城市化进程中,不透水面积(如停车场、建筑物、道路等)的急剧增加导致下垫面产生过量雨水径流,造成城市地区洪水泛滥,水体水质恶化^[1]。中国自改革开放以来,城市化率从1978年的17.92%迅速提高到2012年的52.6%^[2],预计2020年将达到60%^[3]。如何控制城市化进程中雨水径流对城市环境的影响,这对城市水资源的管理具有重要意义。

　　 近几年,在我国政府积极倡导和大力推动,研究人员和企业的积极响应下,低影响开发(Low ImpacttDevelopment,LID)技术逐渐在国内绿色建筑领域得到应用推广。2014年,住房和城乡建设部发布《海绵城市建设技术指南》^[4],指出在建筑与小区、城市道路等规划建设中,应统筹考虑景观水体、滨水带等开放空间,建设低影响开发设施,构建低影响开发雨水系统。作为典型的公共建筑,深圳市某体育中心结合场地水文特点采用多项LID技术,建设形成一套可在源头、中端以及末端综合控制管理雨水的低影响开发雨水系统。本文主要介绍了该系统的工艺流程和各个LID设施及其功能,并采用美国环境保护署(Environ-mental Protection Agency,EPA)开发的暴雨雨洪管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)模拟评估该系统运行后的雨洪控制管理效果。

　　 深圳市某体育中心是光明新区国家低影响开发雨水综合利用示范区的重要公共建筑项目,位于光明新区光侨路与华夏路交汇处,占地面积61 885m²,总建筑面积20 221 m²。主要由室外网球场、篮球场、门球场、游泳池、停车场、管理用房、室内网球馆以及羽毛球馆等组成。体育中心建设的低影响开发设施有绿色屋顶、透水广场、转输型植草沟、下沉式绿地、透水停车场以及雨水收集回用等设施。

　　 该系统将末端的雨水收集回用与源头分散式、小规模的LID设施(见图1)结合运用,通过对雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”等作用,以实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和开发利用,维护场地良好的生态功能。系统组成主要包括:绿色屋顶12 500m²;透水广场11 000m²(围绕透水广场建有转输型植草沟,共计850m);透水停车场1 200m²;下沉式绿地582 m²;雨水收集回用系统:雨水收集管网、蓄水模块(760m³)和雨水处理回用设施。

　　 在源头,绿色屋顶、透水广场、透水停车场以及下沉式绿地等LID设施进行雨水径流减排;中间阶段,植草沟和雨水收集管网进行雨水转输、控制;末端,雨水收集模块和处理设备收集净化雨水。超过设计标准内的径流再溢流到市政雨水管网。系统运行后实现了对雨水的多方位控制管理,使公共建筑场地真正成为一个“海绵体”,能够在降雨时渗水、蓄水、净水,需要时将储存的雨水“释放”出来并加以利用。总体工艺流程如图2所示。

　　 (1)绿色屋顶。除坡度>15°的室内体育场馆以及其他建筑屋面外全部采用绿色屋顶。其结构由上到下依次为:植被、基质层、过滤层、蓄排水层、保护层、防水层。绿色屋顶与建筑物的结合具有多种多样的环境效益,是改善城市生态环境的有效措施之一。它不仅能够有效削减屋面雨水径流、控制面源污染,还能降低建筑物能耗、增添城市景观以及提高太阳能电池板的工作性能和效率^[5~7]。吴志能等^[8]在重庆的研究结果表明,简单式和花园式绿色屋顶降低地表温度的程度分别为7.93℃和18.14℃。

　　 (2)透水广场和植草沟。室内体育场馆前方的广场采用透水砖铺设,其结构形式由上到下依次为:透水砖、中砂找平层、厚透水混凝土、厚透水级配碎石,底层素土夯实。围绕透水广场建有转输型植草沟,植草沟末端与雨水收集管网衔接,用于输送和排放雨水径流。透水砖铺装结构对雨水有很好的入渗、净化作用,对污染物的去除机理主要体现在过滤和吸附作用上,其中,对NH₃-N的去除率高达88.8%,COD的去除率为74.3%,高锰酸钾指数的去除率为38%^[9]。

　　 (3)透水停车场。透水停车场共计1 200m²,全部采用植草砖铺设,其主体结构由上到下依次为:深灰色高强植草砖、中粗砂层、厚级配砂石,底层素土夯实。植草砖铺砌的透水停车场有很好的去油污能力,对停车场雨水径流中出现的高浓度铜和锌也有较好的去除能力^[10]。由于透水停车场形成的径流污染性较大,在停车场周边设置下沉式绿地,可对由透水停车场进入其内的雨水径流进一步净化。

　　 (4)下沉式绿地。下沉式绿地建设在场地内的低洼处,有利于雨水径流的汇集。该设施主要位于室外球场和停车场的周边,其主体结构由上到下依次为:蓄水层、种植土层、砾石层,底层素土夯实。下沉式绿地主要通过种植土层以及砾石层的沉淀、吸附、置换以及微生物降解作用去除雨水径流中的污染物^[11,12];胡爱兵等^[13]研究表明下沉式绿地(生物滞留池)对径流中的SS、重金属、油脂类及致病菌等污染物有较好的去除效果。

　　 雨水收集回用包含雨水收集管网、蓄水模块和雨水处理回用设施。雨水收集管网采用PE材质雨水管;蓄水模块位于室内球馆北侧,采用埋地式雨水蓄水模块组装而成,设计容积为760 m³,主要收集来自透水广场和屋面的雨水径流,初期雨水采用流量式雨水弃流;雨水处理回用采用机械过滤与加氯消毒的组合工艺。储存的雨水经过处理用于体育中心屋顶自动喷灌、绿化和道路清扫等城市杂用水。

　　 为考察评估研究区域低影响开发雨水系统运行后的雨洪控制管理效果,本文研究选取年径流总量控制率、径流峰值控制率和径流污染控制率^[3]作为考核指标,采用SWMM模型进行模拟分析。

　　 SWMM能够量化评价低影响开发雨水设施及其系统对场地水文、水质的控制效果。模型模拟所需基础资料主要包括研究区域地形图、气象资料、水文资料等,其中地形图、土壤渗透性等来源于实测数据;汇水面积、坡度、不渗透性,管道尺寸、埋深,低影响开发设施主要参数等来源于项目设计资料。依据SWMM模型的应用要求,结合研究区域雨水管网资料,对排水分区进行概化,共划分子汇水区38个、设置雨水管线53条、检查井节点53个、总排放口1个,划分结果如图3所示。

　　 研究区域土地利用类型分为屋面、道路、绿地;入渗选用Horton模型,最大、最小入渗率分别为76.2mm/h和18mm/h,衰减系数为4h^-1;汇流过程采用非线性水库模型,管道传输系统采用运动波方程;对径流污染物(SS、COD、TN和TP)进行水质模拟,选用饱和函数、指数函数分别模拟污染物非雨期的累积和雨期的冲刷过程。其他参数综合参考SWMM模型用户手册以及相关文献^[14,15]。

　　 研究区年径流总量控制效果的模拟评估,选取深圳市2012全年连续降雨数据,降雨量为1 732mm,与深圳市多年平均降雨量1 935mm较为接近。依据深圳市暴雨强度公式将2012年5 min滑动降雨数据处理为时间步长为1min的瞬时降雨量。在全年连续降雨条件下分别对研究区域LID开发和传统开发模式进行模拟。

　　 模拟结果表明,低影响开发雨水系统运行后,研究区域年径流总量控制率达到60%;与传统开发相比,年径流总量和峰值流量分别降低45.1%和61.4%。从模拟结果可以看出:研究区域具有较高的雨水入渗量和雨水径流蒸发量,低影响开发雨水系统的运行使场地获得了良好的自然水文循环效果。而传统开发模式下,场地下垫面不透水面积增加,破坏了场地天然状态下的水文机制,导致峰值流量和年径流总量较大,因此会对生态环境产生较大的负面影响。模拟结果如图4所示。

　　 为评估研究区域对径流峰值流量的控制能力,在1年一遇、2年一遇、5年一遇和10年一遇设计场降雨条件下,分别对研究区域LID开发和传统开发模式进行模拟。设计场降雨根据深圳市短历时设计雨型求得,如表1所示,模拟结果见表2。

　　 模拟结果表明低影响开发雨水系统运行后,与传统开发相比,研究区域总出水口1年一遇、2年一遇、5年一遇以及10年一遇的峰值流量分别减少了47.1%、45.8%、40.8%、37.7%;5年一遇和10年一遇峰值流量都不超过传统开发2年一遇峰值流量。从模拟结果可以看出:低影响开发雨水系统的运行使研究区域雨水管网的排水能力获得提升,洪峰削减效果显著,尤其是短重现期降雨事件,但是随着降雨重现期的增加,降雨强度的增大,峰值流量削减率随之减小。

　　 同时,本次模拟结果显示研究区域1年一遇2h的场雨量径流系数为0.42(即场径流总量控制率为58%),接近该场地60%的年径流总量控制率。模拟结果与任心欣等^[16]研究提出的较为接近,年径流总量控制率的场降雨条件为短重现期、短历时结论一致。

　　 为评估研究区域对径流污染物的控制效果,选取深圳市2012全年连续降雨数据,并利用实际监测降雨数据,分别对研究区域LID开发和传统开发模式进行模拟,得到SS、COD、TP和TN的污染物负荷总量,污染物负荷总量削减率=(传统开发区域污染物总量-LID开发区域污染物总量)/传统开发区域污染物总量。监测降雨中SS、COD、TP和TN污染物的平均浓度分别为17.82mg/L、14.66mg/L、0.1mg/L和3.83mg/L,其他特征如表3所示。

　　 模拟结果表明低影响开发雨水系统运行后,研究区域在2012全年连续降雨条件下,SS、COD、TP和TN等4种污染物的年污染物负荷总量削减率分别为53.32%、52.59%、57.84%、55.65%;在C(中雨)、A(大雨)、B(暴雨)降雨事件下,SS污染物总负荷削减率分别为58.88%、56.22%、30.50%;COD污染物总负荷削减率分别为58.45%、55.95%、37.48%;TP污染物总负荷削减率分别为67.08%、64.47%、56.99%;TN污染物总负荷削减率分别为64.92%、62.04%、54.49%。

　　 从模拟结果可以看出,研究区域具有良好的面源污染控制综合效果。在降雨事件中,LID设施具有沉淀、过滤、吸附地表径流中污染物的功能,使得径流污染物浓度降低;另一方面,LID设施削减了径流总量,从量上除去部分污染物。对于不同场降雨而言,随着暴雨强度增大,地表径流流速增加,冲刷能力增加,一定程度上削减了LID设施的功能,使得污染物负荷削减率降低。模拟结果见表4和图5。

　　 (1)LID技术是雨洪控制管理的有效手段之一。在本公共建筑场中,低影响开发雨水系统将分散式源头削减措施与雨水中端、末端等控制措施结合运用,获得了良好雨洪控制管理效果。

　　 (2)选取年径流总量控制率、径流峰值控制率和径流污染控制率作为考核指标,利用SWMM对研究区域进行模拟评估。在深圳市2012年全年连续降雨条件下,研究区域年径流总量控制率达到60%,SS、COD、TP和TN等4种污染物的年污染物负荷总量削减率分别为53.32%、52.59%、57.84%、55.65%;在1年一遇至10年一遇的降雨条件下,与传统开发相比,峰值流量削减率为37.7%~47.1%;在中雨、大雨和暴雨降雨条件,与传统开发相比,SS污染物总负荷削减率为30.50%~58.88%;COD污染物总负荷削减率为37.48%~58.45%;TP污染物总负荷削减率为56.99%~67.08%;TN污染物总负荷削减率为54.49%~64.92%。

　　 (3)SWMM模型能够有效模拟评估低影响开发雨水系统的运行效果,对LID技术在国内的规划设计和实际应用具有重要指导意义。本文仅进行了模拟评估,在以后的工作中应当对低影响开发雨水系统进行现场跟踪监测,将监测评估与模拟评估相结合,从而作出更加科学的评价结果,为LID技术的应用和优化改造提供指导。