中国国土幅员辽阔,经度纬度跨度大,以及季风气候使得水资源分布呈高度不平衡状态[1]。随着全球气温异常,各种极端天气频发,加上城市化进程迅速推进,城市建设多以不透水的铺装路面为主,使得城市降雨地表径流量增加,而传统的混凝土结构不具备吸收大量地表径流的功能,导致城市暴雨洪涝风险陡增[2-3]。此外,城市排水系统不足以应对夏季强降雨,约有400多个城市因暴雨遭受不同程度的洪涝灾害[4]。为解决日益严重的城市洪涝灾害问题,国家大力推进“海绵城市”建设。杭州作为2021年浙江省唯一入选的全国海绵城市示范城市,其城西小和山地区逢雨必涝的问题仍未完全根除。因此如何将海绵城市理念与低影响开发(low impact development,LID)相结合[5-6],将新型雨水管理理念融入设计应用[7-9],对城市防洪防涝具有重要意义。
20世纪90年代美国学者提出的城市雨水管理新概念——低影响开发,旨在降雨时尽可能通过存储、渗透、滞留等多种雨水处理手段,从源头利用独立分散的措施,让雨水排放环境重回自然状态[10]。目前在城市雨水管理领域的研究主要涉及以下三个方面。一是雨洪管理模型的遴选与评估:赵昌爽等[11]根据海绵城市的层级结构,从4个尺度分析了5种典型雨洪模型的性能特点,指出现有雨洪模型在各方面的不足之处,并对适用于海绵城市典型雨洪模型的发展前景作了展望; 夏军等[12]总结了国内外10种主要城市雨洪模型,从计算方法、主要特点、应用情况等多方面进行比对,指出了不同模型的特点及国内外模型研究的差距。二是提升水质的技术与方法:张强[13]研究了低影响开发设施作用下地下水水质的变化规律,发现雨水渗井对固体悬浮物(suspended solid,SS)、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、总氮(total nitrogen,TN)、总磷(total phosphorus,TP)等污染物有着稳定的去除效果; Hood等[14]的研究表明LID设施可有效去除雨水径流中的N、P、油脂等污染物,还可以中和酸雨。三是实际工程的应用探索:Hu等[15]以南京市河西区为研究区域,提出不同LID方案可使高洪水风险区域减少6%~80%,对防止城市洪涝灾害有着显著效果; Dreelin等[16]的研究表明在降雨强度较小时,停车场设置透水铺装,相比铺设普通沥青,径流总量减少90%以上,对研究区域的防涝建设起到指导作用; 唐颖[17]利用城市暴雨处理与分析集成系统(system for urban stormwater treatment and analysis integration,SUSTAN)对研究区域进行LID设计规划,提出了成本-效益最优的降雨径流控制管理规划方案,对当地LID设施改造具有一定的参考价值。综上,现有研究总体上侧重于对具体区域实施LID的设施改造,但对LID设施效益评价体系尚不多见。因此,本研究拟对杭州市西湖区小和山地区进行LID设施改造,建立LID设施效益同步评估体系,结合暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)的计算结果,分析改造措施对地区雨水的削弱效果,欲为缓解同类区域涝水问题及提升防涝治理技术提供参考。
1 研究区域小和山地区邻近西湖,拥有6.41 km2水域,河道总长度达313.4 km[18],水域资源十分丰富。作为杭城高教园区,该区域内学校、住宅等分布密集,部分生活污水因未纳入污水截污收集管系统而进入邻近河道,这使得水体富营养化程度加重,夏季藻类暴发现象时有发生。该地区多年平均降雨量1 100~1 600 mm,属亚热带季风气候。降雨量空间上分布不均,由城西向城东呈递减趋势。一年的降雨量集中在5月至8月,占全年降雨量的70%。因季风在进退持续时间和强度上的不稳定性,常导致暴雨洪涝灾害发生。缪启龙等[19]对杭州市构建了区域暴雨洪涝灾害风险评价模型,表明在杭州市区山谷、河边区域暴雨洪涝风险值高。小和山地区群山环绕,在暴雨频发的夏季就易形成洪涝。该地排水管网建成时间较久,原设计已难以应对现在的雨水强度,存在管道破裂、水体污染等风险[20]。同时排水管网也未实现雨污分流,污水雨水采用同一管道进行排放与处理。部分已建成的排水管道排放能力不能满足规划要求,每遇中大暴雨,污水雨水总量超过排水管道承载能力,多余部分溢流至路面,造成地表径流。根据实地调研发现:留和路沿线基本上没有设置截洪沟,留和路向西方向部分河道垃圾堆积严重,雨水排出口遭封堵,降雨期间雨水无法正常排入河道,常造成局部水位上涨现象,严重时漫至人行道。
因研究区域原有管网系统建成已久,常见的排水管网、污水处理厂等排水措施二次建造难度较大,而LID主要利用小型独立多元化措施来恢复场地开发前的水文状态,建造难度小,易于推广,故适合使用LID设施进行本区域洪涝调节。
2 LID设施综合效益评估参考对海绵城市建设的检测要求和评价指标体系的相关文献[21-23],本研究设置了一个由水文效益、经济效益、社会效益三者构成的LID设施综合效益评价指标体系,各子指标由多个级别的分子指标所构成,具体见图1。
图1 LID设施综合效益评价指标体系
Fig.1 Indicator system for evaluating the comprehensive benefits of LID facilities
采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)计算权重。AHP是一种将定量和定性相结合的评估决策方法,适用于多目标因素结构复杂,需将经验判断定量化的情况[24-25]。参考相关文献[26]对LID设施进行评价,构造水文效益、经济效益、社会效益的3阶判断矩阵,通过统计分析软件(statistical product and service solutions,SPSS)计算子指标的权重,为确保层次分析法的可靠性,需计算一致性系数,计算公式如下:
式(1)中:λmax为判断矩阵最大特征值; A为判断矩阵; ω为权重组成的列向量; n为判断矩阵的阶; CI为一致性指标,yCI值越大,表明矩阵的不一致程度越高; RI为随机一致性指标,通过查询一致性检验值(表1[27])得到; CR表示指标得分的一致程度,若yCR小于0.1,则可认为矩阵是可靠的; 否则需对表格进行修改。最终矩阵及计算结果见表2。根据图1所示综合效益评价指标体系,对子指标构造对应分子指标构成的3阶判断矩阵,并计算一致性系数yCR,结果见表3、表4和表5,最终权重综合评价结果见表6。
3 模型构建3.1 研究区域雨水管道系统概化
对位于小和山地区的浙江科技大学、浙江工业大学、浙江外国语学院等周边范围内建筑进行概化处理(图2)。根据区域的用地性质、管道走向、地形数据等实际情况与管网布线资料,采用手工划分的方法,并利用SWMM软件进行模拟,雨水管网概化图见图3。
区域概化模型包含15个子汇水区,13个管网节点,20条排水管道和1个排水口,最终汇聚并通过排水管道GQ20(DN1000)流至排放口。其中ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7设置为山体,ZMJ5、ZMJ8、ZMJ4设置为高密度商业区,其余部分设置为住宅或学校。
3.2 模型参数设置各子汇水区面积及山体坡度等物理参数通过地理信息系统软件(arc geographic information system,ArcGIS)处理得到,管道长度通过计算机图形设备(computer aided design,CAD)计算得到,其他参数参考美国环境保护署(United States Environmental Protection Agency,EPA)于2015年编制的《SWMM用户手册》及相关参考文献[28-30]得到,并根据区域实际情况进行修改,详细参数见表7。
3.3 暴雨强度公式及雨型
研究区域的降雨过程线采用杭州市暴雨强度计算公式[17]:
式(2)中:i为暴雨设计强度; P为重现期; t为降雨历时。
峰值比例参考DB31/T 1043—2017 《暴雨强度公式与设计雨型标准》,降雨历时120 min。利用芝加哥雨型生成器生成重现期分别为2 a、5 a、10 a、20 a的降雨时间序列数据,降雨过程线如图4所示。
由图4可知,在降雨历时120 min情况下,重现期2 a的累计降雨量为56.28 mm; 重现期5 a的累计降雨量为72.50 mm; 重现期10 a的累计降雨量为84.78 mm; 重现期20 a的累计降雨量为97.06 mm; 降雨峰值均发生在第48 min处。
3.4 LID方案设置3.4.1 LID措施筛选与排序根据文献[31-34]和美国环保署的《SWMM用户手册》,不同LID设施对应不同类型的开发地块,见表8。
从控制成效、成本及环境效应等方面评价低影响开发设施,见表9。
根据表9将雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、渗渠及雨水桶设施指标量化处理,对其中高的评价等级赋值10,中上的评价等级赋值8,中的评价等级赋值6,中下的评价等级赋值4,低的评价等级赋值2; 对成本、热岛负面评价中高的评价等级赋值2,中上的评价等级赋值4,中的评价等级赋值6,中下的评价等级赋值8,低的评价等级赋值10。由此得到5种LID设施的比选得分。参照表5各项权重进行处理,最终得到5种LID设施综合评价结果,见表 10。
3.4.2 LID组合方案选定
鉴于研究区域内多以学校住宅用地为主,商业地块内不存在大面积水景,建筑补充水量要求低,因此拟订方案以削减地表径流为主,回收利用为辅。
根据表9中对各LID设施的评价结果,雨水花园综合得分较高,且对地表径流削减、峰值削减起到促进作用,故此方案中对12%的学校和住宅区域用地增添雨水花园。透水铺装对地表径流削减效果明显,但鉴于研究区域道路交通量大,不宜过多设置,拟将25%的广场铺装改造为透水铺装,针对ZMJ5等高密度商业区,拟采用30%的透水铺装。对65%的道路设置渗渠,地表径流一部分经透水铺装直接下渗,另一部分流入渗渠。根据地形示坡线,在雨水易汇集处设计雨水桶。绿色屋顶评分最低,且研究区域建筑建成较久,建筑屋顶多采用人字屋顶,推广难度较大,所以未采用。
3.4.3 LID措施参数设置结合研究区域土壤情况设置5种LID设施参数,见表 11。
4 SWMM模型模拟结果
基于SWMM处理城市区域径流的水文模块,对研究区域采用设计降雨重现期P=2 a同时不设置任何LID设施的工况进行模拟:地表径流连续性误差为-0.02%,流量演算连续性误差为-0.99%,符合对误差的要求。设计排出管GQ20在降雨历时1 h时达到峰值流量3.01 m3/s; 未开发子汇水区ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7径流系数在0.337~0.416之间,高密度商业区径流系数在0.81~0.84之间,住宅或学校区径流系数在0.739~0.745之间。其中ZMJ5地表径流在降雨历时1 h时达到峰值流量0.808 m3/s,径流系数达0.864,是所有汇水区中径流系数的最大值。
LID方案改造后,洪峰出现时刻延迟了约45 min,GQ20峰值流量仅为1.16 m3/s,削减率达61.5%; 未开发子汇水区径流系数在0.246~0.303之间,高密度商业区径流系数在0.604~0.653之间。特别地,改造后ZMJ5峰值流量0.653 m3/s,削减率为19.2%。改造前后系统径流对比见图5,不同区域改造前后径流系数的对比见图6。
图6 不同区域改造前后径流系数对比
Fig.6 Comparison of runoff coefficients of different areas before and after renovation
5 结 论
本研究以杭州市西湖区小和山地区为研究区域,通过层次分析法构造判断矩阵,得到5种LID设施效益指标权重,并构建了基于SWMM的雨洪模型,计算了2 a重现期下未设置LID设施和设置LID设施的不同结果,得到如下结论:
1)对排水管网、污水处理厂等排水工程主要组成部分的二次建造难度较大的区域,宜采用多元化小型独立的LID设施进行水文调节。
2)LID设施综合效益排名由高到低为雨水花园、透水铺装、渗渠、雨水桶、绿色屋顶。在实际设计应用中应以前三种设施为主导,结合实际情况适当补充。
3)LID设施可有效削减区域径流系数与洪峰流量并推迟洪峰时间。对研究区域中12%的学校和住宅区域用地增添雨水花园,25%的广场铺装改造为透水铺装,65%的道路设置渗渠,洪峰出现时刻将延迟45 min,洪峰流量削减率达61.5%,径流系数削减率为19.2%。
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