基于水文控制目標的中小尺度海綿城市改造方案評價

陳 垚，何智偉，張 琦，段玲紅，秦 宇，熊 毅

(1.重慶交通大學環境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074； 3.重慶西恒工程咨詢有限公司，重慶 401120)

近年來，傳統城市開發模式顯著改變了局部地區的自然水文循環過程，導致地面徑流量增加，峰值提前，河流地貌及其水文情勢改變，并最終造成水生棲息地退化、水體水質惡化和生物多樣性喪失等一系列生態環境問題[1-3]。為提高城市可持續性和宜居性，改善雨水排放系統的生態完整性，我國提出了海綿城市這一新型城市雨洪管理理念，其核心途徑為低影響開發(LID)[4-5]，旨在從源頭上通過雨水滯留、滲透、蒸發和回用等循環過程模擬自然水文功能，實現控制地表徑流和削減峰值流量、延緩產流時間、改善下滲特性、增加生態基流和凈化污染物的目的[1,3-4,6-7]，以期恢復城市水文過程和河流徑流情勢至近自然狀態[3,8]。LID措施包括透水路面、雨水花園、植草溝、綠色屋頂、雨水塘等分散式雨水控制措施。LID措施作為徑流控制措施，從源頭上削減雨水徑流，是一種適用于城市區域的小規模、分散式的雨水管理措施。作為目前城市雨洪管理的技術措施，LID能否真正實現我國海綿城市建設目標，是目前最為關心的問題，而解決這一問題的途徑在于構建一種用于評價中小尺度海綿城市改造方案中LID措施效益和性能的方法[9]。國外學者對LID措施的評價方法主要基于水文模型方法，并以此開發了SUSTAIN、BMPDSS等評價模型[10-11]。這些模型雖可用于不同尺度下LID措施的評價分析，提出單位徑流控制成本最低的LID布設方案，但僅考慮建設成本，并未考慮雨水資源利用價值、景觀價值和生態功能價值等社會效益，以及LID措施的綜合水文性能[12]。國內鮮見LID技術措施的性能評價方法研究，且主要集中在利用SUSTAIN、BMPDSS等模型在國內案例中的應用評價[9,11]。

雖然眾多學者針對LID措施性能方案評價提出了一套相應的指標體系，但大多集中在LID措施的成本效益評價研究上，缺少針對中小尺度下LID布設方案與經濟成本、水文控制性能、社會效益等目標的耦合評價研究，鮮有研究直接以LID設施水文調控性能為目標，通過構建LID布設方案的評價體系提出LID措施優化組合方案。我國海綿城市建設剛起步，缺乏對LID 設施水文控制效果監測的系統研究，同時，受氣候特征和地域條件等基本國情的影響，難以直接照搬相關研究結論和技術標準。海綿城市建設時間緊且考核任務重，往往要求實施LID措施后便能滿足相應的考核目標，因此，亟須建立一套適合于中小尺度LID改造方案的綜合性能評價體系。為確保海綿城市建設實施措施的有效性，并及時調整實施方案，本文通過布點實測和利用SWMM模型分析秀山縣海綿城市改造區域的實施效果，構建基于水文調控目標的LID措施綜合性能評價體系，并對LID 設施的實施方案進行擴容與組合優化評價，以期為我國海綿城市建設提供參考。

1 研究區域概況

秀山縣為重慶市3個市級試點海綿城市之一，實施的試點區域位于秀山城區南部新城，由16個相對獨立的排水片區組成，分3期建設，總面積為8.08 km2。秀山地處武陵山區腹地，為典型的亞熱帶濕潤氣候區，降雨充沛集中，伏旱明顯。根據秀山氣象站55年(1960—2014年)的逐月降水量數據統計，城區多年平均降水量約1 350 mm，降雨主要集中在6—9月，降水量占全年的55%，且夏季降雨多以暴雨形式出現，發生暴雨的主雨峰靠前，降雨歷時短，易發生內澇災害。本文研究區域為傳統開發模式的建成區，位于梅江河以西，建有渝秀大道(東西)和學府大道(南北)兩條交通主干道，以及政府大樓、中學、體育公園和居住小區，占地61 hm2。建成區內建有完善的雨污分流排水設施，雨水管管徑為1 000～2 000 mm，管道總長約4.5 km。為獲得SWMM模型所需的水文氣象數據，在城建大樓樓頂和渝秀大道2處雨水排口位置分別安裝有1處雨量站和2套流量監測儀器，自2016年12月1日起開始為期1年的降水量與徑流量實時監測。研究區域位置見圖1。

圖1 研究區域位置

2 模型構建

根據管網數據資料和水文氣象數據(降雨和徑流量實測數據)，結合研究區域地形和土地利用類型圖，構建SWMM模型，將研究區域概化為27個子匯水區、36個節點、33個管段和2個總排水口(圖2)。模型構建時，LID設施的結構參數主要根據模型手冊典型值[13]和實際設計參數設定(表1)，而模型的水文參數則根據實際資料、模型手冊典型值范圍[13]和相關文獻設定[14-15]。首先利用摩爾斯分類篩選法[16]對模型的不確定參數進行局部靈敏性分析。在確定敏感水文參數后，采用人工試錯法對敏感參數值進行調整，并利用2017年7月8日實測降雨徑流數據(中雨)率定模型參數，經過6次參數調整后，模型的Nash-Sutcliffe 效率系數(NS值)為0.772，表明模擬結果與實測值相吻合(圖3)。為進一步提高模型應用的準確性和可信性，采用2017年6月5日、6月22日和9月27日3場實測降雨徑流數據(大雨和暴雨)進行模型驗證，模型的NS值均大于0.75，模型預測的降雨徑流過程曲線基本與實測值相重合(圖3)，滿足模型應用的精度要求。最終得到適用于研究區域的各參數值(表2)。

圖2 模型概化

LID措施過程層參數參數值雨水花園表 層蓄水深度400mm植被覆蓋0.8表面粗糙系數0.28表面坡度0土壤層厚 度600mm孔隙率0.6產水能力0.2導水率180mm/h蓄水層厚 度300mm孔隙率0.55導水率18mm/h暗 渠排水系數3.5排水指數10偏移高度2mm植草溝表 層蓄水深度200mm植被覆蓋0.75表面粗糙系數0.25表面坡度1.0%透水鋪裝表 層蓄水深度15mm表面粗糙系數0.22表面坡度2%路面層厚 度100mm孔隙率0.25滲透性30mm/h找平層厚 度30mm孔隙率0.5導水率20mm/h吸水頭3.5蓄水層厚 度430mm孔隙率0.35導水率15mm/h暗 渠排水系數3.3排水指數0.6偏移高度2mm

(a)2017年7月8日(中雨，NS6值為0.772)

(b)2017年6月5日(大雨，NS值為0.891)

(c)2017年6月22日(暴雨，NS值為0.881)

(d)2017年9月27日(暴雨，NS值為0.760)

表2 模型水文參數靈敏性與率定結果

注：“#”表示水文參數對峰值流量具有靈敏性；“&”表示水文參數對徑流總量具有靈敏性。

相關研究指出，降雨場次控制率較年徑流總量控制率更有實用意義，一般而言90%～95%降雨場次控制率大致對應80%～85%年徑流總量控制率[17-20]。根據當地氣象站1962—2017年日降雨數據，扣除降水量小于2 mm的日降雨事件后[19]，共計5 630場次降雨事件，統計分析后可得設計降水量與場次控制率的對應曲線如圖4所示。

圖4 降雨場次控制率-設計降水量曲線

秀山海綿城市建設徑流總量控制目標為75%，其所對應降雨場次控制率約為85%，即有效控制降水量不超過25 mm的場次降雨，使中、小雨等級的降雨不產生積水內澇。由于在利用IBM SPSS Statistics軟件的多元線性逐步回歸法分析不同降雨事件中降水量、降雨峰值、平均降雨峰值和降雨歷時等因素對徑流的影響時，發現降水量、降雨峰值和降雨歷時3個參數對降雨徑流影響顯著，因此，在控制降水量不超過25 mm的中、小雨時，應根據降雨歷時和降雨峰值分析不同降雨強度的場次降雨事件。

3 現有LID措施布局方案及水文調控效果

3.1 現有LID措施布局方案

研究區域現存LID設施雨水花園、植草溝和透水鋪裝3種，具體空間布局見表3。研究區域經LID改造后，將下墊面劃分為綠地、雨水花園、植草溝、透水鋪裝、硬地路面和房屋建筑等6種土地利用類型。其中，透水鋪裝面積79 770 m2，占13.1%；雨水花園4 742 m2，占0.8%；植草溝3 036 m2，占0.5%；綠地191 549 m2，占31.4%；硬地路面206 901 m2，占33.9%；房屋建筑124 002 m2，占20.3%。

3.2 現有LID措施對降雨徑流的水文調控效果

通過對2016年12月至2017年12月為期1年的徑流量監測數據統計分析，發現研究區域進行LID措施改造后，徑流總量控制率和峰值流量削減率分別為67.4%和59.7%，并未達到75%年徑流總量控制率目標。為驗證這一結論，將25 mm設計降水量(對應85%降雨場次控制率和75%年徑流總量控制率目標)按24 h、6 h和2 h 3種降雨歷時進行降雨過程設計，并運用SWMM模型分析現有LID設施改造后對降雨徑流的水文調控效果，結果見圖5。

研究結果表明，現有LID措施改造后研究區域在不同降雨情形下均無法滿足降雨場次控制率要求，即無法達到75%的年徑流總量控制目標。通過對各子匯水區域降水量、下滲量、徑流量與峰值流量等雨洪參數的分析，認為現有LID設施布局方案存在如下不足：①LID設施占比規模過小，僅為14.4%，特別是有些不透水率較大的區域尚未進行LID改造；②LID設施組合不合理，雨水花園和植草溝等生物滯留設施占比僅為1.3%，僅為透水鋪裝設施占比的10%，而單項LID措施的實測與模擬數據均表明透水鋪裝僅對峰值流量起削減作用，而生物滯留設施對徑流總量的削減效果更佳。因此，需對現有LID措施進行擴容與組合優化，同時2 h歷時的降雨徑流模擬更能反映當地短歷時雨型的降雨特征，根據該降雨條件下各子匯水區域產流情況，需重點對S1、S2、S3、S8、S9、S11、S13和S21等子匯水區域進行LID措施的擴容與重新組合。

表3 現有LID措施布局

(a)24 h

(b)6 h

(c)2 h

4 LID措施改造方案

城市化后地表產流能力顯著增強，產流過程顯著加快，容易產生內澇等問題，因此需要對其進行LID改造。為滿足研究區域LID改造后區域年徑流控制率不低于75%的要求，應盡可能對傳統硬地路面和綠地在滿足其功能用途的條件下增加LID改造比例，主要通過控制雨水花園比例、植草溝比例、透水鋪裝比例及其組合方式得出各類設施的控制指標值，并根據實際方案布置各類設施的控制比例。LID措施的擴容布設方案見圖6。①方案1：人行道和市政廣場全部改造為透水鋪裝；將雨水花園(2%)+植草溝(3%)組合形式布設于低洼、徑流終端、建筑物附近等區域的傳統綠地上。②方案2：人行道以透水鋪裝(96%)+植草溝(4%)組合形式進行改造；市政廣場以透水鋪裝(97%)+植草溝(3%)組合形式進行改造，植草溝布設于道路兩側或建筑物附近；傳統綠地以雨水花園(3%)+植草溝(2%)組合形式改造。③方案3：人行道以透水鋪裝(94%)+植草溝(6%)組合形式改造；市政廣場以雨水花園(2%)+植草溝(1%)+透水鋪裝(97%)組合形式改造，雨水花園主要布設于建筑物四周；傳統綠地以雨水花園(4%)+植草溝(1%)組合形式改造。④方案4：人行道以透水鋪裝(92%)+植草溝(8%)組合形式改造；市政廣場以雨水花園(3%)+透水鋪裝(97%)組合形式改造；傳統綠地僅采用雨水花園改造。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4

圖6 LID措施擴容改造布局方案

5 LID措施改造方案評價方法

5.1 評價指標體系建立

海綿城市中LID措施是一項涵蓋水文、生態、經濟和社會效益的雨洪管理技術，可將LID措施綜合性能具體量化為徑流控制(A1)、徑流污染削減(A2)、建設成本(A3)、維護管理成本(A4)和利用效益(A5)等指標進行評價。其中，生態效益主要體現在LID措施對徑流污染量的削減，以實現對水系生態功能的保護與修復，故采用A2指標對其生態效益進行評價；經濟效益采用A3和A4兩個指標進行綜合評價。結合LID措施的結構特性和功能特點，對5個指標進行分析、賦值與評價，構建LID措施性能的評價指標體系。

a. 徑流控制(A1)。LID措施的徑流控制性能又可采用徑流量控制(A11)、峰值流量削減(A12)和洪峰延遲(A13)等3個二級指標體系進行評價分析。由于LID措施對徑流的控制可通過滯留(a1)、吸附(a2)、入滲(a3)、過濾(a4)、蒸發蒸騰(a5)和植物吸收(a6)等6個水文途徑實現，因此，在評價LID措施徑流控制性能時，首先結合國內外對LID措施技術特點的理論研究與實踐經驗，對LID措施各水文途徑在徑流控制中所起的作用效果進行量化分析，然后再根據水文途徑在A11、A12和A13指標上的控制能力予以賦值。在賦值時，將水文途徑作用效果及其對徑流的控制能力劃分為很好、好、較好、一般、差等5個等級，分別賦值2.5、2.0、1.5、1.0和0.5，若無效果則賦值為0，賦值結果如表4所示。單位面積LID措施在徑流控制性能上的評價得分則根據式(1)計算得到，結果如表5所示。

Rik=∑xijyjk

(1)

式中：Rik為第i種LID措施在第k項二級徑流控制指標上的得分值；xij為第i種LID措施在第j項水文途徑上的原始得分；yjk為第j項水文途徑在第k項二級徑流控制指標上的原始得分。

表4 徑流控制指標量化

表5 單位面積LID措施徑流控制性能評價

b. 徑流污染削減(A2)。雖然LID措施可去除徑流中的SS、COD、TN、TP等多種污染物，但我國海綿城市建設一般以SS削減率作為徑流污染削減的考核指標。因此，根據研究區域內對已建成LID措施凈化效能的研究結果，將SS去除率中位數作為單位面積LID措施在徑流污染削減指標上的賦值依據，并對單位面積LID措施在徑流污染削減性能進行評價分析，結果見表6。

表6 單位面積LID措施徑流污染削減性能評價

c. 建設成本(A3)與維護管理成本(A4)。經濟效益是選擇LID措施時需要考慮的一項重要因素，包括建設成本(A3)和管理維護成本(A4)兩項評價指標。根據國內實際項目資料調研，并參考國外資料[21]，對LID措施單位建設成本和維護管理成本進行了總結。為使A3和A4在單位上保持一致性，需對其無量綱化處理，并以5、4、3、2、1進行賦值，分值越低，則費用越高。單位面積LID措施經濟性能評價結果見表7。

表7 單位面積LID措施經濟性能評價

d. 利用效益(A5)。LID措施的社會效益以利用效益(A5)進行評價，主要包括雨水資源利用價值(A51)、景觀價值(A52)和生態功能價值(A53)3個二級指標體系。根據LID措施的功能特點和國內外應用實踐效果，將利用效益劃分為無效益、低效益、較低效益、中效益、較高效益、高效益等6個等級，并分別以0、1、2、3、4、5進行賦值，可得到單位面積LID措施利用效益評價結果如表8所示。

表8 單位面積LID措施利用效益評價

為在同一尺度下對不同LID措施進行綜合性能的量化評價，需對各評價指標綜合得分按式(2)進行線性歸一化處理，結果見表9。

(2)

式中：rij為第i種LID措施在第j個指標的歸一化值；xij為第i種LID措施在第j個指標上的原始得分；xij,max為LID措施在第j個指標上的得分最大值。

表9 單位面積LID措施性能評價指標歸一化值

5.2 LID 措施綜合性能評價方法

利用層次分析法對雨水花園、植草溝和透水鋪裝3種LID措施的綜合性能進行評價。根據層次分析結構模型，采用標度法對同層指標的重要程度進行賦值，構建判斷矩陣并采用求和法計算得到權向量矩陣W和B(一致性比率均小于0.1)

W=(0.50,0.29,0.05,0.07,0.09)

其中，權重矩陣W中的數值即為各性能評價指標權重Wj，而兩矩陣相乘便可求得雨水花園、植草溝和透水鋪裝等LID措施的權重Wi，分別為0.441、0.288和0.257。

5.3 評價結果

根據各方案中LID措施面積、性能評價指標及其求得的Wi、Wj，按式(3)求得方案1、2、3、4的綜合得分分別為37 606.79、37 760.71、37 897.79和38 009.02。

Z=∑(AjrijWiWj)

(3)

式中：Z為總得分；Aj為各LID設施的占地面積；rij為各性能評價指標歸一化值。

綜合評價結果表明，方案4為LID措施擴容改造的最優方案。研究區域經LID措施擴容改造后，LID措施面積占比從14.4%增至25.6%，不透水性降至43.5%。其中，透水鋪裝、雨水花園和植草溝面積3種措施的面積占比分別為22.8%、1.9%和0.9%。

6 SWMM模擬驗證

6.1 不同方案的水文調控效果

為進一步驗證評價結果的正確性，對4種擴容改造方案和原LID措施布設方案在不同設計重現期(2 a、10 a和50 a)下的水文調控效果進行模擬，結果見表10。從水文調控效果來看，方案4在徑流總量控制率、峰值流量削減率和峰值流量延遲時間等水文調控特性上均達到最佳，且各擴容改造方案的調控效果與評價結果顯著正相關。以重現期2 a為例，LID措施綜合性能評價體系評分越高，水文調控效果越好，徑流總量控制率和峰值流量削減率與評分值相關性最為顯著，R2均接近于1。研究結果表明，構建的LID措施綜合性能評價體系可用于區域、街區等中小尺度下海綿城市改造方案的優選評價。

6.2 LID措施擴容改造后的徑流水文調控特性

由表10可知，LID措施擴容改造后對雨洪控制的效果顯著提升，特別是最優方案4對2年一遇小重現期暴雨的水文調控更有效，徑流總量控制率和峰值流量削減率較現有LID措施布局分別提高了34.4%和42.6%，并顯著延緩了峰值出現時間。利用SWMM模型對LID措施擴容改造后在3種降雨過程(25 mm場次降水量)下的地表產流過程進行模擬分析，以驗證該方案滿足75%年徑流總量控制率的要求，結果見圖7。

研究區域經LID措施擴容優化后，在降雨歷時分別為24 h和6 h條件下(對應降雨峰值5.1 mm/h和24.2 mm/h)并未產生地表徑流，可就地消納85%年平均場次降雨。而當降雨歷時為2 h時，降雨峰值增至76.9 mm/h，研究區域有少量地表徑流出現，透水鋪裝暗渠開始外排雨水。研究結果表明，擴容改造方案在短歷時強降雨條件下，主要起水文調控作用，并不能完全控制徑流不外排。由于當地降雨峰值在60 mm/h及以下的年平均降雨場次達86.9%，即可認為該方案能滿足85%年降雨場次控制率要求，可實現75%年徑流總量控制率目標。

(a)24 h

(b)6 h

(c)2 h

6.3 管網承載能力改善情況

研究區域排水設施經LID設施擴容改造后的管網承承載能力得到顯著改善，當暴雨設計重現期為2 a和10 a時，排水管網無管段超載與節點溢流，且地表徑流能得到有效控制。隨著重現期增為50 a時，雖然地表徑流控制效果有所減弱，排水管網也將出現少量管段超載(超載率為3.03%)和節點溢流現象(節點溢流率5.56%，最大溢流時間3.2 min)，但研究區域的總體內澇風險較低。

表10 不同LID設施布局的水文調控特性

7 結 論

a. 現有LID措施改造后，研究區域的年徑流控制率低于75%，且在設計降水量25 mm(對應降雨場次控制率為85%)的不同降雨條件下均無法滿足降雨場次控制率要求。現有LID措施改造方案主要存在LID設施面積占比過小和組合方式不合理等問題。

b. 將LID措施的水文、生態、經濟和社會效益具體量化為徑流控制、徑流污染削減、建設成本、維護管理成本和利用效益5個指標，其權重分別為0.50、0.29、0.05、0.07和0.09，結合單項LID措施性能評價指標體系與權重，構建了LID措施改造方案綜合評價體系。

c. 不同LID措施改造方案的綜合評分與徑流總量控制率、峰值流量削減率等水文控制指標顯著正相關，確定LID擴容改造最優方案為：人行道以透水鋪裝(92%)+植草溝(8%)組合形式改造，市政廣場以透水鋪裝(97%)+雨水花園(3%)組合形式改造，傳統綠地以雨水花園改造。水文模擬分析表明，LID措施擴容改造后對雨洪控制的效果顯著提升，研究區域排水管網的承載能力顯著得到改善。研究結果證實構建的LID措施綜合性能評價體系可用于中小尺度下海綿城市改造方案的優選評價。