海绵城市建设下LID模拟研究综述及案例分析

周倩倩，苏炯恒，王 雁

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

随着城市化进程的加快，大量不透水地面的出现破坏了天然状态下的水文机制，城市雨洪管理问题日益加剧. 低影响开发(Low Impact Development,LID)作为一种新型的雨洪管理理念，通过入渗、过滤和截流等方式对雨水径流进行管理和调控，与之相似的理念包括英国的可持续城市雨水系统(SUDS)、美国的最佳管理措施(BMPS)和澳大利亚的水敏感城市设计(WSUD)等[1]. 我国在新型内涝管理方法上的研究时间较短，对如何基于LID 理论体系，进行相关模型构建和效能分析等内容缺乏有效的数据支撑和技术指导[2]，主要问题集中在对LID各类模块的应用以及包含的参数数据收集比较落后，这将直接影响LID措施的模拟效果. 因此，系统梳理和分类收集不同LID模块的数据设置方法，具有重要的理论价值和现实意义.

本文对近几年来在我国主流期刊上针对LID措施模拟的相关文献(约200篇LID仿真建模分析，提供具体模块选取和参数设置的文献约占25%)进行了系统查阅和调研，旨在对目前常用的LID模型进行数据统计、关键参数识别和方法综述，为LID在不同地区的模拟提供有效的数据支撑，提升模拟准确度. 最后，采用案例进行研究，依据数据统计分析，选取绿色屋顶和透水路面两种措施对研究区的排水区域进行LID布设和模型分析，评估不同措施对其系统排水能力和节点溢流量的调控作用.

1 典型LID措施及模型参数研究

1.1 LID措施及模型

常见LID采用雨水源头控制技术，通过滞留、蓄集、渗透等作用，对降雨径流进行管理[3]. 其中生物滞留池、雨水花园和绿色屋顶的作用机理相似，主要通过植物作用对雨水进行滞留和排放. 生物滞留池主要在低洼区域种植植物，达到雨水入渗和截流的目的，适用于建筑、道路及城市常见绿化带[4]. 雨水花园是自然形成或人工挖掘的浅凹绿地，适用于修建在学校、居民区、停车场附近，设计可与风景园林相结合，提供附赠的景观价值[4]. 绿色屋顶是由植被、培养基质、过滤层和排水材料等构成的一个小型排水系统[1]，适用于修建在多类屋顶上对降雨径流进行削减的情形.

透水路面及下渗沟主要利用渗透作用进行雨水控制. 透水路面采用透水性较好的材料进行铺设，包括水泥孔砖、网格砖、塑料网格砖、透水沥青和透水混凝土等[1]，最常用于广场、停车场、人行道以及荷载较小的道路. 下渗沟是一种用石材骨料回填并铺有过滤织物的狭长沟渠，可采用穿孔塑料管、无砂混凝土管、渠和砾(碎)石等材料组合而成，适用于建筑、小区及公共绿地内转输流量较小的区域[4]. 植草沟则是在地表沟渠中种植植被，利用重力流收集、输送和排放雨水径流并通过植被截留和土壤过滤对雨水径流进行处理[4]，适用于广场、停车场等不透水路面的周边及城市绿地等区域.

如图1所示，暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)中的LID模块提供了6种措施的理论概念模型和仿真模拟方法，其中基本模型包括了LID措施中的土壤表面层、土壤层、蓄水层以及相关排水系统的定义和设置. 不同措施的模拟需要选取对应的结构层，对其相关参数进行设置. 本文依据文献综述获得的设置方法和数据要求，对不同模块模拟层参数的重要程度(高、中、低)进行了划分(见表1)，为不同LID模块的构建提供参数指引.

图1 6种典型LID模型概念图Fig.1 The concept map of six kinds of typical LID model

1.2 LID参数综述

通过对文献中参数数据[5-39]的进一步分析，国内的研究案例约占86%，剩余研究区主要分布在美国、新加坡及韩国等地. 在国内的模拟分析文献中，以“秦岭-淮河”为分界，68%的研究区域分布在中国南方. 数据表明，LID模型较多应用于南方的广东江浙地区(主要集中在一线城市)及北方沿海一带. 内陆地区的LID仿真案例较少，我国的西北地区未发现相关案例分析(见图2). 根据查阅的资料显示，透水路面在所有区域的使用率最高，生物滞留池及绿色屋顶措施的使用率次之. 另对比南北方LID使用类型可知，下渗沟在北方的使用率较高，南方几乎没有，而雨水花园和植草沟在南北方的使用率普遍不高，但南方的使用率相对比北方的使用率高一些.

按照南北方分区对不同模型的属性层数据进行了统计，本文以绿色屋顶(见图3)和透水路面(见图4)为例，显示了LID模拟由于地域(包含下垫面条件、降雨频率和强度、气候条件等)的不同导致在模型构建和参数设置上的不同. 例如，对于绿色屋顶的模拟，在表面层的蓄水深度、植物体积覆盖率、地表坡度及土壤层的透水层厚度So(不同属性层的同一参数以英文头两个字母进行区分)的设置方面，南方的参数通常高于北方地区. 又如在模拟透水路面时，除表面层中植物体积覆盖率数据较相近外，表面层其他数据及蓄水层数据在南北方地区均相差较大，其中南方的数据总体分布相对更为分散. 由于国外和国内研究案例在流域规模、环境特征、用地类型和下垫面条件的差异较大，本文未统计国外LID模拟参数的数据分布和范围.

图2 国内LID措施分布Fig.2 Distribution of LID measures in China

图3 绿色屋顶参数对比Fig.3 The comparison on parameters of green roof

图4 透水路面参数对比Fig.4 The comparison on parameters of permeable pavement

2 LID案例分析

2.1 研究区域

H市是中国北方一个典型的发展中城市，总面积为1 397.915 hm2，划分为住宅、工业、绿地、农业及其他用地5个基本用地类型. 随着城市化进程的推进和经济发展，该市人口密度增加，土地利用类型频繁发生变化，农业面积及绿地面积比例逐渐减少，不透性面积急剧增加. 由于初期管道的设计标准偏低、排水设施建设相对落后，主要城区出现地表径流增多及内涝频现的问题. 该地区急需依据现有汇水区条件、土地类型和系统溢流状况，采用LID措施进行空间布设，达到源头控制和径流管理的目的[40].

2.2 模型建立

基于SWMM建立该地区的排水管网模型. 依据研究区域的地形特征及该城市管网系统的空间形态，将研究区域划分为53个子汇水区、3根管段及3个排出口，见图5(a). 在3年降雨重现期模拟情形下，获取该地区的溢流点分布及相关数据，得到总径流量为446.97×106L，总溢流量为62.32×106L，且总溢流量占总径流量的14%. 在上述模型参数研究的基础上，采用使用率较高且参考数据较完整的LID措施(绿色屋顶及透水路面)进行单独模拟. 依据上述文献的参数总结，确定具体的LID模型参数(见表2和表3)，再依据每个汇水区的面积大小及土地类型划分，初步决定每个汇水区域布设该LID措施的最大上限比例，对模拟获得的溢流区域优先布设LID措施. 通过LID仿真模拟获取措施的调控效果，并评估其可行性(见图5(b)及图5(c)).

图5 研究区模型建立Fig.5 Model establishment in research area

表3 透水路面参数设置Tab.3 Parameter setting of permeable pavement

2.3 LID模拟结果

在该研究区域内，绿色屋顶的控制效果优于透水路面，这与该地区的下垫面类型及用水划分有关.在布设绿色屋顶后，该研究区域的总径流量削减率为36%，总溢流量削减率为71%，总溢流量占总径流量的6%. 而对于透水路面的布设，总径流量削减率为24%，总溢流量削减率为62%，总溢流量占总径流量的7%. 对比数据结果显示，两者布设效果相近，对径流量的控制相差不大，但对于此区域而言，绿色屋顶措施在径流量和溢流量的控制效果上更突出(见图6).

图6 LID布设效果对比Fig.6 The comparison of LID layout effect

3 结果与讨论

(1) 采用SWMM预设值进行模拟，将使模型的适用度和准确度大大降低. 针对LID模块及参数应用的局限性，本文对国内LID技术进行分析和总结，通过对LID模块及参数设置的原理、仿真模拟技术、选择的重要程度、地域分布情况及不同区域参数的选择范围进行汇总和提炼，为各地区的LID措施模拟提供有效的参数支持，提高模拟和分析的科学性和准确性.

(2) 依据LID模块原理及参数设计的原则，选取使用率高且数据完整的LID措施对研究区进行仿真模拟. 不同的区域有自身适用的LID措施，对本研究区而言，绿色屋顶措施的布设效果比透水路面更优.因此，需依据因地制宜的思路，合理选取LID措施.

(3) 本文的数据信息需通过参考大量的文献资料获得，但部分参数的设置仍存在局限性和不确定性，后期将进一步拓展数据收集范围和区域，进一步提升数据的质量. 此外，在进行LID布设时，可以参照不同LID措施的适用条件和优劣性，充分利用地域的下垫面条件和布设需求，尝试采用组合策略进行优化.