在大型地下建築屋頂承重板上進行覆土、種植和景觀建造，是城市土地稀缺背景下提升空間利用率、增加人均綠地面積的有效途徑，多項實驗研究證實了綠色屋頂也是削減局部尺度地表徑流、應對城市內澇不可或缺的有益嘗試。 如英國就把綠色屋頂作為可持續的城市發展建設中排水系統的重要組成，中國目前正在大力推行的海綿城市建設也把綠色屋頂率作為低影響開發的核心控制指標之一。

國外對於綠色屋頂用於蓄截雨水、減緩雨水徑流和應對洪澇災害等方面的相關研究起步較早，綠色屋頂之於生態環境的效應研究肇始於德國，並逐步延伸至歐美及東亞等發達國家和地區。 研究關注點主要集中在藉助綠色屋頂的水文調節效應，通過一系列的監測試驗和水文模型進行模擬，實現對綠色屋頂降雨產流、蓄截雨水、削減徑流、延緩洪峰徑流發生時間等。 近年來，國內學者也爭相對這一領域展開探討，研究更加關注北京、成都、重慶、天津等大城市地區的綠色屋頂對削減徑流和延緩洪峰的水文效應，並探討其中諸如植被、基質等影響因子的作用機制。

已有研究發現：儘管國內外學者已對綠色屋頂的水文試驗模擬及其相關效應探討形成了較為豐富的成果，但受限於試驗條件，多數研究主要分析少數面積較小、類型單一的實驗性綠化屋面，而對大型地下建築頂板上這種面積較大、分佈較廣、植被類型豐富的綠色屋頂相關探討仍然欠缺，針對其功能特性進行的綠色屋頂徑流調控系統設計更少見報道。 因此，筆者選擇處於亞熱帶季風溼潤氣候區的南京點式案例，藉助暴雨洪水管理模型（SWMM）軟件構建分析模型，展開多特徵時段內大型地下建築綠色屋頂影響因子的多情境系統模擬，以此獲得多因素影響的綠色屋頂徑流調控的量化分析，以期為同氣候區的其他城市結合本地條件開展類似研究和實踐提供參考。

題 目

基於 SWMM 的大型地下建築綠色屋頂低影響開發應用研究

基金項目

國家自然科學基金項目；江蘇省文化科研課題

作 者

劉志峰¹ ，陳晨²

作者單位

1.金陵科技學院建築工程學院；2.河海大學土木與交通學院

關鍵詞

地下建築；低影響開發；綠色屋頂；綠色屋頂率；土體厚度；土壤孔隙率；暴雨洪水管理模型（SWMM）

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▶引文格式：

[1]劉志峰,陳 晨.基於SWMM的大型地下建築綠色屋頂低影響開發應用研究[J].南京林業大學學報(自然科學版),2018,42(06):165-173.

DOI:10.3969/ j.issn.1000-2006.201808025

LIU Z F,CHEN C.A study on the application of low impact development of green roof in large underground buildings based on SWMM[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition),2018,42(06):165-173.

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1.目 的

探尋海綿城市建設中大型地下建築綠色屋頂蓄截雨水和減緩暴雨徑流的調控依據與低影響開發應用思路。

2.方 法

基於定性分析與定量計算相結合的方法，梳理了大型地下建築綠色屋頂徑流調控系統的核心影響因子並給出開發應用研究的思路，藉助暴雨洪水管理模型（SWMM）軟件建模，通過點式案例量化分析了不確定因子的調控效應。

·2.1 低影響開發應用的主要影響因子與設計思路

根據上述諸影響因子之間的關係，提出大型地下建築綠色屋頂的低影響開發應用思路（圖 1），其中，不確定因子的作用程度及其與可控因子之間的交互關係可通過數學建模，藉助 SWMM 進行多次調整參數設計，展開對 3 個特徵時段內不同降雨重現期的多情境模擬，探索性地獲得多因素影響的綠色屋頂蓄截雨水功能調控的量化指徵，可用於指導降低暴雨徑流的量化分析和設計屋頂綠化的實踐。

·2.2 大型地下建築綠色屋頂構造層及覆土荷載

大型地下建築綠色屋頂的構造層主要包括過濾層，排水層，保護層，防水層，找平層，找坡層，保溫層，隔離層等（圖 2）。各構造層需根據使用材料所提供的參數，由使用面積與單位質量的乘積即可得出該層荷載。構造層常用材料及其體積質量（文中稱為容重）如下：砂漿 2 000 kg / m³，細石混凝土 2 500 kg / m³，卵石≤ 1800 kg / m³，碎石≤ 2000 kg / m³，陶粒≤ 500 kg/ m³，排（蓄）水板< 1.5 kg / m³，聚酯無紡布過濾層≥ 0.2 kg/ m³，土工布或聚酯無紡布保護層≥ 0.3 kg/ m³。以排水層為例，可使用排（蓄）水板，或使用礫石，陶粒層作為排水層，按照排（蓄）水板和蓄水的總質量或者以礫石（陶粒）體積和容重的積進行計算。

·2.3 種植荷載及其他不變荷載

不同類型植物的荷載計算通常是將除高大喬木以外的上部植被荷載等效成面荷載，並考慮高大喬木和灌木根系增加荷載（

表 1）。大型地下建築屋頂綠化除了各類種植植物，還包含一些景觀元素，如園路鋪裝，園林建築，花池，水體等，這類景觀元素產生的荷載應按照實際荷載進行有針對性的計算。計算依據來源於“建築結構荷載規範”（GB 5009-2012）中對荷載計算的詳細規定，其中地下建築頂板景觀綠化荷載基本組合效應的設計值S d可由公式（1）和公式（2）得出。據此計算得出大型地下建築綠色屋頂景觀元素的參考荷載如表 2 所示。

3.結 果

綠色屋頂率對徑流調控具有決定作用，應對短期，中短期和中長期暴雨強度設計的臨界指標分別為 40％，50％和 60％。土體厚度對短期暴雨災害設計的徑流削減效應更顯著，該數值的增加會在一定程度上削減徑流，但1年一遇與多年一遇暴雨強度設計對應的拐點數值存在差異，分別為 300 mm 和 400 mm。土壤孔隙率對徑流削減影響甚微，但在開發應用中應注意規則徑流削減效應最低的土壤孔隙率（0.30）。

·3.1 供試案例的基本概況

通過模型計算可得南京市典型的降雨過程線（圖 3），南京市 1 年一遇，2 年一遇，5 年一遇和 10 年一遇典型降雨的總量分別為47.80、59.82、75.75、87.73 mm，峰值降雨強度分別為 113.22、141.28、179.35、207,41mm / h，平均降雨強度分別為23.74、29.71、37.62、43.57 mm / h。以此作為後續 SWMM 建模分析中的模型參數與基礎數據。

·3.2 SWMM 建模的參數設置

將場地 CAD 圖件導入 SWMM 軟件，經過數據處理將整個研究區域概化為 44 個子匯水區，55 個節點（編號 J1-J55），51 個管渠（編號 G1-G51），4 個排放口，獲得相應的概化圖（圖 4）。研究案例中定義的低影響開發措施為綠色屋頂及相關設施（LID 設施），採用子匯水區層面的佈置方式，即覆蓋LID設施至整個匯水區來詳細表達雨水徑流路徑。

SWMM 模型構建需要輸入實際研究區域 LID 設施的相關參數，其中，子匯水區面積等信息可由圖直接讀取或通過公式計算得到，降雨入滲過程採用 Horton 入滲模型，其他參數則基於研究區域的實際情況並結合 SWMM 手冊推薦及已有研究的先驗參數進行設定，模型參數相關取值詳見表 3。

·3.3 低影響開發前不同降雨的情境模擬

不同重現期的降雨歷時和地表徑流的關係如圖 5 所示。選用上述模型參數，對不同降雨重現期下的徑流情況進行模擬，得到不同降雨強度下區域洪流的模擬結果如

表 4 所示。結果表明，在持續時間為 2 h 的典型設計降雨模擬中，隨著降雨強度的不斷增大，僅需 1 h 研究區域的排水管道對雨水的排輸過程就已經出現了明顯障礙。從溢流節點和過載管渠的數量看，在短期較為頻繁的 1 年和 2 年一遇的暴雨情境下，當重現期為 1 a 時，該區域已經出現 2 個溢流節點和 3 個過載管渠，當重現期為 2 a，過載管渠即增加至 3 個。從中短期較為罕見的暴雨重現情境看，過載管渠持續增加至 5 個，而到了中長期的10年期一遇暴雨情境下，研究區域內有 3 個節點出現了溢流，6 個管渠出現過載現象，增幅分別達到 50％和 20％，這種情況下內部洪澇的發生可能已至極高。上述變化趨勢顯示了在不採取低影響開發措施的情況下，研究區域遭受暴雨洪澇侵襲的可能性將隨降雨強度的增加而急速上升。主要原因可能在於該區域不透水面積過大，因為該區在採取低影響開發措施前，不透水系數高達 70％。因此，有必要在研究區域引入 LID 設施來增大該區的透水面積，提高研究區域對雨水的蓄截能力，從而降低地表徑流，減小洪峰流量，降低內部洪澇發生的風險。

·3.4 低影響開發應用後的綠色屋頂徑流調控系統多情境模擬

參照“南京市城市綠化條例”（2012）的第十一款中的第（一）條和第（八）條對城市綠化率不得低於 30％的規定，在後續模型分析中綠色屋頂率分別選用 40％、45％、50％、55％、60％、70％ 和 80％ 共計 7 種不同程度的屋頂綠化，以此與未採取任何 LID 措施的普通硬質頂板在面臨多種暴雨重現期情境下的徑流情況進行模擬和比對，所得結果如

表 5 所示。由表 5 可知，隨著綠色屋頂率的增加，該區域的溢流節點數和超載管渠數都得到了一定程度的降低。但不同綠色屋頂率控制指標所對應的徑流削減效果還存在以下差異：在短期內較為普遍的1年和2年一遇暴雨的情境下，40％ 的綠色屋頂率即可做到無溢流節點和過載管渠，說明在應對南京一般暴雨情形時，研究區域佈置超過 40％ 的綠色屋頂即可規避內部洪澇發生的風險。當出現中短時期內較為罕見的暴雨重現時，綠色屋頂率達到40％的研究區域內雖無溢流節點出現，但仍有 3 個過載管渠，而當這一指標提升至50％時，即可做到無溢流節點和過載管渠，因此，50％ 的綠色屋頂率是研究區應對中短期暴雨洪澇風險的臨界值。當考慮中長期 10 年一遇的暴雨情形時，研究區域對綠色屋頂率的要求進一步提升，50％ 是不出現溢流節點的臨界指標，而只有當綠色屋頂率達到並超過 60％時，域內才有可能規避暴雨洪澇發生的風險。因此，根據“城市防洪工程設計規範”（GB / T.50805-2012），60％ 應當為綠色屋頂率的設計閾值。

結合採用 LID 措施後不同綠色屋頂率下的徑流量和降雨歷時的關係曲線（圖 6A）可知：隨著綠色屋頂率的增加，暴雨洪峰徑流量明顯降低，並且，針對不同暴雨重現期的低影響開發應用設計中，ｐ＝１０ ａ 的徑流量曲線斜率最大，並呈現漸次降低趨勢，表明越是能夠應對中長期暴雨洪澇風險的綠色屋頂設計在蓄截雨水和減緩暴雨徑流方面效果越是明顯，這說明了通過對低影響開發中綠色屋頂的適當調控能夠較好地緩解區域排水問題和減輕雨水管渠的排水負荷。

由圖 6B 可知，在綠色屋頂率和土壤孔隙率既定情況下，隨著土體厚度的增加，暴雨洪峰徑流量呈現降低趨勢，但這種下降趨勢並非與土體厚度存在線性關係，不同暴雨重現期對應的土體厚度帶來的洪峰徑流量下降到達拐點之後，徑流量基本不再隨土體厚度的增加而降低。具體是：對於短期較為常見的 1 年一遇的暴雨情形，當土體厚度為 300mm 時，土體厚度對洪峰徑流量削減的效應達到極限，之後即便土體厚度增加，洪峰徑流量不再發生變化；而對於重現期為 2、5 和 10 a 的降雨強度來說，洪峰徑流量削減極限對應的土體厚度為 400 mm，之後洪峰徑流量不再隨土體厚度增加而發生變化。並且，在拐點出現之前，從暴雨重現期的時間特徵看，

p = 1 a對應的洪峰徑流量曲線斜率最大，表明研究區域短期暴雨重現獲得的洪峰徑流量降低與土體厚度的關係更加敏感。

4.結 論

種植植被、覆土屬性和降雨強度是影響地下建築綠色屋頂徑流調控效果的主要因素，在實際開發應用中應妥善配置可控因子的安全設計及不確定因子的率定參數，以此作為提升大型地下建築綠色屋頂徑流調控性能的有效性和低影響開發應用實踐的參考依據。

（感謝作者提供素材）