在大型地下建筑屋顶承重板上进行覆土、种植和景观建造，是城市土地稀缺背景下提升空间利用率、增加人均绿地面积的有效途径，多项实验研究证实了绿色屋顶也是削减局部尺度地表径流、应对城市内涝不可或缺的有益尝试。 如英国就把绿色屋顶作为可持续的城市发展建设中排水系统的重要组成，中国目前正在大力推行的海绵城市建设也把绿色屋顶率作为低影响开发的核心控制指标之一。

国外对于绿色屋顶用于蓄截雨水、减缓雨水径流和应对洪涝灾害等方面的相关研究起步较早，绿色屋顶之于生态环境的效应研究肇始于德国，并逐步延伸至欧美及东亚等发达国家和地区。 研究关注点主要集中在借助绿色屋顶的水文调节效应，通过一系列的监测试验和水文模型进行模拟，实现对绿色屋顶降雨产流、蓄截雨水、削减径流、延缓洪峰径流发生时间等。 近年来，国内学者也争相对这一领域展开探讨，研究更加关注北京、成都、重庆、天津等大城市地区的绿色屋顶对削减径流和延缓洪峰的水文效应，并探讨其中诸如植被、基质等影响因子的作用机制。

已有研究发现：尽管国内外学者已对绿色屋顶的水文试验模拟及其相关效应探讨形成了较为丰富的成果，但受限于试验条件，多数研究主要分析少数面积较小、类型单一的实验性绿化屋面，而对大型地下建筑顶板上这种面积较大、分布较广、植被类型丰富的绿色屋顶相关探讨仍然欠缺，针对其功能特性进行的绿色屋顶径流调控系统设计更少见报道。 因此，笔者选择处于亚热带季风湿润气候区的南京点式案例，借助暴雨洪水管理模型（SWMM）软件构建分析模型，展开多特征时段内大型地下建筑绿色屋顶影响因子的多情境系统模拟，以此获得多因素影响的绿色屋顶径流调控的量化分析，以期为同气候区的其他城市结合本地条件开展类似研究和实践提供参考。

题 目

基于 SWMM 的大型地下建筑绿色屋顶低影响开发应用研究

基金项目

国家自然科学基金项目；江苏省文化科研课题

作 者

刘志峰¹ ，陈晨²

作者单位

1.金陵科技学院建筑工程学院；2.河海大学土木与交通学院

关键词

地下建筑；低影响开发；绿色屋顶；绿色屋顶率；土体厚度；土壤孔隙率；暴雨洪水管理模型（SWMM）

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▶引文格式：

[1]刘志峰,陈 晨.基于SWMM的大型地下建筑绿色屋顶低影响开发应用研究[J].南京林业大学学报(自然科学版),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

探寻海绵城市建设中大型地下建筑绿色屋顶蓄截雨水和减缓暴雨径流的调控依据与低影响开发应用思路。

2.方 法

基于定性分析与定量计算相结合的方法，梳理了大型地下建筑绿色屋顶径流调控系统的核心影响因子并给出开发应用研究的思路，借助暴雨洪水管理模型（SWMM）软件建模，通过点式案例量化分析了不确定因子的调控效应。

·2.1 低影响开发应用的主要影响因子与设计思路

根据上述诸影响因子之间的关系，提出大型地下建筑绿色屋顶的低影响开发应用思路（图 1），其中，不确定因子的作用程度及其与可控因子之间的交互关系可通过数学建模，借助 SWMM 进行多次调整参数设计，展开对 3 个特征时段内不同降雨重现期的多情境模拟，探索性地获得多因素影响的绿色屋顶蓄截雨水功能调控的量化指征，可用于指导降低暴雨径流的量化分析和设计屋顶绿化的实践。

·2.2 大型地下建筑绿色屋顶构造层及覆土荷载

大型地下建筑绿色屋顶的构造层主要包括过滤层，排水层，保护层，防水层，找平层，找坡层，保温层，隔离层等（图 2）。各构造层需根据使用材料所提供的参数，由使用面积与单位质量的乘积即可得出该层荷载。构造层常用材料及其体积质量（文中称为容重）如下：砂浆 2 000 kg / m³，细石混凝土 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，聚酯无纺布过滤层≥ 0.2 kg/ m³，土工布或聚酯无纺布保护层≥ 0.3 kg/ m³。以排水层为例，可使用排（蓄）水板，或使用砾石，陶粒层作为排水层，按照排（蓄）水板和蓄水的总质量或者以砾石（陶粒）体积和容重的积进行计算。

·2.3 种植荷载及其他不变荷载

不同类型植物的荷载计算通常是将除高大乔木以外的上部植被荷载等效成面荷载，并考虑高大乔木和灌木根系增加荷载（

表 1）。大型地下建筑屋顶绿化除了各类种植植物，还包含一些景观元素，如园路铺装，园林建筑，花池，水体等，这类景观元素产生的荷载应按照实际荷载进行有针对性的计算。计算依据来源于“建筑结构荷载规范”（GB 5009-2012）中对荷载计算的详细规定，其中地下建筑顶板景观绿化荷载基本组合效应的设计值S d可由公式（1）和公式（2）得出。据此计算得出大型地下建筑绿色屋顶景观元素的参考荷载如表 2 所示。

3.结 果

绿色屋顶率对径流调控具有决定作用，应对短期，中短期和中长期暴雨强度设计的临界指标分别为 40％，50％和 60％。土体厚度对短期暴雨灾害设计的径流削减效应更显着，该数值的增加会在一定程度上削减径流，但1年一遇与多年一遇暴雨强度设计对应的拐点数值存在差异，分别为 300 mm 和 400 mm。土壤孔隙率对径流削减影响甚微，但在开发应用中应注意规则径流削减效应最低的土壤孔隙率（0.30）。

·3.1 供试案例的基本概况

通过模型计算可得南京市典型的降雨过程线（图 3），南京市 1 年一遇，2 年一遇，5 年一遇和 10 年一遇典型降雨的总量分别为47.80、59.82、75.75、87.73 mm，峰值降雨强度分别为 113.22、141.28、179.35、207,41mm / h，平均降雨强度分别为23.74、29.71、37.62、43.57 mm / h。以此作为后续 SWMM 建模分析中的模型参数与基础数据。

·3.2 SWMM 建模的参数设置

将场地 CAD 图件导入 SWMM 软件，经过数据处理将整个研究区域概化为 44 个子汇水区，55 个节点（编号 J1-J55），51 个管渠（编号 G1-G51），4 个排放口，获得相应的概化图（图 4）。研究案例中定义的低影响开发措施为绿色屋顶及相关设施（LID 设施），采用子汇水区层面的布置方式，即覆盖LID设施至整个汇水区来详细表达雨水径流路径。

SWMM 模型构建需要输入实际研究区域 LID 设施的相关参数，其中，子汇水区面积等信息可由图直接读取或通过公式计算得到，降雨入渗过程采用 Horton 入渗模型，其他参数则基于研究区域的实际情况并结合 SWMM 手册推荐及已有研究的先验参数进行设定，模型参数相关取值详见表 3。

·3.3 低影响开发前不同降雨的情境模拟

不同重现期的降雨历时和地表径流的关系如图 5 所示。选用上述模型参数，对不同降雨重现期下的径流情况进行模拟，得到不同降雨强度下区域洪流的模拟结果如

表 4 所示。结果表明，在持续时间为 2 h 的典型设计降雨模拟中，随着降雨强度的不断增大，仅需 1 h 研究区域的排水管道对雨水的排输过程就已经出现了明显障碍。从溢流节点和过载管渠的数量看，在短期较为频繁的 1 年和 2 年一遇的暴雨情境下，当重现期为 1 a 时，该区域已经出现 2 个溢流节点和 3 个过载管渠，当重现期为 2 a，过载管渠即增加至 3 个。从中短期较为罕见的暴雨重现情境看，过载管渠持续增加至 5 个，而到了中长期的10年期一遇暴雨情境下，研究区域内有 3 个节点出现了溢流，6 个管渠出现过载现象，增幅分别达到 50％和 20％，这种情况下内部洪涝的发生可能已至极高。上述变化趋势显示了在不采取低影响开发措施的情况下，研究区域遭受暴雨洪涝侵袭的可能性将随降雨强度的增加而急速上升。主要原因可能在于该区域不透水面积过大，因为该区在采取低影响开发措施前，不透水系数高达 70％。因此，有必要在研究区域引入 LID 设施来增大该区的透水面积，提高研究区域对雨水的蓄截能力，从而降低地表径流，减小洪峰流量，降低内部洪涝发生的风险。

·3.4 低影响开发应用后的绿色屋顶径流调控系统多情境模拟

参照“南京市城市绿化条例”（2012）的第十一款中的第（一）条和第（八）条对城市绿化率不得低于 30％的规定，在后续模型分析中绿色屋顶率分别选用 40％、45％、50％、55％、60％、70％ 和 80％ 共计 7 种不同程度的屋顶绿化，以此与未采取任何 LID 措施的普通硬质顶板在面临多种暴雨重现期情境下的径流情况进行模拟和比对，所得结果如

表 5 所示。由表 5 可知，随着绿色屋顶率的增加，该区域的溢流节点数和超载管渠数都得到了一定程度的降低。但不同绿色屋顶率控制指标所对应的径流削减效果还存在以下差异：在短期内较为普遍的1年和2年一遇暴雨的情境下，40％ 的绿色屋顶率即可做到无溢流节点和过载管渠，说明在应对南京一般暴雨情形时，研究区域布置超过 40％ 的绿色屋顶即可规避内部洪涝发生的风险。当出现中短时期内较为罕见的暴雨重现时，绿色屋顶率达到40％的研究区域内虽无溢流节点出现，但仍有 3 个过载管渠，而当这一指标提升至50％时，即可做到无溢流节点和过载管渠，因此，50％ 的绿色屋顶率是研究区应对中短期暴雨洪涝风险的临界值。当考虑中长期 10 年一遇的暴雨情形时，研究区域对绿色屋顶率的要求进一步提升，50％ 是不出现溢流节点的临界指标，而只有当绿色屋顶率达到并超过 60％时，域内才有可能规避暴雨洪涝发生的风险。因此，根据“城市防洪工程设计规范”（GB / T.50805-2012），60％ 应当为绿色屋顶率的设计阈值。

结合采用 LID 措施后不同绿色屋顶率下的径流量和降雨历时的关系曲线（图 6A）可知：随着绿色屋顶率的增加，暴雨洪峰径流量明显降低，并且，针对不同暴雨重现期的低影响开发应用设计中，ｐ＝１０ ａ 的径流量曲线斜率最大，并呈现渐次降低趋势，表明越是能够应对中长期暴雨洪涝风险的绿色屋顶设计在蓄截雨水和减缓暴雨径流方面效果越是明显，这说明了通过对低影响开发中绿色屋顶的适当调控能够较好地缓解区域排水问题和减轻雨水管渠的排水负荷。

由图 6B 可知，在绿色屋顶率和土壤孔隙率既定情况下，随着土体厚度的增加，暴雨洪峰径流量呈现降低趋势，但这种下降趋势并非与土体厚度存在线性关系，不同暴雨重现期对应的土体厚度带来的洪峰径流量下降到达拐点之后，径流量基本不再随土体厚度的增加而降低。具体是：对于短期较为常见的 1 年一遇的暴雨情形，当土体厚度为 300mm 时，土体厚度对洪峰径流量削减的效应达到极限，之后即便土体厚度增加，洪峰径流量不再发生变化；而对于重现期为 2、5 和 10 a 的降雨强度来说，洪峰径流量削减极限对应的土体厚度为 400 mm，之后洪峰径流量不再随土体厚度增加而发生变化。并且，在拐点出现之前，从暴雨重现期的时间特征看，

p = 1 a对应的洪峰径流量曲线斜率最大，表明研究区域短期暴雨重现获得的洪峰径流量降低与土体厚度的关系更加敏感。

4.结 论

种植植被、覆土属性和降雨强度是影响地下建筑绿色屋顶径流调控效果的主要因素，在实际开发应用中应妥善配置可控因子的安全设计及不确定因子的率定参数，以此作为提升大型地下建筑绿色屋顶径流调控性能的有效性和低影响开发应用实践的参考依据。

（感谢作者提供素材）