基于SWMM的某区域低影响开发设施布局与优化


摘要:城市区域性低影响开发(LID)设施的布局以及效果评估在我国尚属于新的课题。本文以深圳市某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、示范区LID设施布局的总体思路,以及基于LID目标的LID设施的优化方法。最终得到示范区LID设施布局方案。模型结果表明,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树池五类LID设施占示范区总面积的比例分别约9%、4%、3%、15%和0.5%,总计约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。

 

SWMM(Storm Water Management Model)是美国环保署(EPA)研制的模拟城市雨洪过程和水质的综合数学模型,是一个动态的分布式水文模型,通过一系列能够接收降水的子区域作为径流或者污染物的来源,并通过传输系统,如管道、渠道、储存/处理设施、泵及调节器等来实现水文、水力以及水质方面的模拟,并能以多种形式输出结果。

目前SWMM在城市降雨径流模拟方面已有广泛应用。例如城市排水管网设计、内涝控制系统设计等。然而SWMM应用于城市区域性低影响开发(Low Impact Development,LID)设施的布局及效果评价在国内尚少有应用,相关研究也比较少。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。

赵冬泉等较早的在国内运用SWMM模型模拟了某试验小区采用透水铺装地面、绿色屋顶和滞留塘等LID设施对排水系统的影响。王雯雯等用SWMM模型模拟了城市化前后城市雨洪过程的变化,以及加入透水砖和下凹式绿地两种LID设施后对城市化地区雨洪控制作用的影响。本文以深圳市某LID示范区为研究对象,运用SWMM模型对其现状水文条件、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 研究对象概述

本次研究对象位于深圳国际低碳城核心启动区内,作为深圳市即将开发建设的低影响开发示范区(以下简称示范区),面积约24公顷。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(图1-1)。示范区东侧濒临丁山河,整体西北高,东南低。示范区用地规划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。反应在具体量化指标上,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。首先,对示范区的现状水文特征进行SWMM模型评估,即基于示范区2013的水文状态进行评估,进而可确定示范区的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、维护要求等因素,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。反复调整直至优化后的结果达到LID目标,最终得到LID设施的布局方案。

研究总体思路

2.3 模型构建

为便于分析,本次研究共构建了三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;即按照示范区的详细蓝图规划,按传统开发模式进行开发建设,不采用LID设施的模型;③LID模型;即按照示范区的详细蓝图规划,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模型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5min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1723.20mm,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,除了已建城中村、客家围屋以及两条道路外,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。示范区现状下垫面汇水区划分及SWMM模型界面分别如图2和图3所示。

现状模型子汇水区划分图  

         现状模型的构建

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分别如图4和图5所示。


4  现状模型全年径流曲线图


5  现状模型年峰值流量曲线图

由图4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0.26。由图5可知,示范区2012年全年径流峰值流量出现在第119天,即2012年4月29日,峰值流量接近3.14m3/s;现状模型结果见表1。

示范区现状模型结果

项目

现状模型

总降水(mm

1723.20

总蒸发(mm

125.90

总渗入雨量(mm

1142.85

总径流(mm

441.96

最终地表蓄水(mm

15.22

年径流系数

0.26

峰值流量(m3/s

3.14

 

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模型界面分别如图6和图7所示。

传统开发模型汇水区划分图     


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分别如图8和图9所示。

 

8  传统开发模型全年径流曲线图


9  传统开发模型年峰值流量曲线图

传统开发模型结果

项目

传统开发模型

总降水(mm

1723.20

总蒸发(mm

245.03

总渗入雨量(mm

558.08

总径流(mm

907.75

最终地表蓄水(mm

12.26

年径流系数

0.53

峰值流量(m3/s

5.44

 

传统开发模式下,示范区年径流量高达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,即2012年7月4日,峰值流量接近5.5m3/s,远高于现状值(3.14 m3/s)。表明传统开发模型下,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(表2)。

3.3 LID模型结果

(1)示范区LID目标及其实现途径

现状模拟结果表明,示范区现状年综合雨量径流系数为0.26,峰值流量为3.14m3/s。因此,示范区LID目标为:年综合雨量径流系数≤0.26;峰值流量接近3.14m3/s。

示范区LID目标的实现途径如图10所示,即在示范区各建设项目进行五类LID设施的布局与优化,实现雨水径流的源头控制,进而达到示范区LID目标。

10  示范区LID目标实现途径

2LID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开发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源头、分散控制。LID模型的雨水径流组织如图11所示。根据示范区用地规划和雨水管网规划,结合图11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。

11  LID模式下各类下垫面的径流组织

LID模型共定义了五类LID设施,各类LID设施的结构尺寸见表3。

3  各类LID设施结构尺寸

LID设施类型

LID设施

表层

mm

土壤层

mm

路面层

mm

蓄水层

mm

排水层

生物滞留

单元

雨水花园

200

500

200

×

绿色屋顶

50

150

100

下凹绿地

150

500

×

LID树池

100

600

×

透水铺装

透水铺装

5

60

250

×

注:× 表示该类设施无排水层,√ 表示该类设施有排水层。

结合SWMM用户手册、相关参考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值取0.15;配置土壤层孔隙率去0.18,田间持水率取0.1,枯萎点取0.3;土壤水力传导率雨水花园取18mm/h,绿色屋顶取36mm/h,下凹绿地和LID树池取3.6mm/h;路面层孔隙比取0.1,蓄水层孔隙比取0.43;入渗率绿色屋顶取0,其他设施取1.8mm/h;排水层中绿色屋顶按蓄水24h排空取值。

2LID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4所示。

现状模型、传统开发模型及LID模型结果对比

项目

现状模型

传统开发模型

LID模型

总降水(mm

1723.2

1723.2

1723.20

总蒸发(mm

125.9

245.0

346.41

总渗入雨量(mm

1142.9

558.1

945.88

总径流(mm

442.0

907.8

441.58

最终地表蓄水(mm

15.2

12.3

8.69

径流系数

0.26

0.53

0.26

峰值流量(m3/s

3.14

5.44

3.26

 

3.4 模拟结果分析

对比现状模型、传统开发模型及LID模型三种情景下的结果,示范区在传统开发模式下年径流总量高达908mm,超过现状径流量的两倍;峰值流量也有较大幅度提高。表明传统开发模式下由于硬化地面的大量增加进而明显改变自然的水文循环,造成雨水径流量和峰值流量的显著增大。

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(3.26m3/s)较现状值(3.14m3/s)略有提高,接近现状值。表明在LID开发模式下,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,模拟结果表明LID模式下示范区的总径流量(441.6mm)较传统开发模式(907.8mm)降低51%,峰值流量较传统开发模式削减40%。在总降雨(1723.2mm)固定的情况下,LID模式下的总蒸发量(346.4mm)和总入渗量(945.9mm)较传统开发模式均有大幅度提高(传统开发模式下的总蒸发量和总入渗量分别为245.0mm和558.1mm)。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,以示范区内某一地块——X地块为例(X地块详细蓝图规划见图12),说明示范区各地块LID设施的布局。X地块面积为4.70ha,地块内包括屋面、绿地、铺装场地三类下垫面,各下垫面面积及LID设施面积见表5。X地块的LID设施布局见图13所示。

12  X地块详细蓝图规划 

     

13  X地块LID设施布局方案

 

5  X地块LID设施一览表

地块编号

下垫面

类型

面积(m2

LID设施

LID设施面积(m2

LID设施占下垫面比例

LID设施占X地块面积比例

X

屋面

24374

绿色屋顶

11697

48.0%

24.9%

绿地

10659

雨水花园

2538

23.8%

5.4%

下凹绿地

1530

14.4%

3.3%

铺装场地

11954

透水铺装

5146

43.1%

11.0%

合计

46987

20911

44.6%

 

由表5可知,对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%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设施与其它设施建设的冲突。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%。

示范区由五个地块,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树池五类LID设施占示范区总面积的比例分别约9%、4%、3%、15%和0.5%,总计约31.5%。

  5 结语

(1)采用SWMM可有效模拟LID开发模式下的城市区域的水文状态,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,结果表明LID设施的面积达到示范区总面积的三分之一,即可达到示范区LID目标。

 

 


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