摘要：一个完善的海绵地块设计方案需要经过科学、合理的评估和优化。本文介绍了在厦门海绵地块设计中所应用的LID模型评估方法。通过模拟降雨，详细概海绵设计中各类LID设施，选定产汇流模型及污染物削减模型，精细化组织雨水径流路径，构建完善的雨水处理链，评估在单场次设计降雨和年降雨情形下目标地块海绵设计的综合效果，为海绵精细化设计提供了技术支撑。
关键词：海绵地块设计；低影响开发LID；模型评估；XPDrainage
源头海绵建设是海绵城市建设中的重要环节。利用低影响开发模拟软件进行海绵地块[1]专项模拟，分析厦门某小学试点区域海绵设计方案前后径流量、径流峰值、径流缓排、污染消减等效果，展示一个完整的LID模型评估方法的应用。
1某小学海绵地块概况
该小学作为第一批厦门海绵城市建设地块，结合低影响开发（LID）理念[2]完成了海绵地块设计。某小学总面积为2.8公顷，其中足球场占地面积为0.49公顷，硬地百分比为74.9%。地块以散点布置的生物滞蓄绿色设施为主，局部绿园行道和广场采用透水砖铺装；采用雨水桶收集屋顶雨水；采用植草沟和碎石沟导水输水；于地块北侧接入市政排水管道前设置144m3调蓄池。
2技术思路
模拟评估采用英国开发的、国际广为应用的XPDrainage低影响开发模拟软件，模拟区域分别在设计降雨和年降雨下的海绵设计方案前后区域产汇流、蒸发、滞蓄、回用和排放等过程，用于分析评估区域海绵设计效果。
图1 LID模型评估技术路线图
3降雨数据分析
区域模型评估分别采用短历时设计降雨和长历时全年日降雨模拟情形。
（1）短历时设计降雨
模型评估采用的厦门2小时设计降雨数据如下表所示：
表1 模型模拟2小时设计降雨数据表
（2）长历时年日降雨
模型评估采用的长历时年日降雨数据为厦门1993年和2001年，其中1993年降雨总量为1179.3mm；2001年降雨总量为1590.3mm，具体降雨过程如下图所示。
图2 1993年日降雨量分布
图3 2001年日降雨分布
4 LID模型构建
（1）产汇流模型选择
降雨产流模型[3]采用SCS曲线法，模拟透水与不透水下垫面的扣损和产流特征。SCS曲线法是国际常用的模拟分析方法。SCS曲线法公式如下：
式中：Q为地面径流量，mm；P为降雨量，mm；
S为流域最大入渗量，mm；Ia为初损雨量，mm。
初损雨量Ia是一个与植被截留、下渗、填洼、前期土壤含水量等有关。为了估计流域土壤的最大可能入渗S，SCS曲线法提出了径流曲线（runoff curve number，记为CN）指标作为反映降雨前流域特征的一个综合参数。
计算公式如下：
CN值越大，S越小，越易产生径流；反之相反。决定CN的主要因素为土壤前期湿度、土壤类型、植被覆盖类型、管理状况等。通常不透水下垫面的CN取值为98。绿地初始扣损雨量Ia取5mm。
（2）集水区划分
综合考虑地块内部排水管网、LID设施布设位置和下垫面种类因素，进行集水区划分；确定集水区面积和雨水径流汇集方向。
某小学地块共划分集水区85个，总面积为2.8ha。其中，地块北侧篮球场及足球场单个集水区面积较大，面积最大为0.11ha；地块中部和东侧LID设施散点布置较为密集，单个集水区相对较小，面积最小的集水区为0.006ha。
（3）LID设施概化
根据各个试点区域的设计图纸，在已经划分集水区的基础上，进行LID设施概化。各个区域的LID设施种类和布置位置均遵从因地制宜原则。依据某小学海绵设计成果，对LID设施进行概化布设，共计1处生物滞留绿地、16个雨水花园、11处植草沟、8处碎石沟、8处透水铺装、1个调蓄池和11个雨水桶；完成地块排水管网布置概化，共计43个检查井节点和42段雨水管段；
模型中LID设施参数设置展示以雨水花园为例，如下表所示。
表2 某小学雨水花园参数表
（4）径流路径概化
径流路径包括集水区与LID设施间、LID设施与LID设施间、LID设施与排水管网间。
图4 径流路径示意图
（5）污染物消减模型选择
污染物消减模型选取“一阶衰减法”。一阶衰减法基于指数衰减，消减效果取决于雨水在各类设施中的滞留时间，相对于传统模拟的百分率移除法而言，更贴近实际情形。
计算公式如下：
5方案分析
（1）设计降雨分析
产流、出流量分析
区域海绵设计后径流产流、出流结果汇总如下表所示。由表可知，模拟区域的出流量远小于产流量，达到区域70%年均径流总量控制率指标。地块在海绵设计后对于雨水径流出流的控制效果较为显著。
表3 各区域海绵改造后径流入流、出流结果表
污染物分析
某小学海绵设计后，在各设计降雨下污染物消减效果明显，结果如下所示。在26.8mm（对应70%年均径流总量控制率）设计降雨下，污染物TSS和COD的消减率分别达到61%和57%；随着降雨强度的增大，海绵方案对于污染物消减效果逐渐降低，这是因为随着降雨量增大，后期冲刷的污染物浓度降低，且一部分的雨水在LID设施中存水时间将会减少，甚至直接溢流出LID设施，意味着水质处理时间降低。
表4 某小学海绵方案污染物消减百分比表
降雨、径流和滞蓄过程分析
某小学模拟区域海绵设计后在26.8mm设计降雨下的降雨、径流和滞蓄过程曲线图如下所示。
图5 某小学26.8mm设计降雨下降雨、径流和滞蓄过程曲线图
由上图可知，LID设施延缓了降雨形成径流的过程，消减径流量、降低出流量效果较为明显；在区域总体总滞蓄量达到上限后才会产生大流量出流。
海绵设计前后对比分析
某小学海绵改造后的外排径流速度峰值和流量峰值明显下降，且延缓了外排径流流量峰值出现时间。对该模型进行其他设计降雨下（57.3mm、66.4mm和76.6mm）海绵设计前后对比分析，如下所示。
图6 某小学26.8mm设计降雨下海绵改造前后结果对比图
表5 各设计降雨下某小学海绵改造前后结果对比表
降雨强度越大，某小学海绵改造后的外排径流总量消减、外排峰值流量消减以及外排峰现时间延迟均下降。
（2）年日降雨结果分析
分别在1993、2001年日降雨情形下进行某小学LID模型模拟。全年降雨模拟区别于设计降雨模拟，需要对蒸发量和回用量进行设定：
在全年降雨过程中，需要考虑水面蒸发损失量。在模型中对各个LID设施根据不同月份的蒸发量进行相应设置。
雨水桶和调蓄池可进行雨水回用，用于绿地浇洒。绿地浇洒用水量取值1.5L/（m2/d），回用水源附近绿地面积6700 m2，计回用水量为10 m3/d。
在全年日降雨情形下模拟结果如下所示。
表6 某小学全年日降雨模拟结果表
某小学区域在长历时降雨模拟下，1993和2001年经LID设施处理后年均径流排放率达到71.2%和64.0%。2001年雨量较为丰沛，其海绵效果不及1993年，可见当年降雨量增加时，海绵效果将会逐步降低。污染物移除效果优于设计降雨的模拟结果，这是因为在年降雨中大部分降雨强度较小，LID设施可以发挥更大的作用。
6小结
本文利用模型评估分析地块海绵设计方案在径流量控制、污染控制、缓排和错峰效果。通过厦门海绵地块设计中应用的LID模型评估方法展示，为海绵源头低影响开发设施新建或改造提供了行之有效的方法。
参考文献：
[1]俞倪圣洁.公园景观的海绵城市设计运用——关于多地块分割型公园景观的研究[J].现代园艺，2017（06）：155-157.
[2]胡作鹏，刘志强，彭森，安志鹏.低影响开发（LID）雨水径流控制效果模拟[J].环境工程学报，2016，10（07）：3956-3960.
[3]赵飞，陈建刚，张书函，苏东斌，龚应安.透水铺装地面降雨产流模型研究[J].给水排水，2010，46（05）：154-159.
作者简介：徐培晏，女，宜水环境科技上海有限公司的项目工程师，一直从事于城市排水、防洪排涝和低影响开发等工作和应用研究。
论文作者:徐培晏,蒋晨灿,杨森
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/13
标签：径流论文; 海绵论文; 地块论文; 模型论文; 集水区论文; 设施论文; 雨水论文; 《基层建设》2018年第20期论文;