绿色屋顶与下凹绿地串联对居住区径流削减效果分析

蔡家珍，陈 虹，燕一波，黄宝华

(1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000； 2.漳州城市职业学院，福建 漳州 363000)

绿色屋顶与下凹绿地串联对居住区径流削减效果分析

蔡家珍1，陈 虹2，燕一波2，黄宝华1

(1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000； 2.漳州城市职业学院，福建 漳州 363000)

居住区具有建筑密度大，绿地率高的特点，绿色屋顶和下凹绿地利用蓄水空间能有效调控居住区雨水径流。以漳州市某居住区为研究区域，构建雨水系统SWMM模型，通过改变绿色屋顶径流路径，模拟不同重现期绿色屋顶与下凹绿地各自排洪与串联使用对居住区的径流削减效果。结果表明，在降雨历时2 h重现期为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨条件下，绿色屋顶与下凹绿地各自排洪(绿色屋顶径流不接入下凹绿地)时，其径流总量削减率为37.3%～38.5%，峰值削减率为37.5%～43.2%。当串联使用(绿色屋顶径流接入下凹绿地)时，削峰减排效果更加明显，且对于低强度降雨，优势更为突出。

海绵城市；绿色屋顶；下凹绿地；SWMM

随着城市化快速发展，城市不透水面积逐年增加，改变了原有的下垫面构成，自然水文循环遭到严重破坏，致使城市雨水径流量增大，水污染加剧。为缓解这一问题，海绵城市雨洪管理理念应运而生，居住区是海绵城市建设的重要场地[1-3]，具有建筑密度大，绿地率高的特点。绿色屋顶与下凹绿地作为重要的景观雨水设施，对促进居住区雨水滞留下渗，削减雨水径流具有突出优点，即绿色屋顶能在不占用土地的同时，增加居住区绿化率，下凹绿地的下凹深度具有较显著的蓄渗作用[4]。本研究对漳州市某小区构建雨洪管理SWMM模型，模拟不同降雨强度下绿色屋顶与下凹绿地单独排洪和串联使用的径流过程，分析两种模式对居住区径流的削减效果。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

选取漳州市某小区为研究对象，主要由高层住宅建筑、道路广场和绿地组成，总面积为1.22 hm2，不透水面积为0.65 hm2(屋面为0.25 hm2，路面为0.398 hm2)，占总面积53.1%，绿地率为46.9%。区域大体地势东南高西北低，排水采用雨污分流，排水管道沿道路布设，雨水径流汇流至支管后经主干管收集最终排入市政雨水管网。

1.2 研究方法

依据现状地形图和实测资料构建SWMM模型[5-7]，并利用3场实测降雨事件对模型流量参数进行率定和验证。使用芝加哥雨型设计4场降雨事件(重现期为2 a、5 a、10 a、20 a，降雨历时为2 h)，将绿色屋顶与下凹绿地设置为独立的子汇水区，先使绿色屋顶的雨水径流排向建筑外路面，再通过改变设置出水口使绿色屋顶的雨水径流接入下凹绿地实现串联情景，从而研究绿色屋顶与下凹绿地各自排洪与串联使用的径流削减效果。

2 模型建立

2.1 研究区域概化

参照研究区雨水管网分布、地面坡度及下垫面不同，遵循概化原则，整个研究区域概化为12个子汇水区、雨水管10条、检查井节点10个、排放口1个，概化结果如图1所示。

2.2 模型参数选择

根据课题组前期研究成果[8]、实测资料，并参考SWMM模型用户手册及国内外相关文献设定模型参数。模型中研究区域图、汇水面积、雨水管网分布、管道管径、长度、坡度、埋深等主要确定参数来源于现有资料或实测数据。Horton模型主要参数、曼宁粗糙系数、渗透性/不渗透性洼地蓄水量等不确定参数通过实测数据进行率定，渗透采用Horton模型能更好地描述绿地的入渗性能，管道内汇流计算采用运动波方程，地表汇流计算选用非线性水库模型[9-15]。绿色屋顶与下凹绿地的主要参数来源于设计结构，通过LID控制器定义后，再应用到子集水区内。

图1 研究区域概化

2.3 模型参数率定

以研究区出水口节点为监测点，选用2017年5月内两场降雨对SWMM模型流量参数进行率定，降雨数据采用安装在市实验小学楼顶的HOBO雨量计记录，流量监测采用流速面积法。依据参数的敏感性不同，通过人工在一定范围内反复调试参数取值，使模拟与实测结果相接近。图2显示，模拟径流过程与实测水量过程趋势基本一致，这说明流量参数率定精度较可靠。参数率定结果是管道、道路路面、绿地的曼宁粗糙系数分别为0.013、0.012、0.15，渗透性洼地蓄水量为5 mm，不渗透性洼地蓄水量1.5 mm，Horton模型中最大和最小入渗率为69.5 mm/h和2.524 mm/h，衰减系数为4 h-1。

2.4 模型参数验证

采用2017年6月的一场降雨过程的实测数据验证模型参数的率定情况，模型模拟过程流量与研究区排放口节点监测结果如图3，得知实测降雨径流历时曲线与模型模拟运行的曲线拟合较好，模拟出的径流总量和峰值流量较接近实测值，说明模型率定情况较好，可用来进行居住区绿色屋顶与下凹绿地径流调控效果模拟。

3 结果与分析

3.1 降雨事件选择

研究是利用SWMM模型模拟居住区绿色屋顶与下凹绿地各自排洪与串联使用的径流削减效果。由于研究区面积较小，短历时高强度降雨对设施径流调控效果影响较大，因此选用短历时2 h为设计降雨历时，雨峰系数为0.4，并采用芝加哥雨型生成器结合漳州市暴雨强度公式推求重现期为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨量分别为 70.064 mm、83.588 mm、93.819 mm、104.049 mm。

图2 两场降雨事件的率定结果

图3 模型验证结果

3.2 结果与讨论

在降雨历时2 h，重现期分别为2 a、5 a、10 a、20 a的设计降雨条件下，研究区域传统开发模式、绿色屋顶与下凹绿地各自排洪、串联使用3种模式下，出水口水量的变化过程如图4～7，径流总量、峰值流量见表1～2。

图4 2 a一遇2 h降雨径流过程曲线

图5 5 a一遇2 h降雨径流过程曲线

图6 10 a一遇2 h降雨径流过程曲线

图7 20 a一遇2 h降雨径流过程曲线

表1 不同设计降雨下两种模式的调控性能

表2 两种模式下的模拟结果对比

3.3 绿色屋顶与下凹绿地各自排洪分析

研究区屋面和绿地分别设置为绿色屋顶和下凹绿地，同时不改变雨水径流路径，即屋面雨水径流排向建筑周围道路后进入雨水管网，下凹绿地只消纳自身雨水，实现绿色屋顶与下凹绿地各自排洪。图4～7和表1显示，绿色屋顶和下凹绿地各自排洪模式径流总量削减率分别为38.5%、38.1%、37.6%、37.3%，峰值削减率为43.2%、41.2%、39.1%、37.5%。且在低强度降雨条件下，径流削减效果较好，这是由于绿色屋顶和下凹绿地具有一定的蓄水空间，能储存较多的雨水，充分体现了绿色屋顶与下凹绿地的滞留蓄渗作用。

3.4 绿色屋顶与下凹绿地串联分析

改变研究区绿色屋顶和下凹绿地的雨水径流路径，即将绿色屋顶的雨水径流接入下凹绿地，收水节点位于下凹绿地中，实现绿色屋顶与下凹绿地串联使用。由图4～7和表2可知，串联后径流削减效果比各自排洪更显著，这是利用绿色屋顶与下凹绿地蓄水空间和延长径流路径实现的，同时绿色屋顶无下凹空间，蓄渗能力不如下凹绿地，串联使用后，绿色屋顶径流较早产生后汇流于下凹绿地的填洼，有效地削减了径流量和峰值流量。

研究结果还表明，在低强度降雨条件下，绿色屋顶与下凹绿地串联使用对径流削减效果更好。这是由于低强度降雨条件下，雨量小，绿色屋顶与下凹绿地串联使用能迅速吸纳雨水，促进雨水下渗，减少地表径流产生，随着降雨强度增大，雨量较大，设施蓄渗能力逐渐趋于饱和，植物蒸腾和蒸发反应过慢，几乎可以忽略不计，设施只具有延长径流路径的作用，削峰减排效能也随之降低。

4 结语

1)绿色屋顶和下凹绿地能有效削减径流流量和峰值流量，在降雨历时2 h重现期为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨条件下，各自排洪模式径流总量削减率为37.3%～38.5%，峰值削减率为37.5%～43.2%。

2)绿色屋顶和下凹绿地串联使用时削减效果更显著。充分体现了绿色屋顶和下凹绿地具有滞留蓄渗的作用，在低强度降雨条件下，更突显串联的优势，可以有效地从源头对雨水径流进行管理。因此，在实践中将绿色屋顶与下凹绿地串联使用，从而最大化实现径流削减效果。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2014.

[2] Davis A P，Shokouhian M，Sharma H，et al.Laboratory studay of biological retention for urban storm water management[J].Water Environ Res，2011，73(1):5-14.

[3] James M B，Dymond R L.Bioretention hydrologic performance in an urban storm water network [J].Journal of Hydrologic Engineering，2011，17(3):431-436.

[4] 武炜瑶.居住区雨水利用景观设计研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[5] 陈虹，李家科，李亚娇，等.暴雨洪水管理模型SWMM的研究及应用进展[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2015，43(12)：225-234.

[6] 吴淑君，李欣昀，李晓英，等.城市小区景观雨水利用研究——杭州一典型性居民区为例[J].给水排水，2016(42)：237-241.

[7] 匡彬，欧阳二明，汪涛.基于LID的小区绿色雨水系统径流量控制研究[J].中国给水排水，2015，31(23)：134-138.

[8] 蔡家珍，李招连，黄宝华，等.景观雨水设施对城市道路径流削减效果评价[J].南昌工程学院学报，2017，36(3):37-40.

[9] 王晓昌，王永坤，任心欣，等.深圳市某体育中心低影响开发系统应用与模拟评估[J].给水排水，2016，42(5):91-96.

[10] 胡爱兵，任心欣，丁年，等.基于SWMM的深圳市某区域LID设施布局与优化[J].中国给水排水，2015，31(21):96-100.

[11] 李翠梅，罗贤达，黄锐.基于SWMM的低冲击开发雨洪控制过程模拟[J].兰州理工大学学报，2016，42(2):144-147.

[12] 李春林，刘淼，胡远满，等.基于暴雨径流管理模型(SWMM)的海绵城市低影响开发措施控制效果模拟[J].应用生态学报，2017，28(8):1-8.

[13] 尚蕊玲，王华，黄宁俊.城市新区低影响开发措施的效果模拟与评价[J].中国给水排水，2016，32(11)：141-146.

[14] 孙艳伟，Pomeroy C A，吕素冰，等.基于不同重现期降水的LID措施水文调控性能研究[J].农业机械学报，2016，47(6)：178-186.

[15] 胡作鹏，刘志强，彭森，等.低影响开发(LID)雨水径流控制效果模拟[J].环境工程学报，2016，10(7)：3956-3960.

TheAnalysistotheRunoffReductionEffectofGreenRoofandSunkenLawninseriesinResidentialArea

CAI Jia-zhen，et al.

(ZhangzhouInstituteofTechnology，ZhangzhouFujian363000，China)

Residential area has the characteristics of large building density and high rate of green land.The green roof and sunken lawn can effectively control residential rainfall runoff by using water storage space.Taking one residential area in Zhangzhou city China as the study area，the rainwater system model SWMM has been constructed.By changing the runoff path of green roof，the effects to self-flooding and usage in series with green roof and sunken lawn on the residential runoff reduction during various return periods have been simulated.The results show that with the condition of 2h-rainfall whose return periods are 2 a，5 a，10 a，20 a,when the self-flooding with green roof and sunken lawn separately (the runoff in green roof do not directly discharge into the sunken lawn)，the total runoff reduction rate is in 37.3%-38.5%，and the peak reduction rate is in 37.5%-43.2%.When it is applied in series (the runoff in green roof runoff directly discharged into sunken lawn)，the effect of peak reduction is more obvious.As to the low-intensity rainfall，the advantage is more prominent.

sponge city；green roof；sunken lawn；SWMM

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.020

2017-07-23

漳州市自然科学基金项目(ZZ2016J05)

蔡家珍(1982-)，女(汉)，福建漳州，硕士，讲师 主要研究城市雨水管理与园林结合。

TU992

A

1009-8984(2017)03-0084-04