海绵城市技术措施是基于低影响开发 (LID) 措施开展而来的, 包括绿色屋顶、植草沟、绿地、透水铺装等相配套的设施, 行使着海绵城市的各项功能^[1]。美国环境保护署 (Environmental Protection Agency, EPA) 开发的城市暴雨管理 (SWMM) 模型目前已广泛应用于城市降雨径流模拟。自从SWMM 5.0版加入了LID模块以来, 已有学者通过对场降雨事件及连续降雨事件的模拟, 实现LID设施对雨水径流量、峰值流量、污染负荷及年CSO发生频率控制效果的评估。李家科等^[1]利用SWMM模型对城市雨水花园的调控措施进行了效果模拟;胡爱兵等^[2]采用SWMM模拟了LID市政道路对雨洪的控制效果。除了对单一LID控制措施的模拟之外, 有部分学者也对组合LID设施进行了模拟, 王婷等^[3]借助SWMM模型对老城区LID布设比例进行了优化研究, 模拟结果表明几种LID措施布设在达到某一比例后, 对不同重现期设计暴雨的削减作用会减缓。本文以深圳市光明新区为研究对象, 基于模型SWMM模拟分析研究区域设置了下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶等海绵城市技术措施后, 在不同降雨情形下对地表径流量和出水口洪峰流量的控制作用进行研究, 以期为深圳市海绵城市的建设提供参考。

　　 光明新区位于深圳西部地区, 辖区总面积156.33km², 常住人口55万人。光明新区气候温和, 光照充足, 属于亚热带海洋性季风气候。年平均温度为23℃, 年降雨量为1 935 mm, 汛期暴雨集中, 每年4~9月为雨季降雨量约占全年的85%, 极易产生城市内涝^[4]。光明新区地势总趋势为东南高、西北低, 东北部主要为低山, 中部及北部主要为丘陵台地, 西部主要为冲积平原。丘台地地貌为主, 多为低山丘陵, 属公明盆地。光明新区处于深圳市茅洲河的上游和中游, 支流众多, 属山间谷地、河谷地带, 松散层组成颗粒大、透水性好, 分布广泛而深厚, 以砂砾类土、粉质粘土、淤泥质土和淤泥等土类为主。光明新区绿地面积相对较高, 给雨水的入渗和径流地表滞蓄创造良好的条件。光明新区自建区以来就开始低影响开发雨水综合利用的探索, 目前已成为“国家海绵城市建设试点城市”的重点建设区域。

　　 综合考虑光明新区的地形、水文、降雨等性质以及所获取的排水管网等相关资料, 本文选取光明新区南片区作为研究区域。根据光明新区规划, 把研究区概化分为25个子汇水区, 82个节点和82根排水管道 (见图1) 。根据土地利用规划及实地监测结果设定各个子汇水区的水文参数, 然后根据排水管网设计图及规范确定雨水管网的相关性质参数。本文结合光明新区实地勘测数据、土地利用类型、水文地形条件以及深圳市LID技术基础规范, 选取下凹式绿地、渗透铺装 (下渗型和防渗型) 和绿色屋顶3种海绵城市技术措施, 分别设置到研究区域, 进行模拟分析。海绵城市技术措施设置面积及比例如表1所示, 相关参数根据实地勘测数据、SWMM操作手册和深圳市LID技术基础规范进行选取确定。

　　 本文参考SWMM模型应用手册和深圳市相关水文资料, 根据2010年6月26日降雨过程的雨量和径流数据率定SWMM模型汇水区的参数^[5] (图2) , 模型主要参数的取值见表2。然后选取2010年8月5日降雨-径流过程实测结果对模型进行验证 (见图3) , 结果表明测点各时刻模拟流量与实测值的绝对误差为1%~10%, 洪峰流量误差为6.67%, 洪峰时间误差为0, 在模型允许范围内。

　　 本文在SWMM模型中结合深圳市具体降雨情况, 选用芝加哥降雨过程线模型合成降雨情景。为评估光明新区海绵城市技术措施对不同降雨情形的作用, 通过降雨参数设定探索降雨量、降雨历时和雨峰位置3个因素对模型地表径流量和出水口洪峰流量的影响。不同降雨量模拟方案由设计降雨的不同重现期体现, 其设置范围由重现期为0.5年的64.8mm的降雨至重现期为百年的144.4mm的暴雨。在不同降雨历时的模拟方案中, 设计降雨量为103mm, 降雨历时设置为1h、1.5h、2h、2.5h、3h和3.5h。雨峰位置即降雨峰值在整个降雨历时中发生的时间, 通常用雨峰位置系数r (0<r<1) 来描述。在不同雨峰位置的模拟方案中, 降雨历时和重现期分别为2h和2年, 雨峰位置系数r分别取0.1, 0.3, 0.5, 0.7和0.9。不同重现期下的降雨是和降雨历时与雨峰位置系数见表3、表4。

　　 由图4a和4b所示, 随着降雨量的变化, 不同海绵城市技术措施的径流削减效果不同: (1) 下凹式绿地削减的径流受降雨量的影响较小, 并且相同降雨量时, 下凹式绿地削减的径流量比渗透铺装和绿色屋顶的大; (2) 降雨量小于100mm时, 渗透铺装削减的径流量随着降雨量增大而增大, 但是当降雨量大于100mm后, 其径流削减量接近饱和, 不随降雨量增加而改变; (3) 绿色屋顶削减的径流量较小, 随着降雨量的增加缓慢增加。同时如图4c和4d所示, 上述海绵城市技术措施具有不同削减出水口洪峰流量的效果: (1) 下凹式绿地对重现期为0.5年 (约68mm降雨) 的降雨的削减作用最明显, 随降雨量增大削减效果迅速下降; (2) 渗透铺装在小雨条件下, 随着降雨量增大洪峰流量削减量缓慢增大; (3) 相同降雨量时, 绿色屋顶的削减量较渗透铺装稍差, 但小雨条件下, 随降雨量增大洪峰流量削减量逐渐增大, 削减效果增加幅度大于渗透铺装。可见下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶的径流控制作用在小雨条件下均较明显。下凹式绿地对不同降雨量的地表径流控制效果均较好, 渗透铺装对小于100 mm降雨的洪峰流量控制效果较好, 而绿色屋顶削减大雨产生的地表径流量潜力最大。小重现期下的降雨, 平均雨强较低, 雨水能够得到充分下渗和滞留。随着降雨重现期的提高, 高雨强下的降雨得不到及时下渗而流入管道, 从100mm降雨量后可以看出3种海绵城市技术措施都无法达到较高的洪峰流量削减率。

　　 如图5a和5b所示, 随着降雨历时的增加, 不同海绵城市技术措施表现出不同的径流削减效果: (1) 下凹式绿地削减的径流削减量随着降雨历时的增加而增加, 削减率从22.76%增加到33.89%, 并且均大于其他两者; (2) 绿色屋顶削减的径流量也是随着降雨历时的增加而缓慢增加, 但相同降雨历时时, 削减径流量比渗透铺装多, 最大削减率为14.8%; (3) 渗透铺装削减的径流量也随着降雨历时增加而增加, 最大削减率为12.8%, 但增加的幅度比绿色屋顶快。如图5c和5d所示, 降雨历时较短时, 下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶的的洪峰削减作用都不太明显。当降雨历时长于2h后, 随着降雨历时的增加, 上述措施削减的出水口洪峰流量均逐渐增加, 并且相同降雨历时时, 渗透铺装削减的洪峰流量最多, 绿色屋顶其次, 下凹式绿地最少。可见随着降雨历时的增加, 3种措施削减的地表径流量和洪峰流量均逐渐增加, 其中, 下凹式绿地削减地表径流量增加的幅度最大, 而渗透铺装削减洪峰流量增加的幅度最大。相同降雨量的条件下, 3种海绵城市技术措施在面临短历时强降雨时均表现出“疲软”的状态, 但随着降雨历时的延长, 平均雨强降低, 雨水可以得到及时渗透和收集, 洪峰流量的削减率得到了提升。其中, 渗透铺装表现最为明显, 雨水可以有足够的缓冲时间下渗。

　　 如图6a和6b所示随着雨峰位置的变化, 下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶削减的地表径流量基本不变。由此可知, 雨峰位置变化不会影响汇水区的地表径流总量和海绵城市技术措施的径流削减效果。在雨峰位置相同的条件下, 下凹式绿地对地表径流的削减效果最好, 其次是绿色屋顶, 渗透铺装的效果最差。同时如图6c和6d所示, 雨峰位置不同时, 下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶的削减出水口洪峰流量的效果不同: (1) 下凹式绿地削减出水口洪峰量随着雨峰位置后移而减少, 且下降幅度大于其他两者, 当雨峰位置系数大于0.5时, 削减量几乎为零; (2) 渗透铺装削减洪峰量也随着雨峰位置后移而减少, 但削减效果下降幅度小于下凹式绿地; (3) 绿色屋顶削减洪峰量也随着雨峰位置后移而减少, 削减效果下降幅度最小, 但当雨峰位置系数大于0.8后, 削减的洪峰流量开始增加。由此可见随着雨峰位置后移, 海绵城市技术措施削减的地表径流量基本不变, 削减的出水口洪峰流量逐渐减少, 并且下凹式绿地的下降幅度最大, 其次是渗透铺装, 绿色屋顶的下降幅度最小。降雨在经过产流、地面漫流、管网汇流后, 排水总管出口出现雨水流量, 并随着降雨雨强的增大, 管道流量逐渐增大。下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶等海绵城市技术措施在降雨雨峰的前期未达到饱和, 表现出较高的削减能力。随着降雨时间的延迟和雨峰的后移, 渗透性达到饱和后, 大部分雨水未经渗透和拦截直接排入管道。

　　 本文以深圳市光明新区为例, 基于SWMM模型评估下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶等海绵城市技术措施后对暴雨径流的影响。降雨过后, 下凹式绿地、渗透铺装和绿色屋顶可有效削减地表径流和洪峰流量。在深圳市不同的降雨量、降雨历时和雨峰位置情形下, 上述海绵城市技术措施表现出不同的水文控制作用。下凹式绿地在对地表径流削减方面表现出较好的优势, 而渗透铺装在对洪峰流量的削减上表现出一定的优势。因此在实际的建设中可以考虑将多种海绵城市技术组合起来, 合理设计不同技术之间的比例, 从而达到最优的地表径流和洪峰流量削减率。SWMM模型可有效模拟海绵城市技术措施的作用效果, 对相关措施的设计和建造提供科学指导, 为深圳市海绵城市的建设规划提供理论依据和技术支持。