陳 哲，蔡仕謙

（惠州學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

城市化等因素導(dǎo)致城市開發(fā)用地前后下墊面由原先的下滲、蓄水較好的藍(lán)綠空間轉(zhuǎn)變?yōu)橥杆圆畹幕疑A(chǔ)設(shè)施，城市頻繁出現(xiàn)內(nèi)澇的同時(shí)又極度缺水。為應(yīng)對這一系列矛盾，不同國家在結(jié)合本國國情的基礎(chǔ)上提出了各自的雨水資源化利用管理體系：美國在1970年代頒布第一個雨洪管理法案，提出最佳管理措施（Stormwater Best Management Practices，BMPs），1990年代提出低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）；英國提出可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（Sustanable Urban Drainage Systems，SUDS）；澳大利亞提出水敏性城市設(shè)計(jì)（Water Sensitive Urban Design，WSUD）［1］。在此基礎(chǔ)上，中國提出海綿城市（Sponge City）建設(shè)理念。截止2019年，中國常住人口城鎮(zhèn)化率60.6%，已經(jīng)步入城鎮(zhèn)化較快發(fā)展的中后期，城市發(fā)展進(jìn)入城市更新的重要時(shí)期［2］。城市開發(fā)建設(shè)前，70%～80%的降雨可通過自然滯滲進(jìn)入地下，但城市化進(jìn)程改變了城市下墊面類型，建成區(qū)無法自主消納開發(fā)前自然下滲部分的降雨，須通過人工設(shè)施增加雨水“滲、滯、蓄、凈、用”的量，減少傳統(tǒng)市政管網(wǎng)外排量。以惠州市為例，《惠州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》中規(guī)定：惠州市海綿城市建設(shè)總體目標(biāo)為降雨的70%以上按“滲、滯、蓄、凈、用”的先后順序消納和利用，到2020 年城市建成區(qū)20%以上達(dá)標(biāo)，2030年城市建成區(qū)80%以上達(dá)標(biāo)，對于惠城區(qū)一些老舊街區(qū)需系統(tǒng)考慮［3］，充分利用多種低影響開發(fā)設(shè)施組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)消納指標(biāo)。

采用SWMM模型（Storm Water Management Model，SWMM）對惠州市境內(nèi)的沿海丘陵地帶進(jìn)行雨洪定量研究。該模型具備水文、水力及水質(zhì)3種模擬功能，廣泛應(yīng)用于城市排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、低影響開發(fā)具體設(shè)施的組合設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［4］。目前采用SWMM在各類型各尺度進(jìn)行定量評估低影響開發(fā)（LID）的水文效應(yīng)已有相關(guān)研究成果：李懷民等［5］以濟(jì)南市某坡地小區(qū)為例，將小區(qū)內(nèi)“馬路行洪”主道路概化為不規(guī)則明渠，基于SWMM模型研究海綿城市改造方案對不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨水文過程影響；張曼等［6］以天津市薊州區(qū)某小區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)既有規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，在透水鋪裝物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立SWMM模型，模擬不同降雨事件中7種規(guī)劃方案的徑流控制效果，分析在一定區(qū)域內(nèi)采用自然排水系統(tǒng)代替雨水管網(wǎng)的可行性；丁鍶湲等［7］選取廈門市杏林灣地區(qū)作為研究對象，運(yùn)用SWMM技術(shù)構(gòu)建降雨—徑流模型，分別對低影響開發(fā)前后的地塊進(jìn)行不同暴雨重現(xiàn)期情景的模擬，確定地塊內(nèi)澇易發(fā)區(qū)域積水節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置布設(shè)低影響開發(fā)（LID）措施；盧奕蕓等［8］以第二屆河北省園林博覽會（秦皇島）園區(qū)作為研究區(qū)域，利用SWMM軟件模擬對比分析場地開發(fā)前后雨洪調(diào)蓄能力，提出基于水安全目標(biāo)的城市綠地水體設(shè)計(jì)方法。

本研究以惠州市沿海淺山區(qū)惠東縣稔山鎮(zhèn)亞婆角某小區(qū)為研究區(qū)域，利用SWMM建模分析該區(qū)域下的居住區(qū)采用不同低影響開發(fā)設(shè)施進(jìn)行雨洪調(diào)節(jié)的作用情況，通過橫向?qū)Ρ饶M實(shí)驗(yàn)得出合適的低影響開發(fā)設(shè)施比例，通過多情境模擬分析為惠州沿海淺山區(qū)類型地區(qū)LID集成優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 SWMM模型構(gòu)建方法

SWMM 模型的構(gòu)建分2 步進(jìn)行：第一步是SWMM模型概化，第二步是設(shè)置雨量計(jì)及模型參數(shù)。

第一步：SWMM 模型概化包括子匯水區(qū)和排水系統(tǒng)2部分，本研究區(qū)域由于地形復(fù)雜，采用人工繪制的方式繪制匯水分區(qū)。

第二步：模型內(nèi)參數(shù)設(shè)置包括水文參數(shù)、水力參數(shù)，不考慮水質(zhì)影響。參數(shù)設(shè)置包括子流域面積、特征寬度、平均坡度、匯流長度、不透水面積率、洼蓄量、地表曼寧系數(shù)等［9-10］。其中，子流域面積、平均坡度、匯流長度、管線長度、不透水面積率均通過規(guī)劃圖紙獲取，子流域?qū)挾炔捎脜R水面積除以匯流長度的方式計(jì)算［11］。洼蓄量、地表曼寧系數(shù)等參數(shù)參考SWMM用戶手冊的建議值及相關(guān)類似研究的經(jīng)驗(yàn)值。地表產(chǎn)流計(jì)算選用Horton入滲模型。

2 基于SWMM的低影響開發(fā)研究

2.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于廣東省惠州市惠陽區(qū)與惠東縣交界處的稔山鎮(zhèn)亞婆角某小區(qū)，行政上屬惠東縣管轄。研究對象為居住區(qū)，用地面積為313 165.68 m2，主要為沿海山地，場地內(nèi)海拔最高點(diǎn)為139 m，最低點(diǎn)4 m，最大高差達(dá)135 m（圖1）。場地中部和南部有少量地區(qū)坡度在10%以下，大部分地區(qū)的坡度處于30%～60%區(qū)間，少數(shù)地區(qū)坡度在60%以上（圖2）。

圖1 研究區(qū)域高程分析

圖2 研究區(qū)域坡度分析

2.2 SWMM模型概化

由于場地內(nèi)坡度較大，充分考慮場地條件中的居住組團(tuán)分布、雨水管網(wǎng)分布、地塊坡向，采取人工劃分匯水分區(qū)的方法，進(jìn)行SWMM模型概化，圖3將研究區(qū)域劃分為13 個子匯水區(qū)、1 個排放口、137 個節(jié)點(diǎn)、137段管渠。

圖3 研究區(qū)域概化圖

2.3 SWMM模型參數(shù)選擇與率定

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果報(bào)告（表1），研究區(qū)域的表層土以素填土與粉質(zhì)黏土為主，垂直滲透系數(shù)為5～250 mm/d，土壤的滲透率變化較大，局部粉質(zhì)黏土層所在的地方透水性較差，大部分地方透水性較好。

2.4 雨型設(shè)計(jì)

利用芝加哥雨型生成器生成1、5、10、50 a 共4 種重現(xiàn)期條件下的設(shè)計(jì)暴雨過程線，雨峰系數(shù)r取0.4，降雨歷時(shí)取120 min，合成降雨時(shí)程分布見表2。

表2 不同暴雨重現(xiàn)期下的2 h降雨時(shí)程分布

（續(xù)表2）

采用芝加哥雨型作為SWMM 模型雨量計(jì)的輸入數(shù)據(jù)。具體暴雨強(qiáng)度公式參考邵堯明、邵丹娜編著《中國城市新一代暴雨強(qiáng)度公式》。［12］

惠州市暴雨強(qiáng)度公式：

芝加哥雨型表達(dá)公式：

惠州市芝加哥雨型表達(dá)公式：

本文將在SWMM 模型中導(dǎo)入不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)對惠東縣沿海淺山區(qū)用地類型適宜性低影響開發(fā)設(shè)施展開分析研究。

2.5 低影響開發(fā)適宜性技術(shù)分析

研究區(qū)域?yàn)榈湫偷难睾\山區(qū)，場地中部和南部有少量地區(qū)坡度在10%以下，大部分地區(qū)的坡度處于30%～60%區(qū)間，少數(shù)地區(qū)坡度在60%以上。研究區(qū)域綠地與住宅為臺地組團(tuán)式布局，以臺地組團(tuán)+邊坡組合形成匯水單元，產(chǎn)流點(diǎn)多而分散。

針對以上研究區(qū)域特點(diǎn)及SWMM模型中的LID模塊的特性，為方便運(yùn)用SWMM模型對研究區(qū)域進(jìn)行模擬分析，現(xiàn)將LID設(shè)施概化為以下5類：透水鋪裝、綠色屋頂、下凹式綠地、雨水花園、生態(tài)滯留池。運(yùn)用SWMM模型對5種類型分別進(jìn)行單項(xiàng)水文模擬分析及組合水文模擬分析，得出5 種LID 設(shè)施的適宜度，并根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成適應(yīng)沿海淺山區(qū)用地類型的LID集成優(yōu)化設(shè)施組合（圖4）。

圖4 研究區(qū)域LID組合實(shí)驗(yàn)方案

2.6 低影響開發(fā)雨洪控制效果分析

2.6.1 低影響開發(fā)設(shè)施選擇

研究區(qū)域共選用了5種SWMM模型中的低影響開發(fā)設(shè)施，根據(jù)SWMM用戶手冊及相關(guān)文獻(xiàn)［13］，完成LID設(shè)施主要參數(shù)設(shè)計(jì)（表3）。

表3 LID設(shè)施參數(shù)設(shè)計(jì)

（續(xù)表3）

2.6.2 SWMM模型模擬方案設(shè)計(jì)

本研究SWMM模型模擬共設(shè)計(jì)8個實(shí)驗(yàn)組（表4），實(shí)驗(yàn)組1 為常規(guī)雨水管網(wǎng)開發(fā)，作為重要的對照實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)組2方案在實(shí)驗(yàn)組1的基礎(chǔ)上增加5種LID組合設(shè)施，實(shí)驗(yàn)組1和2對比分析組合設(shè)計(jì)方案的雨洪控制效果。實(shí)驗(yàn)組3 在實(shí)驗(yàn)組2 的基礎(chǔ)上將雨水管網(wǎng)等灰色雨水設(shè)施替換成為植草溝、生物滯留池等綠色雨洪設(shè)施，對比分析綠色雨洪設(shè)施和灰色雨水設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)組4～8為組合方案中單一LID設(shè)施變量實(shí)驗(yàn)，用于分析組合方案中各LID設(shè)施的作用情況。

表4 SWMM情境模擬方案設(shè)計(jì)

2.6.3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過SWMM模型對以上8組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情境模擬得出相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制表5，得到以下模擬結(jié)果：

（1）在不同降雨重現(xiàn)期條件下，選取的不同情境2、3、4、5、6、7、8模擬實(shí)驗(yàn)組中的徑流總量的削減效果按照削減率從高到低的排序依次為：

50 a：情境3；情境2；情境6；情境7、情境8；情境4、情境5；

10 a：情境3；情境2；情境6；情境7、情境5；情境8、情境4；

5 a：情境3；情境2；情境6、情境5；情境7、情境8、情境4；

1 a：情境3；情境2；情境6、情境5；情境7；情境8、情境4。

（2）模擬得出out1 在不同情境下洪峰流量及LID組合設(shè)施消減洪峰情況。由表5數(shù)據(jù)分析可得出各情境LID設(shè)施組合均具備一定的削減洪峰的作用。

表5 out1不同情境下洪峰流量及削減率

在不同暴雨重現(xiàn)期下，LID 組合設(shè)施方案削減洪峰的作用均最為明顯，單獨(dú)布設(shè)的LID 設(shè)施中10 a 和50 a 暴雨重現(xiàn)期的模擬中下凹式綠地和雨水花園對out1末端的削減效果最好，生物滯留池次之，透水鋪裝效果最差，綠色屋頂在雨洪控制方面受不同暴雨重現(xiàn)期的影響較大，超過10 a 暴雨重現(xiàn)期的降雨綠色屋頂?shù)南鳒p效果最差，10 a 以內(nèi)的暴雨強(qiáng)度綠色屋頂?shù)南鳒p效果較好，可以考慮綠色屋頂?shù)氖褂?。LID 組合設(shè)施的削減作用不是各LID 設(shè)施單獨(dú)布置的簡單疊加，不同LID設(shè)施之間的耦合關(guān)系需進(jìn)一步進(jìn)行研究。此外，在情境3 模擬中采用占道路寬度（12 m）1/4 寬度（3 m）的植草溝取代雨水管網(wǎng)進(jìn)行雨水輸導(dǎo)得出在各降雨重現(xiàn)期洪峰被完全削減，從模擬的角度說明在50 a范圍以內(nèi)的降雨事件中，綠色雨水設(shè)施對其洪峰的消納比灰色設(shè)施更好。

3 基于SWMM的低影響開發(fā)設(shè)計(jì)策略

在以上實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合考慮各類型LID設(shè)施的造價(jià)，具體參數(shù)見表6。

表6 實(shí)驗(yàn)LID設(shè)施單價(jià)

得出研究區(qū)域惠東縣居住區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計(jì)策略：

（1）考慮采用植草溝替代居住區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)，污水管網(wǎng)采取灰色管網(wǎng)的形式，做到雨污分流，居住區(qū)景觀設(shè)計(jì)中充分考慮雨水收集與水體景觀之間的水補(bǔ)給關(guān)系。

（2）相同面積下的綠色屋頂對雨洪徑流的消減效果優(yōu)于透水鋪裝，可以考慮居住區(qū)設(shè)計(jì)平屋頂，利用綠色屋頂技術(shù)收集居住區(qū)屋頂雨水。

（3）下凹式綠地造價(jià)最低，但需結(jié)合種植設(shè)計(jì)綜合考慮綠地整體下凹方案，利用好沿海淺山區(qū)地形條件形成排、匯水方案，同時(shí)結(jié)合不同耐水濕植物。

由于居住區(qū)設(shè)計(jì)是由多目標(biāo)驅(qū)動的結(jié)果，在對該地區(qū)的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行總結(jié)的時(shí)候還需要考慮本實(shí)驗(yàn)研究之外的一些因素。比如通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)綠色屋頂技術(shù)比透水鋪裝技術(shù)消納雨水的能力好，但綠色屋頂較透水鋪裝而言需要較好的后期維護(hù)，同時(shí)需要考慮沿海高鹽高濕氣候特征條件下的植物適應(yīng)性，植物的抗性也是一個重要的研究問題，因此，實(shí)際的設(shè)計(jì)策略不應(yīng)只考慮造價(jià)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還需要將后期運(yùn)維階段考慮進(jìn)來。

居住區(qū)低影響開發(fā)設(shè)施組合參照《廣東省綠色建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中對星級標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行LID 設(shè)施配套設(shè)置：基本級LID、1星LID、2星LID、3星LID。

（1）基本級LID 開發(fā)綜合考慮經(jīng)濟(jì)與消納效果。優(yōu)先選擇下凹式綠地、生物滯留池、透水鋪裝3 種LID設(shè)施的基本組合結(jié)合傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)布置。其中：下凹式綠地應(yīng)占綠地的30%，生物滯留池應(yīng)占綠地總面積的10%，透水鋪裝占比應(yīng)該達(dá)到硬質(zhì)鋪裝占比的50%。

（2）1 星LID 開發(fā)考慮消納效果適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)因素。優(yōu)先選擇雨水花園、生物滯留池、下凹式綠地、透水鋪裝4 種LID 設(shè)施的基本組合結(jié)合一半植草溝替換傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)。其中：雨水花園應(yīng)占綠地的10%，生物滯留池應(yīng)占綠地的10%，下凹式綠地應(yīng)占綠地的20%，透水鋪裝占硬質(zhì)鋪裝總量的60%。

（3）2 星LID 開發(fā)考慮消納效果及生態(tài)效益。LID設(shè)施布置的優(yōu)先順序?yàn)椋壕G色屋頂、雨水花園、生物滯留池、下凹式綠地、透水鋪裝5種的組合方式結(jié)合全部的植草溝輸導(dǎo)雨洪，做到全綠色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施。具體指標(biāo)設(shè)計(jì)：居住區(qū)內(nèi)80%以上的建筑屋頂應(yīng)進(jìn)行屋頂綠化設(shè)計(jì)，雨水花園占綠地的20%生物滯留池占綠地的10%，下凹式綠地占綠地的10%，透水鋪裝占硬質(zhì)鋪裝總量的70%。并且需考慮LID設(shè)施在干濕兩季的景觀需要，不可只考慮雨水收集的作用。

（4）3星LID開發(fā)考慮雨洪消納的生態(tài)效益及科普教育。在2 星的基礎(chǔ)上完善雨洪教育的展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要將雨洪收集、轉(zhuǎn)化及利用的全過程通過可視化的方式展現(xiàn)在場地設(shè)計(jì)中。引導(dǎo)普通民眾對雨洪管理的日常關(guān)注。

綜上所述，基于SWMM模型構(gòu)建了研究區(qū)水文模型，較好的分析各種LID 設(shè)施對不同重現(xiàn)期的降雨的單一影響與組合影響。但是，在后續(xù)研究中將深化研究水文水質(zhì)耦合模型以及單一LID設(shè)施間進(jìn)行耦合產(chǎn)生的綜合影響比簡單的疊加多出多少效益。