基于SWMM的杭州小和山区域LID措施

许 丹,徐浩楠,胡 锴,王 辉

(1.浙江科技大学 土木与建筑工程学院,杭州 310023;2.浙江-新加坡城市更新与未来城市联合实验室,杭州 310023)

中国国土幅员辽阔,经度纬度跨度大,以及季风气候使得水资源分布呈高度不平衡状态[1]。随着全球气温异常,各种极端天气频发,加上城市化进程迅速推进,城市建设多以不透水的铺装路面为主,使得城市降雨地表径流量增加,而传统的混凝土结构不具备吸收大量地表径流的功能,导致城市暴雨洪涝风险陡增[2-3]。此外,城市排水系统不足以应对夏季强降雨,约有400多个城市因暴雨遭受不同程度的洪涝灾害[4]。为解决日益严重的城市洪涝灾害问题,国家大力推进“海绵城市”建设。杭州作为2021年浙江省唯一入选的全国海绵城市示范城市,其城西小和山地区逢雨必涝的问题仍未完全根除。因此如何将海绵城市理念与低影响开发(low impact development,LID)相结合[5-6],将新型雨水管理理念融入设计应用[7-9],对城市防洪防涝具有重要意义。

20世纪90年代美国学者提出的城市雨水管理新概念——低影响开发,旨在降雨时尽可能通过存储、渗透、滞留等多种雨水处理手段,从源头利用独立分散的措施,让雨水排放环境重回自然状态[10]。目前在城市雨水管理领域的研究主要涉及以下三个方面。一是雨洪管理模型的遴选与评估:赵昌爽等[11]根据海绵城市的层级结构,从4个尺度分析了5种典型雨洪模型的性能特点,指出现有雨洪模型在各方面的不足之处,并对适用于海绵城市典型雨洪模型的发展前景作了展望;夏军等[12]总结了国内外10种主要城市雨洪模型,从计算方法、主要特点、应用情况等多方面进行比对,指出了不同模型的特点及国内外模型研究的差距。二是提升水质的技术与方法:张强[13]研究了低影响开发设施作用下地下水水质的变化规律,发现雨水渗井对固体悬浮物(suspended solid,SS)、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、总氮(total nitrogen,TN)、总磷(total phosphorus,TP)等污染物有着稳定的去除效果;Hood等[14]的研究表明LID设施可有效去除雨水径流中的N、P、油脂等污染物,还可以中和酸雨。三是实际工程的应用探索:Hu等[15]以南京市河西区为研究区域,提出不同LID方案可使高洪水风险区域减少6%～80%,对防止城市洪涝灾害有着显著效果;Dreelin等[16]的研究表明在降雨强度较小时,停车场设置透水铺装,相比铺设普通沥青,径流总量减少90%以上,对研究区域的防涝建设起到指导作用;唐颖[17]利用城市暴雨处理与分析集成系统(system for urban stormwater treatment and analysis integration,SUSTAN)对研究区域进行LID设计规划,提出了成本-效益最优的降雨径流控制管理规划方案,对当地LID设施改造具有一定的参考价值。综上,现有研究总体上侧重于对具体区域实施LID的设施改造,但对LID设施效益评价体系尚不多见。因此,本研究拟对杭州市西湖区小和山地区进行LID设施改造,建立LID设施效益同步评估体系,结合暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)的计算结果,分析改造措施对地区雨水的削弱效果,欲为缓解同类区域涝水问题及提升防涝治理技术提供参考。

1 研究区域

小和山地区邻近西湖,拥有6.41 km2水域,河道总长度达313.4 km[18],水域资源十分丰富。作为杭城高教园区,该区域内学校、住宅等分布密集,部分生活污水因未纳入污水截污收集管系统而进入邻近河道,这使得水体富营养化程度加重,夏季藻类暴发现象时有发生。该地区多年平均降雨量1 100～1 600 mm,属亚热带季风气候。降雨量空间上分布不均,由城西向城东呈递减趋势。一年的降雨量集中在5月至8月,占全年降雨量的70%。因季风在进退持续时间和强度上的不稳定性,常导致暴雨洪涝灾害发生。缪启龙等[19]对杭州市构建了区域暴雨洪涝灾害风险评价模型,表明在杭州市区山谷、河边区域暴雨洪涝风险值高。小和山地区群山环绕,在暴雨频发的夏季就易形成洪涝。该地排水管网建成时间较久,原设计已难以应对现在的雨水强度,存在管道破裂、水体污染等风险[20]。同时排水管网也未实现雨污分流,污水雨水采用同一管道进行排放与处理。部分已建成的排水管道排放能力不能满足规划要求,每遇中大暴雨,污水雨水总量超过排水管道承载能力,多余部分溢流至路面,造成地表径流。根据实地调研发现:留和路沿线基本上没有设置截洪沟,留和路向西方向部分河道垃圾堆积严重,雨水排出口遭封堵,降雨期间雨水无法正常排入河道,常造成局部水位上涨现象,严重时漫至人行道。

因研究区域原有管网系统建成已久,常见的排水管网、污水处理厂等排水措施二次建造难度较大,而LID主要利用小型独立多元化措施来恢复场地开发前的水文状态,建造难度小,易于推广,故适合使用LID设施进行本区域洪涝调节。

2 LID设施综合效益评估

参考对海绵城市建设的检测要求和评价指标体系的相关文献[21-23],本研究设置了一个由水文效益、经济效益、社会效益三者构成的LID设施综合效益评价指标体系,各子指标由多个级别的分子指标所构成,具体见图1。

图1 LID设施综合效益评价指标体系Fig.1 Indicator system for evaluating the comprehensive benefits of LID facilities

采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)计算权重。AHP是一种将定量和定性相结合的评估决策方法,适用于多目标因素结构复杂,需将经验判断定量化的情况[24-25]。参考相关文献[26]对LID设施进行评价,构造水文效益、经济效益、社会效益的3阶判断矩阵,通过统计分析软件(statistical product and service solutions,SPSS)计算子指标的权重,为确保层次分析法的可靠性,需计算一致性系数,计算公式如下:

(1)

式(1)中:λmax为判断矩阵最大特征值;A为判断矩阵;ω为权重组成的列向量;n为判断矩阵的阶;CI为一致性指标,yCI值越大,表明矩阵的不一致程度越高;RI为随机一致性指标,通过查询一致性检验值(表1[27])得到;CR表示指标得分的一致程度,若yCR小于0.1,则可认为矩阵是可靠的;否则需对表格进行修改。最终矩阵及计算结果见表2。根据图1所示综合效益评价指标体系,对子指标构造对应分子指标构成的3阶判断矩阵,并计算一致性系数yCR,结果见表3、表4和表5,最终权重综合评价结果见表6。

表1 一致性检验值Table 1 Consistency verification value

表2 综合效益判断矩阵Table 2 Comprehensive benefit judgment matrix

表3 水文效益判断矩阵Table 3 Hydrological benefit judgment matrix

表4 经济效益判断矩阵Table 4 Economic benefit judgment matrix

表5 社会效益判断矩阵Table 5 Social benefit judgment matrix

表6 权重综合评价结果Table 6 Weight comprehensive evaluation results

3 模型构建

3.1 研究区域雨水管道系统概化

对位于小和山地区的浙江科技大学、浙江工业大学、浙江外国语学院等周边范围内建筑进行概化处理(图2)。根据区域的用地性质、管道走向、地形数据等实际情况与管网布线资料,采用手工划分的方法,并利用SWMM软件进行模拟,雨水管网概化图见图3。

图2 研究区域概化图Fig.2 Generalization map of the study area

图3 研究区域雨水管网概化图Fig.3 Overview of rainwater pipe network in the study area

区域概化模型包含15个子汇水区,13个管网节点,20条排水管道和1个排水口,最终汇聚并通过排水管道GQ20(DN1000)流至排放口。其中ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7设置为山体,ZMJ5、ZMJ8、ZMJ4设置为高密度商业区,其余部分设置为住宅或学校。

3.2 模型参数设置

各子汇水区面积及山体坡度等物理参数通过地理信息系统软件(arc geographic information system,ArcGIS)处理得到,管道长度通过计算机图形设备(computer aided design,CAD)计算得到,其他参数参考美国环境保护署(United States Environmental Protection Agency,EPA)于2015年编制的《SWMM用户手册》及相关参考文献[28-30]得到,并根据区域实际情况进行修改,详细参数见表7。

表7 模型水文参数取值Table 7 Value of hydrological parameters of the model

3.3 暴雨强度公式及雨型

研究区域的降雨过程线采用杭州市暴雨强度计算公式[17]:

(2)

式(2)中:i为暴雨设计强度;P为重现期;t为降雨历时。

峰值比例参考DB31/T 1043—2017 《暴雨强度公式与设计雨型标准》,降雨历时120 min。利用芝加哥雨型生成器生成重现期分别为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨时间序列数据,降雨过程线如图4所示。

图4 不同重现期下120 min降雨过程线Fig.4 120-min rainfall process line at different return periods

由图4可知,在降雨历时120 min情况下,重现期2 a的累计降雨量为56.28 mm;重现期5 a的累计降雨量为72.50 mm;重现期10 a的累计降雨量为84.78 mm;重现期20 a的累计降雨量为97.06 mm;降雨峰值均发生在第48 min处。

3.4 LID方案设置

3.4.1 LID措施筛选与排序

根据文献[31-34]和美国环保署的《SWMM用户手册》,不同LID设施对应不同类型的开发地块,见表8。

表8 不同LID设施适用场地Table 8 Applicable sites for each LID measure

从控制成效、成本及环境效应等方面评价低影响开发设施,见表9。

表9 各LID设施评价Table 9 Evaluation of individual LID facilities

根据表9将雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、渗渠及雨水桶设施指标量化处理,对其中高的评价等级赋值10,中上的评价等级赋值8,中的评价等级赋值6,中下的评价等级赋值4,低的评价等级赋值2;对成本、热岛负面评价中高的评价等级赋值2,中上的评价等级赋值4,中的评价等级赋值6,中下的评价等级赋值8,低的评价等级赋值10。由此得到5种LID设施的比选得分。参照表5各项权重进行处理,最终得到5种LID设施综合评价结果,见表10。

表10 5种LID设施综合评价结果Table 10 Comprehensive evaluation results of 5 LID facilities

3.4.2 LID组合方案选定

鉴于研究区域内多以学校住宅用地为主,商业地块内不存在大面积水景,建筑补充水量要求低,因此拟订方案以削减地表径流为主,回收利用为辅。

根据表9中对各LID设施的评价结果,雨水花园综合得分较高,且对地表径流削减、峰值削减起到促进作用,故此方案中对12%的学校和住宅区域用地增添雨水花园。透水铺装对地表径流削减效果明显,但鉴于研究区域道路交通量大,不宜过多设置,拟将25%的广场铺装改造为透水铺装,针对ZMJ5等高密度商业区,拟采用30%的透水铺装。对65%的道路设置渗渠,地表径流一部分经透水铺装直接下渗,另一部分流入渗渠。根据地形示坡线,在雨水易汇集处设计雨水桶。绿色屋顶评分最低,且研究区域建筑建成较久,建筑屋顶多采用人字屋顶,推广难度较大,所以未采用。

3.4.3 LID措施参数设置

结合研究区域土壤情况设置5种LID设施参数,见表11。

表11 LID设施参数设置Table 11 LID facility parameter settings

4 SWMM模型模拟结果

基于SWMM处理城市区域径流的水文模块,对研究区域采用设计降雨重现期P=2 a同时不设置任何LID设施的工况进行模拟:地表径流连续性误差为-0.02%,流量演算连续性误差为-0.99%,符合对误差的要求。设计排出管GQ20在降雨历时1 h时达到峰值流量3.01 m3/s;未开发子汇水区ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7径流系数在0.337～0.416之间,高密度商业区径流系数在0.81～0.84之间,住宅或学校区径流系数在0.739～0.745之间。其中ZMJ5地表径流在降雨历时1 h时达到峰值流量0.808 m3/s,径流系数达0.864,是所有汇水区中径流系数的最大值。

LID方案改造后,洪峰出现时刻延迟了约45 min,GQ20峰值流量仅为1.16 m3/s,削减率达61.5%;未开发子汇水区径流系数在0.246～0.303之间,高密度商业区径流系数在0.604～0.653之间。特别地,改造后ZMJ5峰值流量0.653 m3/s,削减率为19.2%。改造前后系统径流对比见图5,不同区域改造前后径流系数的对比见图6。

图5 改造前后系统径流对比Fig.5 Comparison of system runoff before and after renovation

图6 不同区域改造前后径流系数对比Fig.6 Comparison of runoff coefficients of different areas before and after renovation

5 结 论

本研究以杭州市西湖区小和山地区为研究区域,通过层次分析法构造判断矩阵,得到5种LID设施效益指标权重,并构建了基于SWMM的雨洪模型,计算了2 a重现期下未设置LID设施和设置LID设施的不同结果,得到如下结论:

1) 对排水管网、污水处理厂等排水工程主要组成部分的二次建造难度较大的区域,宜采用多元化小型独立的LID设施进行水文调节。

2) LID设施综合效益排名由高到低为雨水花园、透水铺装、渗渠、雨水桶、绿色屋顶。在实际设计应用中应以前三种设施为主导,结合实际情况适当补充。

3) LID设施可有效削减区域径流系数与洪峰流量并推迟洪峰时间。对研究区域中12%的学校和住宅区域用地增添雨水花园,25%的广场铺装改造为透水铺装,65%的道路设置渗渠,洪峰出现时刻将延迟45 min,洪峰流量削减率达61.5%,径流系数削减率为19.2%。