Spatial configuration of low impact development facilities based on stormwater condition analysis： a case study of Yanqi Lake campus of University of Chinese Academy of Sciences

doi:10.7523/j.ucas.2024.050

Abstract

Abstract:

The configuration of low impact development （LID） facilities is crucial for restoring urban natural hydrological processes. Therefore， we conducted this study at the Yanqi Lake campus of University of Chinese Academy of Sciences. It utilized simulations based on five rainfall recurrence intervals to analyze peak surface runoff and total suspended solid （TSS） loads across various subcatchments. A comprehensive stormwater condition index was created to prioritize subcatchments for LID facility configuration. Based on the specific requirements for LID facilities and local geographic conditions， optimal types and area proportions of LID facilities were determined， leading to a strategic LID configuration plan. The plan included different spatial configurations of green roofs， rain gardens， vegetated swales， and permeable pavements， and their impact on reducing local and overall runoff and TSS was assessed. The results indicated that implementing this strategy could reduce total surface runoff and TSS loads by 16%-24% across the study area， showing the most significant reduction compared to other strategies. The effectiveness of rain gardens， permeable pavements， and vegetated swales in reducing runoff and pollution increased with their area proportion and remained stable under different rainfall recurrences. Green roofs showed increased pollution reduction with greater area coverage， though their runoff reduction effectiveness was greatly influenced by surface land cover， improving with increased green space. However， under heavy rainfall， the effectiveness of all types of LID facilities， as well as the overall strategy， was reduced， indicating the need for integrated management with the urban underground drainage network and water systems. These findings provide a crucial reference for the redevelopment and construction of the study area to better manage potential flooding and pollution disasters from extreme rainfall events.

Key words: stormwater condition, stormwater management model, surface runoff, total suspended solid, reduction rate

CLC Number:

P333

Han ZHANG, Na ZHANG. Spatial configuration of low impact development facilities based on stormwater condition analysis： a case study of Yanqi Lake campus of University of Chinese Academy of Sciences[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2026, 43(2): 196-208.

Figures/Tables 12

References 26

[1]	夏军，石卫，王强，等. 海绵城市建设中若干水文学问题的研讨［J］. 水资源保护， 2017， 33（1）： 1-8. DOI： 10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.001 .
[2]	赵泽坤. 基于灰色与绿色设施效益评估的合流制溢流污染控制策略研究［D］. 北京：北京建筑大学， 2018.
[3]	Seyedashraf O， Bottacin-Busolin A， Harou J J. Many-objective optimization of sustainable drainage systems in urban areas with different surface slopes［J］. Water Resources Management， 2021， 35（8）： 2449-2464. DOI： 10.1007/s11269-021-02840-4 .
[4]	住房和城乡建设部. 海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）［Z］.2014-10-22.
[5]	Martin-Mikle C J， de Beurs K M， Julian J P， et al. Identifying priority sites for low impact development （LID） in a mixed-use watershed［J］. Landscape and Urban Planning， 2015， 140： 29-41. DOI： 10.1016/j.landurbplan.2015.04.002 .
[6]	Di Vittorio D， Ahiablame L. Spatial translation and scaling up of low impact development designs in an urban watershed［J］. Journal of Water Management Modeling， 2015： 325-388. DOI： 10.14796/jwmm.c388 .
[7]	Le Floch N， Pons V， Hassan Abdalla E M， et al. Catchment scale effects of low impact development implementation scenarios at different urbanization densities［J］. Journal of Hydrology， 2022， 612： 128178. DOI： 10.1016/j.jhydrol.2022.128178 .
[8]	缪遇虹. 低影响开发设施的选址布局优化方法研究［D］. 北京：北京建筑大学， 2020.
[9]	Ercolani G， Chiaradia E A， Gandolfi C， et al. Evaluating performances of green roofs for stormwater runoff mitigation in a high flood risk urban catchment［J］. Journal of Hydrology， 2018， 566： 830-845. DOI： 10.1016/j.jhydrol.2018.09.050 .
[10]	Zhang K， Chui T F M. Assessing the impact of spatial allocation of bioretention cells on shallow groundwater：an integrated surface-subsurface catchment-scale analysis with SWMM-MODFLOW［J］. Journal of Hydrology， 2020， 586： 124910. DOI： 10.1016/j.jhydrol.2020.124910 .
[11]	Samouei S， Özger M. Evaluating the performance of low impact development practices in urban runoff mitigation through distributed and combined implementation［J］. Journal of Hydroinformatics， 2020， 22（6）： 1506-1520. DOI： 10.2166/hydro.2020.054 .
[12]	李俊生，尹海伟，孔繁花，等. 绿色屋顶雨洪调控能力与效益评价［J］. 环境科学， 2019， 40（4）： 1803-1810. DOI： 10.13227/j.hjkx.201809050 .
[13]	Wang L Y， Hou H， Li Y， et al. Investigating relationships between landscape patterns and surface runoff from a spatial distribution and intensity perspective［J］. Journal of Environmental Management， 2023， 325： 116631. DOI： 10.1016/j.jenvman.2022.116631 .
[14]	Su J H， Li J K， Gao X J， et al. Comprehensive analysis of waterlogging control and carbon emission reduction for optimal LID layout： a case study in campus［J］. Environmental Science and Pollution Research International， 2022， 29（58）： 87802-87816. DOI： 10.1007/s11356-022-21877-5 .
[15]	罗英杰，张娜，李琪，等. 基于SWMM的地表径流量与城市下垫面和降雨特征关系的空间分析：以中国科学院大学雁栖湖校区为例［J］. 中国科学院大学学报， 2020， 37（1）： 27-38. DOI： 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.01.005 .
[16]	北京市质量技术监督局，北京市规划和国土资源管理委员会. 市政基础设施专业规划负荷计算标准：［S］. 北京：北京市城乡规划标准化办公室， 2017：7-8.
[17]	印定坤，陈正侠，李骐安，等. 降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021， 61（1）： 50-56. DOI： 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029 .
[18]	Zhang Z M， Liu D， Zhang R， et al. The impact of rainfall change on rainwater source control in Beijing［J］. Urban Climate， 2021， 37： 100841. DOI： 10.1016/j.uclim.2021.100841 .
[19]	李琪，张娜，罗英杰，等. 基于MFF30方法的城市降雨径流初期冲刷效应［J］. 中国科学院大学学报， 2019， 36（5）： 650-662. DOI： 10.7523/j.issn.2095-6134.2019.05.011 .
[20]	叶陈雷，徐宗学，雷晓辉，等. 福州晋安河片区海绵改造对城市内涝的影响［J］. 水资源保护， 2023， 39（1）： 83-92. DOI： 10.3880/j.issn.1004-6933.2023.01.012 .
[21]	孙远祥. 低影响开发设施优化布局两阶段方法研究［D］. 安徽马鞍山：安徽工业大学， 2018.
[22]	李春林，刘淼，胡远满，等. 基于暴雨径流管理模型（SWMM）的海绵城市低影响开发措施控制效果模拟［J］. 应用生态学报， 2017， 28（8）： 2405-2412. DOI： 10.13287/j.1001-9332.201708.002 .
[23]	Rossman L A ． Storm water management model user's manual version 5.1［EB/OL］．（2005-09）［2024-05-07］． .
[24]	Kapetas L， Fenner R. Integrating blue-green and grey infrastructure through an adaptation pathways approach to surface water flooding［J］. Philosophical Transactions. Series A， Mathematical， Physical， and Engineering Sciences， 2020， 378（2168）： 20190204. DOI： 10.1098/rsta.2019.0204 .
[25]	李沐寒，尹海伟，唐爽. SUSTAIN支持下的LID建设成本效益研究：以南京市鼓楼区为例［J］. 风景园林， 2020， 27（11）： 57-63. DOI： 10.14085/j.fjyl.2020.11.0057.07 .
[26]	Zhang Y， Wang M， Zhang D Q， et al. Multi-stage planning of LID-GREI urban drainage systems in response to land-use changes［J］. Science of the Total Environment， 2023， 859： 160214. DOI： 10.1016/j.scitotenv.2022.160214 .

LID设施类型	原土地覆被类型	平均坡度/%	与道路距离/m	与建筑距离/m
渗透路面	广场，道路	<1	/	/
绿色屋顶	房屋建筑	<4	/	/
雨水花园	广场，林地，草地	<15	>1.5	>3
植草沟	广场，林地，草地	<5	>0.6	/

LID设施类型	原土地覆被类型	平均坡度/%	与道路距离/m	与建筑距离/m
渗透路面	广场，道路	<1	/	/
绿色屋顶	房屋建筑	<4	/	/
雨水花园	广场，林地，草地	<15	>1.5	>3
植草沟	广场，林地，草地	<5	>0.6	/

LID设施类型		渗透路面	绿色屋顶	雨水花园	植草沟
表面层	蓄水高度/mm	5	25	250	250
	植被蓄水容积分数	0	0.1	0.2	0.1
	曼宁系数^*/(s·m^-1/3)	0.14	0.3	0.3	0.3
	坡度/%	1	2	0	1
	边坡坡度/%	0	0	0	16
路面层	厚度/mm	100	—	—	—
	空隙比	0.15	—	—	—
	导水率/(mm·h^-1)	500	—	—	—
土壤层	厚度/mm	—	150	600	—
	土壤孔隙率^*	—	0.48	0.48	—
	田间持水量^*/(m³·m^-3)	—	0.249	0.249	—
	萎蔫系数^*	—	0.125	0.125	—
	饱和导水率^*/(mm·h^-1)	—	1.15	1.15	—
	导水率曲线坡度^*	—	10	10	—
	水吸力^*/mm	—	3.5	3.5	—
蓄水层	厚度/mm	150	—	300	—
	空隙比	0.75	—	0.75	—
	下渗速率/(mm·h^-1)	500	—	500	—
排水层	厚度/mm	—	50	—	—
	空隙比	—	0.5	—	—
	曼宁系数/(s·m^-1/3)	—	0.4	—	—

LID设施类型		渗透路面	绿色屋顶	雨水花园	植草沟
表面层	蓄水高度/mm	5	25	250	250
	植被蓄水容积分数	0	0.1	0.2	0.1
	曼宁系数^*/(s·m^-1/3)	0.14	0.3	0.3	0.3
	坡度/%	1	2	0	1
	边坡坡度/%	0	0	0	16
路面层	厚度/mm	100	—	—	—
	空隙比	0.15	—	—	—
	导水率/(mm·h^-1)	500	—	—	—
土壤层	厚度/mm	—	150	600	—
	土壤孔隙率^*	—	0.48	0.48	—
	田间持水量^*/(m³·m^-3)	—	0.249	0.249	—
	萎蔫系数^*	—	0.125	0.125	—
	饱和导水率^*/(mm·h^-1)	—	1.15	1.15	—
	导水率曲线坡度^*	—	10	10	—
	水吸力^*/mm	—	3.5	3.5	—
蓄水层	厚度/mm	150	—	300	—
	空隙比	0.75	—	0.75	—
	下渗速率/(mm·h^-1)	500	—	500	—
排水层	厚度/mm	—	50	—	—
	空隙比	—	0.5	—	—
	曼宁系数/(s·m^-1/3)	—	0.4	—	—

土地覆被类型	子汇水小区编号	峰值地表径流量削减率/%	绿色屋顶面积比例	绿地面积比例	砌砖路面面积比例
混凝土屋面	1	48.09	0.80	0	0
混凝土屋面+ 砌砖路面	2	4.44	0.17	0.00	0.83
	3	40.28	0.40	0.00	0.39
	4	44.51	0.40	0.00	0.31
	5	47.76	0.79	0.00	0.20
混凝土屋面+ 绿地	6	53.80	0.40	0.44	0
	7	54.97	0.80	0.17	0
	8	53.64	0.80	0.11	0
	9	53.65	0.80	0.09	0
	10	53.94	0.80	0.03	0
混凝土屋面+ 绿地+砌砖路面	11	46.64	0.09	0.78	0.13
	12	58.68	0.11	0.89	0.00
	13	4.91	0.12	0.05	0.83
	14	23.23	0.19	0.39	0.42
	15	18.26	0.20	0.19	0.61
	16	30.35	0.20	0.49	0.30
	17	39.28	0.23	0.44	0.32
	18	64.10	0.40	0.33	0.27
	19	41.87	0.40	0.12	0.30
	20	33.09	0.40	0.11	0.44
	21	35.38	0.40	0.11	0.42
	22	34.68	0.40	0.06	0.48
	23	36.04	0.40	0.10	0.45
混凝土屋面+ 绿地+ 砌砖路面+ 沥青路面	24	31.74	0.19	0.25	0.16
	25	39.34	0.20	0.39	0.39
	26	52.94	0.24	0.46	0.29
	27	44.59	0.40	0.29	0.17
	28	45.05	0.40	0.09	0.14
	29	42.57	0.40	0.07	0.24
	30	49.38	0.40	0.10	0.50
	31	45.47	0.40	0.03	0.21
	32	39.04	0.40	0.01	0.42