正文:
改革开放以来, 中国城镇化进程发展迅速。过去30年来, 中国城镇化对于推动经济社会现代化起到了至关重要的作用[1]。但快速城镇化带来的城市一些列生态环境问题, 其中城市中的硬质灰色基础设施设施的增加, 打破了原有的水自然生态循环[2]。城市一方面内涝积水成患, 另一方面又面临着水资源短缺和水环境污染的问题。在这些问题上国内外学者进行了有效的探索, 包括美国提出的最佳管理措施 (best management practice, BMPs) 和低影响开发 (lower impact development, LID) 理论、澳大利亚推行的水敏感城市设计模式 (water sensitive urban design, WSUD) 理论、英国实施的城市可持续排水系统 (sustainable drainage system, SUDS) 理论等。最佳管理措施 (BMPs) 是美国20世纪70年代提出的雨水管理技术体系, 其最初的目标是对非点源污染的控制, 通过单项或多项管理措施来预防和控制非点源污染, 确保受纳水体水质达标。低影响开发 (Low Impact Development) 是马里兰州环境保护署在20世纪90年代中期首次提出的一种雨水管理的模式, 是在BMPS实践中发展起来的水域管理新概念, 其基本的理念是通过采取源头小规模、分散式的控制措施对雨水进行综合管理, 以达到场地开发后的水文功能保持其开发前的状态[3]。
基于西方国家先进的雨洪管理经验。中国提出了海绵城市的概念。海绵城市通俗的讲就是市能够像海绵一样, 在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性, 下雨时吸水、蓄水、渗水、净水, 需要时将蓄存的水释放并加以利用。虽然国内有关海绵城市的规划建设取得了一定的成果, 但从整体上看, 还处于借鉴国外经验的起步阶段[4]。应用LID (低影响开发) 理念构建绿色基础设施和生态“海绵体”解决一系列水环境问题, 已有很多实践案列和研究成果。但一方面, 这些实践和研究集中于城市和城市建成环境, 城市边沿的广大农村却被忽略。作为农村基本单元的村落, 由于规划建设理念的滞后, 出现雨洪管控力弱, 排水基础设施欠缺、径流污染严重、雨水资源浪费等问题[5]。另一方面已有的研究只是分析了LID设施对洪峰的推迟时间、对径流的削减量。却缺少关于适宜LID布设方案的研究。
鉴于上文提到现状低影响开发研究应用的两方面不足。研究以陕西西安李家村为例, 以雨水在院落空间的流动为线索。首先在归纳现状院落空间雨水排放模式的基础上, 重新组织院落空间雨水排放模式。提出适宜的LID方案构建策略。并基于SWMM模型对所构建的LID布置方案进行径流削减效果的模拟, 确定和量化方案。
陕西省西咸新区位于陕西省西安市和咸阳市建成区之间, 总面积882km2, 2014年经国务院批准成为首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区, 如图1所示, 其中沣西新城位于沣河以西、渭河以南、是西咸新区五个组团之一, 总面积143.17km2, 其中西安占地93km2, 咸阳占地650km2[6]。
李家村地处陕西西咸新区马庄镇, 属暖温带半湿润大陆性季风气候区, 四季冷暖干湿分明, 年平均气温13.6℃, 区域降雨量年际变化不大, 季节分配不均, 集中在7月、8月、9月。依据在建工程地勘报考, 地质概况自上而下主要为杂填土、黄土状土、细砂及中粗砂。其中杂填土层厚1m左;黄土状土层厚3~5m, 失陷等级Ⅰ及 (轻微) ;细砂厚层4.0-6.0m;中粗砂以石英、长石为主;地下深埋>10m[6]。村落布局紧凑, 以道路为界, 呈不规则块状分布。研究区面积123190㎡。
研究区建筑院落占地面积占到研究区域面积的65%, 这种情况在该区域的其他每个村落是都有类似的情况表现。因此解决此类村落水环境问题, 就要处理好院落低影响开发设施的合理构建。只有构建了适宜院落低影响开发方案才能解决村落水环境一系列问题。正是由于此, 研究适宜院落的低影响开发应用模式并加以推广显得尤为重要。
村域主要道路铺装以混凝土为主, 地表透水性差。现状排水设施简陋, 除去部分有明显的排水管道和暗渠, 大多为自然重力式排水。部分道路年久失修, 路面断裂现象严重, 道路下垫面板结, 在暴雨情况下, 雨水积存路面给村民生活带来不便。村域植物以自然生长的乡土树种为主, 品种单一。
院落作为组成自然村落的基本单位, 表现出“一家一户、一户一院、前院后屋”的传统布局风格[7]。单个院落呈现矩形状, 一般由前面的庭院、后面的主建筑和庭院的绿化。由于缺乏系统的规划, 建筑新旧程度相差较大, 部分新建房屋院落硬质化明显。在暴雨情况下, 地面积水严重, 径流携带生活垃圾、动物粪便、农药残留等污染物, 流入河流造成面源污染。现状院落雨水排放模式 (见图2) 。
就单个院落看, 空间布局差异明显, 雨水传输排放模式受制于各种环境因素的制约, 但在整体上每个院落雨水空间排放模式, 都可以按照图3现状院落雨水排放模式布局进行归纳和组合。现有的海绵城市技术主要分为截留技术、促渗技术、调蓄技术等[8,9]。主要措施有绿色屋顶、植草沟、雨水花园、透水铺装等。设计按照源头收集, 中端消纳、末端调蓄的整体思路[10]。结合上述对雨水在院落空间的排放布局的归纳, 选取低影响开发设施中的雨水桶, 承接来自屋顶的雨水径流。雨水桶所不能承载的, 通过暗管溢流至院落绿化, 院落绿化应按照雨水花园或者下沉式绿地设计标准进行改造设计, 庭院雨水花园和下沉式绿地在进行消纳后由植草沟或暗渠排放到自然坑塘调蓄处理。图3详细说明了改造后院落雨水管控组织模式。考虑建筑屋顶结构和承重, 不适宜建造绿色屋顶, 本次将不采用绿色屋顶低影响开发措施。
在得到适宜的LID构建方案后, 接下来要进行模型的构建。对比方案前后径流量等指标的变化。本次模拟采用由美国环境保护署开发的SWMM模型。SWMM (storm water management model) 是由美国环境保护署EPA提出的动态降水-径流模拟模型, 主要用于模拟单一降水事件或连续的水量和水质的模型, 由麦特卡夫·埃迪有限公司、佛罗里达大学联合研制的一个比较完善的城市暴雨雨水的水量水质预测和管理模型[11]。根据研究区地形实际情况, 利用AutoCAD软件对土地利用情况进行整理, 将研究区 (面积123190㎡) 划分为21个子汇水区。利用当地雨水管网和水系河道资料, 概化出雨水管道35条, 排放口1个。研究区概化图 (见图4) 。
汇水区面积, 各子汇水区的面积通过AutoCAD软件获得, 不透水面积比例和地表平均坡度, 依据子汇水区实际情况选取参数。通过加权平均法计算各个子汇水区不透水面积, 得到研究区总体不透水面积约为20%。地表曼宁系数典型值 (表1) , 透水地表和不透水地表的洼蓄量分别取8mm和3mm。透水地面、不透水地面和管道的曼宁系数分别为0.4、0.012和0.012[12]。漫流宽度, 漫流宽度是模型产汇流计算中十分重要的参数, 在SWMM模型用户手册中定义为面积与最大地表漫流长度的比值, 但在实际排水工程中, 由于各子汇水区地形等的不均性, 难以直观测量漫流长度和漫流宽度, 因此难以精确计算。在概化时先按照SWMM模型用户手册计算得到漫流宽度W, 由排水管道在子汇水区不规则性得到形状倾斜因子r (取值0-1) , 进而利用 (2-r) 调参[13]。下渗参数, 下渗过程选择Horton模型, 其参数典型值 (表2) 。依据李家科等人在 (城市雨水径流净化与利用LID技术研究-以西安市为例) 的研究, 最大入渗率取值76.2mm/h, 最小入渗率取值3.3mm/h, 衰减常数取值2。模拟管段流量演算选用动力波模型, 地表径流汇流计算采用非线性水库模型, 其他参数取值主要参考模型手册以及相关文献[14]。
方案用到的低影响开发措施有雨水桶、透水铺装、下沉式绿地、植草沟。设计雨水桶高度900mm, 容积0.72m3、溢流高度900mm。透水铺装表层蓄水深度取3 mm, 糙率0.25;铺装层厚度140mm, 孔隙率0.1;储水层厚度250mm, 孔隙比0.3。下沉式绿地通过降低绿地高度用以捕获径流, 就地消纳雨水。下沉深度70mm, 整体表面粗糙系数 (曼宁值) 0.7。植草沟表层蓄水深度取500mm;土壤层厚度350mm, 孔隙率取0.6;存储层厚600mm, 孔隙比0.6。
本次方案布设雨水桶共计72个。场地铺装场地面积20297m2, 其中透水铺装场地面积19047m2。透水铺装占研究地块的比例是15.4%。绿地总面积31085m2, 其中下沉式绿地面积16255m2, 植草沟面积9130m2。下沉式绿地占研究地块的比例是13.1%。植草沟占研究地块的比例是7.4%。研究区LID设施情况如下表3。
在SWMM模型中降雨数据可以实际降雨数据, 也可以是设计雨型。本次模拟采用设计雨型, 通过西安市暴雨强度公式计算不同重现期下1小时降雨量见表4。
式中:Q为设计暴雨强度, L/S·hm2;p为设计降雨重现期, a;t为降雨历时, min。
利用芝加哥降雨过程线生成0.5a、1a、2a、的1小时降水量分布。芝加哥雨型能够更为全面的反映暴雨的各类特征, 因此模拟采用芝加哥雨型为设计雨型。雨峰系数取值0.4。国内外研究成果显示, 雨峰系数值一般取值为0.3-0.5, 在无法获取实际降雨统计资料, 通常取值0.4, 一般不会造成显著误差[15]。
对构建的LID方案模拟, 地表径流和流量演算的连续性误差分别为0.48%和0.21%。均在允许范围内。在0.5a、1a、2a、重现期下, LID方案与现状的汇水区平均径流系数、出水口洪峰流量见表6。其中汇水区径流系数由汇水区径流量除以汇水区降雨量得到。
通过对比现状和LID方案水文状况, 可见构建方案有效降低了区域雨水径流。方案在0.5a、1a、2a、重现期下汇水区平均径流系数分别下降了0.36、0.24、0.19。出水口洪峰流量分别减少了0.21、0.18、0.11。对比0.5a、1a、2a、重现期下汇水区平均径流系数值, 可见构建方案在较低重现期下, 径流管控效果更明显。这可能与低影响开发设施所占区域比列有关。即为应对较高重现期下的径流有效管控, 例如十年一遇暴雨情景下的雨水径流, 应增大区域低影响开发设施的比列, 但考虑实际情况不可能无限增加低影响开发设施比例。因此, 探究区域低影响开发设施比例与雨洪调控效果的最佳耦合点将成为下一步研究的重点。即探究区域低影响开发设施的比例与径流削减量的动态关系, 使低影响开发设施既能最优化径流管控的同时最小化影响区域其他功能。
研究中构建的村落LID应用模式, 在一定程度上控制了村落雨水径流, 减缓了径流造成的一系列面源污染, 能够改善村落水环境, 是符合区域实际情况的村落LID应用模式, 具有实践意义和推广价值。在0.5a、1a、2a重现期下模拟表明, 各汇水区径流系数分别就减少了0.36、0.24、0.19。出水口洪峰流量分别减少了0.21、0.18、0.11。对比各重现期的径流系数削减值和峰现时刻值发现低重现期下LID设施效果更明显。这与LID设施占区域的比列有关, 虽然增大LID设施可以应对更高重现期下的暴雨情景, 但LID设施比例不可能无限大。一方面LID设施雨洪管控效果并不与其所占比例呈直接正相关, 即当LID设施达到一定比列时, 其雨洪调控效果不在明显。另一方面区域建设所承载的其他功能, 也不允许太高比例的LID设施。因此探索LID设施最优化比例, 使其既能应对区域致涝暴雨重现期下的雨洪管控, 又能够发挥区域承载其他的功能, 将成为后续研究的重点。
摘要：研究以陕西西安李家村为例, 首先在归纳院落空间雨水排放模式的基础上, 提出了适宜的低影响设计策略, 并重新组织了院落空间雨水排放模式。然后基于SWMM模型中的LID模块, 模拟分析所构建LID方案的径流削减效果。模拟结果表明, 所构建方案对径流削减作用明显, 在0.5a、1a、2a重现期下, 各汇水区径流系数分别就减少了0.36、 0.24、0.19。出水口洪峰流量分别减少了0.21、0.18、0.11。峰现时刻分别推迟了8min、6min、5min。对比各重现期的径流系数和峰现时刻, 发现低重现期下LID设施效果更明显。这与LID设施占区域的比列有关, 但受制于建实际需求和调控效果, LID设施不可能无限大。因此, 探索LID设施最优化比例, 使其既能应对区域致涝暴雨重现期下的雨洪管控, 又能够发挥区域承载其他的功能, 将成为后续研究的重点。
关键词：SWMM模型,LID设施,村落,低影响开发
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