基于SWMM的校园海绵城市布局优化研究：以深圳市某中学校园为例.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9肖婉婷,宋聚生,马翔,等.基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):48-60.XIAO Wanting,SONG Jusheng,MA Xiang,et al.Optimization of LID facilities planning strategy based on PSO algorithm and SWMM model:A case study of middle school campus in ShenzhenJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(9):48-60.基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例肖婉婷1,2,宋聚生1,马 翔2,伍春柔2,陈春阳2(1.哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院,广东 深圳 518000;2.中建科技集团有限公司,广东 深圳 518000)收稿日期:2023-01-10;修回日期:2023-04-10;录用日期:2023-04-11;网络出版日期:2023-04-17基金项目:国家重点研发计划(2019YFD1100800)作者简介:肖婉婷(1992),女,工程师,博士,主要从事海绵城市设计研究。E-mail:hit.xwt 通信作者:宋聚生(1967),男,教授,博士,主要从事城市规划与设计研究。E-mail:songyuangc Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】聚焦校园海绵城市建设中低影响开发设施布局策略问题,旨在提升项目海绵城市建设的综合效益,认识校园类公共建筑项目低影响开发设施布局特点与作用机制。【方法】选取深圳市坪山区一中学校园为例,采用 SWMM 模拟降雨过程中的水文、水力学特性,综合考虑径流控制、污染物去除、洪涝控制三方面指标构建基于建设成本的综合效益目标,通过粒子群优化算法对校园低影响开发设施布局进行优化。【结果】优化后的低影响开发设施组合在设计排水重现期之内的模拟降雨以及日降雨和年降雨条件下可控制项目区域中 75%以上径流和污染物、削减 60%以上洪峰流量,减少 90%以上节点积水。相关分析验证低影响开发设施位置与控制效能存在相关性,而相关程度随暴雨强度降低。在深圳降雨特征下,校园采用上游布置屋顶绿化、下凹绿地结合中下游布置雨水花园、雨水池的策略组合可实现最优综合效能。【结论】基于 SWMM 模拟与粒子群算法为校园类公共建筑项目提供了一种直观便捷的海绵城市低影响开发方案布局策略优化方法,可为项目海绵城市低影响开发系统建设方案设计与决策提供科学依据与指导。关键词:海绵城市;低影响开发;粒子群优化;径流控制;降水;暴雨;洪峰削减;SWMMDOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.005开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0048-13Optimization of LID facilities planning strategy based on PSO algorithm and SWMM model:A case study of middle school campus in ShenzhenXIAO Wanting1,2,SONG Jusheng1,MA Xiang2,WU Chunrou2,CHEN Chunyang2(1.School of Architecture,Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518000,Guangdong,China;2.China Construction Science&Technology Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong,China)Abstract:ObjectFocusing on the layout strategy of LID facilities in the sponge city scheme of campus program,the character-84肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期istics and mechanism of the layout of LID system in public building construction such as school campus need to be clearly under-stood to improve the comprehensive benefits of sponge city construction and to understand.MethodsThe campus of a middle school in Pingshan District of Shenzhen was selected as the research case,whose hydrology and hydraulics characteristics in the rainfall process were simulated by SWMM model.A comprehensive benefit objective was constructed by considering the target costs of runoff control,pollutant removal and flood control via considering the construction cost.ResultsThe result show that the optimized combination of low-impact development facilities can control more than 75%of runoff and pollutants,reduce more than 70%of peak flood discharge,and reduce more than 50%of node water in the project area under the conditions of simulated rainfall,measured daily rainfall and annual rainfall within the design drainage return period.Moderate correlation is verified between the location of LID facilities and the control efficiency while the relevance decrease when the raininess increase.Base on the rainfall characteristics of Shenzhen,the campus achieve the optimal efficiency by adopting the strategy of the green roof and concave-down greenbelt lied upstream combined with rain garden and rainwater tanks lied middle and downstream.ConclusionSWMM model simulation combined with particle swarm optimization algorithm provide an intuitive and convenient sponge city low-impact development scheme layout method for public building projects,which can provide scientific basis and guidance for the design and decision of LID placement strategy for sponge city construction of similar programs.Keywords:sponge city;low impact development;particle swarm optimization;runoff control;precipitation;rainstorm;flood peak reduction;SWMM0 0 引引 言言 海绵城市概念起源于城市雨洪管理,上世纪90 年代,美国首先提出低影响开发(Low impact de-velopment,LID)理念,其主要形式是利用分散的小型LID 设施系统,从源头全面控制径流量与非点源污染问题,目前已在雨量模型设计、汇水仿真模拟方面取得了显著的成效并在城市化过程中极大地改善了城市洪涝问题,提高了城市排水效率。在蓬勃建设的背景下,LID 设施的设计优化、运行维护、效果评估与环境响应的理论与运行控制机制研究尚较为薄弱。海绵城市应是一种雨水综合管理系统,涵盖集水、排水、净水、用水以及渗透调蓄的全过程。然而出于政策导向及监测手段有限等多种原因,我国的海绵城市规划与设计较为偏重于水量控制,LID 设施系统单一地以调蓄容积作为衡量手段,将控制过程简化为设施调蓄容积的叠加,明显缺乏对系统水文特性和 LID 设施组合特性的考量,不仅导致了实际设计过程中海绵城市方案向理论控制容积更大的灰色设施倾斜,也很难达到海绵城市理念中恢复场地原始水文特性的目的。LID 设施类型、规模及空间布局方案称为 LID 设施布局策略(LID strategy)或 LID 规划(LID planning),在研究手段上很大程度上借鉴了情景分析(scenario analysis)的技术方法,近年来逐渐得到了国内外研究者的重视。LID 设施布局策略受当地雨量、强度、频次等自然降水特征、地质条件、工程规划设计功能、排水管网设计参数等多方面因素影响,对于公共建筑项目而言,多在项目中选用规模较小的人工 LID 设施组合实现场地雨水控制目标。如何兼顾环境条件适宜、建设空间可用、成本控制优化等工程约束条件,合理串并联不同类型的 LID 设施以获得最佳的控制效果,实现海绵城市的多方面目标成为一项规划课题。通过将其中的规划目标、约束条件、设施参数、管网条件等外部关系的参数化结合水文模型等模拟工具,可将 LID 设施布局策略转化为优化问题求解。引入全生命周期理念和多种智能算法为 LID 设施布局策略的精确化、系统化、参数化等方面提供工具,并为其量化评价提供路径和框架。需要考虑的关键参数主要包括:LID 设施的位置、LID 设施之间以及 LID 设施与排水系统间的连接方式、LID 设施规模、类型等。不同生物滞留设施的组合可以实现项目整体“1+12”的效果,有研究通过分布式水文模型结合情景分析方法综合评价了土耳其城区各项生物滞留设施方案的7 种组合场景,发现绿色屋顶与生物保留单元的结合为最优方案,综合亲近系数为 0.56。值得一提的是绿色屋顶+生物滞留设施+透水铺装、渗滤、绿色屋顶+生物滞留设施+透水铺装+渗滤的组合形式分别在社会、经济、环境方面表现最佳1。由于大多数项目的情景分析并不能实现全域实地监测和测量取样,采用分布式水文模型、流体模拟模型和地理信息系统(GIS)或几者的组合作为辅助研究手段以充分拓展对各类对象和系统的水文水质特征的认识。基于这些模型在现场数据较为有限的条件下,掌握更为全面的场地水文、水力学特征和参数变化规律,帮助设计人员和决策者根据管理目标对 LID94肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 1 研究区下垫面条件及排水管网布置概化Fig.1 Underlying surface conditions and drainage pipe network layout in study area设施布局策略进行优选,从而做出最佳选择2。近年来,人工智能分析方法的发展推动了模型精度提升与建设策略量化验证,可实现单个或多重目标下的管理策略优化并为不同视角下的评估提供基准与评估框架3。例如,KOC 等1采用模糊层次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process,Fuzzy AHP)对标准进行评价,然后进行理想解相似度排序(Technique for Or-der Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)对 LID 组合效果进行全面评估,考虑了组合设施之间的亲和性和社会、经济、生态效益。基于海绵城市的多重目标,河海大学研究将管网建设经济性、排涝有效性和积涝风险性共同作为优化目标,建立基于SWMM 和粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的多目标优化模型,为不同排水能力管网快速建立最优化方案提供了工具4,另一项 SWMM-PSO 组合建模研究发现将德黑兰城市 LID-BMP 布局策略的优化后,污染物去除能力可降低一半以上,对于尚在发展中的径流水质控制网络设计具有重要意义5。结合 Fuzzy AHP与全生命周期评价(Life cycle cost,LCC)构建了包括水文、水力和经济指标的框架体系,量化不同替代方案在减轻洪水灾害方面的效果,根据这一框架认识单一防洪措施评价与 LID 设施的收益能力6,进一步归类 LID 设施布局策略优化措施,例如,将 LID 设施与排水组织关系建立联系7、建立 LID 设施串联/并联运行模式8等,为提升海绵城市建设效果提供支撑。1 1 雨雨水水管管网网模模型型建建立立1.1 研究区 SWMM 模拟 本文选择深圳市一中学校园为研究对象,建立了多种 LID 设施布局策略下的海绵城市开发模型,模型针对子汇水分区的汇流采用非线性水库模型进行模拟演算,分析采用运动波演算(Kinematic Wave)求解连续性方程模拟水流流动并采用Hordon 模型模拟下渗过程。子汇水分区、排水管网位置如图 1 所示,子汇水分区的下垫面类型可分为绿地、硬质铺装及其组合以及屋顶、绿色屋顶及其组合。其中下渗速率主要参考深圳市光明区经验参数6,硬质屋顶和铺装道路按其材质混凝土渗透系数取值9。研究区位于深圳市坪山区,总面积约 0.35 km2。位于中部雨型壤土区,属南亚热带海洋性季风气候,暴雨事件与台风相关度较大。本项目海绵城市设计根据深圳市房屋建筑工程海绵设施设计规程确定两项控制指标,即年径流总量控制率 68%和面源污染总削减率 55%,项目设计建设屋顶绿化、雨水花园、下凹绿地和 2 个雨水调蓄池,按容积率计算调蓄容积合计 645.73 m3。场地在西北面设有一个雨水排出口,根据场地情况划分了 53 个子汇水分区(Sub-catch-ment),场地内雨水管网呈不封闭的环形,分东西两路支管汇入北侧排水口,排水系统中共设有雨水检查井 43 座,雨水管 46 条,通过 SWMM 模拟不设低影响开发系统的场地雨水排放情况,发现在 5 a 一遇暴雨条件下,南侧大面积屋顶雨水接入区域、东北侧操场排水沟接入雨水系统处、近市政排口的管网下游管段排水能力明显不足,出现 0.1 2.0 h 不等的超载事件。结合文献10与实地调查发现,相较于目前研究较为丰富的排水区、流域、湿地等类型的研究区,本研究案例为代表的深圳校园类项目下垫面条件具有以下特点:(1)项目核心为一个大型单体建筑,提供教学、娱乐和展览服务,考虑到建筑功能(如开敞式剧场、架空运动场等)要求,绿色屋顶不适合特定区域。(2)项目内部绿化比例较低且分散,部分绿地过于陡峭,无法保持径流。同时,由于基坑硬化以及防水需求,部分宅旁绿地渗透能力较差,不宜作为较长05肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期时间保持蓄水状态和具有排空时间要求的设施(如雨水花园)的选址。(3)出于成本和消防要求,建筑围合区域部分道路和运动场等地面不宜采用透水铺装,透水铺装只能分散布置在外围庭院或停车场。研究区内建设有屋顶绿化(Green roof,GR)、下凹绿 地(Concave-down greenbelt,CG)、雨 水 花 园(Rain garden,RG)和雨水回用系统四类 LID 设施,主要参数如表 1 所列。表 1 研究区内绿色设施参数取值Table 1 Factors of green facilities in this study设施名称过程层参数取 值屋顶绿化下凹式绿地雨水花园表面层土壤层排水层表面层土壤层排水层表面层土壤层排水层深度/mm20植被覆盖率/%50厚度/mm150渗透系数/mmh-17厚度/mm90深度/mm50植被覆盖率/%70深度/mm300渗透系数/mmh-17孔隙率/%10厚度/mm300孔隙率/%30排水系数2深度/mm300植被覆盖率/%70深度/mm600渗透系数/mmh-17孔隙率/%10厚度/mm300孔隙率/%30排水系数21.2 降雨条件 研究表明,雨型、降雨量、降雨时长、雨峰位置等降雨特征对于 LID 设施的组合效果具有显著影响11。据文献报道,坪山区2 h 降雨年极值平均值约为 80 mm12,雨量接近 2 a 一遇暴雨。结合海绵城市控制中、小雨为主要目标的初衷,本文共采用了 4 种降雨条件(见图 2):(1)1 a 一遇芝加哥雨型模拟降雨,降雨时间为 120 min,总降雨量为 70.10 mm。(2)5 a 一遇芝加哥雨型模拟降雨,降雨时间为120 min,总降雨量 99.19 mm,这一条件与场地雨排水系统设计重现期一致,可考察在雨排水系统处于设计满负荷运行条件下优化 LID 设施对场地排水能力的作用。(3)2008 年 6 月 13 日降雨(以下简称日降雨),考虑到通过芝加哥雨型模拟的单峰降雨具有降雨集中、降雨过程随时间分布严格遵守正态分布的特点,不能很好地模拟深圳市实际降雨研究发现的“秋季降雨具有双峰性,冬季降雨少,日内分布相对均匀”的特点13,因而选取了 2008 年 6 月 13 日具有多峰特征、分布相对均匀的实际降雨观测数据,保留其雨型分布特征,将降雨量缩减为 40%与 1 a 一遇模拟降雨(70 mm)接近为考察条件,对应年径流控制率约90%,略高于项目控制目标。(4)深圳市国家基本站2007 年降雨数据,来源于深圳市政府数据公开平台,根据文献和深圳市水资源公报,2007 年受台风、季风影响较小,极端降水日少,年降雨量略低于深圳市年平均降雨量,总降雨量 1 677 mm,较为接近项目所在地坪山区的近3 年平均年降雨量1 698 mm。观测数据均为逐时数据,采用二次样条插值法将原始数据处理为逐分钟数据。1.3 效能评价指标 根据海绵城市提出的目标问题,本研究从径流量控制、洪涝防治、污染物削减三个方面来评价海绵城市方案的效能,分别选择径流削减率、节点积水时间占比、污染物削减率作为评价因素。1.3.1 径流削减率年径流总量控制率是衡量我国海绵城市建设所提出的特征指标,但年径流总量控制率需要大范围收集多场次降雨数据拟合计算获得,针对单场次降雨事件,本研究中采用径流削减率以式(1)进行计算评估,径流削减率定义为外排径流总量占总降雨量的比值,年径流削减率即为以长序列降雨条件下海绵城市建设削减径流的能力。与 海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建中对年径流总量控制率的定义有所差异,相关差异可参考相关文献14-15。公式为R=H-HpH 100%(1)式中,R 为场径流总量控制率(%);H 为总降雨量(mm);Hp为总径流深度(mm)。1.3.2 节点积水削减率节点积水指的是节点水头大于节点井深的情况,此时在上游不断汇入的情况下,不能及时排出的雨水可能会通过雨水检查井溢流到地面,造成积水,阻碍人行与交通安全,也是海绵城市建设中提出要解决的主要问题之一。参考相关排水系统研究16,采用节点积水削减率来评价海绵城市建设对于内涝的防治作用,其中每个节点积水时间比通过 SWMM 模拟给出,积水削减率即为当前布局下与无 LID 设施布置情景下项目所有节点积水时间差之和占总时间的比例,计算15肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 2 四种降雨条件过程线Fig.2 Precipitation conditions in this study方式如下R=ni=1(Ti0-Ti)Tt 100%(2)式中,R 为节点积水削减率(%);Ti0 为无 LID 设施布置情景下第 i 个节点积水时间(h);Ti为当前布局下第 i 个积水节点的积水时间(h);Tt为总降雨时长(h)。1.3.3 污染物削减率本研究中以 COD、SS、氨氮为模型污染物,根据项目中的污染物积累和冲刷过程参考相近研究文献中初始条件、冲刷系数、冲刷指数、最大积累量设定和取值17,均采用指数函数模型,前期干旱天数为5 d。单项海绵设施的污染物去除能力污染物削减率参考海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建取值,通过模型模拟结果给出的外排总污染物质量与降雨导致的污染物总质量之比得出。1.4 设施布局特征量化 已有的多项情景研究表明,不仅是 LID 设施的规模,LID 设施的空间位置同样影响区域海绵城市目标效果的实现,由于排水连锁效应,LID 设施相对于径流组织网络的位置将会不同程度地影响以上多个目标各自的效能。然而,目前大多文献仅较为笼统的采用上下游来描述 LID 设施空间位置17-19,给方案之间的对比和设施定位的认识带来不便。本文参考二维点离散度分析方法将单个设施排出口到研究区排水口之间的排水管道长度称为此设施的排水距离,并据此定义了 LID 设施布局的排水距离系数 Rp见式(3),以便于认识 LID 设施排水距离与控制效能之间可能存在的相关关系与边界效应现象,而引入归一化的 LID 设施25肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期面积占比作为权重,在保留 LID 设施与排水系统的相对位置关系的前提下对设施位置进行概化,将多个 LID设施的分布情况量化为该策略的一个特征值。根据其计算方式可知,Rp不仅随着 LID 设施规模增加而增大,当LID 设施布置在排水管网上游时,排水距离长,则 Rp计算值大,当 LID 设施位于排水管网下游时相反。Rp计算如下Rp=ni=1AiDi(3)式中,Rp为指定 LID 设施布局的排水距离系数;Ai为第 i 个 LID 设施占其所在子汇水分区的百分比(%);Dt为第 i 个子汇水分区雨水汇流到最近排出口的距离(m)。1.5 粒子群优化 由于海绵城市方案中低影响开发设施的布局策略难以建立函数关系求解,本文采用了无导数求解方法传统粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)来搜索全局最优布局策略,其原理参见相关文献5-16,本文不再赘述。考虑到污染物去除、径流控制、积水控制三方面效能,以及在项目建设中必不可少地应该考虑实现建设目标所需要的成本以及成本使用的绩效,参考海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建中的单位成本取值计算海绵城市建设方案中LID 设施布局的建设成本,将加权平均后的效能评价结果以单位成本效能形式进行量化。通过改变权重和罚函数设置将多目标控制问题转化为单目标问题。考虑到当地对于海绵城市项目建设的指标要求,避免模型向低效能、低成本的方向演化,综合效益目标量化计算过程参考式(4),目标值包括综合效能与罚函数两部分。本文采用标准值法构建综合效能函数作为目标函数,由于污染物去除率与径流控制率是项目海绵城市设计方案的控制目标,控制目标函数采用一次函数,污染物去除与径流控制目标罚函数采用对数函数,底数为设计控制目标值。针对每种降雨条件,可获得污染物去除能力最优方案(方案,计算污染物去除能力罚函数)、径流控制能力最优方案(方案,计算径流控制能力罚函数)和综合成本效能最优方案(方案,计算污染物去除和径流控制能力罚函数)。公式为F=4i=1CiAi3j=1jfj+j(fj)(4)式中,F 为综合效能函数值;Ci 为第 i 个 LID 设施的单位成本;Ai为第 i 个 LID 设施的建设面积/容积;j为第 j 个控制目标的权重;fj为第 j 个目标控制率;j(fj)为第 j 个控制目标对应的罚函数。本研究中粒子取值维度 m 即为低影响开发设施位置和面积,由于 PSO 算法是以整体最优解来同时更新每个自变量的最优取值,收敛速度快,非常适合进行多参数的整体寻优。本研究中 PSO 优化通过 R语言编程修改 SWMM 文件,并通过 R 语言程序包“swmmr”调用 SWMM(version 5.1.15)主程序运行实现20。其中,通过 PSO 寻找到的最优方案并非是理论计算最佳方案,而是当前模拟运行结果集合中的帕累托解。PSO 算法中初始粒子个数和参数取值将会影响到寻优的精度和速度,本研究中个体学习因子 C1、社会学习因子 C2、惯性权重 w 采用方国华等报导的梯度取值方式4以提高算法寻优的速度和计算精度,研究中设置的循环终止差值为 1。单场次降雨采用初始粒子数量为 150 个,年降雨采用初始粒子数量为80 个,最大循环次数 100 次。本文约束条件设定包括:(1)雨水花园和下沉式绿地的位置为项目绿地所在位置,屋顶绿化位置为项目屋顶所在位置,面积通过子汇水区域面积比控制不超过实际最大设置面积;(2)绿色设施控制的不透水面积最大值为所在子汇水区 100%不透水面积;(3)由于项目设计的两个雨水池中(记为 T2)雨水池已经设计在项目东侧雨水支管下游,将设计方案中西侧雨水池(记为 T1)位置作为参数进行寻优,雨水池位置在 SWMM 中定义为储蓄池(Storage tank)类型,设置在相邻两个检查井之间。2 2 单单场场降降雨雨布布局局优优化化2.1 目标控制效能与分类设施规模 1 a 一遇和 5 a 一遇降雨条件下,优化后各方案不同类型绿色设施总规模与对应模拟效能结果如表 2所列。1 a 一遇降雨条件下,平均污染物去除率最高可达到 88.64%,径流削减率最高可达到 89.35%,兼顾污染物、径流、洪峰和积水削减目标时,综合成本效能最优条件下以上 4 项目标削减率分别为77.51%、81.02%、70.38%和 99.63%,可以实现海绵城市建设目标。由于单位削减能力上的建设成本较高,考虑综合成本效能时绿色设施规模大幅减少,主要依靠灰色设施实现控制目标。5 a 一遇降雨条件下模拟结果与 1 a 一遇条件相似,最优条件下的平均污染 物 去 除 率 和 径 流 削 减 率 分 别 下 降 到 87.55%、35肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 表 2 单场次降雨条件优化方案设施总量与控制效能Table 2 Amount of facilities and control efficiency of optimization plannings under single rainfall condition1 a 一遇降雨5 a 一遇降雨日降雨方案方案方案方案方案方案方案方案方案下凹绿地面积/m2913.26426.8439.84654.57497.1431.2934.7282.58108.02 雨水花园面积/m2577.47444.2229.39221.22352.8913.4559.54117.3147.59 屋顶绿化面积/m26 769.257 415.2530.239 607.701 527.9929.00124.1889.72134.29 雨水池 T1 位置Y25Y26Y22Y23Y22Y23Y25Y26Y15Y16Y2021Y24Y25Y20Y21Y22Y23平均污染物去除率/%88.4612.2677.5187.5569.1775.6786.4780.5175.21 径流削减率/%53.0989.3581.0251.5574.8680.5534.2081.5575.55 洪峰削减率/%30.5715.0870.3834.3252.2661.8839.8179.6173.79 积水时间削减率/%99.6699.3499.6399.4299.4699.6198.3397.1497.62 68.33%,兼顾单位成本下的污染物、径流、洪峰和积水削减目标时,综合成本效能最优方案中目标削减率分别为 75.67%、80.55%、61.88%和 99.61%。日降雨条件下降雨强度较低,具有多个雨峰,随着降雨时长增加,污染物冲刷时间延长,最高污染物和径流削减能力均略有下降,但径流负荷有较多时间处于绿色设施处理能力内,其规模明显增加。LID 设施系统明显改善了排水安全性,优化后的方案在运动场接入雨水系统及市政排水口的管网下游管渠超载均小于0.5 h。污染物削减目标提升和降雨强度增加对应更多绿色设施需求,与灰色设施在径流控制方面表现较好,绿色设施在环境和生态方面表现较好的一般认识一致。当主要目标为污染物削减时,雨水花园占比分别为 47.16%、27.71%、2.98%,下凹绿地占比别为28.89%、20.71%、1.10%,屋 顶 绿 化 比 例 为54.05%、76.72%、0.99%;主要目标为径流削减时,雨水花园占比分别为 14.05%、11.07%、3.71%,下凹绿地占比与雨水花园相近,屋顶绿化比例为59.21%、12.20%、0.72%;而以综合削减成本为目标时,各类绿色设施比例均小于 5%。综上所述,灰色设施优先于绿色设施发挥控制与调蓄功能,尤其是在洪峰控制上作用显著;而绿色设施的排水能力受下渗能力的制约,当降雨增大到一定程度时,绿色设施所增加的成本或将明显超过其所获得的目标收益,对于急促的强降雨,灰绿结合的布局策略更为经济有效。2.2 LID 设施平面布局策略2.2.1 灰色设施平面布局基于深圳降雨强度大、项目硬化汇水面积集中的特点,校园中径流产生和转输速度很快,1 a 一遇降雨条件下 T1 平均充满度已超过 85%,最高蓄水量分别为 208 m3、207 m3、205 m3,处于满负荷运行。成本控制导致绿色设施规模明显减少,5 a 一遇条件下方案中 T1 的水位也将达到最高值,、中出现溢流,充满度在各方案中达到 80%以上,相较于 1 a一遇条件在排水距离更短时就已达到满负荷运行。灰色设施作为排水系统中阻断径流向下游传递的设施,其平面位置取决于上游径流转输积累量和总调蓄容积之差,即随着降雨强度提高和汇流时间缩短向上游移动。其上游汇水能力与容积匹配时既不产生溢流也避免了调蓄能力空置,优化位置可看作是上下游脱过系数最优化的平衡点。虽然从目标削减能力提高、最大化灰色设施集流量的角度往往将蓄水池设计在下游,实际延长了蓄水池的溢流时间而调蓄量并未增长,结果表明,随着降雨强度的增加,设施集流负荷与调蓄能力平衡位置向上游移动。对比其他小尺度研究,在汇流方向单一、排水组织关系简单的项目中,采用调蓄设施阻断排水路径中的径流汇集,径流量控制主要取决于设施集流负荷与当前调蓄能力的结论与表 2 中雨水调蓄池 T1 位置变化相符21-23。而实测降雨条件下,随着降雨产生的径流雨量趋于平缓,受成本优化影响,方案、中绿色设施规模减少,对比 1 a 一遇模拟结果,T1 位置反而更为靠近排水系统上游,径流和积水控制能力的下降表明过度依靠灰色设施虽然可以满足径流与污染物控制计算目标,但可能出现排水安全隐患。2.2.2 绿色设施平面布局不同降雨与优化方案中绿色设施布局如图 3 所示,图 3 中灰色区域为无设置 LID 设施条件下垫面,其他子汇水区填色深度为绿色设施占比。在短时降雨强度大的情况下,屋顶绿化作为一种源头控制措施,由于径流连续性和集水时滞性,优化位置主要在排水体系上游或均匀分布在研究区内,可以起到减排和削峰的作用,并强化污染物去除效能,出于污染物和径流控制优化目标,下凹绿地和雨水花园的优化位置则45肖婉婷,等/基于 SWMM 的校园海绵城市布局优化研究:以深圳市某中学校园为例水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 3 不同降雨条件下各优化方案中绿色设施平面布局Fig.3 Optimized planning of green facilities under different rainfall and aiming conditions分别在排水系统中上游和下游,起到子汇水区内的“源头减排”和调蓄作用。此种布局策略下雨水花园靠近下游可以集纳处理更多雨水从而最大化单个设施效能,而相反,位于上游的下凹绿地较早地控制径流产生从而削减流量峰值和污染物。而在降雨强度较小布局策略的优化是以上两方面效应在降雨强度和雨型分布条件下共同作用的结果。对比实际情况还可以发现方案、中生物滞留设施规模虽小,但都布局在有邻近子汇水分区接入的位置,说明通过生物滞留设施辅助控制大面积硬化区域产生的区域径流峰值,通过排水连续性间接对整体径流削减效能产生增益也是布局策略优化的内部机制之一。出于“低影响开发”还原区域水文原始状态的理念,绿色设施的生态效益实际不仅仅体现在现有的污染物削减方面。下凹绿地和雨水花园中扩散的污染物在渗透过程中可持续被土壤层拦截吸附,以 5 a一遇条件为例,如图 4 所示,在绿色设施规模较大的情况下,虽然方案中雨水调蓄池更靠近下游,但出现溢流的时间仅相差 9 min,出口节点的 SS 浓度达到峰值后很快出现下降,而方案中浓度下降时间延迟了约 140 min。3 3 年年降降雨雨布布局局优优化化3.1 目标控制效能与分类设施规模 采用 2007 年实测降雨数据,获得不同目标的优化方案模拟结果如表 3 所列。在较长的时间内,最优污染 物 和 径 流 削 减 能 力 分 别 可 达 到 86.01%和90.19%;在综合成本效能目标下模拟结果接近控制要求的目标,分别达到 75.42%和 77.82%,各方案模拟过程中也均未出现管网超载情况,但建设成本优化下雨水花园规模减少。相较于单场次集中模拟降雨而言,需要的绿色设施规模明显增加且在不同目标的优化方案中较为接近,表现出一定的拉平效应。表 3 实际年降雨条件优化方案设施总量与控制效能Table 3 Classified amount of facilities and control efficiency of optimization plannings under annual rainfall condition方案方案方案下凹绿地面积/m2325.43812.871 033.47 雨水花园面积/m2337.23415.51268.66 屋顶绿化面积/m21 817.953 526.922 436.9