陈 哲，蔡仕谦
（惠州学院 建筑与土木工程学院，广东 惠州 516007）
城市化等因素导致城市开发用地前后下垫面由原先的下渗、蓄水较好的蓝绿空间转变为透水性差的灰色基础设施，城市频繁出现内涝的同时又极度缺水。为应对这一系列矛盾，不同国家在结合本国国情的基础上提出了各自的雨水资源化利用管理体系：美国在1970年代颁布第一个雨洪管理法案，提出最佳管理措施（Stormwater Best Management Practices，BMPs），1990年代提出低影响开发（Low Impact Development，LID）；
英国提出可持续城市排水系统（Sustanable Urban Drainage Systems，SUDS）；
澳大利亚提出水敏性城市设计（Water Sensitive Urban Design，WSUD）［1］。在此基础上，中国提出海绵城市（Sponge City）建设理念。截止2019年，中国常住人口城镇化率60.6%，已经步入城镇化较快发展的中后期，城市发展进入城市更新的重要时期［2］。城市开发建设前，70%～80%的降雨可通过自然滞渗进入地下，但城市化进程改变了城市下垫面类型，建成区无法自主消纳开发前自然下渗部分的降雨，须通过人工设施增加雨水“渗、滞、蓄、净、用”的量，减少传统市政管网外排量。以惠州市为例，《惠州市海绵城市专项规划》中规定：惠州市海绵城市建设总体目标为降雨的70%以上按“渗、滞、蓄、净、用”的先后顺序消纳和利用，到2020 年城市建成区20%以上达标，2030年城市建成区80%以上达标，对于惠城区一些老旧街区需系统考虑［3］，充分利用多种低影响开发设施组合设计，实现消纳指标。
采用SWMM模型（Storm Water Management Model，SWMM）对惠州市境内的沿海丘陵地带进行雨洪定量研究。该模型具备水文、水力及水质3种模拟功能，广泛应用于城市排水管网的设计、低影响开发具体设施的组合设计等领域［4］。目前采用SWMM在各类型各尺度进行定量评估低影响开发（LID）的水文效应已有相关研究成果：李怀民等［5］以济南市某坡地小区为例，将小区内“马路行洪”主道路概化为不规则明渠，基于SWMM模型研究海绵城市改造方案对不同重现期设计降雨水文过程影响；
张曼等［6］以天津市蓟州区某小区为研究区域，根据既有规划设计方案，在透水铺装物理实验基础上，建立SWMM模型，模拟不同降雨事件中7种规划方案的径流控制效果，分析在一定区域内采用自然排水系统代替雨水管网的可行性；
丁锶湲等［7］选取厦门市杏林湾地区作为研究对象，运用SWMM技术构建降雨—径流模型，分别对低影响开发前后的地块进行不同暴雨重现期情景的模拟，确定地块内涝易发区域积水节点，根据节点位置布设低影响开发（LID）措施；
卢奕芸等［8］以第二届河北省园林博览会（秦皇岛）园区作为研究区域，利用SWMM软件模拟对比分析场地开发前后雨洪调蓄能力，提出基于水安全目标的城市绿地水体设计方法。
本研究以惠州市沿海浅山区惠东县稔山镇亚婆角某小区为研究区域，利用SWMM建模分析该区域下的居住区采用不同低影响开发设施进行雨洪调节的作用情况，通过横向对比模拟实验得出合适的低影响开发设施比例，通过多情境模拟分析为惠州沿海浅山区类型地区LID集成优化设计提供依据。
SWMM 模型的构建分2 步进行：第一步是SWMM模型概化，第二步是设置雨量计及模型参数。
第一步：SWMM 模型概化包括子汇水区和排水系统2部分，本研究区域由于地形复杂，采用人工绘制的方式绘制汇水分区。
第二步：模型内参数设置包括水文参数、水力参数，不考虑水质影响。参数设置包括子流域面积、特征宽度、平均坡度、汇流长度、不透水面积率、洼蓄量、地表曼宁系数等［9-10］。其中，子流域面积、平均坡度、汇流长度、管线长度、不透水面积率均通过规划图纸获取，子流域宽度采用汇水面积除以汇流长度的方式计算［11］。洼蓄量、地表曼宁系数等参数参考SWMM用户手册的建议值及相关类似研究的经验值。地表产流计算选用Horton入渗模型。
2.1 研究区域概况
本研究区域位于广东省惠州市惠阳区与惠东县交界处的稔山镇亚婆角某小区，行政上属惠东县管辖。研究对象为居住区，用地面积为313 165.68 m2，主要为沿海山地，场地内海拔最高点为139 m，最低点4 m，最大高差达135 m（图1）。场地中部和南部有少量地区坡度在10%以下，大部分地区的坡度处于30%～60%区间，少数地区坡度在60%以上（图2）。
图1 研究区域高程分析
图2 研究区域坡度分析
2.2 SWMM模型概化
由于场地内坡度较大，充分考虑场地条件中的居住组团分布、雨水管网分布、地块坡向，采取人工划分汇水分区的方法，进行SWMM模型概化，图3将研究区域划分为13 个子汇水区、1 个排放口、137 个节点、137段管渠。
图3 研究区域概化图
2.3 SWMM模型参数选择与率定
根据地质勘探结果报告（表1），研究区域的表层土以素填土与粉质黏土为主，垂直渗透系数为5～250 mm/d，土壤的渗透率变化较大，局部粉质黏土层所在的地方透水性较差，大部分地方透水性较好。
2.4 雨型设计
利用芝加哥雨型生成器生成1、5、10、50 a 共4 种重现期条件下的设计暴雨过程线，雨峰系数r取0.4，降雨历时取120 min，合成降雨时程分布见表2。
表2 不同暴雨重现期下的2 h降雨时程分布
（续表2）
采用芝加哥雨型作为SWMM 模型雨量计的输入数据。具体暴雨强度公式参考邵尧明、邵丹娜编著《中国城市新一代暴雨强度公式》。［12］
惠州市暴雨强度公式：
芝加哥雨型表达公式：
惠州市芝加哥雨型表达公式：
本文将在SWMM 模型中导入不同重现期设计降雨数据对惠东县沿海浅山区用地类型适宜性低影响开发设施展开分析研究。
2.5 低影响开发适宜性技术分析
研究区域为典型的沿海浅山区，场地中部和南部有少量地区坡度在10%以下，大部分地区的坡度处于30%～60%区间，少数地区坡度在60%以上。研究区域绿地与住宅为台地组团式布局，以台地组团+边坡组合形成汇水单元，产流点多而分散。
针对以上研究区域特点及SWMM模型中的LID模块的特性，为方便运用SWMM模型对研究区域进行模拟分析，现将LID设施概化为以下5类：透水铺装、绿色屋顶、下凹式绿地、雨水花园、生态滞留池。运用SWMM模型对5种类型分别进行单项水文模拟分析及组合水文模拟分析，得出5 种LID 设施的适宜度，并根据模拟实验结果形成适应沿海浅山区用地类型的LID集成优化设施组合（图4）。
图4 研究区域LID组合实验方案
2.6 低影响开发雨洪控制效果分析
2.6.1 低影响开发设施选择
研究区域共选用了5种SWMM模型中的低影响开发设施，根据SWMM用户手册及相关文献［13］，完成LID设施主要参数设计（表3）。
表3 LID设施参数设计
（续表3）
2.6.2 SWMM模型模拟方案设计
本研究SWMM模型模拟共设计8个实验组（表4），实验组1 为常规雨水管网开发，作为重要的对照实验组。实验组2方案在实验组1的基础上增加5种LID组合设施，实验组1和2对比分析组合设计方案的雨洪控制效果。实验组3 在实验组2 的基础上将雨水管网等灰色雨水设施替换成为植草沟、生物滞留池等绿色雨洪设施，对比分析绿色雨洪设施和灰色雨水设施的优缺点。实验组4～8为组合方案中单一LID设施变量实验，用于分析组合方案中各LID设施的作用情况。
表4 SWMM情境模拟方案设计
2.6.3 模拟实验结果与分析
通过SWMM模型对以上8组实验进行情境模拟得出相关数据并绘制表5，得到以下模拟结果：
（1）在不同降雨重现期条件下，选取的不同情境2、3、4、5、6、7、8模拟实验组中的径流总量的削减效果按照削减率从高到低的排序依次为：
50 a：情境3；
情境2；
情境6；
情境7、情境8；
情境4、情境5；
10 a：情境3；
情境2；
情境6；
情境7、情境5；
情境8、情境4；
5 a：情境3；
情境2；
情境6、情境5；
情境7、情境8、情境4；
1 a：情境3；
情境2；
情境6、情境5；
情境7；
情境8、情境4。
（2）模拟得出out1 在不同情境下洪峰流量及LID组合设施消减洪峰情况。由表5数据分析可得出各情境LID设施组合均具备一定的削减洪峰的作用。
表5 out1不同情境下洪峰流量及削减率
在不同暴雨重现期下，LID 组合设施方案削减洪峰的作用均最为明显，单独布设的LID 设施中10 a 和50 a 暴雨重现期的模拟中下凹式绿地和雨水花园对out1末端的削减效果最好，生物滞留池次之，透水铺装效果最差，绿色屋顶在雨洪控制方面受不同暴雨重现期的影响较大，超过10 a 暴雨重现期的降雨绿色屋顶的削减效果最差，10 a 以内的暴雨强度绿色屋顶的削减效果较好，可以考虑绿色屋顶的使用。LID 组合设施的削减作用不是各LID 设施单独布置的简单叠加，不同LID设施之间的耦合关系需进一步进行研究。此外，在情境3 模拟中采用占道路宽度（12 m）1/4 宽度（3 m）的植草沟取代雨水管网进行雨水输导得出在各降雨重现期洪峰被完全削减，从模拟的角度说明在50 a范围以内的降雨事件中，绿色雨水设施对其洪峰的消纳比灰色设施更好。
在以上实验模拟的结果基础上，综合考虑各类型LID设施的造价，具体参数见表6。
表6 实验LID设施单价
得出研究区域惠东县居住区低影响开发设计策略：
（1）考虑采用植草沟替代居住区内雨水管网，污水管网采取灰色管网的形式，做到雨污分流，居住区景观设计中充分考虑雨水收集与水体景观之间的水补给关系。
（2）相同面积下的绿色屋顶对雨洪径流的消减效果优于透水铺装，可以考虑居住区设计平屋顶，利用绿色屋顶技术收集居住区屋顶雨水。
（3）下凹式绿地造价最低，但需结合种植设计综合考虑绿地整体下凹方案，利用好沿海浅山区地形条件形成排、汇水方案，同时结合不同耐水湿植物。
由于居住区设计是由多目标驱动的结果，在对该地区的设计策略进行总结的时候还需要考虑本实验研究之外的一些因素。比如通过实验模拟发现绿色屋顶技术比透水铺装技术消纳雨水的能力好，但绿色屋顶较透水铺装而言需要较好的后期维护，同时需要考虑沿海高盐高湿气候特征条件下的植物适应性，植物的抗性也是一个重要的研究问题，因此，实际的设计策略不应只考虑造价和实验结果，还需要将后期运维阶段考虑进来。
居住区低影响开发设施组合参照《广东省绿色建筑设计规范》中对星级标准的要求进行LID 设施配套设置：基本级LID、1星LID、2星LID、3星LID。
（1）基本级LID 开发综合考虑经济与消纳效果。优先选择下凹式绿地、生物滞留池、透水铺装3 种LID设施的基本组合结合传统雨水管网布置。其中：下凹式绿地应占绿地的30%，生物滞留池应占绿地总面积的10%，透水铺装占比应该达到硬质铺装占比的50%。
（2）1 星LID 开发考虑消纳效果适当考虑经济因素。优先选择雨水花园、生物滞留池、下凹式绿地、透水铺装4 种LID 设施的基本组合结合一半植草沟替换传统雨水管网。其中：雨水花园应占绿地的10%，生物滞留池应占绿地的10%，下凹式绿地应占绿地的20%，透水铺装占硬质铺装总量的60%。
（3）2 星LID 开发考虑消纳效果及生态效益。LID设施布置的优先顺序为：绿色屋顶、雨水花园、生物滞留池、下凹式绿地、透水铺装5种的组合方式结合全部的植草沟输导雨洪，做到全绿色雨洪基础设施。具体指标设计：居住区内80%以上的建筑屋顶应进行屋顶绿化设计，雨水花园占绿地的20%生物滞留池占绿地的10%，下凹式绿地占绿地的10%，透水铺装占硬质铺装总量的70%。并且需考虑LID设施在干湿两季的景观需要，不可只考虑雨水收集的作用。
（4）3星LID开发考虑雨洪消纳的生态效益及科普教育。在2 星的基础上完善雨洪教育的展示系统设计，需要将雨洪收集、转化及利用的全过程通过可视化的方式展现在场地设计中。引导普通民众对雨洪管理的日常关注。
综上所述，基于SWMM模型构建了研究区水文模型，较好的分析各种LID 设施对不同重现期的降雨的单一影响与组合影响。但是，在后续研究中将深化研究水文水质耦合模型以及单一LID设施间进行耦合产生的综合影响比简单的叠加多出多少效益。
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