基于暴雨洪水管理模型的海绵型高速公路服务区低影响开发研究

陈 芳，张浩月，胡晓红，刘 煌

(1. 招商局生态环保科技有限公司，重庆 400067； 2. 成都双流国际机场地面服务有限公司，四川 成都 610000)

随着社会经济的发展，我国公路里程快速增长，高速公路服务区数量剧增。工程建设将使服务区范围内的自然地表的水文发生变化。当暴雨时节来临时，可能使大量水体滞留产生内涝。加之我国高速服务区排水基础设施建设相对滞后、已建排水设施设计标准较低、排水技术措施单一等问题，服务区雨洪控制技术亟待提升[1]。

为改善城市化导致的雨水下渗受阻问题，国外学者先后提出了最佳管理措施BMPs[2]、低影响开发LID[3]、城市水敏感设计WSUD[4]、可持续城市排水系统SUDS[5]等技术。其中LID低影响开发模式是BMPs的继承和创新，被多个国家广泛实践。国内学者也进行了较多研究，其中北京建筑大学车伍教授从宏观和中观层面对雨洪控制管理开展了系统的研究；在微观层面，许仕荣等[6]基于城市排水管网模拟系统建立不同用地场景的排水管网水力模型。赵子成等[7]建立了结构可靠度理论等数学方法来预测既有管网的可靠度。

综上所述，目前针对城市和流域开展的雨洪控制研究较多，而针对公路开展研究较少。因此，基于海绵型高速公路服务区的总体理念下，提出LID设施选择原则，构建雨洪管理控制技术并进行实例运用，并运用暴雨洪水管理模型SWMM模拟验证。

1 海绵型服务区LID开发模式

1.1 LID概念及设施

LID是一种基于生态的雨洪管理方法。LID设施种类较多，高速公路服务区适宜采用的主要有以下4种：

1.1.1 透水铺装

透水铺装是指一类空隙率较高、透水性能较好的路面铺装材料，可用于路面汇水、降水等的储存或渗透排水，见图1。常用于城市公园、市政道路非机动车道、小车停车位等。

图1 透水铺装Fig. 1 Permeable pavement

1.1.2 绿色屋顶

绿色屋顶利用植物对建筑物的屋顶、天台等区域进行绿化，见图2。绿色屋顶一般自上而下由植物层、土壤层和排水层组成。

图2 绿色屋顶Fig. 2 Green roof

1.1.3 植草沟

植草沟是一种通过重力流来收集、传输和排放雨水的地表沟渠，可有效削减地表径流、去除和减少污染物，见图3。

图3 植草沟Fig. 3 Grass swale

1.1.4 下凹式绿地

下凹式绿地可削减雨水流量，回补地下水资源，减少对绿地的浇灌频率，同时也有助于控制面源污染，见图4。

图4 下凹式绿地Fig. 4 Sunken lawn

1.2 LID设施的选择要素

1.2.1 考虑地质及水文条件

应详细调研服务区汇水区域的地质及水文条件，并结合雨洪控制目标，选择适宜的LID设施。

1.2.2 考虑LID设施的功能及适用条件

公路服务区由于地域差异，在LID设施选择上与城市道路、公园等相比，具有特殊性。首先，由于透水铺装的承载力特性，其主要适用于服务区小车停车位及人行广场。其次，不宜在停车场大量选用生态树池类的LID措施，以免影响视线，绿地可多采用下凹式方式。此外，服务区综合楼等建筑中可考虑采用绿色屋顶。最后，可在适宜地带灵活选用植草沟取代传统的排水设施。

1.2.3 考虑LID设施经济性

经济性不仅要考虑设施本身的造价，也需考虑其后期管理维护费用，并与传统排水设施进行对比分析。

1.2.4 考虑景观协调性

服务区是公路景观营造的重要节点，应充分结合其空间布局以及功能分区特性，打造良好的景观效果。

1.3 LID设施经济性分析

LID设施与传统开发设施在单位面积的估算差值见表1。由表1可知，大部分LID设施在工程单价上虽高出传统设施，但考虑到在传统开发模式下，暴雨可能造成周边道路积水严重，服务区内涝，影响服务区正常运营，造成巨大经济损失，LID设施在经济性方面仍具有优势。

表1 与传统开发设施估算对比Table 1 Comparing tables with traditional development facility estimates

2 SWMM模型

2.1 模型功能

SWMM模型被广泛应用于控制洪水和保护水质的排水系统及滞留设施的设计、自然渠道系统泛洪区的地图绘制、最小化合流制排水管道溢流的控制策略设计、进流量和渗入对排水管道溢流的影响评价等。

2.2 模型建立流程

1)排水管网概化：利用建模区域已有的管网数据信息，综合考虑管道长度、管径、坡度等属性信息，提取并整理服务区排水管道的基础信息。

2)划分子汇水区域：以图纸中地形标高、雨水管网情况等为确定依据，子汇水区汇集雨水就近排入雨水管网或相近的汇水面积；根据服务区特性，将下垫面分为3类，其中透水地面不产生径流，有洼蓄量的不透水地面在降雨过程中首先满足地表的洼蓄量后再产生径流，无洼蓄量的不透水地面在暴雨初始即产生径流。论文在雨水系统平面图以及现场勘查地表汇流状况的基础上，对研究区域进行子汇水区域的划分。

3)模型背景图创建：对图纸进行必要的简化，删除多余的排水管段，保留建筑的轮廓，并在初步建模背景图中划分子汇水区，标明雨水径流方向，从而生成模型背景图。

4)模型参数确定：主要根据基础数据和经验取值[8]。①不同类型面积比例：服务区下垫面大多不透水，初始参数值设为5%；②洼蓄量取值：透水区为6.35 mm，不透水区为1.58 mm；③曼宁粗糙系数取值：透水区为0.15，不透水区为0.011。

3 案例分析

3.1 工程概况

以重庆渝蓉高速公路围龙服务区北侧为研究对象。服务区所在区域年平均降雨量1 075 mm。区域属浅丘陵地貌。该服务区为改扩建项目，北侧用地面积为123亩，地势为南高北低。总建筑面积12 932.17 m2，停车位383个，见图5。

图5 服务区北侧平面Fig. 5 Plane of north side of service area

3.2 不同开发模式下的模拟

按照文献[9]中对年径流总量控制率确定该地年径流总量控制率为80%对应的设计降雨量为26.8 mm。

本次建模对围龙服务区在年径流总量控制率为80%时的雨洪情况进行模拟分析，验证其是否已经达到海绵城市指标要求。

3.2.1 天然未开发模式

天然地表具有良好的透水性，土壤类型在整个汇水区域也是相同的。因此，不需要对场地进行划分，见图6。

图6 开发前场地概化Fig. 6 Pre-development venue outline

降雨模型采用的是2 h芝加哥雨型，设计过程中要考虑重现期为0.5、1、2、3、5、10和20年，笔者以5年一遇的降雨强度为例，在SWMM模型中雨量计RG1设置120 min的总降雨量为66.93 mm，并输入模型的其他相关参数，模型运行结果见表2。从表2中可看出，汇水区的总径流量为13.93 mm，洪峰流量为0.22 CMS，研究区域的径流系数为0.26。

3.2.2 传统开发模式

传统开发模式会极大地影响汇水区域的水文效应。根据研究区域的实际汇流情况和雨水管道走向，将地表径流分配到相应的雨水井，将场地概化为53个子汇水区域，51个节点，51条管道，7个排放口，见图7。

图7 传统开发模式下场地概化Fig. 7 Venue outline of traditional development model

模型运行后，发现子汇水区的平均径流系数为0.79，区域内相应的检查井节点有溢流情况，部分子汇水区、出水口、节点溢流情况模拟输出结果见表3～表5。

表2 天然未开发模式子汇水区模拟结果Table 2 Sub-catchment simulation results of natural undeveloped model

表3 传统开发模式子汇水区模拟结果Table 3 Sub-catchment simulation results of traditional development model

表4 传统开发模式出水口模拟结果Table 4 Water outlet simulation results of traditional development model

表5 传统开发模式节点溢流模拟结果Table 5 Node overflow simulation results of traditional development model

3.2.3 LID开发模式

根据围龙服务区实际情况，选择下凹式绿地、渗透路面、绿色屋顶、植草沟4种LID设施，具体如下：

1)渗透铺装

根据图纸，小车停车位和综合楼前广场铺装合计占地约11 000 m2，可改造面积约占总面积的13%，见图8。渗透铺装的应用会影响地表不透水比例及渗透速率。

图8 可改造为渗透铺装的区域分布Fig. 8 Area distribution of retrofitting permeable pavement

2)绿色屋顶

综合服务楼、水配房和维修车间的屋顶均为不透水区域，可改造成为绿色屋顶，见图9。模型中将绿色屋顶概化为具有一定地表积水、曼宁系数较高的不透水地表[10]。

图9 可改造为绿色屋顶的区域分布Fig. 9 Area distribution of retrofitting green roof

3)植草沟

植草沟可在小范围内替换雨水管网系统，服务区可改造区域见图10。

图10 可改造为植草沟的区域分布Fig. 10 Area distribution of retrofitting grass swale

4)下凹式绿地

可在服务区中设置18块小面积的下凹式绿地，见图11。其在SWMM模型中表现为小面积的条形汇水区，渗透量大，地表曼宁系数高。

图11 可改造为下凹式绿地的区域分布Fig. 11 Area distribution of retrofitting sunken lawn

在SWMM模型中，各LID设施的每个单元层的结构尺寸等相关参数需要单独定义。其确定主要参考SWMM用户手册、文献[9]等相关规范和文献。本次模型中设施参数见参考文献[8]。

模型运行后，在年径流总量控制率为80%的情况下，发现子汇水区的平均径流系数为0.44，区域内相应的检查井节点有溢流情况，部分子汇水区、出水口、节点溢流情况模拟输出结果见表6～表8。

表6 LID开发模式子汇水区模拟结果Table 6 Sub-catchment simulation results of LID development model

表7 LID开发模式出水口模拟结果Table 7 Water outlet simulation results of LID development model

表8 LID开发模式节点溢流模拟结果Table 8 Node overflow simulation results of LID development model

3.3 模拟结果分析

从模拟结果可以看出不同开发模式下，服务区的雨水径流情况有较大差异，具体如下：

3.3.1 采用传统模式开发前后比较

开发后，场地的出水口雨水峰值流量明显增加，峰值时间提前了20 min，汇水区径流系数从0.26增大到0.79。场地在传统开发模式下，因为硬化面积大，雨水下渗量减少，导致雨水径流阻力变小，洪峰流量增大，峰现时间提前，雨水管网压力增大。

3.3.2 采用海绵城市理念开发前后比较

开发后，场地的出水口雨水峰值流量增加不大，峰值时间相差7 min，径流系数从0.26增加到了0.44。因此，说明海绵型服务区能延迟峰现时间、减少洪峰流量和径流系数，缓解雨水管网的压力。

3.3.3 两种开发模式比较

采用传统模式开发后的雨水峰值流量高于海绵城市理念开发模式，径流系数从0.79减少到0.44，峰值时间提前了13 min。说明服务区采用海绵城市理念开发，在雨水控制方面优于传统模式。

综上所述，在年径流总量控制率为80%的降雨情景下，与传统开发模式相比，海绵型服务区的雨水径流控制情况具有显著优势，也更接近开发前的水文环境。

4 结 论

1)选用服务区LID设施时，应考虑场地的地质与水文条件、LID设施的功能及适用条件、经济性以及景观协调性等要素。

2)服务区采用传统模式开发，地表大面积硬化，场地雨水径流情况较为严重。采用传统模式开发后，相应的检查井节点会出现溢流情况，并且导致雨水径流系数变大，洪峰流量增大、峰现时间提前，雨水管网压力增大。

3) 结合公路服务区特点及不同LID设施特点，建议选用透水铺装、绿色屋顶、植草沟和下凹式绿地来进行雨洪控制。通过设置LID设施，可缓解服务区内涝，使水文环境与场地开发前更接近。