基于低影响开发的清华校园新民路雨洪管理与景观设计研究

1 引言

随着中国城市化进程加快，许多灰色基础设施的建设、城市硬化下垫面阻碍了自然的水文过程，对水资源循环利用有深刻的负面影响。城市面积不断向外扩张，原绿地、农田等被建筑或道路等硬质铺装覆盖取代，城市的自然生态系统也发生巨大变化。在水文方面，下垫面条件改变与水利工程的水文调节所导致的过度城市化问题导致城市地区遭受突发性强暴雨灾害的几率加大，雨水的可入渗面积减小，汇流速度加大，雨水不能及时排放，使城市内涝问题屡见不鲜[1]。

低影响开发强调对降雨进行源头处理，通过微观尺度景观控制来尽可能地保持场地开发前的水文状况。随着我国“海绵城市”建设的推进，LID 措施的应用和研究在国内得以普及。

1.1 低影响开发

低影响开发（Low impact development，LID）理论最早在美国马里兰州首次提出，由最佳管理策略（Best management practices，BMPs）进一步演化而来。LID强调通过调整开发建设模式，融入景观规划设计方法，从源头上对城市降水的产汇流过程进行低环境干扰的源头控制，旨在维持场地开发前后水文状况的一致，从而削弱当今快速城市化背景下城市不透水地面激增所产生的负面影响。与传统雨洪管理，如最佳管理策略等的设计方法相比，源头管控、分散处理、景观融入是LID 措施的三个核心特点。而景观设计中的造景手法在微观尺度上与LID 的巧妙结合，赋予了LID 明显的多功能性，使之更容易为业主、公众所接受，因而已广泛为北美、欧洲等国家接受，并越来越受到世界范围的关注和认可。而且其概念有逐渐转向绿色基础设施（Green Infrastructure）的趋势，以纽约为主开始进入绿色基础设施总体规划，也就是从更加系统化的角度，将LID 的多重源头分散控制设施视为网络神经元，以生态网络的角度来构建低影响开发骨架，并以跟多个政府不同部门合作为主要手段来形成体系化的低影响开发。

近来低影响开发措施作为“源头控制”雨洪管理措施的典型代表被逐步推广使用，相关研究与实践层出不穷，如生物滞留池、透水铺装和绿色屋顶等。生物滞留池可以有效滞留场地产生的雨水径流，并对径流中的污染物进行处理，从而持续性地降低土壤中某种特定污染物（比如金属元素）的浓度；透水铺装则可明显促使硬化表面产生的径流迅速下渗；绿色屋顶可以储存甚至再利用屋面产生的大部分径流量（平均63%）。研究发现，LID 措施可以增加场地中暴雨和污染物滞留量，并且能够恢复场地开发前的水文功能[2]。

1.2 SWMM 模型简介

SWMM 全名为Storm Water Management Model，是1971 年由美国环境保护局主持开发的城市雨洪管理计算机模拟程序，它主要用于模拟城市区域动态降雨—径流，其计算原理是将对象区域划分成若干个子汇水面积，并且设置各子汇水面积的属性，如坡度、不渗透性百分比、填洼百分比等。同时，设置相应的地下管网节点、管渠、蓄水单元、出水口、雨量计等。当在雨量计中输入多个时间步长构成的模拟暴雨数据后，通过地表产汇流、流量传输以及地表积水等计算其径流过程，并通过不同的流量演算方法（恒定流法、运动波法和动力波法）将各排水区的出流组合起来，最终得到径流水量和水质的短期/ 连续性结果[3]。

我国从2001 年引进美国SWMM 模型，近年来使用SWMM 进行城市雨洪问题的研究也越来越多。胡伟贤（2010）运用双层排水系统思想构建整个济南市的SWMM 模型，对济南市城市排水系统进行盲点标识和突发性暴雨防灾减灾规划提供合理建议[3]。黄国如等（2011）针对广州市新河浦社区具体特点，将SWMM与ArcGIS 两大平台对接起来，利用GIS 编辑相关参数直接导入SWMM 模型[4]。韩娇等（2011）运用SWMM模型对东莞市东城牛山汇水片区的不同降雨重现期和城市化程度进行了相关模拟[5]。傅新忠（2012）利用PCSWMM 软件对城市某区块进行研究，分析设计暴雨过程并提出了地下排水管网系统改造的优化建议[6]。李晓燕（2013）以西北某典型城市为研究区域，SWMM模型模拟结果能明显暴露各子汇水区雨洪排放工程中存在的问题，并为该城市的雨洪工程改造提供一定的优化技术支持[7]。边易达（2014）对比了两个国际上应用广泛的雨洪模型——SWMM 和HEC-HMS 的优劣势，以济南广场西沟流域为实例进行联合模拟和数据耦合工作，得出双排水系统的缺陷所在[8]。赵刚等（2014）构建了北京大红门地区一维管网、河网模型相耦合的SWMM 模型，并利用实测三场暴雨和相关洪水资料，对模型参数进行了率定和验证[9]。

本研究试图从海绵城市建设要求出发，以清华大学新民路区域为研究对象，规划设计LID 措施，建立SWMM 雨洪模型，探究LID 措施增设前后对于径流量及蓄水量的影响。

2 研究区域及方法

2.1 新民路区域概况

学堂路是清华大学南北主干道，南起清华大学中央主楼—西主楼，北至清华大学足球场，在沿途有宿舍区、游泳馆、学生篮球场、六教、苏世民书院、综体网球场等学生活动的主要区域。景观规划设计区域总面积8.85公顷，不透水区域面积为2.36 公顷，占74% 左右，是除学堂路外校园内硬质最多的区域之一。而且历史上具有多次的降雨导致积水事件，因此本研究模型选择该区域进行LID 改造，极具代表性。

2.2 SWMM 模型输入及参数确定

根据校园平面图及管网图，并且根据论文《基于低影响开发的景观规划设计——以清华校园规划为例》[10]，将与新民路有关的子集水区作为研究对象，其中包含新民路上游可能对排水管网造成影响在内的总共61 个子集水区域进行排水分区的概化，并将路上的雨水篦子概化成43 个连接点、出水口设置为离开研究区域的市政排水、管网排水、道路坡面排水等共9 个。图1 为新民路区域SWMM 模型。

2.2.1 子汇水区参数设定

论文《清华大学雨洪管理研究》中的参数设定中，本模型中各子汇水区的主要参数有如下几方面：（1）出水口——可设置为管道节点或相邻子汇水区；（2）面积和特征宽度（垂直于径流方向的宽度）——从SWMM模型地图中量取；（3）坡度——根据GIS 中全校区坡度图，除特殊的几处外（如大体育场大斜坡处），其余定为0.5%；（4）不渗透性百分比——经过实地考察绿地面积和硬质铺装面积的比例，得到不透水面积占每个单元的总面积的百分比；（5）相关水文参数——透水区域和非透水区域曼宁系数取值分别为0.24 和0.012，填洼量分别定为2mm 和12mm，无填洼量部分的百分比定为0[10]；（6）相关土壤参数——土壤入渗选择Horton 方法，取 [11]。

2.2.2 节点参数设定

本模型中各节点的主要参数有如下几方面：（1）内底标高——由于在管网中并无确实的管网标高，在本模型中均采用地表标高减去埋深1.2m 作为节点内底标高数据；（2）初始深度——本模型假设降雨前管道内没有残余积水，初始深度均定为0；（3）积水面积——在实际情况中，从节点处溢出的雨水将顺着地表地势流向下游低洼处，不会积存在节点上方，故积水面积均设为0[12]。

2.2.3 管道参数设定

本模型中，主要设定了三种类型的管道：（1）普通地下管道——根据地下管网资料图，管道形状均设置为圆形，内径根据资料值输入，最大深度即为最大直径；管道材料为混凝土，曼宁系数取0.015；（2）道路明渠——为了模拟道路的积水深度，在本模型中，将学堂路概化为深0.2m（路沿石高度）、底宽为7m（道路宽度）的矩形开放明渠，曼宁系数取0.012，模拟过程采用动力波法进行流量计算；（3）规划增加的管网使用清华大学雨水管网规划中DP800 管径的雨水管线。

2.2.4 确定设计暴雨雨型

降雨的模拟则选用与季风气候相近的SCS2 型雨型，降水深度则参照三年一遇24 小时105mm 以及五年一遇24 小时的151mm 来模拟实际的降雨情况（表1）。

2.3 SWMM 模型模拟新民路道路结果

根据现状的管网情况，概化模型后以三年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图2）。降雨历时13 小时达到洪峰，降雨历时至14.5 小时开始积水退去至完全排干降水。

根据现状的管网情况，概化模型后以五年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图3）。降雨历时13小时达到洪峰，降雨历时至15 小时开始积水退去至完全排干降水。

图1 新民路区域SWMM 模型

表1 三年一遇及五年一遇24 小时的暴雨强度

图2 新民路概化后的道路积水深度情况（三年一遇）

图3 新民路现状道路积水深度模拟情况（五年一遇）

2.4 SWMM 模拟结果与历史积水情况核实

根据清华大学研究生会于2017 年3 月20 日发起的问卷调研，在问卷中给出了几个主要积水点的选项。问卷共614 份，红点为票数将近100 上下以及远超过100的积水点票数（图4）。

图4 清华大学积水点问卷调研投票

本次模拟的结果主要降雨积水情况还是落在北侧与至善路交口。

3 SWMM 模拟不同情景下雨洪情况

3.1 新民路LID 措施情景

3.1.1 新民路LID 设施的基本布局情况

根据新民路的实际情况及现有规划设计方案来考量，在路段内建立生物滞留网格及植草沟等设施来减少道路积水威胁。本模型则是以集水区末端建立起蓄水设施模组，模块参数按照设计方案中的深度及面积来设定。共建立1 个生物滞留网格总面积496 平方米（兼作科研实验的生物滞留池绿地），设计深度为0.7 米，体积为347.2 立方米。另外，建设五个植草沟总面积为100+100+113+89+149 ＝ 551 平方米，设计深度为0.35 米。体积则是192.85 立方米。

3.1.2 布局LID 后的道路积水深度变化

根据现状的管网情况，概化模型后以三年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图5）。降雨历时13 小时达到洪峰，降雨历时至15.5 小时开始积水退去至完全排干降水。

根据现状的管网情况，概化模型后以五年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图6）。降雨历时13 小时达到洪峰，降雨历时至16.5 小时开始积水退去至完全排干降水。

图5 布局LID 情景后的道路积水深度变化（三年一遇）

图6 布局LID 情景后的道路积水深度变化（五年一遇）

3.1.3 出水口流量变化与径流量变化

图7 为增加LID 设施后出水口径流量前后对比。本模型中节点77 为新民路北段往年积水较深的道路出口，其进流量反应了过量的道路坡面径流。使用三年一遇设计暴雨曲线与前期和后期的流量曲线进行比较。前期曲线从历时10 小时开始出现最大量的洪峰，形状与暴雨曲线类似，有一个降雨集中的洪峰，在后期设计的曲线中，在降雨历时13 小时时有所下降，说明了LID措施对于三年以下的降雨，可以削弱地表径流削减洪峰的作用。对比两者降雨历时10 小时的峰值流量，后期LID 模型虽然能够缩减峰值的径流量产生，但是在面临短期强降雨时，地表LID 措施蓄水量有限（本研究的LID 设施皆利用景观设计中尽可能被利用的部份，多为边角的空地部分），对于大型暴雨的削弱能力还存在一定局限。

图7 增加LID 设施后出水口径流量前后对比

3.2 新民路增设雨水管网设施情景

3.2.1 新民路增设雨水管网基本布局

新民路雨水管网布局采用清华大学校园总体规划中雨水工程规划对新民路的雨水管线规划，预计增加一条D800 的雨水管线来解决场地的雨水问题（图8）。

3.2.2 布局雨水管后的道路积水深度变化

根据现状的管网情况，概化模型后以三年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图9）。降雨历时13 小时（达到洪峰）基本无积水。

图8 清华大学雨水工程规划图

图9 规划增加dp800 雨水管线后的道路积水水深模拟情况（三年一遇）

根据现状的管网情况，概化模型后以五年一遇的降雨来模拟新民路的降水情况（图10）。降雨历时13 小时（达到洪峰）基本无积水。

图10 规划增加D800 雨水管线后的道路积水水深模拟情况（五年一遇）

无论是三年一遇还是五年一遇皆能解决道路径流问题，但是需要花费大量的资金重新铺设管线。

3.2.3 出水口流量变化与径流量流量变化

图11 为增加D800 管线出水口径流量前后对比。本模型中节点77 为新民路北段往年积水较深的道路出口，使用三年一遇设计暴雨曲线与前期和后期的流量曲线进行比较，前期曲线从历时13 小时开始出现最大量的洪峰，形状与暴雨曲线类似，有一个降雨集中的洪峰，在后期设计的曲线中，降雨历时13 小时时大幅下降，说明了增设管网对于三年以下的降雨，可以基本解决地表径流削减洪峰的作用。对比两者降雨历时13h 的峰值流量，后期管网基本上已经能够解决径流量产生，在面临短期强降雨时，地表还是会迅速地形成积水，应该对道路周边积极地进行LID 的设施改造，结合新民路景观设计来彻底解决道路积水问题。

4 新民路LID 结合景观规划设计

新民路为清华校园内学生主要的活动道路，根据道路两侧不同的生活与色彩气质，打造不同的红白分区，建立一条能够贯穿全路的跑道来形成一条CSE 系统（文化＋运动＋生态）的跑道系统。而且在有限的空间内，使用尽可能多的绿地来进行海绵化的改造（图12）。

最终形成了以一个生物滞留网格（雨水花园）加上五个设计植草沟的LID 设施布局。利用新民路北端大片可改造的绿地面积改造成雨水花园收集道路雨水以及周遭建筑的雨水径流（图13）。

利用跑道条带周遭的绿地来收集运动场的不透水地表所产生的径流（图14）。

通过降低跑道周遭的绿地高度，来对道路的径流进行雨水收集（图15）。

利用南端大片绿地空间降低路沿石高度对道路径流进行收集，使得绿地可以吸收到路径流及部分建筑所产生的雨水径流（图16）。

图11 增加D800 管线出水口径流量前后对比

图12 新民路海绵设施分布图

图13 新民路北端雨水花园区域（由智慧海绵城市实验室设计）

图14 新民路中端运动操场

图15 新民路中端森林跑道

图16 新民路南端活动绿地

5 结论

本研究通过SWMM 建立了新民路局部区域的雨洪模型，以及结合道路景观设计的LID 设计方案，对比分析了现状雨水径流情景、增设LID 措施后的雨水径流情景、增加雨水管网后的雨水径流情景（图17）。

图17 现状道路积水深度、布局LID 设施道路雨水深度、增加规划雨水管网后的道路雨水深度的相互比较

其中，在增设了LID 设施后的道路积水情况得以改善，在三年一遇的情景下学生宿舍区，西主楼配楼前的积水问题基本解决，在五年一遇情景下学生宿舍、西主楼配楼前的积水问题基本没有。其他地段的积水问题也大幅度削减。篮球场、排球场大斜坡处是道路径流汇集的集中区域，因为处于地形低处并且坡度陡峭，成为了洪峰来临时快速聚集的空间，LID 设施较难发挥作用。最终得出以下主要结论：

（1）新民路目前没有立即需要建设管网的必要，可透过部分景观设计增加海绵设计降低洪峰时的积水深度。建立管网虽然可以基本解决积水问题，但透过工程的手段需要封路进行长期的工程，资金投入也较大。现状空间虽然有积水问题，但是积水情况较小，可以利用轻量化的海绵处理手法加以解决其积水问题。建议未来景观设计改造中融合海绵设计的方法来减少洪峰时道路的积水深度。

（2）本研究之景观设计方案利用了在一般景观设计中比较少能够使用的空间并加以利用。新民路是清华大学中硬质铺装比例偏高、学生活动较多、使用频率较高的一条路，周遭绿地中能克服竖向限制并能够加以利用作为海绵绿地的空间较少。本研究中的景观设计良好地使用了新民路中隐蔽的空间系统并加以利用解决实际问题。

综上所述，通过SWMM 模型模拟新民路的雨洪管理情况，验证了道路周遭绿地空间利用好边角空间作为海绵调蓄空间能够起到良好的作用。在场地设计中小面积的LID 措施可削减一定程度的暴雨径流，对雨水进行收集利用，这对于海绵城市的场地实践具有一定的促进作用和范例意义。

参考文献

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[12] Lewis A Rossman. Storm Water Management model user's manual, version 5.0，2010.

作者

清华大学建筑学院景观学系张益章刘海龙