张硕,贺泳超,罗舒婷,2,康光宗

(1.湖南科技大学 建筑与艺术设计学院,湖南 湘潭,411100;2.湘潭市建筑设计院,湖南 湘潭,411100)

城市下垫面不断硬化,地表径流总量随之逐渐增加,极大地影响了城市水循环系统的正常运行,继而引发一系列如洪涝灾害频发、水生态恶化、水资源短缺等城市水危机。为解决城市水危机,海绵城市建设理念日益发展完善,随着住房和城乡建设部颁布《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统建设》,国内各城市积极参与海绵城市申报和建设工作,专家学者们对如何建设海绵城市展开了深入思考和讨论[1]。源于美国的低影响开发措施(Low Impact Development,简称LID)也被大量的借鉴在实际工程建设中。目前,国外对LID的研究应用比较成熟,国内的海绵城市理论发展也日趋完善,低影响开发建设逐步落实深化。我国一些城市和区域率先在海绵城市道路方面做出了探索：池州市[2]、西咸新区秦皇大道[3]、深圳市光明新区[4-5]等。但现有研究对道路的低影响开发设施组合的方式的研究还不够充分。本次研究立足于道路的LID措施改造,依托SWMM软件建立模型,通过比较各类道路LID设施的效果,从而得出适合的道路改造优化策略,为其他城区既有道路“海绵化”建设提供参考依据与数据支持。

1 项目概况与LID措施布置

研究区降水量较充沛,但季节分布不均,年际变化大,全年降水量为1 200～1 500 mm。

根据道路设计施工图纸测量得出道路总长6.74 km,总面积为383 040 m2,路幅宽60 m。其中主路与辅路为 100%不透水面积,人行道为50%不透水面积,两侧绿化带与中央分隔带为100%透水面积。不透水面积为265 080 m2,占总面积69.2%;透水面积为117 960 m2,占总面积30.8%。

2 SWMM模型构建

SWMM软件建模前所需的参数数据大致分为3大类：实际数据、经验参考数据、合成数据,上述数据来源于设计规划资料、规划手册[6-7]和相关文献,具体获得方法见表1。

表1 模型基本参数来源

2.1 排水系统概化

以实际工程设计CAD图纸为底图,将道路排水井口概化为排水节点,概化后排水节点共169个,深度为5 m,各节点底高范围为34.46～55.19 m,雨水管段共332条,每段管长40 m,管径1 000 mm,管段坡度为0.3%,末端排放口共10个。

2.2 汇水区划分

本次研究将研究区域依据工程设计坡度数据,将道路平面划分为人行道区域、主(辅)路区域和绿化带区域,水流方向为：人行道→辅路→排水节点←绿化带←主路。规划子汇水区域,将研究区域划分为86个子汇水区划分区的形状各异,但面积不一。排水系统及子汇水区面积的概化结果详见图1。

图1 概化部分图

2.3 水文水力参数设置

产流演算模型采用动态波法,选用30 s为计算时间步长;渗入模型采用Horton渗透模型。主要水文参数初始值经由SWMM用户手册及研究区域特征确定,具体选值见表2。管网参数取值主要依据工程设计图纸,节点深度范围为1.040～2.516 m,节点内底标高为42.128～44.300 m,管道横截面形状为圆形,管段最大深度为1 m,粗糙系数查询用户手册后为0.015。

2.4 降水模型参数设置

芝加哥雨型在国内短历时上应用最为普遍[8],湖南地区峰值比例为0.33[9],暴雨历时宜为120 min,分别模拟重现期为1、2、3、5、10年的降雨序列。由于湘潭市暴雨强度公式尚未编制,且该项目位于湘潭与长沙交接处,故本次参照长沙市暴雨强度公式执行,计算式为i= ( 6.890 + 6 .25lgP) /(t+4.367)0.602,式中：i为暴雨强度,mm/min;P为设计降雨重现期,a;t为降雨历时,min。

2.5 LID参数设置

结合国内外研究经验,并根据研究区域水文环境和土壤条件等因素,对透水沥青路面、透水砖、植草沟设计详见表3。

2.6 参数率定

在模型中设置雨量计记录降雨数据。模型模拟降雨事件及流量实测值来自湘潭市水文局监测的3场降雨,降雨事件的基本特征见表4。通过模型模拟开展区域内LID设施设计参数优化研究,其中2010、2012、2013年降雨量接近湘潭多年平均降雨量,可代表近年来典型降雨情况。

通过试错法对各个参数进行多次调试,最终得到各下垫面参数见表5。实测与模拟水量过程图见图2,修正参数后的模型,在3场降雨条件下纳什效率系数ENS依次为0.707、0.719与0.811,接近于1,说明模型模拟的径流过程线与实测径流过程线拟合度较高,模型表现出较好的适用性。

表2 主要参数初始值

表3 LID参数取值

表4 监测降雨事件的基本特征值

表5 参数率定后最终取值

图2 实测与模拟水量过程图

在图2(a)、(b)、(c)的地表径流模拟连续性误差依次为-0.15%、-0.12%、-0.14%,流量演算模拟连续性误差依次为-0.11%、-0.09%、-0.05%,连续性误差在±10%以内。模型参数设置效果较好,可信度较高。

3 LID措施效益分析

模型建成并执行参数率定后,分别输入重现期为1、2、3、5、10年的降雨时间序列,并分别执行雨洪模拟运算,得出在无LID措施布设条件下的雨洪模拟数值组。在模型LID控制编辑器中输入透水沥青、透水砖以及植草沟参数,利用LID组编辑器,根据节1的布设方案,分别将LID设施赋予在相应的子汇水区上;将3类单一型LID措施组合成4种方案：方案一：透水沥青+透水砖;方案二：透水沥青+植草沟;方案三：透水砖+植草沟;方案四：透水沥青+透水砖+植草沟。分析LID措施组合对雨洪模拟过程的影响,选择最佳雨洪控制方案。

3.1 LID措施组合分析

根据模型输出数据,绘制LID措施组合分析图(即图3),首先纵向分析在不同降雨重现期条件下,各组合型 LID措施对径流总量、峰值流量的削减效率和径流开始时间、峰值流量出现时间的延迟能力;其次横向比较不同降雨重现期条件下,各组合型 LID措施的效果大小。

由图3可知,在研究的5个降雨重现期中,各方案径流削减效果差距明显,径流削减率大小分别为：方案四＞方案二＞方案一＞方案三。各方案径流开始时间延迟的效果大小为：方案四＞方案二＞方案一＞方案三。当降雨重现期为 1、2、3年时,峰值流量削减效果大小为：方案四＞方案二＞方案 一＞方案三;重现期为5和10年时,峰值流量削减效果大小为：方案四＞方案二＞方案三＞方案一。

图3 LID措施组合分析

降雨重现期为1、2、3年时,峰值流量出现时间延迟效果大小为：方案四＞方案二＞方案三＞方案一;降雨重现期为5、10年时,峰值流量出现时间延迟效果大小为：方案四＞方案三＞方案二＞方案一。

方案四在同一重现期下的出流量削减效果、峰值流量削减效果、洪峰出现时间延迟效果以及径流开始时间延迟效果均好于其他方案。但随着重现期的增加,方案四的作用效果会逐渐减弱。研究结果表明：在只考虑作用效果的前提下,方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)为最佳优化方案。

3.2 最佳方案效益分析

布设最佳优化方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)后,当降雨重现期为1、2年时,径流被完全削减。当降雨重现期为1、2、3年相对高频降雨时,总径流量削减率为依次92.16%、88.58%、84.77%,削减效果最好;当降雨重现期为5、10年相对低频降雨时,总径流量削减率为78.34%和69.81%,削减效果很好,但次于高频降雨。当降雨重现期为3年相对高频降雨时,径流开始时间延迟高达41.4 min,但其他相对低频降雨的径流开始时间延迟了9.4～23.9 min,较高频降雨的延迟效果差。降雨重现期为1、2、3、5年相对高频降雨时,峰值流量削减率为依次91.49%、90.64%、85.71%、78.23%,削减效果最好;当降雨重现期为10年相对低频降雨时,峰值流量削减率为68.57%,削减效果非常好,但次于高频降雨。当降雨重现期为3年时,峰值流量出现时间延迟高达55.6 min,但其他相对低频降雨的峰值流量出现延迟了10.2～34 min,延迟效果很好,但次于高频降雨。

4 结论

本研究基于SWMM构建湘潭市芙蓉大道雨洪模型,模拟分析无LID措施道路和4类LID措施组合成方案在降雨重现期分别为1、2、3、5和10年时的雨洪影响效果,对比分析4种方案在不同重现期下的雨洪影响,得出以下主要结论。

(1)在研究条件下,4类 LID措施组合方案中,在只考虑作用效果的前提下,方案四(透水沥青+透水砖+植草沟)为最佳优化方案。

(2)布设最佳优化方案四后,高频次降雨重现期条件下,径流可完全削减,出流量削减率最高可达92.16%,峰值流量削减率最高可达91.49%。

(3)各LID设施的效果与重现期有关：研究表明,布设LID设施后,地表透水比例变大,渗透性增加,降雨下渗量增大,因此总径流量与峰值流量减小,地表径流出现时间滞后,峰值流量出现时间延迟。与此同时,随着重现期越大,降雨强度相应变强,布设LID设施后的道路结构用于地表下渗量和滞纳量的时间越短,当降雨达到一定强度时,布设LID设施还未达到饱和就产生径流汇流,进而导致对径流总量、径流开始时间、峰值流量和峰值出现时间的削减或延迟效果降低。所以布设 LID设施在相对高频降雨(重现期较小)条件下的径流迟滞效果更为明显。