秦嶺北麓城市型河流LID建設模擬及其水文響應特征研究

劉 俊，韓 波，王戰平，慕登睿，郭 鵬，呂繼強，沈 冰

(1.陜西省河流工程技術研究中心，西安 710016；2.西安浐灞生態區管理委員會，西安 710024；3.西安世園園林有限責任公司，西安710024；4.長安大學水利與環境學院，西安710054；5.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，西安710054；6.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，西安 710048)

秦嶺北麓河流屬渭河支流，連接秦嶺、渭河兩大生態區域。河流經關中平原城市群后匯入渭河，是關中平原城市群的主要水源地。灞河是秦嶺北麓半干旱區典型城市型河流，流域內長期圍繞解決關中城市群發展與水資源緊缺問題，開展不同規模的水資源開發利用和水利工程建設，逐步形成以城市發展為核心的城市河流及河岸帶水文生態系統。近些年西安市不斷加速城鎮化建設，已顯著影響流域地表水、地下水環境質量。目前，灞河流域水文系統演化面臨包括城鎮擴張、經濟發展、全球氣候變化、生態環境惡化等多重壓力。

近些年，氣候變化、強烈的人類活動導致下墊面發生改變，城市雨水、污水管道合流，城市排水管網設計標準不夠高等[1-3]因素，導致城市內澇現象時有發生。國內外研究成果表明，基于城市低影響開發建設(low impact development，LID)措施的海綿城市建設對于水資源的利用，緩解城市內澇現象有著顯著的效果[2-5]。國外的研究者提供了多種雨洪模型開展城市降雨徑流模擬，可用于指導海綿城市建設[4-10]。Storm Water Management Model(SWMM)被認為是最廣泛使用于城市區域的，模擬城市降雨徑流模型的軟件[11-16]。目前，國內外專家學者對于城市降雨徑流模擬、海綿城市建設技術的理論和經驗已較為成熟，但仍存在試點碎片化、設計依據缺乏時效性、缺乏針對性等問題[14,17,18]。

2016年，《西安市海綿城市建設實施方案》[27]發布，灞河中下游城市區列為西安市海綿城市建設試點區域。灞河流域中下游城市區除受到內澇災害外，河流水質問題更為嚴峻、地區水資源不足問題較為突出[19,20]。如何合理提高水資源的利用效率，緩解城市內澇現象，是秦嶺北麓缺水型城市發展亟待解決的問題。本文依據秦嶺北麓獨特的地理環境，科學分析海綿城市建設措施的內澇減災效果，探討缺水地區城市區低影響開發建設可能的流域水文系統變化及其水環境問題，對更合理地開展流域雨洪管理工作具有指導意義。

1 研究區概況

1.1 流域概況

灞河是渭河一級支流，位于西安市東南部(E 109°00′～109°47′、N 33°50′～34°27′)，由南向北匯入渭河，總流域面積為2 581 km2。灞河流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明。降水量年內分配不均，7-10月降水量占全年的60%以上，最高達到77.1%。降水量年際變化較大，年最大降水量999.0 mm，為年最小降水量的2～3倍[20]。年降水量變差系數Cv值變化范圍在0.20～0.30之間。灞河流域多年平均地表水資源量約6.098 億m3，折合徑流深約236.3 mm。

灞河流域范圍涉及西安市39個鎮，交通發達[19]，是西安農業、林業重要區域，陜西省紡織工業、國防制造工業、汽車工業的重要生產地。2004年后，灞河中下游的藍田縣及西安浐灞生態區的城鎮化建設加速，中下游河道內已建成橡膠壩蓄水工程，形成河道連續水面(橡膠壩位置見圖1)。河流中下游城市化建設對區域水環境始終產生著較大壓力，而近年來區域內的人口數量激增與城鎮面積迅速擴張，對流域水環境造成影響。根據2010-2019年的水質監測數據，灞河入渭河河口處河流水質低于地表水環境質量標準Ⅴ類[19、21]。目前，西安浐灞生態區成為灞河流域海綿城市建設示范區。詳細流域位置信息見圖1。

圖1 灞河流域位置圖Fig.1 Location of Bahe River basin

1.2 流域土地利用概況

對研究區內1995年、2000年、2005年、2010年及2015年土地利用情況進行統計，獲得土地利用類型面積變化及空間分布圖(見圖2)。農用地、草地和與林地是流域內的主要土地利用類型，常年占總面積的80%以上。1995年至2015年間，草地與灌木的縮減明顯，2015年面積較1995年縮減了46%；城鎮用地呈現增長趨勢，其中城鎮面積擴大了近4倍，占流域總面積15%以上；2015年水域面積較1995年增加了46%，占總面積的2.87%。水域面積增加，主要是流域下游城市段，建設濱河人工湖、水景公園等河湖水系連通工程，擴大水域面積。流域中下游快速城鎮化建設對河流水量、水質及水域生態環境影響較大[19-21,26]。

圖2 代表年土地利用圖[26]Fig.2 The land use maps in 1995,2000,2005,2010 and 2015

2 研究內容與方法

本文通過構建灞河流域SWMM模型，對不同重現期及典型降雨過程的降雨徑流過程進行模擬計算，并對不同LID措施的流域洪峰、洪量變化規律分析，同時構建河段水量平衡模型，對海綿城市建設后的河流水量、水流流速、河道滲漏量(濱河帶河流補給地下水量)等量值變化及可能的水質環境影響進行分析，探討海綿城市建設的水文過程影響。

2.1 洪水資源管理模型(SWMM)模型原理

SWMM模型是基于水動力學的降雨-徑流模擬模型，可以模擬時變降水量、地表水蒸發、洼地截留、降水下滲、地下水補給、水量交換、坡面產匯流等水文過程[12-15]，被廣泛使用于城市區降雨徑流模擬計算中。SWMM模型構建所需要的數據包括氣象數據、管網數據、下墊面數據、其中氣象數據包括降雨量、流量等。下墊面數據包括研究區域土地利用情況、坡度、土壤類型等。在SWMM模型中關于水文模擬演算的核心模型包括：地表產流模型、地表匯流模型、管網匯流模型[12]。

本文SWMM模型計算，依據河道地形將河段概化為管道考慮，截面形狀是不規則的斷面；依據流域坡度、水系及水文地質分區情況，在充分考慮了建模區下墊面信息和匯流線路的分布狀況后，對整個排水區域進行劃分。模型主要產匯流計算原理如下[15]。

2.1.1 產流模型

在模型中子匯水區被分為透水區域和不透水區域兩個部分。其中，不透水區域分為：具有蓄水能力的不透水區域、不具有蓄水功能的不透水區域。

(1)可滲透面積產流量：

Q1=(i-fa)Δt

(1)

式中：Q1為產流量，mm；i為降雨強度，mm/s；fa為下滲速度，mm/s；Δt為下滲時間，s。

(2)有洼地蓄水不滲透面積產流量：

Q2=P-D

(2)

式中：Q2為地表產流量，mm；P為總降水量，mm；D為洼地蓄水量，mm。

(3)無洼地蓄水不滲透面積產流量：

Q3=P-E

(3)

式中：Q3為地表產流量，mm；P為總降水量，mm；E為蒸發量，mm。

2.1.2 地表匯流模型

SWMM模型中地表匯流通過將各匯水區域近似作為非線性水庫而實現，聯立曼寧公式和連續方程并用有限差分法并采用牛頓法迭代求解。連續性方程為:

(4)

式中：s為子匯水區面積，m2；t為時間，s；V為子匯水區總蓄水量，m3；P′為凈雨深，m；h為水深，m；q為徑流流量，m3。

(5)

式中：w為子匯水區的寬度，m；N為子匯水區曼寧系數；hs為最大洼地蓄水深度，m；l為子匯水區域坡度。

2.2 河道水量平衡模型與求解

灞河下游城市段長期運行2座梯級橡膠壩，橡膠壩庫區蓄水形成河道連續水面。本文構建河道水量平衡模型，對梯級橡膠壩庫區水量變化進行分析。以河道入橡膠壩庫區流量、區間取用水量、橡膠壩庫區出流量(灞河入渭河水量)和庫區水面面積為主要變量，結合降水量和水面蒸發量研究成果[20,21]，建立水量平衡方程。灞河下游城市段河道水量平衡模型如下：

W出庫水量=W降水量+W入庫水量+W蒸發水量+W滲漏量+W取水量±ΔW

(6)

式中：W降水量是根據當地氣象站的降雨資料計算出研究時段的降雨量，乘以平均水位面積而得；W入庫水量是由分布式水文模型計算得到；W蒸發水量則由日蒸發資料計算出研究時段的水面蒸發量，乘以面積則是對應時段的總蒸發量；W取水量為河道外綠化灌溉取水量；ΔW為橡膠壩庫區的蓄水量變化量。

則出庫流速V出庫流速可表示 為：

V出庫流速=W出庫水量/(bh+mh2)

(7)

式中：b為河道底寬；m為邊坡；h為河道水深。

模型依據河道徑流資料、降水、蒸發及橡膠壩水位～庫容關系等資料構建水量平衡方程，計算水庫一定時段蓄水變化量、時段平均庫容量、時段內實際的庫水面蒸發量，估算庫區平均水流流速、河段滲漏量等。本文參考《西安浐灞生態區橡膠壩庫區滲漏量研究報告》[22]結果，橡膠壩庫區平均綜合滲透系數為0.066 m/d。采用自主研發的生態調度模型與智能優化算法進行模擬計算[23,24]。

3 結果與分析

3.1 SWMM模型構建與應用

本文SWMM模型計算，依據流域坡度、水系及水文地質分區情況，在充分考慮了建模區下墊面信息和匯流線路的分布狀況后，對整個排水區域進行概化，共劃分匯水區93片、匯水節點56個及排水口2個。結合流域下墊面土地利用情況，合理劃分子流域面積、制定下滲參數分區。具體空間提取結果見圖3。

3.1.1 參數確定

本研究參考《西安市海綿城市建設實施方案》[27]中參數分區及SWMM模型用戶手冊提供的模型參數選取辦法，確定不透水區蓄洼深度為2 mm，透水區蓄洼深度為7 mm；不滲透性粗糙系數和滲透性粗糙系數由各子流域內不同土地類型面積加權計算得到。降雨入滲選用Horton公式模擬計算匯水區入滲量。在模型其他參數確定的基礎上，以實際調研降雨、淹水水深資料對入滲速率進行率定；同時，將不同飽和土壤水力傳導值按照流域各土壤類型的面積進行加權平均，利用手冊提供的飽和土壤水力傳導表格確定流域的最小入滲速率。參考《西安市海綿城市建設實施方案》及SWMM 用戶手冊確定的流域主要參數值見表1。

表1 流域主要參數值Tab.1 Main parameters parameters

3.1.2 SWMM設計暴雨洪水模擬與驗證

(1)灞河流域不同設計頻率每五分鐘降雨過程。本文參考畢旭等[25]與候精明等[4]已有研究成果，并結合灞河流域實測降水過程資料，分析認為西安城區短歷時暴雨較為集中，以單峰型居多，因此選用芝加哥雨型作為設計降雨，并選用峰值比例r=0.48 表征雨型。采用城市暴雨洪水管理模型SWMM模擬計算設計暴雨重現期為2、10、20、50和100 a的設計洪水，并依據《西安市實用水文手冊》的設計洪水成果驗證模型模擬計算結果，見表2。驗證和評價合格后，開展灞河全流域設計洪水計算。不同設計頻率(2、10、20、50、100 a)每5 min降雨過程見圖4。

圖4 不同設計頻率(2、10、20、50、100 a)每5 min鐘降雨過程Fig.4 Rainfall process every five minutes at different design frequencies (2,10,20,50,100 years)

(2)灞河流域實測降雨徑流過程驗證。采用2013 年6月9 日實測降水徑流過程進行模型驗證。2013 年 6月 9 日暴雨天氣過程是單峰型降雨過程(圖5) ，累計雨量為35.2 mm，接近于2000-2017年間典型降雨過程。模型驗證結果見圖4，可見模擬徑流過程與實測徑流過程基本一致，可以認為模型參數選擇合適，能夠用于該區域城市雨水控制與利用的模擬計算。

圖5 模型驗證結果Fig.5 Model validation results

(3)灞河流域上游區域設計洪水模擬結果評價。表2，模型模擬計算結果與《西安市實用水文手冊》的設計洪水成果對比，洪峰模擬誤差在2.2%～11%之間，滿足《水文情報預報規范》(SL250-2000，水文情報預報規范[S])實測徑流的誤差20%要求。說明模型基本反映了流域降水～產流關系，模型構建與參數區間選擇基本合理。

表2 SWMM模型模擬灞河流域設計洪水結果評價Tab.2 Evaluation of design flood simulation results of SWMM model in Bahe River Basin

3.2 城市LID建設的河流水文系統變化分析

3.2.1 LID建設的設計洪水過程響應

參考《西安市海綿城市建設實施方案》[27]中灞河下游海綿城市建設指標及主要工程措施，設置3種方案的城市低影響開發建設(low impact development，LID)措施，LID①雨水花園建設、LID②透水鋪裝道路建設、LID③雨水花園和透水鋪裝結合，利用SWMM模型模擬計算浐灞河流域城鎮開展海綿城市建設后的河流下游水文變化。不同設計暴雨重現期下，LID措施實施前后的洪水過程對比見圖6。

圖6 不同設計暴雨重現期下 LID措施實施前后的流域洪水過程對比Fig.6 Comparison of basin flood process before and after implementation of lid measures under different design rainstorm return periods

灞河中下游城市區實施海綿城市建設后，城市區蓄水較多，灞河河道洪水徑流量減少明顯。其中，生物滯留池與透水鋪裝措施結合的海綿城市建設，對城市河道洪水過程影響較大。圖4表明，設計暴雨重現期短于10 年時，設計洪峰消減較明顯。設計暴雨重現期為2年時，洪量減少13%～20%。設計暴雨重現期大于20年時，洪峰減少率僅為10%左右；設計暴雨重現期為10 年時，洪水總量減少比例達到25%～29%。設計暴雨重現期為2年時，洪水總量減少13%～20%之間。設計暴雨重現期大于20年時，洪峰減少率為10%～18%之間。

3.2.2 LID建設的河流城市段水文響應

目前，灞河下游河道內梯級橡膠壩的水量調度原則為在保障生態基流量后，盡可能多蓄水，滿足區域水景觀要求。模擬計算結果表明，海綿城市建設的消減洪水作用顯著，可緩解城市內澇現象，但同時減少入河水量，可能影響灞河城市段河道水質、水量等水文循過程。

因此，本文以2000-2017年間典型降雨過程為例，采用SWMM模型及河段水量平衡模型，模擬計算生物滯留池措施實施后對河段水量及河道水環境影響。2000-2017年間典型降雨過程及SWMM模型模擬計算結果見圖7。生物滯留池措施前后灞河下游橡膠壩庫區水量變化結果見表3。

圖7 2000-2017年間典型降雨過程及SWMM模型模擬計算LID措施后徑流過程變化Fig.7 Runoff process changes of typical rainfall before and after lid measures in 2000-2017

表3 生物滯留池措施實施前后灞河下游橡膠壩庫區水量變化Tab.3 Water quantity change in the lower reaches of Bahe River after the implementation of biological detention pond measures

研究區內2000-2017年典型降雨產流過程模擬計算表明，海綿城市建設實施后河道徑流總量減少約28%(圖6)；城市段河道水量平衡計算結果表明(表3)，海綿城市建設后橡膠壩庫區水量減少，河道內水流流速減緩比例為16%～50%之間，水量滯留橡膠壩庫區時間增加；水量減少后，隨蓄水水位及水面面積減小，滲漏量減少約35%。

根據2010-2019年的水質監測數據，灞河入渭河河口處河流水質低于地表水環境質量標準Ⅴ類[19,21]。灞河流域中下游快速城鎮化建設對河流水量、水質及水域生態環境影響不斷加重[19,20]。海綿城市建設引起河道水量減少，水流流速減緩等水文條件改變等問題，可能會加劇城市河流水環境污染問題。城市河流低影響開發建設需在緩解內澇問題的同時，兼顧可能帶來的河道水量、水質等水文過程變化，及其對區域城市發展制約作用，合理地開展城市雨洪管理工作。

4 結 論

本文以城市型河流灞河為例，采用基于水動力學的降雨-徑流模擬模型(SWMM)和河道橡膠壩庫區水量平衡模型，探討近海綿城市建設措施的流域水文系統變化及其水環境問題，得到主要結論如下：

(1)灞河流域內實施海綿城市建設后，灞河河道徑流量減少明顯。對不同重現期的降雨徑流過程進行模擬計算結果表明，設計暴雨重現期短于10 年時，設計洪峰、洪量消減較明顯。設計暴雨重現期大于20年時，作用有限。

(2)2000-2017年典型降雨產流過程模擬計算表明，實施海綿城市建設后，河道徑流總量減少約28%，河道內水流流速減緩比例為16%～50%之間，水量滯留橡膠壩庫區時間增加；水量減少后，隨蓄水水位及水面面積減小，滲漏量(濱河帶河流補給地下水量)減少約35%。灞河下游城市段河道徑流減少，水流流速減緩，會進一步加重污染物在河道內及橡膠壩庫區沉積，進而加重水環境污染問題。

(3)目前，灞河沿岸污染物排放未有效控制情況下，快速城鎮化建設對河流水量、水質及水域生態環境影響不斷加重。秦嶺北麓關中平原城市群開展低影響開發建設需減少對河道水文過程影響，考慮河流水文與水環境變化，制定合理的城市雨洪管理措施。

(4)秦嶺北麓氣候與地理環境特殊，流域內低影響開發建設會影響河流水文系統。因此，灞河流域應在科學的規劃下，結合已建成的河湖水系連通工程和城市型河流水文特征打造“海綿城市”。該地區的低影響開發建設應優先考慮構建河湖水系連通工程與下沉式綠地、人工濕地、透水鋪裝、透水路面、多功能調蓄等低影響開發設施的綜合海綿系統。因地制宜采取符合自身特點的措施，從而改善城市的生態環境，提高民眾的生活質量。

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