《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建(试行)》发布之后,国内各海绵城市建设试点城市的建设工作全面展开,同时低影响开发设计理念也被越来越多的人所认可接受。海绵城市建设涉及众多的目标指标,目前在规划设计阶段,这方面并没有太多成熟的经验或详细的规范可供参考借鉴,且在项目建设完成之前也无法对其功能效果进行检验评价。因此在项目规划、设计完成之后通过模型对其进行模拟和目标指标分析,既可以评价设计方案能否达到规划要求,也可以针对其中存在的具体问题进行优化设计。

　　 该车辆段位于北京市北部,规划地块总占地面积为32.65hm²。车辆段整个地块及周边区域原地势起伏不平,呈西高东低、北高南低的走势,北侧最高处标高96.8m,南侧最低处标高76.8m。规划后地形趋于平坦,北侧局部地区标高93 m,其余地形标高在85~86m。研究区域位于我国季风气候区,属暖温带半湿润-半干旱季风气候,多年平均降水量595mm。降水量不稳定、季节性和年变化较大,年内降水量分配不均,汛期(6~8月)降水量一般占全年降水量的80%以上,降雨集中,存在严重的内涝风险及与雨资源流失问题。

　　 项目现设计方案按《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建(试行)》^[1]及《雨水控制与利用工程设计规范》(DB11/685—2013)^[2]等相关规定进行设计。

　　 (1)应使得项目建设区外排雨水量不大于开发前的水平。

　　 (2)项目区年径流总量控制率不低于85%。

　　 (3)项目区外排雨水径流系数不大于0.4。

　　 (4)防洪标准为100年一遇。

　　 (5)排涝标准按50年一遇设计,其中要求道路一条车行道的积水深度超过15cm的积水时间不超过30min,同时确保应确保50年重现期降雨条件下积水最严重时项目区内建筑物不进水。

　　 (1)每1 000m²硬化面积配建调蓄容积不小于30m³的雨水调蓄设施。本项目应设计调蓄容积6 762m³,实际设计地下调蓄池共8 700m³。

　　 (2)绿地中至少应有50%为用于滞留雨水的下沉式绿地。本项目设计下沉式绿地3.6hm²,下沉式绿地率51%。

　　 (3)公共停车场、人行道、步行街、自行车道和休闲广场、室外庭院的透水铺装率不小于70%。本项目设计建透水铺装停车场5 500m²,透水铺装率70.5%。

　　 图1为车辆段分区及平面布置。

　　 为尽量使模型接近现实情况,模型构建时不同区域采用不同产汇流方式(见图2),其中建筑用地、广场用地、轨道用地等采用子汇水区的方式模拟,即先一维后二维的方式进行模拟,降雨降到子汇水区上之后先全部进入管网,如果超出管网排水能力则通过检查井溢流冒出地面,根据实际地形进行漫流,在地势较低处再次进入排水管网。道路、绿地则采用直接降雨到地面,形成径流后根据实际地形在地面进行二维漫流,在地面通过雨水口等进入管道,之后根据管网排水能力出现溢流或直接排除。其中下沉式绿地通过网格化区间来实现,设置其高程低于周围场地20cm,发挥下沉式绿地蓄滞渗功能。

　　 模型中共设置4种类型的下垫面,其中屋面和道路为不透水,采用固定径流系数法,固定径流系数为0.9;透水铺装采用固定径流系数法,固定径流系数区0.2;绿地采用Horton下渗曲线模型,其中Horton初渗率为30 mm/h,Horton稳渗率为5mm/h,Horton衰减率为5.0h^-1;汇流参数取0.013;管网曼宁粗糙率取0.014。

　　 由于本项目为新建工程,无实际监测数据,无法使用常规方式对模型进行率定验证。因此本模型使用以下方法进行率定:首先根据相关规范及模型指导手册中规定或推荐的的参数范围初选一套参数,使用这套参数输入模型进行模拟,根据模拟结果计算研究区域的平均综合径流系数,然后与设计方案的综合径流系数相比较,根据比较结果对模型参数进行调整。经过多次的调整参数和结果对比,最终得到一套比较接近实际情况的参数。

　　 经统计,项目区开发前综合径流系数为0.55,构建模型后,使用设计降雨进行模拟,得出5年重现期降雨径流系数为0.52;10年重现期降雨径流系数为0.58。项目区设计方案综合径流系数为0.50,构建模型后,使用设计降雨进行模拟,得出5年重现期降雨径流系数为0.49;10年重现期降雨径流系数为0.56。据此,认为构建的模型可信。

　　 由于项目所在区域存在相当大的高程差,暴雨时项目区周边位置较高处汇水区短时间内汇集大量雨水可能会对项目区产生冲击,存在一定的洪涝风险。通过建立模型进行二维漫流模拟,根据暴雨时雨水在地面形成径流后在地面的漫流情况,确定可能会对项目区产生影响的流域范围,校核现设计方案中截洪沟能否满足要求,对可能发生的内涝风险进行提前评估和预防。

　　 对现设计方案进行模拟(见图3),在低重现期降雨条件下对管网排水能力、雨水控制利用情况进行评估;在高重现期降雨条件下对项目区的内涝风险进行模拟评估。针对现设计方案存在的问题,提出改造方案并对其效果进行模拟评估。

　　 综合考虑各种因素,在实现要求的控制目标的基础上,考虑经济效益、生态效益和实施难度等综合因素,选择最优方案。

　　 建立地面高程模型,采用北京市100年一遇24h设计降雨作为输入数据,进行二维漫流模拟。根据模拟结果中的地表径流流向,确定可能会对项目区产生影响的外围区域范围,重新划定车辆段外围截洪沟汇水区,其中现设计方案截洪沟汇水范围面积27.285hm²,新划定截洪沟汇水范围33.582hm²,新划定外围汇水区比现设计方案外围汇水区有所扩大,见图4。

　　 在100年重现期降雨条件下对新划定外围汇水区进行模拟,结果显示新划定外围汇水区条件下排洪沟部分区段开始出现过流能力不足现象,出现冒水。这一情况说明在扩大后的外围汇水区条件下按100年重现期设计的截洪沟已不能满足排水要求,为避免内涝风险的发生,有必要增大截洪沟的截流能力。

　　 分别采用3年、5年、10年、20年、50年重现期24h设计降雨对现设计方案进行模拟,对现设计方案条件下管网排水能力及雨水控制利用和区域内涝风险进行评估,并考核各个控制目标是否满足要求。

　　 已知车辆段内部雨水管网设计标准为5年重现期,构建模型后,使用5年一遇重现期设计降雨进行模拟,对管网排水能力进行评估,结果如图5所示。

　　 构建车辆段模型,分别对年径流总量控制率、雨水外排径流系数、雨水外排量、内涝风险情况进行模拟分析,结果如表1所示。

　　 根据《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建(试行)》中相关规定,北京市85%年径流总量控制率对应设计降雨量为33.6mm,可以选择降雨量接近或等于33.6 mm的实测降雨来进行模拟^[3]。使用北京市2013年7月7日及2013年8月4日两场分别为34.4mm和31.4mm的实测降雨进行模拟,若达到85%年径流总量控制率目标,则这两场降雨无外排。

　　 在50年重现期降雨条件下对车辆段内涝风险进行模拟,模拟结果如图6所示。其中道路积水情况:50年重现期条件下,模拟结果显示,车辆段内共出现8个积水点积水深度大于15cm时间超过30min;建筑没有出现进水现象。此外车辆段南部出口及东部围墙处积水较为严重,与西部和北部相比,东部边界本身高程就较低;南部出口处为下坡道路,高程比周边低1m左右。且初始模拟方案中为考察车辆段独立范围内的雨水控制情况,模拟时把车辆段设置为一个封闭的空间。

　　 经过前面对现设计方案条件下不同重现期降雨模拟结果的分析可知,现设计方案采用了一定量的LID绿色基础设施及雨水调蓄设施,虽然在一定程度上从源头对雨水进行了控制,但并不足以解决内涝积水及达到雨水控制的要求。在排洪防涝、雨水利用、减少外排方面还存在不足。

　　 (1)为缓解项目区积水,可利用项目区东侧与外界地形高差,在东侧围墙开孔泄水,开孔位置如图8所示。

　　 (2)为减少北部排洪沟雨水外排量,可在排洪沟末端2处设调蓄池或1处设干塘,位置如图8所示,其中调蓄池用来收纳北区排水沟汇集雨水,容积500m³;干塘收集南区排水沟汇集径流雨水,容积5 500m³。

　　 (3)为解决南部道路积水问题,可对1号、2号调蓄池出流管进行改造。现设计方案中1号调蓄池进水管DN1 100,底部出流管DN300;2号调蓄池进水管DN1 100,底部出流管DN500;改造后1、2号调蓄池都增加DN1 100溢流管。

　　 (4)为充分利用1号、2号、3号调蓄池的调蓄功能,可关闭低位出水管的阀门,使调蓄池蓄满水之后再回用。

　　 (5)南部建筑屋顶雨水可通过断接进入下沉式绿地进行滞蓄,以减少雨水外排量。

　　 以上改造措施主要是通过以下方式在模型中实现的,其中调蓄池和干塘是通过模型中的storage和pond模块来设置,并通过管道把径流雨水引入其中;墙开孔即是将模型中设置的围墙打断;屋顶雨水调蓄是通过管道将屋顶径流雨水引入下沉式绿地调蓄;阀门控制是利用模型中的RTC功能进行实时控制实现。

　　 项目区以排洪沟为界分为北区和南区两部分,根据各设施在项目区所处的地理位置,确定其所服务的区位,考核各设施对缓解项目区内涝积水效果情况,各措施模拟结果见表2。

　　 由表2可知,墙开孔对改善整个项目内涝积水问题的效果最显著,因此,建议优先考虑墙开孔措施,蓄水池顶部溢流管改造、干塘、屋顶雨水调蓄也对不同区域积水也有所缓解。

　　 现设计方案的基础上增加各设施,在不同重现期降雨条件下模拟各方案雨水径流量控制效果,模拟结果见图9。阀门控制对改善整个项目雨水控制的效果最显著,因此,建议优先考虑阀门控制措施。为使北部排洪沟达到年径流总量控制率85%的控制目标要求,建议必须在北部增设调蓄池/干塘措施。

　　 单项改造措施均不足以使项目达标,需进一步考虑组合方案。根据单项改造措施评估结果,对于缓解车辆段内积水,墙开孔方案效果最为显著,其次是蓄水池顶部溢流管改造,优先考虑选择墙开孔和蓄水池顶部增设溢流管。为减少北部排洪沟雨水外排量,需在排洪沟末端1处设调蓄池,或2处设干塘。在现设计方案的基础上,不同改造措施进行组合,组成以下9个不同方案(见图10)。

　　 在不同重现期降雨条件下,针对上述1~9方案进行模拟,各方案雨水外排径流系数如图11所示。

　　 在不同重现期降雨条件下,分别对各方案年径流总量控制率、开发后开发前雨水外排量对比、道路积水情况、建筑物淹水情况进行评估,其中各方案指标达标情况如表3所示。

　　 由表3模拟分析结果可知,方案5、6、7、8能满足全部考核目标要求。4个方案增加投资分别为100.9万元、93.9万元、120.9万元、113.9万元;由图11可知方案6在雨水外排量控制方面效果最佳;各方案改造措施的可实施性方面,方案6中干塘建设相对于其他方案地下调蓄池实施难度较小。

　　 (1)现设计方案无法满足《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建(试行)》及《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11/685—2013)规定的相关建设目标考核要求。

　　 (2)在现设计方案基础上提出单项改造措施对不同目标有改善提升作用,但仅靠单项改造措施并不足以使全部目标达标。

　　 (3)在现设计方案的基础上,根据不同改造措施功能效果特点组成一系列改造方案,其中改造方案5、6、7、8能同时满足全部考核目标要求。综合考虑径流量控制效果、投资成本、实施难易程度等因素,改造方案6为最优方案。

　　 本案例利用InfoWorksICM模型对基于海绵城市建设理念设计的工程项目进行模拟分析,对不同目标进行考核评价,针对存在的问题提出改造措施,进一步提出优化设计方案并进行模拟分析,其结论如下:

　　 (1)工程项目在基于《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11/685—2013)进行规划设计时,即使是严格按照规范中规定条款进行设计,也不能确保一定能够达到要求的目标。

　　 (2)海绵城市建设过程中需要考虑众多的目标指标,基于海绵城市建设理念的工程项目在完成规划设计后,可以利用模型对设计方案的可行性及目标的可达性进行模拟评估,对其中的不足提出优化改进方案。

　　 (3)使用模型对低影响开发雨水设施进行模拟时,与传统工程项目相比在模拟方法与参数设置方面都有很大的不同。如在对下沉式绿地进行模拟时,应考虑其源头分散控制功能及对其周边场地径流雨水的蓄滞作用。

　　 (4)对处于规划设计阶段的工程项目使用模型进行模拟时,一般无实际监测数据进行直接率定验证,需用其他方法进行验证,以保证模型的相对准确性。