、优化开发（有调蓄）、屋顶绿化、下凹式绿地、透水铺装单独布设和组合方案在2年一遇、5年一遇及10年一遇不同设计降雨条件下的径流总量、洪峰流量、峰现时间、雨量综合径流系数等。模拟总时长取6h，结果步长取5min。模拟结果见表2。

表2 不同降雨条件下各布设场景的模拟结果

由表2可以看出：①与传统开发相比，增设调蓄水体可大幅度削减洪峰流量，延后峰现时间；②各单项 LID措施均有较好地降低径流总量、削减洪峰流量和减小径流系数的作用，其中下凹式绿地作用相对明显；③LID措施单独或组合布设时，径流系数的减小幅度均随着设计降雨重现期的增大而减小，表明LID措施的雨水控制效果在低重现期下更为显著；④组合式海绵城市建设方案的雨水控制效果优于各LID措施单独布设。

综上可知，调蓄水体、屋顶绿化、下凹式绿地和透水铺装等海绵城市建设措施均能达到降低径流总量、削减洪峰流量、减小径流系数的目的，从而减轻雨水系统的运行压力，降低城市内涝风险。更可有效控制面源径流污染、增加雨水资源化利用量[5]。

结语

应用SWMM模型对翔城国际项目LID改造工程的规划设计方案进行模拟，通过对不同措施在不同设计降雨条件下对径流总量、洪峰流量、峰现时间及雨量综合径流系数的控制效果的分析，为海绵城市建设技术在厦门的推广提供了有力的技术支持。应借此契机推进海绵城市建设工作，更好地控制雨水、利用雨水，恢复城市原有的“海绵”功能。

（作者单位：厦门市城市规划设计研究院）

[1]厦门市城市规划设计研究院.翔安新城试点区域海绵城市建设实施方案（非公开出版物）

[2]Lewis A Rossman.Storm Water Management Model User's Manual（Version 5.0）[M].Washington DC：USEPA,2009

[3]王文亮,李俊奇,宫永伟,等.基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟[J].中国给水排水,2012,28 (21)：43

[4]张中和.给水排水设计手册（第5册）：城镇排水（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2004

[5]何爽,刘俊,朱嘉祺.基于SWMM模型的低影响开发模式雨洪控制利用效果模拟与评估 [J].水电能源科学, 2013,31(12)：45～46