基于LID措施的海绵城市方案设计研究

周思妙

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都610081）

0 引言

城市化覆盖范围规模达到前所未有的面积，区域硬化面积也随之变大，相对地，城市透水区块面积被大量压缩，容易引起自然水文环境的失衡。现有的城市排水管网在设计之初往往较为保守，因而在面临降雨量较大的情况时，往往无法及时将雨水径流排除，也就容易引起城市内涝的现象，给居民生命财产安全带来巨大威胁[1-3]。

为了有效地对雨水径流量进行一定程度上的控制，业内采用了一种规模范围较小、分布密度大的方案，实现的途径是对城市绿地土壤和水文场景进行利用开发，被称作LID措施，即低影响开发措施[4-5]。在具体的实施软件方面，常采用SWMM软件进行处置，即雨洪管理模型软件，可以搭建综合性模型，较为精准地模拟雨水洪峰及雨水径流状况，并在此基础上具体地对水质、水文状况等要素进行分析[6-7]。各种雨水径流开发措施也LID措施理念的影响下应运而生，包括生物滞留池、雨水桶、透水铺装、下凹式绿地以及绿色屋顶等，各种方式的利用方式也有着很大的区别，包括调整入渗速率、调整雨水径流渗蓄、植被储水等等[8]。

国内相关专家学者从20世纪90年代就已针对某一单一的LID措施效果展开了分析与研究，相较于国际上相对成熟的LID综合利用方案研究，还有着不小的差距[9]。王淑敏[10]等人针对绿色屋顶这一LID措施展开过深入分析，发现绿色屋顶可以较好地提升城市绿化效果、降低城市硬化率，并能够较好地控制径流雨水泛滥的总体持续时间。此外，段丙政[11]等人还发现绿色屋顶能够一定程度上削减径流雨水中的污染物，降低酸雨等不良现象的发生率。马姗姗[12]等人将生物滞留池与凸式绿地、平式绿地相比较，发现生物滞留池的径流雨水洪峰削减能力更强，并能强化土壤的渗滤效率。王建婷[13]等人发现，在降雨规模不大的条件下，生物滞留池LID措施有着很好的处置效果。龚应安[14]等人针对渗透铺装这一LID措施的径流雨水洪峰削减以及下层土体雨水入渗促进作用进行了研究。赵现勇[15]等人将几种LID措施的径流雨水流量削减能力进行了对比，发现透水铺装措施的整体效果最佳。董星海[16]等人研究了透水混凝土针对道路径流污染物的处置效果，发现其对固态悬浮物、COD、总氮等污染物都有着很好的阻滞效果。而在雨水桶这一LID措施的研究上存在着较大的空白，有李朋[17]等人展开过初步的探索。在利用软件对比各LID措施整体效果方面，也有着不少学者展开过研究，利用的软件模型除了SWMM外，还包括LTL、SUS等，分析的LID措施对象也多种多样[18]。综合来讲，已有研究针对LID措施或是模型软件模拟的研究中，部分研究针对某一措施方案已较为深入，但在各LID横向综合对比方面则相对较为欠缺，尤其是在总体雨水径流量和单次雨水径流洪峰量方面展开讨论的研究结论仍有着较大的空白，无法针对性地指导应用。

本研究依托深圳市的某一城市绿化公园展开模型搭建分析研究。利用SWMM软件搭建了该城市绿化公园径流雨水模型，设置了四种LID措施进行方案模拟，并将其与一种综合LID措施方案相对照，分析各方案对该城市绿化公园总体雨水径流量和单次雨水径流洪峰量的影响规律，旨在优选出最佳单一或是综合LID措施方案，为实际海绵城市建设工程施工提供借鉴。

1 场地概况

深圳地处我国南部沿海，降雨丰富。该区划年平均降雨量约为1 800 mm，并且降雨主要集中于5月～8月，可占全年总降雨量的79%以上，属于亚热带季风气候。夏季强在沿海季风的影响下，对流天气引起的降雨往往短时降雨量巨大，极易发生短时暴雨天气或是持续性的中到大雨降水，非常容易导致内涝现象。

该城市绿化公园周边用地类型丰富，同时包含有商业中心用地、政府机构用地，还有部分工业用地，有着共同的特点，即用地硬化率高，透水面积较小。绿地公园用地范围的整体高程范围在18~75 m之间，坡度不超过2.3°，场地整体属于平坦型。绿化公园内存在部分人造假山坡度平均在10°左右，但其独立性较强，不会对整体分析产生明显的影响。绿化公园内设有人工河，可连接至周边水库，承担了场地的整体排洪泄水功能。

2 SWMM数据模型设置

2.1 数据模型概念化

该绿化公园占地4.13 km2，其中的透水型绿地仅占37.4%。根据查阅公园设计方案图及现场踏勘结果，将公园整体占地范围划分为45个分汇水面，各分汇水面面积在0.018~0.284 km2之间，囊括了18个排水口、118个排水节点以及125个排水管段，其整体数据概念化模型见图1。

图1 绿化公园数据概念化模型

2.2 雨水数据

首先明确城市绿化公园所在地的内涝防控设计重现期是50 a，结合该场地实际踏勘及调研数据，选取了6个设计重现期，包括50 a、20 a、10 a、5 a、3 a以及1 a，降雨历时设置为2 h，选取洪峰相对位置为0.4。根据重现期年限可以通过芝加哥雨型模拟公式计算得到其对应的降雨量q，分别为141.45 mm、125.45 mm、110.46 mm、98.37 mm、89.78 mm以 及69.84 mm，见式（1），其中P为设计重现期，t为降雨历时。6个设计重现期在120 min内对应各时刻降雨强度情况见图2。

图2 各时刻降雨强度

2.3 数据模型选择

前文提到该城市绿化公园中的透水型绿地仅占37.4%，而公园周边各区划的透水型绿地面积占比更是不足10%，可以判定该研究目标属于密集型建筑区划，根据规范查询可获知其总体雨水系数范围是[0.6，0.85]。结合实际踏勘数据和数据模型结果，确定了部分重现期总体径流系数，例如1 a重现期总体雨水系数为0.73，2 a重现期总体雨水系数为0.81，均满足规范要求。

不透水区域设定的曼宁系数为0.012，透水区曼宁系数为0.149，管道曼宁系数为0.012；不透水区的注蓄量设定为1.908 mm，透水区的注蓄量设定为3.815 mm；最大入渗率设定为75 mm/h，最小入渗率设定为3.3 mm/h，衰减系数为3.8 mm/h。

3 数据模型模拟

本文在数据模型中以排水垫层、路面层、蓄水层、土壤层以及表面层基本参数为基本参数指标，模拟组合出雨水桶、生物滞留池、透水铺装以及绿色屋顶4种单一LID措施方案，并额外设置一种综合LID措施方案。设定雨水桶排水指数0.45，排水系数24.8 mm/h，高度为850 mm；生物滞留池排水垫层厚280 mm，蓄水层高280 mm，土壤层厚550 mm，表面层蓄水210 mm；透水铺装路面层厚280 mm，蓄水层高280 mm，表面层蓄水110 mm；绿色屋顶排水垫层厚180 mm，土壤层厚150 mm，表面层蓄水210 mm。

按照6个设计重现期，包括50 a、20 a、10 a、5 a、3 a以及1 a，降雨历时设置为120 min，并跟踪观察240 min内的径流量情况。通过计算分析各方案对该城市绿化公园总体雨水径流量和单次雨水径流洪峰量的影响规律，结果见图3和图4。

图3 总体雨水径流量削减情况

图4 单次雨水径流洪峰量削减情况

分析6种设计重新期对应的总体雨水径流量削减情况，可以明显发现：综合LID措施方案的总体雨水径流量削减效果最好，其径流总量削减率远远高于其它4种单一LID措施，其平均径流总量削减率达到了80.3%。同时，绿色屋顶LID措施方案效果最差，其平均径流总量削减率仅为9.3%。另外3种LID措施的径流总量削减率情况表现为：雨水桶LID措施方案效果＜透水铺装LID措施方案效果＜生物滞留池LID措施方案效果。横向对比设计重现期大小对径流总量削减率的影响，则表现为：随着设计重现期年限的增大，径流总量削减率整体呈现出下降的趋势，尤其是生物滞留池LID措施和透水铺装LID措施，其线性相关性很明显。

分析设计重新期对单次雨水径流洪峰量削减情况的影响，可以明显发现：同样是综合LID措施方案的单次雨水径流洪峰量削减情况最佳，其径流总量削减率远远高于其它4种单一LID措施，其平均削减率达到了78.9%。雨水桶LID措施方案效果最差，其平均削减率仅为6.2%。另外3种LID措施的单次雨水径流洪峰量削减率情况表现为：绿色屋顶LID措施方案效果＜透水铺装LID措施方案效果＜生物滞留池LID措施方案效果。此外，各LID措施方案的单次雨水径流洪峰量率在设计重现期从1年增加至3年时，其值呈“跳崖式”下降趋势，而后呈平缓逐渐下降趋势。

4 结语

本研究依托实体城市绿化公园搭建SWMM数据模型，设置四种单一LID措施和一种综合LID措施方案进行模拟，分析各方案对该城市绿化公园总体雨水径流量和单次雨水径流洪峰量的影响规律。得出了以下主要结论：

（1）综合LID措施方案总体雨水径流量削减效果最好、绿色屋顶LID措施方案效果最差；

（2）随着设计重现期年限的增大，径流总量削减率整体呈现出下降的趋势，尤其是生物滞留池LID措施和透水铺装LID措施，其线性相关性很明显；

（3）在单次雨水径流洪峰量削减方面，综合LID措施方案的效果同样是最佳，雨水桶LID措施方案效果最差；

（4）各LID措施方案的单次雨水径流洪峰量率在设计重现期从1 a增加至3 a时，其值呈“跳崖式”下降趋势，而后呈平缓逐渐下降趋势。