基于SWMM模型的高密度校园景观LID优化设计研究——以陕西理工校园景观LID优化设计为例

蒲晓娟 雷乔 李欢 杨涛

(陕西理工大学土木工程与建筑学院 陕西汉中 723001)

0 引言

现阶段，我国对于“海绵城市”研究大多集中于市政道路、住宅小区、城市区域规划等方面，涉及校园内容较少。校园，尤其是高校校园拥有较大面积的绿地，建筑密度低等特点，是城市中不可多得的绿色廊道，实施“海绵化”建设，有着其独特的优势。本课题研究高校的“海绵化”建设，对促进在城市雨洪管理和生态化建设有重要的现实意义。

本次研究以陕西理工大学校校园作为研究对象，并基此提出适合高密度校园的LID优化策略。为了更好地判断LID效果，本次研究利用SWMM模型对采取LID措施前后的校园水文情况进行比较分析。

1 研究项目概况

本研究对象陕西理工大学，位于陕西省汉中市，全年平均降水量893mm，夏季为一年中降水最充沛季节，降水量占全年降水量的46%～52%[1]。进行LID措施优化的区域，选择在陕西理工大学南校区校园内的知行路附近。该区域全长819m，沿线布局有教师公寓、食堂、学生公寓、学生服务中心、大礼堂等建筑。区域总面积为295 050 m2，不透水区域面积约为224 000m2，约占总用地面积76%。

研究区域内不透水下垫面类型，主要为混凝土道路和地面砖覆盖的广场区域。区域内建筑密度较高，只有部分线状绿化带。这些绿化带标高高于道路标高，不具备雨水蓄积功能。

2 现状水文模型的建立

为了更好地分析采取LID措施的效果，本次研究通过 SWMM(Storm Water Management Model)建立研究区域的水文模型。未采用 LID 措施的模型称为现状模型，增设 LID 措施后的模型称为LID模型。

现状模型建立，首先根据学校平面图及管网图，将研究区域排水系统概化为24子汇水区，24条排水管道，24个节点，1个出水口。如图1所示，黑色细实线为排水管道、黑色圆点为节点、黑色三角形为出水口。其次，确定汇水区的渗入情况的相关参数。

图1 研究区域子汇水分区图

根据实际调研情况，确定子汇水区不渗透性百分比76%。结合研究区域下垫面情况，参考模型用户手册选取透水地表和不透水地表的洼蓄量典型值分别为15mm和5mm。透水地面、不透水地面和管道的曼宁系数分别取0.24、0.012和0.012。将学堂路概化为深0.15m、宽7m矩形明渠，曼宁系数取0.012[2]。本次研究采用5年一遇暴雨设计(P=20%)，利用汉中市暴雨强度公式[3]计算本模型24h内降雨量为319mm。最后，通过SWMM模型模拟出现状水文模型相关参数：地表径流为268mm，径流系数为0.84。

3 研究区域LID优化设计

3.1 优化策略

本次研究区域知行路，为陕西理工大学内高密度区域的典型，现状存在如下问题：

(1)校园建筑密度大。教学楼、宿舍楼等建筑在校园中所占比例大，提供给绿化或景观设计的面积较小，对景观设计有很大的局限性；

(2)不透水下垫面面积过大，这也是高密度校园易产生积水的主要原因。

基于以上原因，在高密度校园中进行LID优化设计策略，是有针对性地采用占地面积小、透水效果好且利于分散布局的景观设施。符合此3个特点的LID设施有：绿色屋顶、简易型生态滞留池、干式植草沟和湿式植草沟。将这4种LID设施根据研究区域地形特征布置并进行景观设计。

3.2 优化措施

本次研究选取年径流总量控制率为低影响开发控制目标。根据海绵城市技术指南中的规定，汉中市所处的Ⅲ区的径流控制总量最低需要降低为原排放量的75%[4]。因此，在此次模拟中，加入LID设施后的研究区域地表径流应降低至201mm。

结合研究区域特征以及场地地表径流控制目标，本次研究提出在研究区域内增加以下LID优化措施。

(1)绿色屋顶，主要用于高密度校园的建筑屋顶，可以有效减少屋顶雨水径流并延缓雨水排入排水系统的速度。图2为研究区域中6号公寓楼屋顶，屋顶种植层由下至上分别为防水层、隔离层、防根层、排水组织系统、过滤层和种植土层。雨水流经种植层，经由草木根部、过滤层净化缓慢排入排放设施。绿色屋顶是高密度校园最主要的LID优化措施。

(2)简易型生态滞留池，主要用于高密度校园中各建筑雨落管落水出，减少地表径流。图3为6号宿舍楼下的生态滞留池。在雨落管落水口小范围设置简易型生态滞留池，一来将雨水在滞留池暂存或下渗，减少路面地表径流压力，二来这样小范围布置的滞留池紧邻建筑，在不干扰人流的前提下取得很好的景观效果。

图3 节点b示意图

(3)干式植草沟，主要用于校园中各宿舍楼之间的自行车棚，收集地面雨水并下渗。如图4所示，节点c为研究区域6号宿舍楼和5号宿舍楼之间的自行车棚，在自行车棚地面设置分散式的干式植草沟，将原本流向道路的雨水导向植草沟中，进而下渗或滞留，减少地表雨水径流。

图4 节点c示意图

(4)湿式植草沟，主要用于校园中不透水地面的广场，减少广场地面径流。如图5所示，节点d为研究区域大礼堂东侧、6号宿舍楼西侧的广场，在广场两侧设置植草沟，将广场雨水引流至两侧植草沟中，减少地表径流压力。干式植草沟与湿式植草沟具有前期建造与后期维护费用低、施工难度小且景观效果好等优点，一般分散布置，适合在高密度校园中进行小点布置。

图5 节点d示意图

4 研究区域LID优化设计后效果分析

将增设了LID措施的研究区域建立SWMM模型，实现LID技术措施对场地径流量、峰值流量控制效果的模拟。根据2014年新版《室外排水设计规范》，规定每条道路至少应有一条车道的积水深度不超过15cm[5]，因此，将节点积水深度作为辅助对比项。

从图6中现状模型中知行路普遍积水深度超过0.20m(节点颜色多为绿、黄)；而加入LID措施后模型中积水点颜色普遍由之前的黄、绿变成深蓝、天蓝，即积水深度下降到0.2m以下。大部分管道由现状模型中的红、黄变为了蓝、深蓝，说明管段流量减少，增设的LID设施对减少管段流量和节点深度起到了较大的作用。

图6 节点深度、管段流量对比图

对比图7(a)、(b)在LID措施的影响下，峰值时管道内流量明显降低，说明概化的知行路渠道内的富余空间很大，LID措施效果明显[6]。

图7(a) 现状-节点DLD28 至节点 DLD63 峰值流量

图7(b) LID措施后节点DLD28 至节点 DLD63 峰值流量图7 节点DLD28 至节点 DLD63 峰值流量剖面对比图

根据增加LID设计前后的地表径流与径流系数对比，增加LID设计后，研究区域地表径流降低为210mm，达到场地LID地表径流控制目标。

研究通过建立知行路SWMM雨洪模型，对比分析了增设LID措施前后变化，验证了在高密度校园中增设小面积LID措施可削减一定程度的暴雨径流，并对雨水进行收集。

5 高密度校园LID景观系统优化策略

图8给出了高密度校园LID景观系统优化设计策略，主要加入了绿色屋顶、生态滞留池、植草沟等措施，雨水流经高密度校园时，首先由绿色屋顶滞留，随后流至植草沟等小面积LID措施并入渗，补充地下水或收集至地下蓄水设施，最后汇入道路雨水大大减少，且道路雨水流向生态滞留池，形成雨水循环系统，为人们在高密度校园开发和改造时考虑低影响开发提供一些思路。

图8 LID景观系统优化策略

6 结语

本文通过对陕西理工大学校园的校园LID优化表明高密度校园内采用的绿色屋顶、植草沟、生态滞留地等小面积分散的措施是有效的，可以大大削减校园内道路的峰值流量和节点积水深度，对于海绵城市的建设具有一定的借鉴意义。