基于SUSTAIN 模型的雨洪管理规划

林伟斌，郑郁善

(福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002)

基于SUSTAIN 模型的雨洪管理规划

林伟斌，郑郁善*

(福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002)

摘要：在我国推行海绵城市的背景下，各地区开始大量建设雨洪管理项目，但缺乏科学合理的前期评估方法。笔者采用EPA开发的SUSTAIN模型作为载体，以福建农林大学下安校区作为研究基地，分析对比其在开发前、现状场景、雨洪措施规划场景下年径流削减和污染物削减情况，结果表明，基于SUSTAIN的雨洪管理措施能有效减少径流和污染物。

关键词：海绵城市；SUSTAIN模型；校园绿地；低影响开发

随着城市化和全球气候变迁，我国很多城市在雨季都会发生严重的内涝。近年来,北京、上海、广州、深圳等大中城市都发生过严重的城市内涝，造成严重的财产损失和人员伤亡[1]。由于城市中大量绿地的高程普遍高于路面，道路容易被淹没，导致道路周边绿地形成绿岛。国外城市发展的过程中也遇到过类似的问题，在应对这些问题时，通常采用暴雨水最佳管理办法[2](Best Management Practices,BMPs)、低影响开发(Low Impact Development, LID)[3]、绿色雨水基础设施[4](Green Stormwater Infrastructure, GSI)等有效利用城市绿地进行暴雨水管理的方法。根据我国国情，人们提出了海绵城市的概念，各地根据自身的气候、区位、经济发展情况制定了各种海绵城市规范，如南宁市制定了南宁市海绵城市规划设计标准及南宁市海绵城市规划设计导则。

美国EPA开发了搭载在ArcGIS平台上的SUSTAIN模型，模型自带有水文模拟软件，其主要框架包括构架管理模块、土地模拟模块、BMP模拟模块、传输模拟模块、优化模块和后处理模块七类[5]。美国国家环保局(USEPA)支持开发的城市暴雨处理及分析集成模型系统(SUSTAIN),以ArcGIS为基础平台,综合应用了水文、水力和水质分析模型,可以对BMP和LID的措施类型、安置地点和实施效果进行科学有效的设计与评估,对于我国开展暴雨管理措施的模型分析与设计评估具有很好的借鉴意义[6]。

1研究区域概况

福建农林大学(简称“福建农大”)，坐落于福建省省会福州市，是全国建校最早的农林院校之一，是福建省重点建设高水平大学之一 ，是农业部与福建省政府共建大学、国家林业局与福建省政府共建大学，是全国首批硕士学位授予权单位和全国第二批博士学位授予权单位，教育部本科教学工作水平评估优秀高校，国家首批卓越农林人才教育培养计划改革试点高校。学校东临闽江，西临乌龙江，南倚妙峰山，北靠淮安山，校园三面被繁茂的山林所环绕，形成开口向西的马蹄形丘陵谷地，全年气候冬短夏长，温暖湿润，有利于各类生物的生长和繁殖。

下安校区为福建农林大学在2007年进行校园扩建的校区，有诚智教学楼群、实验楼群、下安桃山公寓楼、下安食堂，作为容纳教学、科研、学生住宿多功能复合区域。然而，区域内却没有进行科学的雨洪规划，在雨季经常发生集水现象，严重影响正常的教学、科研活动。区域内有一个大型田径场，保留有一个景观湿地水池，诚智楼群和实验楼群之间有大量的分散绿地。根据LID规划要求，可以实施分散式的雨洪管理措施，从源头开始控制雨水径流。学校操场全貌见图1，实验楼楼间绿地见图2。

图1　学校操场

图2　实验楼楼间绿地

对于基地内的主要雨洪问题归纳如下：

(1)缺乏基于雨洪管理的校园雨水专项规划。福州地区大学校园规划主要考虑通过沟渠、管道等传统的雨水管理手段快速将场地内的雨水外排，在雨水规划上缺乏关于雨洪管理的内容。在雨季，部分下水管容易发生溢流事件，地面大量垃圾物会堵塞雨水管道和雨水收集口。

(2)校园用地不透水下垫面面积大，雨季积水严重。大学校园规划广场、建筑、停车厂、运动场等不透水下垫面占用比例大，在暴雨时产生较大的地表径流，而校园场地设计的排水系统多为2～3年一遇的降雨标准，不能应对极端气候背景下短历时的强降雨，极易造成部分交通干道、广场用地积水，严重影响校园中师生出行，甚至造成一定的经济损失。

(3)雨水管理模式单一，缺乏雨洪管理措施的综合应用。福州地区大学校园的雨洪管理措施建设使用模式单一，多以透水铺砖，大量绿地其标高都高于路面，并没有起到削减径流、净化水质的作用。

(4)绿地整体布局不合理，竖向设计。在大学校园建设的初期并没有从雨洪管理的角度去思考绿地布局，在城智楼与下安实验楼之间存在大量的绿地空置。

2模型建立

在SUSTAIN模型准备阶段该需要大量的基础资料，本研究以2015年全年每天每3小时的降雨数据作为研究基础数据，其他的气象资料包括日平均气温、平均风速、最高气温、最低气温等材料，根据SUSTAIN模型的资料识别要求，将降雨资料转化为dat格式的材料，将气象资料转化成swm格式的材料。

本研究通过SUSTAIN模型中对雨洪管理措施物理限制条件的设定，借助ArcGIS强大的图形资料的读取和分析识别功能，读取研究区域的数值地形图、地下水位特征、土壤类型、集水区坡度、研究区域的道路信息等资料进行各雨洪管理措施的筛选，经过初步的现场调研，选取了雨水花园、绿屋顶、生态草沟、雨水桶、透水铺装作为建设雨洪管理措施的区域，最终选取出雨水花园适宜建设区域(见图3)。可以看出，雨水花园适宜建设的区域主要位于楼间绿地、广场周边绿地，东部由于坡度较陡，适宜建设的绿地较少。绿屋顶的适宜建设区域见图4。从图4可以看出，大部分屋顶都适宜建设绿屋顶，结合现场调研，需要排除安新苑的坡屋顶建筑、实验楼旁的实习基地的坡屋顶建筑。根据现状排水管网的布局和现状，调研研究区域的雨水收集井、雨水，本研究区域较小，雨水收集的时间均不超过一个小时，管网的流动时间可以忽略。根据现场校园排水管网的特征，为提高模拟的效率，同时在现状的基础上，将雨水井、雨水管道进行概念化，在主要的高程变化点、管网拐点等区域设置雨水收集井。根据现状排水系统，主要为内部渠道排水，本研究划分了北部子集水区、南部子集水区、东部子集水区三个主要集水区，其主要的排水口分别与研究区域内的排水沟渠相连。最后，展示的排水系统和排水渠划分如图5所示。

图3　雨水花园适宜建设区域

图4　绿屋顶适宜建设区域

根据场地内雨洪管理措施优化的结果，采取分散式的规划布局，充分利用建筑周边绿地、建筑屋顶操场周边的绿地布置，通过分散式逐级削减的串联雨洪措施，从建筑屋面的源头开始控制，就地处理污染物。在北部集水区体育馆和图书馆的建筑屋顶，将建筑周边绿地改造为雨水花园，以管控来自建筑屋顶的雨水。西部集水区充分利用实验楼与教学楼之间的绿地设置雨水花园，并在教学楼与实验楼屋顶设置绿屋顶。东部集水区因为坡度较陡，可以设置雨水花园的面积有限，因此结合雨水罐来控制来之屋顶的径流。LID雨洪管理措施布置图如图6所示。

图5　集水区和雨水管网分布图

图6　LID措施规划布置图

3结果与讨论

与开发前相比，开发后的场景北子集水区年径流量增加了39 649 m3，涨幅159.1%;西子集水区年径流量增加了89 746 m3，涨幅107.7%;东子集水区年径流量增加了75 407 m3，涨幅85.8%。可见，开发后下垫面不透水面积的增大对年径流总量影响很大，增幅北子集水区、西子集水区都在1倍以上。由于西子集水区存在较大的绿地缓冲，东子集水区有大片的水土保持科技园林地，故年总径流增长较小。

加入LID措施后，北子集水区年径流总量削减至35 845m3，削减了55.52%；西子集水区年径流总量削减至57 932m3，削减了33.48%；东子集水区年径流总量削减至69 867m3，削减了42.8%。从总体上看，加入LID措施之后，可以对场地内的径流进行有效控制，可以看到北子集水区的控制效果最好，是因为在北子集水区内绿屋顶增加的雨水花园面积比较大，可以更加有效地管控来自屋面和道路的地表径流。

[参考文献]

[1]林伟斌，林伟光，陈凌艳，等.低影响开发模式在风景园林场地设计中的应用[J].湖北工程学院学报，2015，35(6):99-103.

[2]黄新雨，张太平.广州城市河岸带环境及最佳管理措施BMPs应用初探[J].生态科学，2014(5):858-864.

[3]赵国翰. 基于低影响开发的城市排水系统改造研究[D].成都：西南交通大学,2015.

[4]贾行飞，戴菲.我国绿色基础设施研究进展综述[J].风景园林， 2015(8):118-124.

[5]贾海峰，姚海蓉，唐颖，等.城市降雨径流控制LID BMPs规划方法及案例[J].水科学进展，2014(2):260-267.

[6]邢薇，王浩正，赵冬泉，等.城市暴雨处理及分析集成模型系统(SUSTAIN)介绍[J].中国给水排水，2012，28(2):29-33.

(责任编辑：张凯兵)

Stormwater Management Planning Based On SUSTAIN Model

Lin Weibin, Zhen Yushan*

(CollegeofLandscapeArchitecture,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)

Abstract：Under the background of the implementation of sponge city in China, several management projects on storm-water have been built in various regions. However, for the early projects, there seems to be a lack of scientific and reasonable evaluation process. This research, with the Xia’an campus of Fujian Agriculture and Forestry University as a research base, adopts the EPA development SUSTAIN model, analyzes the scenes before the development, the present situation under the conditions of the storm-water management measures, and compares the yearly runoff reduction and pollution reduction. It can be concluded that the storm-water management measures can effectively reduce runoff and pollution.

Key Words：sponge city；SUSTAIN model；greenland of campus；low impact development (LID)

收稿日期：2016-03-29

作者简介：林伟斌(1989-)，男，福建仙游人，福建农林大学园林学院硕士研究生。

中图分类号：TU986.2

文献标志码：A

文章编号：2095-4824(2016)03-0071-04

郑郁善(1960-)，男，福建闽清人，福建农林大学园林学院教授，博士生导师，本文通信作者。