基于SWMM的深圳市某区域LID设施布局与优化
胡爱兵，任心欣，丁年，汤伟真
(深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东深圳 518028)
摘要：以深圳市某低影响开发（LID）示范区为例，通过对示范区构建现状模型、传统开发模型和LID模型，探讨了示范区LID规划目标的制定方法、LID设施布局的总体思路以及基于LID目标的LID设施优化方法，最终得到示范区LID设施布局方案。模拟结果表明，通过在示范区综合应用一定规模（绿色屋顶、雨水花园、下凹绿地、透水铺装和LID树池等5类LID设施占示范区总面积的比例分别约为9%、4%、3%、15%和0.5%，总计约为31.5%）的LID设施，可使示范区开发建设后的年径流总量不大于现状值、峰值流量接近现状值。
目前SWMM在城市降雨径流模拟方面已有广泛应用，但国内关于SWMM在城市区域性低影响开发（LID）设施的布局及效果评价方面的应用研究尚较少。运用SWMM的LID模块，通过对场降雨事件及连续降雨事件的模拟，可实现LID设施对雨水径流量、峰值流量、污染负荷及年合流制溢流（CSO）发生频率控制效果的模拟和评估，从而指导城市开发建设过程中LID设施的布局及优化。笔者以深圳市某LID示范区为研究对象，运用SWMM对其现状、传统开发模式和LID开发模式下的水文条件进行模拟，以指导示范区LID设施的合理布局。
1 研究区域概况
研究对象是深圳市即将开发建设的LID示范区域，面积约为24 hm2。示范区西侧现状为建设密度较高的城中村及客家围屋，其余地块为大片绿地或裸地，东侧濒临丁山河，整体西北高、东南低。示范区用地规划的下垫面类型包括建筑与小区、绿地、市政道路、停车场等。根据测算，示范区现状不透水率约为24%，现状综合径流系数为0.29。
2 研究方法
2.1 LID规划目标
低影响开发的基本原理是通过分散的、源头的设施使区域开发建设后的水文状态尽量接近于开发建设前，反映在具体量化指标上，要求区域开发建设后的雨水径流量和峰值流量尽量接近于开发建设前的水平。本次研究将基于示范区现状的雨水径流量和峰值流量模拟结果，确定LID规划目标为：①示范区开发建设后的年径流总量不大于现状值。该目标可通过示范区的年综合雨量径流系数表征，即示范区开发建设后的年综合雨量径流系数不大于现状值。②示范区开发建设后的峰值流量尽量接近现状值。峰值流量控制目标是针对全年中最强的一场降雨进行控制，其不确定因素众多。要求示范区开发建设后的峰值流量不大于现状值很难实现，且意义不大；而要求开发建设后的峰值流量尽量接近于现状值则更具有现实意义。
2.2 研究总体思路
研究总体思路如图1所示。
图1 研究总体思路
首先，对示范区的现状水文特征进行模型评估，进而确定LID目标；其次，根据示范区的详细蓝图规划，综合考虑示范区的空间布局、景观要求、经济性、维护管理等因素，进行LID设施的初步布局，并进行模型评估；第三，将LID初步方案的模拟结果与LID目标进行对比，根据对比结果进行LID布局方案的优化调整，并再次进行模拟；反复调整直至结果达到LID目标，最终得到LID设施的布局方案。
2.3 模型构建
为便于分析，本次研究共构建了3种不同情景下的模型：①现状模型，即基于现状下垫面的模型；②传统开发模型，即按传统模式进行开发建设，不采用LID设施的模型；③LID模型，即在建设项目的各类下垫面综合应用多种LID设施后的模型。
2.4 设计降雨
SWMM中降雨数据可以是实际降雨数据，也可以是设计雨型，本次模拟采用实际降雨数据。选取深圳市某雨量站2012年5 min滑动雨量记录数据，经处理后得到全年逐分钟瞬时雨量，该雨量站2012年记录降雨总量为1723.20 mm，接近深圳市多年平均降雨量。
3 模拟结果及分析
3.1 现状模型结果
① 现状模型构建
现状条件下，除已建城中村、客家围屋及两条道路外，其余用地均为绿地和裸土，生态本底良好。根据示范区地形及现状排水组织，将其划分为9个一级汇水区；结合模型概化要素及精度要求，再将其细分为22个二级汇水区。最终示范区被概化为22个二级汇水区，24个检查井节点，23条排水管道。
② 现状模型结果
采用2012年全年降雨进行模拟，得到全年径流曲线和年峰值流量曲线如图2所示。
图2 现状模型全年径流曲线和年峰值流量曲线
由图2（a）可知，现状条件下，示范区只有较大的降雨才会产生径流，大部分中、小雨无径流产生，说明大部分降雨被入渗或滞蓄，现状年雨量综合径流系数约为0.26。由图2（b）可知，示范区2012年全年径流峰值流量出现在第119天，峰值流量接近3.14 m3/s。
3.2 传统开发模型结果
① 传统开发模型构建
传统开发模型的构建是基于示范区详细蓝图规划，按规划，示范区除客家围屋等少部分区域改造外，其余区域均为新建区域。根据示范区详细蓝图规划和雨水管网规划，将示范区划分为11个一级汇水区、30个二级汇水区，传统开发模式下垫面汇水区划分及SWMM模型界面如图3所示。
图3 传统开发模型的构建
② 传统开发模型结果
采用2012年全年降雨进行模拟，得到全年径流曲线和年峰值流量曲线如图4所示。可以看出,在传统开发模型下，示范区能够形成径流的降雨量高达908mm，年雨量综合径流系数为0.53，是现状值的两倍；示范区全年径流峰值流量出现在第206天，峰值流量接近5.5 m3/s，远高于现状值。表明在传统开发模型下，示范区水文状态有较大变化，示范区不透水下垫面的大量增加减少了雨水径流的入渗和滞蓄，致使径流量和峰值流量显著增大。
图4 传统开发模型全年径流曲线和年峰值流量曲线
3.3 LID模型结果
① 示范区LID目标及其实现途径
根据现状模型结果，确定示范区LID目标为：①年综合雨量径流系数≤0.26；②峰值流量接近3.14 m3/s。示范区LID目标的实现途径：在示范区各建设项目进行5类LID设施的布局与优化，实现雨水径流的源头削减，进而达到示范区LID目标。
② LID模型构建
LID模型的构建也是基于示范区详细蓝图规划。相比传统开发模式，LID模式是在示范区的下垫面因地制宜、综合应用多种LID设施进行雨水径流的控制。LID模型的雨水径流组织如图5所示。根据示范区用地规划和雨水管网规划，结合图5所示的径流组织，将示范区划分为11个一级汇水区、30个二级汇水区。
图5 LID模式下各类下垫面的径流组织
LID模型共定义了5类LID设施，各类LID设施的结构尺寸见表1。
表1 各类LID设施的结构尺寸
结合SWMM用户手册、相关文献以及实际工程试验结果，对各类LID设施的参数进行设置。存水区植被覆盖百分比参考用户手册建议取0.15；配置土壤层孔隙率取0.18，田间持水率取0.1，枯萎点取0.3；雨水花园、绿色屋顶、下凹绿地和LID树池的土壤水力传导率分别取18、36、3.6、3.6 mm/h；路面层孔隙比取0.1，蓄水层孔隙比取0.43；绿色屋顶的入渗率取0，其他设施取1.8mm/h；排水层中绿色屋顶按蓄水24 h排空取值。
③ LID模型结果
采用2012年全年降雨进行模拟，经过数轮优化调整，得到LID最终方案的模型结果如表2所示。
表2 现状模型、传统开发模型及LID模型结果对比
由表2可知，在LID模式下，示范区开发建设后年综合雨量径流系数与现状值相同，峰值流量接近现状值，这表明通过在不同的下垫面综合应用多种LID设施，可以使示范区开发建设后的水文状态尽量接近开发建设前，达到示范区LID目标。另外由表2可知，LID模式下示范区的总径流量较传统开发模式降低51%，峰值流量较传统开发模式削减40%；在总降雨量固定的情况下，LID模式下的总蒸发量和总入渗量较传统开发模式均有大幅度提高，最终地表蓄水无明显变化，表明LID模式下雨水径流量和峰值流量的削减主要是基于雨水径流的蒸发和入渗。
4 LID设施布局
根据示范区LID的最终布局方案，以示范区内X地块为例，说明示范区各地块LID设施的布局。X地块面积为4.70hm2，包括屋面、绿地、铺装场地等3类下垫面，各下垫面面积及LID设施面积见表3。X地块的LID设施布局见图6。
表3 X地块LID设施一览表
图6 X地块LID设施布局方案
由表3可知，对于X地块，并非所有的下垫面均需建设LID设施，对某一类下垫面，只需建设一定比例的LID设施即可实现LID目标。例如，对屋顶而言，只需将地块内48.0%的屋顶建设为绿色屋顶即可，其余屋顶可设置太阳能设施或用作他用，这样既符合经济性的原则，又可避免LID设施与其他设施建设的冲突。总体而言，各类LID设施的面积均不超过其所在下垫面面积的一半。X地块内所有LID设施的面积约占X地块总面积的44.6%。
示范区由5个地块以及市政道路和公共绿地组成。就整个示范区而言，绿色屋顶、雨水花园、下凹绿地、透水铺装和LID树池占示范区总面积的比例分别约为9%、4%、3%、15%和0.5%，总计约为31.5%。
5 结论
① 采用SWMM可有效模拟LID开发模式下的城市区域水文状态，为城市区域内各建设项目LID设施的布局与优化提供技术支持和依据。
② 对深圳市某示范区分别构建现状模型、传统开发模型和LID模型，并进行模拟和对比分析，结果表明，通过在示范区综合应用一定规模的绿色屋顶、雨水花园、下凹绿地、透水铺装和LID树池，即可使示范区开发建设后的年径流总量不大于现状值、峰值流量接近现状值。
③ 综合考虑经济性等因素，LID设施的规模不宜过大。不同的建设项目，其LID设施所占比例亦不相同。通过对示范区每一地块及市政道路和公共绿地的LID设施规模的统计，LID设施的面积达到示范区总面积的1/3即可达到示范区LID目标。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第21期“城市雨水管理”栏目）
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