低影响开发对城市内涝节点雨洪控制效果研究——不同降雨特性下的情景模拟

潘文斌,柯锦燕,郑 鹏,占 昕 (福州大学环境与资源学院,福建 福州 350116)

城市化发展改变了区域自然地貌和天然排水系统,导致不透水面积大幅度增加,再加上全球气候的变化,导致区域降雨特性发生改变,暴雨极端事件增加[1-2].这些变化引起城市降雨、径流要素的改变,带来了水资源短缺、水环境污染和城市雨洪灾害的 3大水文问题,严重制约城市的健康发展[2].为缓解城市发展带来的消极影响,我国在2015年4月公布了16个海绵城市试点名单,计划在未来3a内建成一个可存储、渗透和净化雨水的可持续雨水管理系统,形成一套可推广、可复制的工作机制、政策制度和技术标准.

海绵城市的核心理念是低影响开发(LID),强调通过源头分散的小型控制设施,维持和保护场地自然水文功能,该理念已在西方国家得到普遍认可,并逐步与城市的规划建设相结合[3-4].国内外学者亦在不同尺度下,通过实地监测和数学建模等方法对LID措施的雨洪控制效果进行研究,发现LID措施能够有效地起到径流调控、水质净化和雨水利用等作用,极大程度减少研究区域的开发对水文循环的影响[5-9].值得注意的是,部分研究指出LID措施的控制效果会受到降雨强度的影响[10-11],但目前关于LID措施在不同降雨特性下对城市雨洪控制效果研究较少.针对此,本文以福州市某高密度居民住宅区为例,模拟分析单个和组合布设的LID措施在不同降雨特性下(降雨重现期、降雨历时和雨峰系数)对内涝节点的雨洪控制效果,探索适合该小区的LID布设方式,进而为海绵城市建设提供理论依据,为其相关规范和标准的制定提供参考和借鉴.

1 方法与数据

1.1 PCSWMM模型

PCSWMM 是加拿大水力计算研究所(CHI)基于美国环保署(EPA)的SWMM模型开发的综合性商业化软件,广泛应用于城市排水管道和暴雨管理研究中.除具备与 SWMM 模型一样的核心程序和功能外,最新的PCSWMM 2015整合设计了最新的、功能强大的地理信息系统引擎,支持 1D/2D 模型的耦合,可模拟完整的污染物迁移和降雨径流过程,并为区域 LID管理提供决策性意见[12].PCSWMM 模型提供的 LID控制模块可以精确模拟不同类型的LID调控,如对滞留、下渗和蒸发的调控.在模型中,LID调控可由一组连接在一起的垂向图层表示(如表面层、路面层、土壤层和蓄水层等),每个图层的参数单独定义.在PCSWMM 运行期间,利用水量平衡方程可以跟踪每个LID图层实时的出流和储水情况[13].

1.2 研究区概况及其概化

图1 研究区域地理位置及其排水系统概化Fig.1 Geographical position and the drainage system generalization of the study area

1.3 模型参数的选择

1.3.1 模型水文水力参数的选择 研究区域子汇水区的面积、特征宽度、平均坡度和不透水率,是基于福州市规划设计研究院提供的土地利用类型分类图和地形图,通过 GIS软件提取.管道形状和断面尺寸、管道起止点偏置值、检查井内底标高、检查井最大深度等由福州市规划设计研究院和提供.模型不确定参数的选取主要结合实际情况,并参考SWMM模型用户指南的推荐值和国内外相关文献[13-17].降雨入渗过程采用霍顿方程(Horton)进行模拟.地表径流的产流模型分为有洼蓄量的不透水地表、无洼蓄量的不透水地表和透水地表 3个部分单独计算.地表径流的汇流计算采用非线性水库模型,模拟排水系统流量演算的水力模型选用动力波模型.模型主要参数取值见表1.

表1 模型主要参数的取值Table 1 Main uncertain parameter values in the model

1.3.2 LID参数设置 基于8种不同的用地布局情景分析不同的LID措施对内涝节点雨洪的控制效果,分别为:(1)现状用地布局情景(不采取任何的 LID 措施);(2)LID1用地布局情景(渗透铺装措施);(3)LID2用地布局情景(植被浅沟&雨水花园组合措施);(4)LID3用地布局情景(绿色屋顶措施); (5)LID12用地布局情景(渗透铺装&植被浅沟&雨水花园组合措施);(6)LID13用地布局情景(渗透铺装&绿色屋顶组合措施);(7)LID23用地布局情景(植被浅沟&雨水花园&绿色屋顶组合措施);(8)LID123用地布局情景(渗透铺装&植被浅沟&雨水花园&绿色屋顶组合措施).

表2 LID设计参数值Table 2 Parameter values of LID designs

对LID措施简介如下:(1)渗透铺装:将小区内每个子汇水区的硬质不透水路面全部改装为渗透路面,布设的渗透路面总面积为 1.899hm2.(2)植被浅沟和雨水花园组合:将小区内每个子汇水区的普通绿地全部改装为植被浅沟,布设总面积为 1.384hm2.将小区内每个子汇水区的水面全部改装为雨水花园,布设总面积为0.180hm2.因雨水花园的布设面积较小,故本研究将植被浅沟与雨水花园组合,作为一种单独的 LID措施来分析.(3)绿色屋顶:将小区内每个子流域的屋面全部改装为绿色屋顶,布设总面积为 0.948hm2.(4)组合方案:将上述3种单独的LID控制措施分别进行两两组合布设及三个组合布设,各 LID措施的布设面积及设置均与其单独布设时一致.其中,渗透铺装&植被浅沟&雨水花园组合措施的布设总面积为 3.463hm2,渗透铺装&绿色屋顶组合措施的布设总面积为 2.847hm2,植被浅沟&雨水花园&绿色屋顶组合措施的布设总面积为2.512hm2,渗透铺装&植被浅沟&雨水花园&绿色屋顶组合措施的布设总面积为4.411hm2.

不同 LID措施的参数设置主要参考 PCSWMM用户手册的推荐值及国内外相关学者给定的参考值[13-20],具体LID参数设置见表2.

1.3.3 水质参数设置 以 SS为研究对象,利用PCSWMM 的污染物模块及其土地利用模块、污染物累积模块和污染物冲刷模块进行研究小区内涝节点污染负荷模拟.结合不同土地利用情况对污染物的累积及冲刷的影响,利用饱和函数模型和指数函数模型进行污染物的堆积和冲刷模拟.通过研究区域实际情况及查看相关的文献获取模型的水质参数(表 3),本研究中植被浅沟、雨水花园、渗透铺装和绿色屋顶对 SS负荷的去除率分别为 60%,80%,90%,80%,根据研究区实际情况,确定模型中街道清扫间隔为1d,地表累积污染物的去除效率为70%.模拟前期干旱天数为 7d,并假定降水中所含的 SS为10mg/L[22-24].

表3 不同下垫面的SS模拟参数Table 3 SS simulation parameters for different underlying surfaces

1.4 暴雨强度的计算

陈奕[25]在对福州市暴雨强度公式优化研究中得出,福州市城区暴雨强度公式为:

式中:q为t时间内的平均降雨强度,L/(s·hm2);t为降雨历时,min;P为降雨重现期,a.为了评估 LID措施在不同降雨特性下对城市内涝节点雨洪的影响,利用式(1)分别求出不同降雨重现期(表 4)、不同降雨历时(表5)、不同雨峰系数的降雨数据(不同雨峰系数的降雨情景其降雨重现期均为10a一遇,降雨历时2h,降雨强度45.264mm/h,时间步长5min,模拟时间4h,雨峰系数分别取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8及0.9),采用芝加哥降雨过程线模型(CHM法)[26-27]合成降雨情景.

此次研制出的10 kV配电网不停电作业综合绝缘抱杆，较传统带电作业用绝缘抱杆相比，有了多方面的功能提升，整套工具更安全、更适用、更方便，体现在以下6个方面：

表4 不同降雨重现期的降雨情景Table 4 The rainfall scenarios under different rainfall return periods

表5 不同降雨历时的降雨情景Table 5 The rainfall scenarios under different rain durations

2 结果与讨论

2.1 现状用地布局情景下雨洪模拟情况

模拟现状用地布局情景下不同降雨重现期(P)的雨洪情况,发现研究区内涝节点从P=0.5a的4个增加到P=100a的38个.研究区域的西北方小区受灾较为严重,该小区在 P=0.5a时就开始出现内涝节点,在P=100a时,内涝节点的个数达到该小区检查井个数的75 %.

因此选用受灾较为严重的西北方小区进行LID措施布设,模拟分析在不同降雨特性下(降雨重现期、降雨历时和雨峰系数)各LID措施布设情景对区域内排水管网的雨洪控制效果.布设区域检查井 J3深度最小(1m),在各个 P下均出现积水现象,且 LID措施对其控制效果较其它节点更明显,故选用J3节点为研究对象.J3所在汇水区渗透铺装、植被浅沟、绿色屋顶布设的面积百分比分别为:43.10%,46.04 %,10.86 %.图2为LID布设区域的概化图,总面积为 4.411hm2,将该小区概化为 12个子汇水区(S1～S12),12个检查井(J1～J12)和 11条管道(C1～C11).根据下垫面类型将整个布设区域的现状用地划分为4类,分别为路面、绿地、水面、屋面,其面积占比分别为 43.08 %、31.29 %、4.08 %和21.55 %(图3).

图2 LID布设区域管线Fig.2 Drainage system designed in the LID layout area

图3 LID布设区域土地利用分类Fig.3 Land use classification in the LID layout area

2.2 不同降雨重现期(P)下LID控制效果模拟

选取洪峰流量、积水时间、积水深度和SS峰值浓度为控制指标,模拟分析在不同降雨特性下各LID措施布设情景在节点J3的雨洪控制效果.随着P的增长,现状用地布局情景下,节点J3的洪峰流量、积水时间和积水深度增大.不同P下的雨洪控制效果见图4～图7.

图4 LID布设在不同降雨重现期对洪峰流量的削减Fig.4 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

模拟结果表明,在不同的P下,布设LID措施使节点的洪峰流量减小,积水时间缩短,积水深度降低,且在小P的情景下对指标的控制效果更显著.(1)对于洪峰流量,各LID用地布局情景的削减总量随着P的增大而增加,其中LID2和LID23分别在P=20a和P=50a时对其削减总量达到最大,其后会随着P的增大而减小.(2)对于积水时间,LID1和LID2在P=2a对其削减总量达到最大,LID3、LID13和LID23为P=5a,其后都会随着P的增大而减小;LID12和LID123的削减总量随着P的增大不断增加,但在设定的P内未达到最大值.(3)对于积水深度,LID2在P=20a对其削减总量达到最大,其后会随着P的增大而减小,其余LID措施布设情景削减总量随着P的增长不断增大.(4)单个LID控制措施中以渗透铺装措施的控制效果最佳,其在P=1a时开始发生洪流,在P=2a时时开始发生积水;绿色屋顶措施的控制效果最差,在P=0.5a时开始发生洪流,这是因为 J3节点所在的子汇水区(S10)内 LID布设措施主要是渗透铺装和植被浅沟,绿色屋顶的布设面积较小,分别占整个子汇水区的43.10%、46.04%和 10.86%,故绿色屋顶的控制效果差,而渗透铺装对地表径流的滞蓄库容比植被浅沟的大,故其对节点积水的控制效果比植被浅沟好.组合布设情景, LID123控制效果最佳,在设定的P内均未发生洪流. LID12在P=100a时发生洪流,但洪峰流量较小,洪流持续时间较短,几乎为零,并未发生积水.LID23控制效果最差,在P=0.5a时,开始发生洪流并积水.

图5 LID布设在不同降雨重现期对积水时间的削减Fig.5 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

图6 LID布设在不同降雨重现期对积水深度的削减Fig.6 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

随着P的增大,现状用地布局情景的SS峰值浓度随之减小,这是由于随着降雨量的增长,地表污染负荷总量变化不大,而地表径流量大量增加,降雨径流对地表污染物冲刷的增加量小于地表径流的增加量,故使得节点中的SS峰值浓度减小.不同LID布设情景下,LID2和 LID23从 P=5a时开始,节点 SS峰值浓度大于现状用地;其余布设情景,对 SS峰值浓度均有一定的削减作用,模拟结果分析如下:(1)LID2、LID3和 LID23用地布局情景的节点 SS峰值浓度随着 P的增大呈现先增加后减小的趋势,其原因是这3种LID措施对径流量的削减量较大,在降雨量较小时,对径流量的控制效果较好,产生的地表径流量较少,不足以冲刷地表中截留的污染物质,故随着降雨量的增大,冲刷的污染物逐渐增多,SS冲刷的增加量大于径流的增加量,故节点中 SS峰值浓度增大.继续增大降雨量,3种 LID措施对地表径流的削减效果逐渐减小,地表径流量较大,而地表污染物质总量变化不大,SS冲刷的增量小于径流的增量,故节点中的污染峰值浓度减小.(2)LID1、LID12、LID13和LID123措施的节点SS峰值浓度随着P的增大而增加,其主要原因是这4种LID措施对地表径流的削减效果远远大于其他 LID措施,产生的地表径流较小,当降雨量增加,冲刷的 SS增量一直大于径流的增量,故节点的SS峰值浓度一直增大.(3)在不同的P下,LID2和LID23对SS峰值浓度的削减效果较差.随着 P的增大,LID1、LID12、LID13和LID123措施对节点SS峰值浓度的削减百分比逐渐减小,而LID2、LID3和LID23措施的削减百分比则先减小后增加.不同LID措施在P较小时的削减效果更显著.

图7 LID措施在不同降雨重现期对SS峰值浓度的削减Fig.7 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

2.3 不同降雨历时(t)下LID控制效果模拟

随着t的增长,现状用地布局情景下,节点J3的洪峰流量、积水深度和SS峰值浓度减小,而积水时间增大.不同t下的雨洪控制效果见图8～图11.

图8 LID布设在不同降雨历时对洪峰流量的削减Fig.8 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

图9 LID布设在不同降雨历时对积水时间的削减Fig.9 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

模拟结果表明,在不同的t下,布设LID措施使节点的洪峰流量减小,积水时间缩短,积水深度降低,且在低降雨历时的条件下的控制效果更显著.(1)对于洪峰流量,各LID用地布局情景的削减总量随着t的增长而减小.(2)对于积水时间,LID2、LID3和LID23在t=1.5h时,削减总量最小,而后随着t的增长不断增大.其余LID布设情景,削减总量随着t的增长不断增大,但在设定的 t内未达到最大值.(3)对于积水深度,各LID布设情景的削减总量随着t的增长不断减小.(4)单个LID控制措施中以渗透铺装措施的控制效果最佳,绿色屋顶措施的控制效果最差.组合布设情景中,LID123控制效果最佳,在设定的 t内均未发生洪流.LID12在t=1h发生洪流,但洪峰流量较小,而且未产生积水.

图10 LID布设在不同降雨历时对积水深度的削减Fig.10 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

图11 LID布设在不同降雨历时对SS峰值浓度的削减Fig.11 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

随着t的增长,现状用地布局情景的SS峰值浓度随之减小,这是由于降雨强度减小,地表径流对污染物的冲刷强度减弱,故使得节点中的 SS峰值浓度减小.不同LID布设情景下,得到以下模拟结果:(1)LID2和LID23布设之后,在不同的t下,节点SS峰值浓度比现状用地布局大,且在短t中更为显著.这是由于对比现状用地,植被浅沟布设后其土壤内含有SS,在短t中,降雨强度较大,冲刷的SS总量较大,而地表径流产生量较小,所以峰值浓度比现状用地更大.(2)单个LID控制措施中以渗透铺装措施的控制效果最佳,植被浅沟的控制效果最差.组合布设情景中,LID123控制效果最佳,LID23的控制效果最差.(3)不同LID措施在不同t下对节点SS峰值浓度的削减百分比有先减小后增加的趋势.

2.4 不同雨峰系数(r)下LID控制效果模拟

随着雨峰的后移,现状用地布局情景下,节点 J3的洪峰流量增大,积水时间和 SS峰值浓度减小,积水深度略有增加.不同 r下的雨洪控制效果见图 12～图15.

图12 LID布设在不同雨峰系数对洪峰流量的削减Fig.12 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

图13 LID布设在不同雨峰系数对积水时间的削减Fig.13 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

模拟结果表明,在不同的r下,布设LID措施使节点的洪峰流量减小,积水时间缩短,积水深度降低.(1)对于洪峰流量,各LID用地布局情景的削减总量随着雨峰的后移而增长,在r=0.7时达到最大,在r=0.8时下降,之后又会增长.(2)对于积水时间,各 LID用地布局情景的削减总量在 r=0.1时达到最大值,随着雨峰的后移,增加总量下降,到r=0.9时又开始增大.(3)对于积水深度,各LID用地布局情景的削减总量随着r的变化规律均不相同.(4)单个LID控制措施中以渗透铺装措施的控制效果最佳,绿色屋顶措施的控制效果最差;组合布设情景中,LID12和LID123在不同r下节点均未发生洪流.

图14 LID布设在不同雨峰系数对积水深度的削减Fig.14 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

图15 LID措施在不同雨峰系数对SS峰值浓度的削减Fig.15 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

随着雨峰的后移,现状用地布局情景的 SS峰值浓度随之减小,这是由于在雨峰前期,地表径流逐渐入渗到地下,随着雨峰的后移,入渗逐渐达到饱和,地表开始慢慢积水,致使地表径流峰值随着雨峰的后移而增大,而被降雨径流冲刷的地表污染物的负荷量变化不大,故使得径流中污染物峰值浓度减小,节点 SS浓度的峰值减小.不同 LID布设情景下,LID2和LID23从r=0.4开始,节点SS峰值浓度大于现状用地;其余布设情景,在各r下对SS峰值浓度均有一定的削减作用,模拟结果分析如下:(1)LID2、LID3和 LID23用地布局情景的SS峰值浓度均随着雨峰的后移逐渐减小,其原因是这3种用地布局情景产生的地表径流量较大,在雨峰前期,地表径流逐渐入渗到地下,随着雨峰的后移,入渗逐渐达到饱和,地表开始慢慢积水,致使地表径流峰值随着雨峰的后移逐渐增大,而被降雨径流冲刷的地表污染物的负荷量变化不大,故使得径流中污染物峰值浓度减小.(2)LID12和 LID123用地布局情景 SS峰值浓度随着雨峰的后移逐渐增加.SS峰值浓度增加的原因是在以上2种用地布局情景下,地表径流量大量减少,随着雨峰系数的后移,地表积累的污染物受雨水冲刷变多,径流的峰值流量增大,使得地表径流中携带的污染物的量也增加.节点中的SS负荷增多,而雨水深度减小,故浓度峰值增加.(3)单个LID控制措施中以渗透铺装措施的控制效果最佳,植被浅沟的控制效果最差;组合布设情景中,LID12和LID123在不同r下控制效果较佳.

3 结论

3.1 总体来说,布设 LID 措施之后,在不同降雨情景下,节点的洪峰流量减小、积水时间减少、积水深度变小;除了LID2和LID23节点SS峰值浓度会高于现状用地,其余布设情景下,SS峰值浓度减小.

3.2 对于水量控制,在不同降雨情景下,各LID布设组合的削减效果以LID123措施的削减效果最佳,在单个 LID控制措施中,渗透铺装的控制效果最佳,LID3的控制效果最差.对于水质控制,在不同降雨情景下,LID3措施对节点SS峰值浓度的削减效果比LID2措施的效果好.LID12措施对节点SS峰值浓度的削减效果比LID13措施的效果好.LID措施对节点水量和水质的控制效果在低降雨重现期和长降雨历时的降雨情景下更显著.由于西北小区受台风天气影响及其下垫面类型的限制,LID12、LID13和LID123措施是缓解该布设区域发生洪涝灾害的最佳布设措施.

3.3 为了更有效地控制城市内涝,除了采取 LID绿色基础设施之外,排水管网系统的更新速度应与城市发展速度相一致,增大排水管网的设计标准,并适当地加入灰色基础设施,如储水单元、调节设施等.在今后研究中,应加强灰色基础设施与绿色基础设施相结合,更加系统的将LID措施与当地已有的雨水调控措施有机结合而实现区域的可持续性发展,更合理的与实际情况相结合,充分利用空间场地,达到最佳的控制效果,并将侧重点逐渐转移到与城市规划、景观规划等大尺度的布局结合,从宏观角度去协调各个技术措施,发挥各个工程技术措施的综合效益.