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

重现期	对应70%年均径流总量控制率	2年一遇	3年一遇	5年一遇
降雨量mm	26.8	57.3	66.4	76.6

图2厦门2小时设计降雨雨型

    （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3 1993年日降雨量分布

图4 2001年日降雨分布

      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。

      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。下表为集水区参数选取极限值。

    （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；LID设施总体布置和雨水链概化如下所示。

图6 LID设施总体布置概化图         图7 排水管网、设施间雨水链概化图

     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3 某小学雨水花园参数表

对象			参数
填料分层	种植土	厚400mm	砂、堆肥和壤质土混合而成。主要成分中砂含量60%-85%，有机成分含量5%-10%，粘土含量不超过5%，渗透系数不小于1×10-5
	粗砂层	厚100mm	土壤层和碎石层之间，粒径小于5mm
	碎石层	厚300mm	粒径范围5-20mm
盲管			管径150mm，管材PVC，开孔率20%，高于底部50mm
溢流高度			低于地面高程50mm
存水深度			250mm
面积			不同设置区域不同面积
年均蒸发量			4.0mm/d
边坡和底部是否设置防渗膜			是

图8 模型中雨水花园设施参数输入界面

图9 模型中植草沟设施参数输入界面

     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。

（1）   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。

  

5 方案分析

     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。

• 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5 某小学海绵方案污染物消减百分比表

设计降雨	TSS消减百分比	COD消减百分比
26.8mm	61%	57%
57.3mm（2年一遇）	56%	49%
66.4mm（3年一遇）	51%	42%
76.4mm（5年一遇）	47%	38%

• 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11 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。

      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12 某小学26.8mm设计降雨下海绵改造前后结果对比图

表6 各设计降雨下某小学海绵改造前后结果对比表

设计降雨	外排径流总量消减率	外排峰值流量消减率	外排峰现时间延迟
26.8mm	60.7%	29.8%	30mins
2年一遇57.3mm	37.1%	8.3%	10mins
3年一遇66.4mm	19.9%	5.7%	5mins
5年一遇76.4mm	16.5%	5.5%	5mins

     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7 某小学全年日降雨模拟结果表

年份	1993	2001
LID设施年蒸发量m3	2940	3589
年回用水量m3	2197	2106
下垫面年径流扣损量m3	10824	11623
经LID设施处理后排放量m3	7891	11592
年降雨在不扣损情形下产流量m3	33498	45172
经LID设施处理后年均径流排放率	71.2%	64.0%
TSS消减百分比	71.9%	71.0%
COD消减百分比	40.1%	39.7%

     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。

    作者简介：蒋晨灿，男，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。

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