胡愛兵，任心欣，丁年，湯偉真

(深圳市城市規(guī)劃設計研究院有限公司，廣東深圳 518028)

摘要：以深圳市某低影響開發(fā)（LID）示范區(qū)為例，通過對示范區(qū)構建現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開發(fā)模型和LID模型，探討了示范區(qū)LID規(guī)劃目標的制定方法、LID設施布局的總體思路以及基于LID目標的LID設施優(yōu)化方法，最終得到示范區(qū)LID設施布局方案。模擬結果表明，通過在示范區(qū)綜合應用一定規(guī)模（綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池等5類LID設施占示范區(qū)總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計約為31.5%）的LID設施，可使示范區(qū)開發(fā)建設后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值、峰值流量接近現(xiàn)狀值。

目前SWMM在城市降雨徑流模擬方面已有廣泛應用，但國內關于SWMM在城市區(qū)域性低影響開發(fā)（LID）設施的布局及效果評價方面的應用研究尚較少。運用SWMM的LID模塊，通過對場降雨事件及連續(xù)降雨事件的模擬，可實現(xiàn)LID設施對雨水徑流量、峰值流量、污染負荷及年合流制溢流（CSO）發(fā)生頻率控制效果的模擬和評估，從而指導城市開發(fā)建設過程中LID設施的布局及優(yōu)化。筆者以深圳市某LID示范區(qū)為研究對象，運用SWMM對其現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)模式和LID開發(fā)模式下的水文條件進行模擬，以指導示范區(qū)LID設施的合理布局。

1 研究區(qū)域概況

研究對象是深圳市即將開發(fā)建設的LID示范區(qū)域，面積約為24 hm²。示范區(qū)西側現(xiàn)狀為建設密度較高的城中村及客家圍屋，其余地塊為大片綠地或裸地，東側瀕臨丁山河，整體西北高、東南低。示范區(qū)用地規(guī)劃的下墊面類型包括建筑與小區(qū)、綠地、市政道路、停車場等。根據(jù)測算，示范區(qū)現(xiàn)狀不透水率約為24%，現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)為0.29。

2 研究方法

2.1 LID規(guī)劃目標

低影響開發(fā)的基本原理是通過分散的、源頭的設施使區(qū)域開發(fā)建設后的水文狀態(tài)盡量接近于開發(fā)建設前，反映在具體量化指標上，要求區(qū)域開發(fā)建設后的雨水徑流量和峰值流量盡量接近于開發(fā)建設前的水平。本次研究將基于示范區(qū)現(xiàn)狀的雨水徑流量和峰值流量模擬結果，確定LID規(guī)劃目標為：①示范區(qū)開發(fā)建設后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值。該目標可通過示范區(qū)的年綜合雨量徑流系數(shù)表征，即示范區(qū)開發(fā)建設后的年綜合雨量徑流系數(shù)不大于現(xiàn)狀值。②示范區(qū)開發(fā)建設后的峰值流量盡量接近現(xiàn)狀值。峰值流量控制目標是針對全年中最強的一場降雨進行控制，其不確定因素眾多。要求示范區(qū)開發(fā)建設后的峰值流量不大于現(xiàn)狀值很難實現(xiàn)，且意義不大；而要求開發(fā)建設后的峰值流量盡量接近于現(xiàn)狀值則更具有現(xiàn)實意義。

2.2 研究總體思路

研究總體思路如圖1所示。

圖1 研究總體思路

首先，對示范區(qū)的現(xiàn)狀水文特征進行模型評估，進而確定LID目標；其次，根據(jù)示范區(qū)的詳細藍圖規(guī)劃，綜合考慮示范區(qū)的空間布局、景觀要求、經(jīng)濟性、維護管理等因素，進行LID設施的初步布局，并進行模型評估；第三，將LID初步方案的模擬結果與LID目標進行對比，根據(jù)對比結果進行LID布局方案的優(yōu)化調整，并再次進行模擬；反復調整直至結果達到LID目標，最終得到LID設施的布局方案。

2.3 模型構建

為便于分析，本次研究共構建了3種不同情景下的模型：①現(xiàn)狀模型，即基于現(xiàn)狀下墊面的模型；②傳統(tǒng)開發(fā)模型，即按傳統(tǒng)模式進行開發(fā)建設，不采用LID設施的模型；③LID模型，即在建設項目的各類下墊面綜合應用多種LID設施后的模型。

2.4 設計降雨

SWMM中降雨數(shù)據(jù)可以是實際降雨數(shù)據(jù)，也可以是設計雨型，本次模擬采用實際降雨數(shù)據(jù)。選取深圳市某雨量站2012年5 min滑動雨量記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到全年逐分鐘瞬時雨量，該雨量站2012年記錄降雨總量為1723.20 mm，接近深圳市多年平均降雨量。

3 模擬結果及分析

3.1 現(xiàn)狀模型結果

① 現(xiàn)狀模型構建

現(xiàn)狀條件下，除已建城中村、客家圍屋及兩條道路外，其余用地均為綠地和裸土，生態(tài)本底良好。根據(jù)示范區(qū)地形及現(xiàn)狀排水組織，將其劃分為9個一級匯水區(qū)；結合模型概化要素及精度要求，再將其細分為22個二級匯水區(qū)。最終示范區(qū)被概化為22個二級匯水區(qū)，24個檢查井節(jié)點，23條排水管道。

② 現(xiàn)狀模型結果

采用2012年全年降雨進行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線

由圖2（a）可知，現(xiàn)狀條件下，示范區(qū)只有較大的降雨才會產(chǎn)生徑流，大部分中、小雨無徑流產(chǎn)生，說明大部分降雨被入滲或滯蓄，現(xiàn)狀年雨量綜合徑流系數(shù)約為0.26。由圖2（b）可知，示范區(qū)2012年全年徑流峰值流量出現(xiàn)在第119天，峰值流量接近3.14 m³/s。

3.2 傳統(tǒng)開發(fā)模型結果

① 傳統(tǒng)開發(fā)模型構建

傳統(tǒng)開發(fā)模型的構建是基于示范區(qū)詳細藍圖規(guī)劃，按規(guī)劃，示范區(qū)除客家圍屋等少部分區(qū)域改造外，其余區(qū)域均為新建區(qū)域。根據(jù)示范區(qū)詳細藍圖規(guī)劃和雨水管網(wǎng)規(guī)劃，將示范區(qū)劃分為11個一級匯水區(qū)、30個二級匯水區(qū)，傳統(tǒng)開發(fā)模式下墊面匯水區(qū)劃分及SWMM模型界面如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)開發(fā)模型的構建

② 傳統(tǒng)開發(fā)模型結果

采用2012年全年降雨進行模擬，得到全年徑流曲線和年峰值流量曲線如圖4所示�？梢钥闯�,在傳統(tǒng)開發(fā)模型下，示范區(qū)能夠形成徑流的降雨量高達908mm，年雨量綜合徑流系數(shù)為0.53，是現(xiàn)狀值的兩倍；示范區(qū)全年徑流峰值流量出現(xiàn)在第206天，峰值流量接近5.5 m³/s，遠高于現(xiàn)狀值。表明在傳統(tǒng)開發(fā)模型下，示范區(qū)水文狀態(tài)有較大變化，示范區(qū)不透水下墊面的大量增加減少了雨水徑流的入滲和滯蓄，致使徑流量和峰值流量顯著增大。

圖4 傳統(tǒng)開發(fā)模型全年徑流曲線和年峰值流量曲線

3.3 LID模型結果

① 示范區(qū)LID目標及其實現(xiàn)途徑

根據(jù)現(xiàn)狀模型結果，確定示范區(qū)LID目標為：①年綜合雨量徑流系數(shù)≤0.26；②峰值流量接近3.14 m³/s。示范區(qū)LID目標的實現(xiàn)途徑：在示范區(qū)各建設項目進行5類LID設施的布局與優(yōu)化，實現(xiàn)雨水徑流的源頭削減，進而達到示范區(qū)LID目標。

② LID模型構建

LID模型的構建也是基于示范區(qū)詳細藍圖規(guī)劃。相比傳統(tǒng)開發(fā)模式，LID模式是在示范區(qū)的下墊面因地制宜、綜合應用多種LID設施進行雨水徑流的控制。LID模型的雨水徑流組織如圖5所示。根據(jù)示范區(qū)用地規(guī)劃和雨水管網(wǎng)規(guī)劃，結合圖5所示的徑流組織，將示范區(qū)劃分為11個一級匯水區(qū)、30個二級匯水區(qū)。

圖5 LID模式下各類下墊面的徑流組織

LID模型共定義了5類LID設施，各類LID設施的結構尺寸見表1。

表1 各類LID設施的結構尺寸

結合SWMM用戶手冊、相關文獻以及實際工程試驗結果，對各類LID設施的參數(shù)進行設置。存水區(qū)植被覆蓋百分比參考用戶手冊建議取0.15；配置土壤層孔隙率取0.18，田間持水率取0.1，枯萎點取0.3；雨水花園、綠色屋頂、下凹綠地和LID樹池的土壤水力傳導率分別取18、36、3.6、3.6 mm/h；路面層孔隙比取0.1，蓄水層孔隙比取0.43；綠色屋頂?shù)娜霛B率取0，其他設施取1.8mm/h；排水層中綠色屋頂按蓄水24 h排空取值。

③ LID模型結果

采用2012年全年降雨進行模擬，經(jīng)過數(shù)輪優(yōu)化調整，得到LID最終方案的模型結果如表2所示。

表2 現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開發(fā)模型及LID模型結果對比

由表2可知，在LID模式下，示范區(qū)開發(fā)建設后年綜合雨量徑流系數(shù)與現(xiàn)狀值相同，峰值流量接近現(xiàn)狀值，這表明通過在不同的下墊面綜合應用多種LID設施，可以使示范區(qū)開發(fā)建設后的水文狀態(tài)盡量接近開發(fā)建設前，達到示范區(qū)LID目標。另外由表2可知，LID模式下示范區(qū)的總徑流量較傳統(tǒng)開發(fā)模式降低51%，峰值流量較傳統(tǒng)開發(fā)模式削減40%；在總降雨量固定的情況下，LID模式下的總蒸發(fā)量和總入滲量較傳統(tǒng)開發(fā)模式均有大幅度提高，最終地表蓄水無明顯變化，表明LID模式下雨水徑流量和峰值流量的削減主要是基于雨水徑流的蒸發(fā)和入滲。

4 LID設施布局

根據(jù)示范區(qū)LID的最終布局方案，以示范區(qū)內X地塊為例，說明示范區(qū)各地塊LID設施的布局。X地塊面積為4.70hm²，包括屋面、綠地、鋪裝場地等3類下墊面，各下墊面面積及LID設施面積見表3。X地塊的LID設施布局見圖6。

表3 X地塊LID設施一覽表

圖6 X地塊LID設施布局方案

由表3可知，對于X地塊，并非所有的下墊面均需建設LID設施，對某一類下墊面，只需建設一定比例的LID設施即可實現(xiàn)LID目標。例如，對屋頂而言，只需將地塊內48.0%的屋頂建設為綠色屋頂即可，其余屋頂可設置太陽能設施或用作他用，這樣既符合經(jīng)濟性的原則，又可避免LID設施與其他設施建設的沖突�？傮w而言，各類LID設施的面積均不超過其所在下墊面面積的一半。X地塊內所有LID設施的面積約占X地塊總面積的44.6%。

示范區(qū)由5個地塊以及市政道路和公共綠地組成。就整個示范區(qū)而言，綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池占示范區(qū)總面積的比例分別約為9%、4%、3%、15%和0.5%，總計約為31.5%。

5 結論

① 采用SWMM可有效模擬LID開發(fā)模式下的城市區(qū)域水文狀態(tài)，為城市區(qū)域內各建設項目LID設施的布局與優(yōu)化提供技術支持和依據(jù)。

② 對深圳市某示范區(qū)分別構建現(xiàn)狀模型、傳統(tǒng)開發(fā)模型和LID模型，并進行模擬和對比分析，結果表明，通過在示范區(qū)綜合應用一定規(guī)模的綠色屋頂、雨水花園、下凹綠地、透水鋪裝和LID樹池，即可使示范區(qū)開發(fā)建設后的年徑流總量不大于現(xiàn)狀值、峰值流量接近現(xiàn)狀值。

③ 綜合考慮經(jīng)濟性等因素，LID設施的規(guī)模不宜過大。不同的建設項目，其LID設施所占比例亦不相同。通過對示范區(qū)每一地塊及市政道路和公共綠地的LID設施規(guī)模的統(tǒng)計，LID設施的面積達到示范區(qū)總面積的1/3即可達到示范區(qū)LID目標。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第21期“城市雨水管理”欄目）

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