基于动态模拟的低影响开发设施组合设计及雨洪控制效果分析

周 敏

焦 胜*

黎 贝

中国幅员辽阔，各地区气候特征、水文环境、土壤地质条件差异较大，加之各地区经济发展条件不同，在海绵城市建设过程中应有针对性地选取雨洪管理的目标和设施。南方低山丘陵地区红壤分布面积较大、土质黏重、渗透性弱，加之气候冬冷夏热、夏季多发暴雨、降雨频次集中，导致建成区雨季常发内涝。此类地区在海绵城市建设中除满足径流总量控制目标外，应把暴雨内涝防控作为雨洪管理的重要目标之一。

目前中国海绵城市建设在设施层面的理论研究及应用实践中，低影响开发侧重针对中小雨水的径流总量控制研究，包括指标分解[1]、设施比选[2-4]、雨洪控制效果模拟[5-7]等；暴雨内涝防控侧重针对大强度暴雨的超标雨水控制研究，包括内涝风险评估及预警[8-9]、内涝调蓄设施设计及超标雨水排放系统设计[10]等；雨水管理模型通常在前两者的研究中作为技术手段出现，提供工作平台、数字化解决方案和评估工具[11-12]。已有研究的局限性在于：1)采用雨水管理模型进行低影响开发方案校验的研究较多[13]，缺少将方案设计过程与建模过程相结合进行低影响开发设施规模计算的研究；2)针对单一种类低影响开发设施的雨洪控制效果对比研究较为充分[14]，缺少针对组合设施在不同组合配比情况下的雨洪控制效果对比研究；3)缺少同时考察径流总量控制和暴雨控制的研究；4)缺少专门针对土壤渗水性能较差地区的低影响开发设施规划方法及应用研究。综上，本研究的切入点为：选取土壤渗透性弱的红壤地区案例，通过模型模拟动态介入设计过程，探索更简便、更精确的场地尺度低影响开发设施组合设计方法，采用多方案比较的方式，模拟分析透水设施和调蓄设施在不同组合配比时的径流总量控制和暴雨内涝防控效果差异。

1 研究方法

1.1 研究区概况及雨洪控制目标

研究对象位于长沙市望城区滨水新城核心区，为某新建医院用地，面积约12hm2，开发前下垫面以农田为主，土壤为水稻土和红壤，土体黏重紧实，渗透性弱。研究区详细规划已完成，开发后不透水率为64%，规划的下垫面类型包括屋面、场地(包括道路和铺装)、绿地，各占24%、40%、36%，其中36%的用地下建有地下停车库，雨水排水分2条主线，由东、西分别排入城市市政雨水管网。降雨特征方面，长沙市属于降水丰富地区，降水量年际变化较大，年内分配不均，春季降水量和降水频率最多，夏季降水强度最大。

根据《长沙市望城区滨水新城海绵城市专项规划》要求，研究区年径流总量控制率须≥75%，且应尽可能减小内涝发生概率，有效应对极端暴雨事件。据此设计低影响开发方案并考察其雨洪控制效果。

1.2 低影响开发设施组合设计思路

前述雨洪控制目标可通过2个主要途径实现：一是加入透水设施，增大透水能力；二是加入调蓄设施，增大调蓄能力。在各类设施规模的具体计算过程中，绿色屋顶及透水铺装等透水设施面积一般通过参与场地综合雨量径流系数计算确定，再运用容积法等得到总调蓄容积，将总调蓄容积分配给生物滞留设施、雨水桶等调蓄设施确定其面积。其中存在2个可能产生误差的关键过程：其一，综合雨量径流系数一般参照《室外排水设计规范》和《雨水控制与利用工程设计规范》中的经验值计算，反映的是常规下垫面径流量与降水量之比，未考虑非常规下垫面的特殊情况，由于研究区下垫面原土属于红壤性土，较常规土壤黏度高、下渗能力弱，据模拟测算，现状草地、农林地径流系数均在0.2以上，因此若以综合径流系数测算调蓄容积实际结果偏低；第二，为避免单个设施调蓄能力不足或过大导致日常闲置，调蓄设施规模须与子汇水区严格对应，因此需要大量的试算调整才能得到与各子汇水区所需调蓄量匹配度最佳的低影响开发方案。

图1 基于动态模拟的低影响开发设施组合设计思路

图2 研究区详规方案DS模型构建

基于上述原因，提出一种基于动态模拟进行低影响开发设施组合设计的方法(图1)，建立低影响开发前模型-透水模型-调蓄模型等过程模型，利用过程模型模拟结果逐步完善低影响开发方案。具体设计步骤如下：1)建立低影响开发前原始模型，运行模拟得到目标设计降雨量情景下各子汇水区径流量；2)拟定绿色屋顶率、透水铺装率等，参照各子汇水区径流量比例，同时考虑下垫面适建性，确定各子汇水区拟增加的透水设施类型及规模；3)在原始模型基础上建立透水模型，运行模拟得到目标设计降雨量情景下各子汇水区径流量；4)按照各子汇水区径流量确定各子汇水区需增加的调蓄设施类型及规模；5)在透水模型基础上建立调蓄模型，得到低影响开发初步方案，采用全年降雨数据连续模拟验算是否达到预设年径流总量控制目标；6)若不达标，调整调蓄设施规模及参数重复4)和5)直至达标，得到低影响开发修正方案。

1.3 雨洪控制效果分析思路

主要考察组成低影响开发方案的透水设施和调蓄设施在不同组合配比时的雨洪控制效果差异。组合配比是指满足某雨洪控制目标的低影响开发设施的类型组合及各类设施占其所属下垫面的面积百分比组合。将设置多个组合配比方案，各方案透水设施配比递增，调蓄设施配比递减。对这些方案采用3类降雨情景进行雨洪控制效果分析：年径流总量控制率对应的设计降雨量情景用于初步方案设计，不同的预设透水设施配比通过上述设计步骤1)～4)将会得到不同的调蓄设施配比，组合形成不同的低影响开发初步方案，满足在目标设计降雨量情景下不外排；全年降雨情景用于方案修正，因为初步方案所得到的设施组合配比具备的是日调蓄能力，在土壤渗透性有限时，多日连续降雨可能会超出调蓄设施的应对能力，所以需要通过设计步骤5)和6)在全年降雨情景下就其年径流总量控制效果进行方案修正，满足75%的年径流总量控制率；不同重现期暴雨情景用于洪峰及内涝削减效果分析，比较满足年径流总量控制目标的各方案在内涝防控目标上的性能差异。

2 分析模型建立

2.1 研究区概化

研究区模型构建采用城市排水管网模拟系统(DigitalWater simulation system)，基于详细规划方案竖向特征及下垫面汇流情况手动划分子汇水区，将研究区概化为25个子汇水区、27个检查井节点、27条排水管道和2个排放口(图2)。同时建立城市化前现状模型，用于参数率定。

2.2 模型参数设置及率定

模型各子汇水区特征数据采用下垫面解析法从Arcgis基础图中提取，产流采用非线性水库模型，入渗采用霍顿(Horton)模型，模型水文参数根据研究区红壤特性以及SWMM用户手册取值，并对地表曼宁系数、洼蓄量、最大入渗速率、最小入渗速率、衰减系数等进行参数率定。选取2017年4月16日的一场典型大雨(历时5h，总降雨量42.9mm)，采用纳什效率系数(Nashsutcliffe)，检验现状模型预测值和实测值的吻合度[15]，经多次试算调参，纳什效率系数达到0.9，参数率定结果如表1所示，率定后现状模型经2017年4月20日另一场典型降雨(历时3h，总降雨量18.0mm)验证通过，证明所构建模型可靠。详规方案模型相关参数照此率定结果取值。

2.3 低影响开发模块参数设置

低影响开发模块参数设置时，由于研究区原土孔隙率小、下渗速率低，考虑将土壤层换为沙壤土，导水率、导水率斜率、吸力水头分别为10mm/h、5、90mm，厚度均为300mm。绿色屋顶表层洼蓄深度、底层排水板厚度分别为4、75mm。透水铺装表层洼蓄深度、底层砾石厚度分别为1.5、150mm。生物滞留设施表层蓄水深度、底层砾石厚度均为300mm。最底层渗透率取原土最小入渗速率1mm/h。其余模型参数取值参考SWMM用户手册典型值。

2.4 降雨情景设计

采用21.8mm的24h降雨曲线(长沙市75%的年径流总量控制率所对应的设计降雨量)进行模拟，以不外排为目标进行低影响开发初步方案设计。

表1 模型水文参数率定结果

表2 研究区低影响开发设施组合配比

采用长沙某气象站2015年全年降雨量日值数据进行连续模拟，以25%的外排总量为目标对初步方案进行修正。

采用芝加哥雨型结合暴雨强度公式，拟合生成降雨历时2h，重现期P=1a、3a、5a、10a、20a、50a、100a的设计降雨曲线，模拟考察修正方案的地表径流量、峰值流量、最大内涝水量及节点溢流情况。

3 设计过程与结果分析

3.1 初步方案设计

因研究区内有较大面积的地下停车库，采用2种不同的低影响开发雨水径流组织方式。对一般下垫面而言，各子汇水区分别处理各自的内部径流，选取3种设施作为低影响设施组合单元：绿色屋顶和透水铺装作为增加透水能力的设施，只影响直接径流，绿色屋顶的排水管出流经由绿地排入生物滞留设施；生物滞留设施作为增加调蓄能力的设施，负责处理其他不透水区域径流。医技楼和专科楼及其周边场地范围内有地下停车库，不适宜建设生物滞留设施和透水铺装，低影响开发前的径流量占比达到研究区径流总量的43%。对此，考虑利用邻近子汇水区的集中绿地对车库范围内径流进行转输调蓄以减少外排，选取绿色屋顶和生物滞留设施跨子汇水区组合：绿色屋顶出流、普通屋顶及硬质场地汇流经管道引流进入生物滞留设施；生物滞留设施布置于车库范围外的相邻子汇水区绿地内，与车库范围内各子汇水区在数量、调蓄规模与溢流节点上对应。研究区低影响开发后雨水径流组织如图3所示。

共设置A～F 6个低影响开发初步方案，从方案A到方案F总透水率以约10%的增幅递增(表2)。其中，方案A不增加透水率，维持原有绿地的36%；方案C总透水率59%，其中绿色屋顶配比30%、透水铺装配比40%，刚好达到《长沙市绿色建筑评价标准》的得分标准；方案F总透水率86%，基本实现全部屋顶和除去地下停车库范围后全部场地的透水化。

生物滞留设施配比计算过程采用设计降雨量为21.8mm的24h降雨曲线，按照拟定的透水设施规模建立透水模型，得到增大透水能力后每个方案各子汇水区地表径流体积V，此值即为生物滞留设施有效调蓄容积与渗透量之和，据式(1)计算各子汇水区生物滞留设施面积As，建立调蓄模型，得到6个低影响开发初步方案从方案A到方案F生物滞留设施配比以约1%的降幅递降(表2)。

式中：Δh为生物滞留设施表层蓄水深度，取300mm；K为土壤(原土)渗透系数，取1mm/h；J为水力坡降，取1；ts为渗透时间，取2h短历时降雨。

3.2 年径流总量控制效果及方案修正

对2015年全年降雨量进行统计，75%控制率对应的设计降雨量为22.6mm，略大于多年平均设计降雨量21.8mm。采用降雨量为21.8mm和22.6mm的24h设计降雨曲线进行径流模拟，初步方案A～F均未产生外排雨水，表明各方案均能达到设计降雨量控制目标，并有不同程度的冗余。采用2015年全年降雨数据进行连续径流模拟，初步方案A、B、C、D均未达到75%的控制目标，方案E刚好达到75%的控制率，方案F超额达到85%的控制率(图4)。动态追踪低影响开发设施模拟结果，发现各方案生物滞留设施在多日连续中小降雨时发生大量表面出流。分析原因，研究区底层原土渗透系数仅为1mm/h，生物滞留设施300mm的满负荷表层蓄水量需300h才能完全入渗，多日连续降雨就会导致设施表面出流，生物滞留设施配比越大，负责处理的不透水面积越大，连续降雨时发生溢流的可能性就越大。从方案A到F，虽然生物滞留设施配比从14%下降至8%，整体蓄水能力下降，但是透水铺装和绿色屋顶配比分别从0递增至70%和90%，整体透水能力和滞水能力增加，单位时间的渗透总量增加、总渗透时间增加，因此方案整体年径流控制率逐步提高。此外，考察各方案生物滞留设施的全年减排量，发现并未随着各方案生物滞留设施配比的递减而逐渐下降，而呈波动上升趋势，说明提高汇水区滞水能力能够在一定程度上减缓雨水进入生物滞留设施的时间，增加渗透时间，从而提高总渗透量，也能从侧面解释方案F超额完成的减排量。

针对初步方案年径流总量控制率未达标的问题，本研究采取增大调蓄设施面积以增加单位时间内总渗透量。根据初步方案减排量与目标减排量差值调整调蓄模型，修正后各方案生物滞留设施配比如表2修正方案所示。生物滞留设施在初步方案中配比越大，修正的增幅越大，其中增幅最大的方案A的生物滞留设施面积增加至初步方案的2.1倍。方案F的生物滞留设施减少至初步方案的0.8倍后刚好满足目标需求。

参照《海绵城市建设技术指南》中提出的低影响开发单项设施参考单价估算各修正方案总造价(表2)，数据表明：满足相同年径流总量控制目标的不同低影响开发设施组合配比，透水设施配比越小、调蓄设施配比越大、总造价越低。其中只采用生物滞留设施不采用绿色屋顶和透水铺装的总造价最低。单位面积生物滞留设施的径流总量控制成本效益高于绿色屋顶和透水铺装。

3.3 不同重现期的暴雨控制效果分析

对修正方案进行暴雨径流模拟，随着暴雨重现期从1a增加至100a，设计降雨量从41.0mm增加至96.8mm，各低影响开发方案地表径流变化情况如图5所示。由图可知，低影响开发后地表径流较低影响开发前有较大程度减少，生物滞留设施在低影响开发设施组合配比中越大，方案应对短重现期暴雨的径流削减能力越强(方案A)；绿色屋顶和透水铺装在低影响开发设施组合配比中较大时，方案应对长重现期暴雨的径流削减能力更强(方案E、F)；透水铺装在透水设施中占比越大，方案应对短重现期暴雨的径流削减能力越强(方案B、C)。

由图6、7可知，低影响开发后暴雨洪峰流量及最大内涝水量较低影响开发前大幅削减，其中，对出水口洪峰流量削减作用在20年一遇及以下暴雨情景下较为显著，峰值削减率除方案F外均在50%以上；对内涝削减作用在5年一遇及以下暴雨情景尤为显著，平均最大内涝水量削减率达到98%；生物滞留设施在低影响开发设施组合配比中越大(方案A)，透水铺装在透水设施中占比越大(方案B)，方案的峰值削减及内涝削减能力越强；降雨量增大至50年及100年一遇时，各方案洪峰削减率与内涝削减率趋于一致，但方案A、B仍有一定优势，且削涝能力仍未饱和。

图3 研究区雨水径流组织图

图4 研究区低影响开发后年径流总量控制率

图5 研究区暴雨平均地表径流量

图6 研究区暴雨洪峰流量削减率

图7 研究区暴雨最大内涝水量

3.4 方案选择及LID设施布局

综上，方案A、B造价较低，对洪峰及径流削减效果较好，方案B相对方案A造价稍高，但应对长重现期暴雨能力更优，因此从模拟分析结果看，方案B应为满足径流总量控制和暴雨内涝防控双重目标的最佳方案。但是，评估方案适建性时发现，详规方案的绿地布局外围多、中央少，因为医院大体量建筑主体及其周边大面积疏散场地的需要，硬化程度很高，除去地下停车库范围后，可供低影响开发的绿地十分有限，而方案B生物滞留设施配比较大，将几乎占用这几个子汇水区及其周边所有可建绿地，实际景观效果及实施性较差。方案C虽然暴雨内涝防控能力略低于方案B，但生物滞留设施配比更低、与详规方案景观融合度更高、适建性更好，因此方案C为最终建议方案(图8)。30%的屋顶布置绿色屋顶，40%的场地布置透水铺装，17%的绿地布置生物滞留设施，3类低影响开发设施占研究区总面积比例分别为7%、16%、6%，总共占用29%的用地。

4 结论与建议

1)对于土壤特性比常规地区有较大差异的特殊地区，采用动态模拟的方法计算低影响开发设施规模，能够更精准地反映雨水产汇流及入渗过程，从而得到更接近现实情况的需调蓄容积，从而避免以径流系数经验值测算调蓄容积实际结果偏低，以及调蓄设施与汇水单元空间匹配度不佳导致能效发挥不完全等问题。

2)采用年径流总量控制率所对应的设计降雨量进行低影响开发方案设计，所得到的设施规模具备的是日调蓄能力，在土壤渗透性有限而方案透水率较低时，多日连续降雨会超出调蓄设施的日调蓄能力，研究采用增大调蓄设施面积的方式进行方案修正，以实现年径流总量控制目标。

3)年径流总量控制率在75%左右的多个低影响开发设施组合配比方案，考察暴雨径流削减效果：生物滞留设施配比大的方案，短重现期暴雨径流削减效果较好；透水设施配比大的方案，长重现期暴雨径流削减效果较好。考察暴雨洪峰流量削减及内涝削减效果：所有低影响开发方案对20年一遇及以下暴雨的削峰及削涝效果显著，其中生物滞留设施配比大和透水铺装在透水设施中占比大的方案削减效果更好。

图8 方案C低影响开发设施布局

4)本文关于低影响开发设施组合配比的研究方法和结论，可用于类似地区海绵城市建设中确定下沉绿地率、透水铺装率、绿色屋顶率等地块控制指标时的参考案例。具体方案还须结合各地区下垫面情况、低影响开发设施适建性、排水及径流组织、景观效果等因素共同决定。

注：文中图片均由作者绘制。