LID海绵城市理念在市政给排水中的应用

□杨雷

低影响开发（LID）被认为是通过将城市雨水径流，转化为适应性资源，来增强基于排水的城市设计，源于20世纪90年代的美国马里兰州一门新型的雨水管理技术。LID作为一种城市排水设计工具，专注于控制城市雨水，目的是复制自然水文功能。LID旨在加强现场储存、渗透和蒸发，从而延迟和减少聚集水体。LID被引入国内，成为建设“海绵城市”的方案之一，海绵城市计划将城市区域改造成一个灵活的系统，该系统在不透水表面附近储存和渗透雨水径流，在暴雨期间产生径流。雨水管理模型（SWMM）是一种常用工具，用于模拟径流、入渗、蒸发和流经城市区域的非均质子流域、封闭管道、明渠和各种不同覆盖结构系统的水流路径。现利用SWMM证明两种基于LID的城市设计对水平衡成分的影响，这些水平衡成分由使用现场降雨数据模拟，用于重现期为100年一遇的短期极端降水事件E1（4小时内71mm），以及长期降水事件E2(7个月降水量392mm)。根据各种水平衡成分（排放、泄洪、蒸发和渗透损失，以及储存）的相对比重，研究两种低影响开发设计在实现海绵城市理念的作用。

1.海绵城市概念

“海绵城市”理论是根据可持续发展雨水开发模式和水敏性详细规划理论提出的；它的本质是存储城市发展坐标和资源。通过控制径流、自然蓄积和峰值调节，提出了缓慢的发展，发挥调节功能，促进雨水的自然渗透，修复水循环系统，恢复水生态，净化水质，解决蓄水问题。水生态问题是一个突出的问题，因此，主办城市不应只关注城市内部的系统调节、雨水处理和现场措施，还应关注流域和区域，并结合区域规划和阶段研究跨区域、规模规划和基于水生态的建设。

建设的关键是研究区域水生态安全，通过分析水生态系统的重要位置和关系，建立水生态系统的安全模式，在区域和城市规划中实施，并通过控制区域和城市建设的空间管理逐步实现水生态。该系统为城市的年运行提供了控制目标，给出影响较小的发展战略和施工流程，并对城市项目规划提出相关要求。

在中等水平上，海绵城市的主要代表是在区域水系统中有效使用施工密钥的旅游区。城市总体规划和规范性规划与城市路面模式相结合，设置集水区，形成集点、线、面于一体的集水区城市体系，满足区域雨水库和法规的功能要求，净化水质，保护水生态湿地。在微观层面上，海绵城市主要指城市大道、广场、停车场和园地等部分水道单元的建设。通过详细规划设计的建设和现代技术的运用，最大限度地发挥水生态系统的功能，实现城市的经济建设目标。渗透性路面用于响应城市的施工测量，应将概念整合到整个城市规划中，并贯穿整个施工过程。遵循“区域系统技术”的指导思想，将透水性路面设计与城市规划工作步骤相结合，在中层，规划控制与城市功能性规划相结合，在透水路面的低层上，设计排水技术。

2.材料和方法

2.1 研究区域

研究以深圳市光明区某一集水区为例，这是一个工业区，有大量的空地、砾石和植被。这个地区下层土壤主要是黏土。将来，研究区将进行开发，旨在创造一个多功能景观。大部分区域将新建，中心有一个35m宽的公园，为雨水管理和其他城市功能（如娱乐和公共空间）创造一个充满活力的区域。

2.2 城市设计

提出了两个基于LID的城市设计，目的是补充传统排水网络，以减少洪水和流量，实现海绵城市设计。基于LID的城市设计情景A表示雨水管理和其他城市功能基于渗透和存储的LID工具（15%）的组合。情景B基于LID的城市设计是渗透和基于存储的LID（49%）组合，其中雨水调节优先于其他城市功能，见表1。A和B的情景包括用于初期降雨的绿色屋顶、植被洼地和补充雨水输送的渠道，以及用于存储雨水并将其渗入下层土壤的生物滞留池和透水路面（图1b和c）。

图1 研究区域描述：a当前，b情景A，c情景B

表1 当前和城市设计情景下集水区的低影响开发占比(%)

2.3 情景模拟

首先SWMM参数化，以描述14.5km2集水区在当前未开发状态下的水文响应见图1a。该集水区被划分为具有相同地表类型的均质小集水区。然后，根据地形和雨水网络数据集以及文献中的参考值确定子流域特征。根据2017年10月—2018年1月期间测量的3次降雨径流事件，校准了当前状态的SWMM模型。该模型在观测径流方面表现出一致且良好的性能。由于该模型无法观测到的干旱期基流，因此仅对降雨量较大的事件进行了校准。然后，代表不同表面类型和文献值的校准参数值用于构建上述基于LID的设计方案见图1b和c。给定时间步长（St）下的蓄水量通过使用公式1的模拟水平衡分量计算得出。

式中：

Rt—降雨；

Ft—排水网络中损失的雨水，定义为洪水；

Dt—排水口的排放量；

It—渗入下层土壤的雨水；

Et—时间步长t时作为蒸发蒸腾损失的雨水。

3.结果和讨论

在短期极端降水事件E1中，见表2，具有最大海绵城市特性的情景B在缓解洪水和减少流量方面效果最好。洪水在水平衡中所占的比例从44%（当前情景）减少到6%(情景A)和为0%（情景B），排放量从34%（当前情景）变化到55%（情景A）和14%（情景B）。排放份额表明，情景B在缓解洪水和减少排放方面非常有效。虽然排放量很高，但仍表明，在极端降水期间，该情景将雨水从源头输送出去，以避免洪水。高流量水流主要是明渠中的暴雨水流见图1b，其功能是一个缓慢的输送系统。

表2 E1的水平衡组件份额

排水量的减少导致情景A和情景B的蓄水量增加。水平衡中的储存比例从当前情景的1%增加到了情景A的22%，再增加到了B的68%，这表明具有中等储存能力的情景A可能有潜力成为中雨事件的海绵城市应用场景之一。另一方面，情景B的高蓄水量表明，即使在像E1这样的极端事件中，也可以作为海绵城市有效地应用场景发挥作用。

在当前情况（21%）、情景A（17%）和情景B（17%）之间，仅观察到渗透和蒸发的微小变化。在当前情景，情景A和情景B的渗透和蒸发损失较小，这可归因于具有基于存储的LID系统的存储优于渗透。

从E2的长期水平衡也可以看出，排放量的减少和储存量的增加，见图2。在这一长期模拟中，情景A和情景B的洪水在当前情景8mm都有所减少。此外，蓄流量从当前情况下的150mm减少到情景A118mm，情景B减少到18mm。排水量的减少与蓄水量的增加相辅相成，蓄水量从0增加到15mm(情景A)和56mm(情景B)。与当前情景相比，情景A和情景B的渗透和蒸发损失分别增加了10%和26%，这主要是由于LID系统中蓄水蒸发的变化。很明显，由于储水量、渗透和蒸发的增加，这两种情况在减少洪水和排放方面都非常有效。

4.结论

这项研究证明了两个基于LID的城市设计，在两次降雨事件中实现海绵城市理念的有效性。通过评估各种水平衡成分的相对份额来量化其有效性。对于强烈的短期事件E1而言，通过有效地减少洪水和流量，并储存大量雨水，情景A在减少洪水方面效果较差。然而，即使情景A不能作为E1等极端降水事件的应用场景，它也显示出长期的低强度降水事件的可能性。这一点得到了长期模拟E2结果的支持，在E2中，两种方案都非常有效地减少了洪水和流量。