绿色街道视角下雨水管控效能研究

绿色街道视角下雨水管控效能研究

张年风,徐赛

武汉市园林生态集团有限公司  湖北武汉430010

摘要：十四五规划后，城市内涝一次次被重点提出，街道是雨洪汇集的重灾区，亟需研究和解决。本文通过暴雨洪水管理模型（SWMM），模拟GSI在街道中组合配置所带来的相关产流变化，并进一步分析产生的生态效益和经济效益。研究表明GSI在街道中的使用，有效削弱了街道径流，增强了径流分段化处理能力，缓解了街道局部热岛效应，改善了街道生境。该研究为实际项目中街道GSI配置改造的成本和远期效益评估提供了相关理论依据。

关键词：绿色街道；基础设施；洪水管理；效益

Abstract：After the 14th five years plan, urban waterlogging has been highlighted again and again. Streets are the hardest hit areas where rain and flood gather, which need to be studied and solved urgently. Through the storm flood management model (SWMM), this paper simulates the relevant runoff changes caused by the combined configuration of GSI in the street, and further analyzes the ecological and economic benefits. The research shows that the use of GSI in the street effectively weakens the street runoff, enhances the segmented treatment capacity of runoff, alleviates the local heat island effect of the street and improves the street habitat. At the same time, the use of GSI also saves some economic expenses for the street. This study provides a theoretical basis for the cost and long-term benefit evaluation of street GSI configuration transformation in the actual project.

Key word：Green street; Infrastructure; Flood management; benefit

绿色街道是将绿色雨水基础设施（Green Stormwater Infrastructure，简称GSI）运用到街道层面[1]，通过配置GSI实现对雨洪径流的动态管理，是应对城市街道内涝问题的有效手段。利用GSI构建绿色街道雨洪管控体系，对城市雨水问题具有显著的缓解作用，因此需要不断改造街道雨洪管理基础设施配置方式，构建和完善绿色街道雨洪管控体系[2]。暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，简称SWMM）是美国环保署（EPA）于1971年开发的动态降雨和径流模拟计算程序，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期（连续）模拟[3]。

一、研究区概况

本研究选择湖北省武汉市青山区临江大道建设五路路口至建设六路路口作为研究区段，该区段毗邻长江，全长约410m，红线宽度平均40m，道路一侧为高起的6m～8m的防洪堤，另一侧是城市地块（图1），雨季防洪堤有大量径流流向街道，易产生积水甚至内涝，因此该场地具有一定的代表性和研究价值。

图1 研究区域平面图

二、研究区域模型构建及演算

1.研究方法

基于SWMM构建GSI在街道中组合使用前后的拓扑学关系模型，选择场景模拟的相关参数，包括设计雨型、下渗模型（一般采用Horton模型）、相关气象数据（平均温度、平均风速、日均蒸发量等）和低影响开发（LID）参数等。通过模型模拟场地在预设时间内面对雨洪的表现，演算相应产流数据，通过数据研究街道雨洪管控前后的综合效益变化[4]。具体步骤如下：

第一步：模型各项参数选择。包括设计雨型的时间序列和模型参数设置。

第二步：原始模型初步建立。对目标街道汇水区骨架进行提取，根据现状绘制原始汇水区关系，连接管线，设置相关数值，运行模型检查误差，演算相关数据。

第三步：改造后模型建立。细化原始汇水区，根据相关规范在相应汇水区布置LID设施，确定径流方向，安插管线，设置相关数值，运行模型检查误差，演算相关数据。

第四步：数据处理与分析。对演算数据进行筛选，提取指标数据，进行可视化处理，得到相应指标的变化趋势关系。

第五步：综合效益总结。根据相关数据，计算街道进行雨洪管控后带来的综合效益。

2.相关参数及指标选择

对于模型系统参数。雨洪下渗采用，水流采用动态波模拟形式，场地中各项设施具体参数及相关控制目标参照海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建（试行）和武汉市海绵城市技术导则，其中针对该场地的综合径流系数目标采用加权平均法计算：

表1 相关参数及目标值（注：所有数值均符合标准要求）

对于雨型设计。一般在城市中心城区的重要区域管渠设计雨水重现期为5～10年，本文采用10年重现期作为实验年限。通过武汉市暴雨强度公式计算出60min降雨时间序列，并采用芝加哥雨型生成器计算雨型，降雨历时为 60min，雨峰系数为 0.4，设计重现10年。武汉市降雨强度公式：

3.汇水区模型

根据原始道路，划分出原始汇水区，包括机动车道，人行道，以及绿化带等，再根据原始管网简化修整，形成原始模型（图2）。

图2 初始街道模型关系

其后，对原始模型进行LID设施配置改造（图3），首先是对汇水区进行细化，将过大的汇水区细分成小的汇水单元，为LID设施预留空间，主要的雨洪管理顺序是机动车道、分车带雨水口、雨洪树沟、生物滞留池、生态植草沟、雨洪树池、透水铺装、蓄水模块及渗井，最后进入城市雨水管道[5]。

调整每一项LID设施的参数，树池单位面积设置为1.5X1.5m2，街道城市一侧增设4个蓄水模块作为蓄水单位；人行道铺装改为透水铺装，透水铺装的比例占到70%以上，车行道改为透水路面，透水路面比例占到40%以上[6、7]；人行道外侧分布植草沟和生物滞留池，呈段落式布置，单个尺寸控制在10X2m2范围，占整体街道绿化35%以上；街道外侧分别设置雨水井并以管线连接，最后汇入排水口。

图3 改造后街道模型关系

三、数据演算和分析

模型数据采集包括改造前后场地峰值径流、场地积水、场地排水、场地蓄水和关键节点的数据。通过对系统演算和数据筛选统计，可以发现改造前后系统各项产流数据都发生了不同程度上的变化，且各项数值达到预期目标，具体见表2。

1.场地改造前后径流变化

通过对模型整体径流量的模拟数据采集，可以发现场地改造后模型径流完全消纳时间减少20%以上，同时改造后，场地同时段峰值径流量缩减至原来的1/3，下降了73.5%，场地径流总量也下降了61.3%（图4、5，表2）。

同时相关径流系数也相应减小，计算相应径流系数：

图4 改造前后径流百分比对照       图5 改造前后径流量对照

2.场地改造前后进出流量和积水量变化

通过对场地整体的进出流量和积水量数据采集来描述场地排蓄水能力，并形成对照。经过改造，场地峰值积水量下降了78.5%，积水消纳时间减少1/2。通过数据分析，场地排水方式由原来的集中高峰排水改变为错峰持续排水，峰值排水量减少66.7%，同时排水量一直维持在0.05L/s左右，并且达峰时间延迟1h左右（图6、7，表2）。极大降低了市政管网的排水压力[8]。

图6改造前系统进出流量对照      图7改造后场地进出流量对照

3.场地改造前后蒸发量和下渗量变化

通过数据分析，街道经过改造后，降雨集中时段的蒸发量降低至原来的1/2，说明改造后街道局部温湿度发生了变化。在降雨停止后，改造前街道已经不产生雨洪蒸发，而改造后街道依然存在微量的递减式持续蒸发。场地的下渗量也发生了增长。改造前，场地下渗持续了1.7h左右，且下渗量不高。改造后，场地在降雨初期产生了一次峰值波动下渗量达到7.88mm/hr，之后回归正常，再次达到峰值为2.61mm/hr，相较于改造前，提高了89.1%，其后依然表现为微量的递减式持续下渗（图8、9，表2）。

图8 改造前后场地蒸发量对照      图9 改造前后场地下渗量对照

表2 数据筛选分析

四、结论

街道雨洪韧性大幅度提高。本研究通过对GSI在街道中的组合使用，指出了城市街道在经过雨洪管控改造后，应对雨洪冲击的抗性大幅提升。其中，重点表现在雨洪消纳能力上，从数据中可以发现，在雨洪径流消纳时间减少超过1/2的同时，峰值径流量和总径流量也同样减少超过1/2，这说明GSI的设置不仅是能快速排走径流，更能阻止径流的源头成型。街道局部热岛效应减轻。由于城市热岛效应，街道局部温度要高于其它自然状态区域[21]，随着温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低、则蒸发量就越大；反之蒸发量就越小[22]。对于本研究区域，在同一时段内，风速、气压等一系列客观因素均为定量，而温度、湿度和蒸发量是变量，因此通过分析街道改造前后降雨资源蒸发量，可以初步判定，街道温度降低湿度升高。街道生景持续变好。本研究中指出，GSI的使用街道蓄水能力和下渗能力都得到了提高，蓄水时间增长，也导致了雨洪的下渗持续时间增长，因此土壤的含水量能够长期得到维持，为植被营造了更好的生境。并且街道植被将不再只是单一的景观功能，更兼具了雨洪滞留和水质净化的功能，更加的因地制宜，适地适物。因此，GSI在街道层面的使用推动了街道生境的正向循环。

参考文献：

[1]梁尧钦.美国绿色街道对我国住区海绵建设的启示[J].城市发展研究, 2021,28(02):48-55.

[2]周敏,焦胜,黎贝.基于动态模拟的低影响开发设施组合设计及雨洪控制效果分析[J].中国园林,2018,34(12):112-116.

[3]周昕,高玉琴,吴迪.不同LID设施组合对区域雨洪控制效果的影响模拟[J].水资源保护,2021,37(03):26-31.

[4]武汉市规划研究院.武汉市海绵城市规划技术导则[S].2019.

[5]邵尧明等.中国城市新一代暴雨强度公式[M].中国建筑工业出版社, 2014.

[6]等宋洪涛.实用水文学词典[M].中国水利水电出版社,2015.

[7]邵钰涵,刘滨谊.城市街道空间小气候参数及其景观影响要素研究[J]. 风景园林,2016(10):98-104.

[8]柳凤霞.温湿度影响下裸地土壤蒸发规律及效应研究[D].长安大学, 2020.

【作者简介】张年风（1979.10-），男，汉族，湖北潜江市人，大学本科学历，风景园林工程师，武汉市园林生态集团有限公司副总经理，主要研究方向：风景园林工程技术。徐赛（1997.11-），男，汉族，湖北武汉市人，华中农业大学硕士研究生在读，主要研究方向：绿色街道雨水管控原理与技术。