大理市居住区集雨型绿地模型的构建研究

2020-11-02高境杨茗琪

安徽农业科学 2020年19期

高境杨茗琪

摘要选取大理市下关地区的7个山地居住区作为研究对象，通过SWMM构建雨洪控制模型及模拟雨水径流，对各类子汇水区径流量、下渗量、径流系数，山地居住区影响因素进行分析。结果表明：在山地居住区建设中，提高绿地率可大幅减少地表径流，将地形坡度控制在10.51%以下，设置阶梯式的接地形式，实现层级式雨水径流处理，能有效缓解径流流速和集中径流量;在集雨型设施构建中，下沉式绿地和生物滞留设施的控制指标相对稳定，绿色屋顶因居住区建筑类型的不同差异较大。

关键词海绵城市;集雨型绿地;山地居住区;SWMM模型;大理市

中图分类号 TU984 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）19-0227-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.059

Abstract In this study， seven mountainous residential areas in Xiaguan area of Dali City were selected as research objects to construct rainwater control model and simulate rainwater runoff by using SWMM. Runoff， infiltration， runoff coefficient， and influencing factors of mountainous residential areas in various subcatchments were analyzed. The results showed that in the construction of residential areas， the surfaces outflow could be greatly reduced and by increasing the greenspace rate. In mountainous residential areas， when the ground slope was controlled below 10.51%. Setting a stepped grounding form was a treatment of dealing with the layered rainwater outflow， which could effectively alleviate the runningoff velocity and concentrated runoff. In the construction of the raincollecting facilities， the control indicators of sunken green spaces and biological detention facilities were relatively stable， and the green roofs varied greatly due to the different types of buildings in the residential areas.

Key words Sponge city;Raincollecting green space;Mountainous residential areas;SWMM model;Dali City

基金項目云南省科技计划项目（2017FD105）。

作者简介高境（1993—），男，云南宣威人，城乡规划师，硕士，从事城市绿地系统规划研究。*通信作者，讲师，硕士，从事城市绿地系统规划研究。

收稿日期 2020-03-17;修回日期 2020-04-15

城市化问题引发的洪涝灾害、城市雨洪已成为亟需解决的问题。基于我国海绵城市理念以及城市雨洪现状开展集雨型绿地的研究和建设，是提升人居环境的重要措施，对于解决我国综合城市雨洪问题具有重要意义[1-4]。

集雨型绿地建设的研究主要集中在北京、迁安等平原地区[5]，诸多学者[6-9]提出了居住区雨洪设施的研究，主要包括雨水花园的设计方法、植物配置等，绿色屋顶、下凹式绿地、透水铺装等设施的单体设计和组合模式。未涉及山地城市集雨型绿地的研究以及居住区集雨型绿地的定量分析。在众多模型中，暴雨管理模型（storm water management model，简称 SWMM）是目前应用最成熟的模型[10]，且在小流域中具有良好的模拟精度与适用性[11-13]。笔者以大理市居住区为研究对象，针对山地居住区的绿地结构和特点，运用SWMM建立雨洪控制模型并模拟雨水径流，通过对山地居住区雨水径流的总结分析、集雨型设施的配比研究，以期为山地居住区集雨型绿地的建设提供指导，并为山地居住区的雨洪控制提供指导。

1 研究样本概况与分析

1.1 研究样本筛选

以《大理市城市绿地现状调查报告》（2018年3月）确定的大理市建成区为研究区域，对区域内362个居住区的占地面积、绿地面积、绿地率、地形、居住区分级等数据进行统计筛选，条件相似的居住区选取其一，最终得到7个能代表大理市居住区类型、地形特征的研究样本，详见表1。

1.2 现状集雨型设施概况

各居住区建筑屋顶都未进行绿色屋顶的建设，降雨经屋顶直接流入周边绿地或通过排水管道流入绿地;水体是居住区内较好的集雨型设施，可作为雨水花园使用;部分绿地为下沉式绿地，对居住区内的雨水径流有一定的集蓄量;排水明沟主要分布于道路两侧，但面积较少。现状应用的集雨型设施为雨水花园、下沉式绿地和排水明沟等，详见表2。

1.3 研究区域管控目标

根据《海绵城市建设技术指南》[14]中对年径流总量控制率提出统一的要求，研究区域的年径流总量控制率在Ⅱ区（80%≤α≤85%）。由于缺乏大理市年径流总量控制率的设计降雨值，所以参考地理位置与气候条件邻近地昆明市的设计降雨值作为研究依据，在年径流控制率在80%和85%的设计降雨值分别为22.0和26.8 mm。

2 研究方法

對研究区域进行现状调查，通过对比分析各居住区的面积、绿地率、地形特征、建筑类型和居住区分级等。利用ArcGIS进行高程和坡度分析，筛选出能够代表大理市山地特征的居住区样本，并进行现状分析;划定居住区研究样本的建筑、道路、绿地、水体等研究要素并进行分析;对研究样本进行子汇水区概化、参数设定、暴雨情景设计以及集雨型设施参数设置;通过SWMM对研究样本进行现状条件下的暴雨情景设计;最后，构建集雨型设施模型，从而得到集雨型设施的控制参数配比。

3 SWMM模型构建及评估

3.1 高程及坡度分析

通过ArcGIS建立数字高程模型（digital elevation model，DEM）和数字坡度模型（digital slope mode，DSM）得到大理市下关地区的高程图和坡度图，各研究样本的高程和坡度情况见表3。由表3可知，高程为1 967～2 076 m，坡度为0～21°，经换算得到坡度为0～38.39%，具有典型的山地居住区特征。

3.2 下垫面数据及分析

通过对照大理市城市地形图及现状调研，在ArcGIS软件中绘制研究区的下垫面，将研究区下垫面分为绿地、水体、建筑和道路四大类，其中绿地按照《城市居住区规划设计标准》（GB 50180—2018）[15]的居住区绿地分类方法，分为集中绿地和宅旁绿地。对研究样本下垫面划分，汇总计算得到各居住区的下垫面数据见表4。

3.3 SWMM模型构建针对样本的集雨型绿地研究是通过SWMM模型软件建立集雨型绿地模型，主要研究在降雨模拟过程中场地内各子汇水区的地表产流和下渗情况，并对研究样本进行开发前和开发后的数据对比和分析。

3.3.1 子汇水区概化及基本参数设定。

首先进行子汇水区概化及基本参数设定，子汇水区的划分是按照雨水在场地内的实际汇流情况，将地表径流就近地合理地分配到各类绿地和雨水管网的集水口中，使绿地和排水管网的入流量分配符合实际情况。研究样本内的不透水面和透水面被划分为不同子汇水区，形成有层次、有梯度的汇水设计，建筑屋顶、道路等不透水面为第一层级子汇水区，形成雨水径流后流入绿地组成的第二层级子汇水区。

子汇水区类型、面积、坡度、不透水率经过实际测量得出，其他数据根据模型手册设计参数，包括曼宁粗糙系数在不透水区和透水区为0.015和0.05、地表洼蓄量参数在不透水区和透水区为2.50和6.25 mm、土壤渗透系数在不透水区和透水区为90和15 mm/h，衰减常数为4.14 h-1。土壤渗透系数由土壤类型决定，居住区内的土壤类型主要为红壤、高山草甸土、棕色针叶林土、黄棕壤等，根据SWMM模型手册的土壤分类属于B类型，即当整个湿润时土壤具有中等下渗速率;主要包含中等深度到深度、中等良好到良好排水的土壤，具有中等粒度到中等粗糙组织。

3.3.2 暴雨情景设计。

降雨数据是模型创建重要的数据，此次研究的降雨数据根据中国市政工程西南设计院采用数理统计法编制的大理市下关地区的暴雨强度公式进行计算，并通过芝加哥雨型模拟降雨过程，得到降雨平均降雨强度和总降雨量在0.5 a降雨重现期下分别为9.349 mm/h和18.698 mm，1 a下分别为13.582 mm/h和27.164 mm，3 a下分别为20.284 mm/h和40.568 mm，5 a下分别为23.403 mm/h和46.806 mm，10 a下分别为27.633 mm/h和55.266 mm。

3.3.3 集雨型设施参数设置。

此次在居住区集雨型绿地研究中，以居住区内年径流总量的控制为目标，根据居住区现状情况选择下沉式绿地、生物滞留设施、绿色屋顶3类集雨型设施，参考SWMM模型手册中提供的各参数的建议值以及查阅相关文献，确定此次研究中的集雨型设施不同单元层的各项参数，具体见表5。

3.3.4 模型构建。

下垫面、子汇水区概化、SWMM模块参数、暴雨情景设计集雨型设施参数设置等模型准备工作完成后，在SWMM软件中对研究区域进行模型构建（图1），构建好的模型如图1所示，总计107个汇水区、11个排放口，并分别进行现状和集雨型设施开发模型的模拟。

3.4 现状条件下情景模拟分析对7个居住区的总径流进行整理分析，列出各个居住区在现状条件下不同重现期的雨水径流模型中数据，包括总降雨量、总径流量、总蒸发量、总下渗量、最终地表蓄水，经过计算得到了不同重现期（0.5 a、1 a、3 a、5 a、10 a）下的年径流控制率。

参考昆明年径流控制率在85%的设计降雨量为26.8 mm，选取对应的降雨重现期为1 a进行对比（表6）。对7个样本的总径流整理分析（图2），对场地内影响地表径流的绿地率、坡度、下垫面等因素进行评价分析，得到绿地率对场地内的雨水径流影响最大，增加居住区绿地能够有效提高居住区内雨水径流的集蓄和消纳能力;各样本的坡度评价分析，在10.51%以下的坡度范围内坡度对雨水径流产生的影响较小，但随着坡度的增大，雨水径流增大;对于下垫面的评价分析，下垫面中道路和建筑的面积决定了居住区内的不透水面积，随着不透水面积的增大，雨水无法下渗，径流量增大。

3.5 集雨型设施效果评估

在研究样本中，运用SWMM研究下沉式绿地、生物滞留设施、绿色屋顶3种较适于居住区的集雨型设施对于大理市居住区年径流量的控制效果，构建集雨型绿地模型，为突出居住区中集雨型设施控制特点，在设计方案中将下沉式绿地和生物滞留设施控制在相对稳定的指标范围内，反复调整，直至模型模拟结果达到控制目标值，最终得到了研究区域各居住区集雨型设施控制指标：下沉式绿地的占比为16.31%～19.53%，生物滞留设施的占比为8.22%～9.85%，绿色屋顶的占比为15.40%～32.61%。从控制指标可以看出，在居住区内集雨型设施所占的比例从大到小依次为绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施（表7）。

4 结论

（1）在居住区建设中，控制径流影响因子，提升绿地建设，提高绿地率，合理利用若干子汇水区的雨洪利用和滞留渗透，可大幅度减少外排流量。在山地居住区中，将地形坡度控制在10.51%以下，设置阶梯式的接地形式，将建筑层层升高，随地形的起伏形成阶梯状布局形式，这种形式丰富了居住区内的空间组织，对雨水径流分散处理，有效缓解径流流速和集中径流量，实现层级式雨水径流处理，景观形式也更加丰富。

（2）研究区域各居住区集雨型设施控制指标如下：下沉式绿地的占比为16.31%～19.53%，生物滞留设施的占比为8.22%～9.85%，绿色屋顶的占比为15.40%～32.61%。由于建筑类型的不同，绿色屋顶的配比差距较大，在平屋顶的建筑中綠色屋顶考虑承重、防水等因素后可以有效实现，但在坡屋顶建筑中绿色屋顶建设难度较大，这类居住区中绿色屋顶建设难以实现，尽可能通过绿地建设或管网扩径来提高径流控制能力。

参考文献

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