海綿城市徑流控制模型研究

王 永，趙 萍，梁振凱，郝新宇

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310012）

0 引 言

海綿城市理念體系中，年徑流總量控制率作為重要指標(biāo)和關(guān)鍵性抓手，在推動(dòng)海綿城市建設(shè)中起到了重要作用。

年徑流總量控制率的常用計(jì)算方法有徑流系數(shù)估算法、容積法和模型法，而復(fù)核方法包括了監(jiān)測(cè)法等。根據(jù)相關(guān)研究比較，目前最為科學(xué)合理的計(jì)算方法仍是模型法。但模型法準(zhǔn)確的前提是建模的科學(xué)性保證，而模型本身就是對(duì)客觀存在的一種近似模擬，并且構(gòu)成比較復(fù)雜，因此建模過(guò)程中的一系列假設(shè)、概化以及模型采用的邊界條件、參數(shù)取值等必然會(huì)對(duì)其模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

本文從降雨邊界、概化程度、建模參數(shù)、率定方式4個(gè)方面闡述對(duì)模型法建模的一些經(jīng)驗(yàn)和探索。

1 降雨邊界

年徑流總量控制率的計(jì)算對(duì)降雨最為敏感。而采用模型法計(jì)算年徑流總量控制率時(shí)需加載多年連續(xù)降雨資料，因此涉及到降雨步長(zhǎng)和時(shí)間序列長(zhǎng)短。一般來(lái)說(shuō)理想的情況是時(shí)間序列盡可能長(zhǎng)一些、降雨步長(zhǎng)盡可能短一些。根據(jù)杭州、紹興等地的研究結(jié)論[1-2]，降雨步長(zhǎng)越短則建模結(jié)果越精確，但降雨步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)往往準(zhǔn)確性較低（如氣象部門對(duì)日降雨量進(jìn)行整編，但對(duì)分鐘數(shù)據(jù)未必核準(zhǔn)），而且降雨步長(zhǎng)較短的降雨其時(shí)間序列往往較短。因此需要取得一個(gè)平衡，建議偏頂層設(shè)計(jì)的專項(xiàng)規(guī)劃等采用日降雨資料，而實(shí)施方案或者建設(shè)規(guī)劃用小時(shí)或者分鐘步長(zhǎng)，項(xiàng)目評(píng)估方面則采用分鐘步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)降雨步長(zhǎng)越短，結(jié)果越精確；降雨步長(zhǎng)越長(zhǎng)，結(jié)果越保守。這主要是因?yàn)椴介L(zhǎng)較長(zhǎng)的降雨拉平了雨峰，讓模型中的浸潤(rùn)-飽和-干燥過(guò)程簡(jiǎn)化成了持續(xù)飽和，結(jié)果一直產(chǎn)生徑流，使?jié)B透量縮減。因此若采用日降雨量直接加載到模型中，就會(huì)使模型產(chǎn)生特別保守的計(jì)算結(jié)果。表1為紹興市上虞區(qū)某公園項(xiàng)目采用日降雨量和分鐘降雨量進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。由表1可見(jiàn)，根據(jù)日降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算的年徑流總量控制率明顯偏低。

表1 2007年～2017年根據(jù)日降雨量和分鐘降雨量計(jì)算的年徑流總量控制率 單位：%

通常的降雨時(shí)間序列長(zhǎng)短包括有30 a、8～10 a、3 a、1 a等，一般采用8～10 a的數(shù)據(jù)。一般而言，時(shí)間序列越長(zhǎng)越好，但考慮數(shù)據(jù)的可獲取性，一般日降雨量可以獲得30 a左右的時(shí)間序列，而小時(shí)和分鐘降雨量往往只能獲得10 a左右的時(shí)間序列。之所以要獲取盡可能長(zhǎng)的時(shí)間序列，是為了保證選取的序列中包含豐、平、枯等不同的年份，從而獲取更為客觀的數(shù)值。為驗(yàn)證時(shí)間序列長(zhǎng)短對(duì)結(jié)果的影響，仍以上述紹興市上虞區(qū)的降雨為例，通過(guò)將11 a（2007年～2017年）中1 min間隔降雨量加載到某公園項(xiàng)目傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下，得到的年徑流總量控制率見(jiàn)表2。

由表2可知，11 a中，年徑流總量控制率最高值達(dá)到69%，最低值為58%，平均值為66%，大部分?jǐn)?shù)值偏差不大；2013年數(shù)值最低，可能與該年杭州灣一帶有較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)暴雨（如菲特臺(tái)風(fēng)）有關(guān)，因?yàn)榇笥辍⒈┯曛械拇蠖鄶?shù)雨水是直接產(chǎn)流的；此外，2012年也是這個(gè)系列中雨水最豐沛的1年（超過(guò)了2 100 mm），導(dǎo)致雨水總量較大，土壤滲透能力有限，年徑流總量控制率數(shù)值偏低。

表2 紹興上虞單年降雨模擬值比較

2 概化程度

降雨要加載到模型的下墊面上，根據(jù)排水管網(wǎng)是否納入模型中，模型概化方式一般分為兩種：一種是下墊面作為匯水區(qū)，同時(shí)與管道耦合；另一種簡(jiǎn)化的辦法是只做匯水區(qū)的源頭計(jì)算，管道不予列入。考慮到管網(wǎng)對(duì)水量控制僅起到臨時(shí)儲(chǔ)存作用，管網(wǎng)的下滲量幾乎可以忽略（否則就應(yīng)檢查管網(wǎng)的完好度），而且在多年連續(xù)降雨的情景下，管網(wǎng)只是一個(gè)雨水的途經(jīng)環(huán)節(jié)，而非控制環(huán)節(jié)，控制關(guān)鍵在于進(jìn)入管網(wǎng)之前的下墊面特征（包括土質(zhì)、蒸發(fā)、LID設(shè)施面積、LID設(shè)施的收集比例、相對(duì)豎向高程等），因此不將管網(wǎng)納入到模型模擬計(jì)算中。此舉可簡(jiǎn)化建模復(fù)雜程度，加快建模速度，將精力集中在源頭控制中，避免管網(wǎng)數(shù)據(jù)誤差等對(duì)建模進(jìn)程的干擾。

對(duì)只做源頭匯水區(qū)的模擬計(jì)算，可再分成兩類概化方式：（1）將1個(gè)項(xiàng)目作為1個(gè)整體的匯水區(qū)，對(duì)其中的LID設(shè)施部分、非設(shè)施部分作為參數(shù)輸入；（2）將不同的下墊面、不同的設(shè)施作為多個(gè)獨(dú)立的匯水區(qū)，分別賦予參數(shù)計(jì)算。根據(jù)相關(guān)研究[2]，在編制實(shí)施方案或者建設(shè)詳細(xì)規(guī)劃時(shí)，可簡(jiǎn)化成單個(gè)匯水區(qū)，LID對(duì)硬化面積的收集率取值作適當(dāng)保守估計(jì)，以形成偏安全的結(jié)果；而在單個(gè)項(xiàng)目的具體實(shí)施過(guò)程中，可考慮細(xì)分匯水區(qū)，LID對(duì)硬化面積的收集率取值作精細(xì)化估算，以形成更科學(xué)的結(jié)果。當(dāng)然，單個(gè)項(xiàng)目一般在預(yù)估時(shí)可概化成1個(gè)匯水區(qū)建模；如有詳細(xì)的匯水分區(qū)后，可按詳細(xì)子匯水區(qū)再建模計(jì)算。

3 建模參數(shù)

建模參數(shù)千差萬(wàn)別，與建模理論、建模軟件等均密切相關(guān)。本文以常用的SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)為例，從除降雨外，對(duì)年徑流總量控制率計(jì)算影響最為顯著的滲透系數(shù)、不透水率、硬化面積收集率、蒸發(fā)量4個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

一般項(xiàng)目的地勘資料反映，土質(zhì)表層為雜填土或者素填土，再往下為原生土層，因此對(duì)滲透系數(shù)通常存在兩種認(rèn)識(shí)：一種認(rèn)為土壤滲透性能受下層（深層）原生土質(zhì)的滲透能力影響，例如砂土易滲、黏土難滲；另一種認(rèn)為L(zhǎng)ID設(shè)施浸潤(rùn)、干燥過(guò)程的影響范圍都是在種植土層中，因此可忽略不同原生土質(zhì)的影響，土壤滲透性能可統(tǒng)一按壤土處理，從而簡(jiǎn)化建模過(guò)程。事實(shí)上若種植LID綠色設(shè)施過(guò)程中進(jìn)行了換土，那么第二種認(rèn)識(shí)或具有合理性，但畢竟種植土層深度有限（一般埋深1.0～1.5 m），再往下滲透時(shí)仍會(huì)受原生土質(zhì)影響；另外，對(duì)于部分下層非種植土的情況，如多年未開(kāi)發(fā)建設(shè)用地，可能下層的土質(zhì)并非如壤土般具有蓬松結(jié)構(gòu)，滲透性能也千差萬(wàn)別，而且年徑流總量控制率的取值對(duì)滲透系數(shù)非常敏感，因此建議按原生下層土質(zhì)區(qū)別進(jìn)行分類判斷更為客觀一些。對(duì)于具體取值，相關(guān)研究表明[1]：初設(shè)滲透速度對(duì)年徑流總量控制率影響不顯著；穩(wěn)定（飽和）滲透速度對(duì)年徑流總量控制率影響更為顯著，滲透速度參考值為砂土類11 mm/h，壤土類3 mm/h，黏土類0.5 mm/h；若表層土層較厚（例如達(dá)到5～6 m），一般LID滲透可能不會(huì)進(jìn)入到更下層土壤時(shí)，可直接按照表層壤土穩(wěn)定滲透速度3 mm/h取值。

不透水率是直接反映下墊面硬化比例的參數(shù)，一般有不同的計(jì)算方法。以住宅為例：一種認(rèn)為按下墊面中綠地透水、硬化地面和屋頂不透水、水面透水的方式處理；另一種認(rèn)為綠地中也有部分不透水、屋面也有部分透水等。實(shí)際建模中按前者更易操作，因此常采用簡(jiǎn)單估算方式：不透水率=（1-綠化率-水面率）。需要注意的是，LID設(shè)施添加后，SWMM軟件中不透水率要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，新的不透水率是去除LID設(shè)施后，其余構(gòu)成部分內(nèi)硬化面積的占比。

SWMM中LID模型不僅需要給出LID設(shè)施面積，還需獲取匯水子流域內(nèi)硬化部分的雨水匯入該LID設(shè)施的面積比例，即硬化面積收集率，該參數(shù)對(duì)年徑流總量控制率計(jì)算也影響顯著。根據(jù)相關(guān)研究[1]，一般設(shè)計(jì)過(guò)程中容易忽略收集率的因素而一味增加設(shè)施規(guī)模，導(dǎo)致事倍功半；若通過(guò)豎向以及管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化來(lái)提高收集率，則可起到事半功倍的效果，如某調(diào)蓄池收集率從6%提高到52%，則年徑流總量控制率可由61%提高至73%。因此建議盡量提高收集率，使得LID設(shè)施充分發(fā)揮作用。

蒸發(fā)量是另外一個(gè)重要參數(shù)，可參考相關(guān)導(dǎo)則規(guī)范等，如《浙江省海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（建規(guī)發(fā)〔2017〕1號(hào)）中提供了浙江省各縣市區(qū)月平均蒸發(fā)量。蒸發(fā)量一般按年均蒸發(fā)量或月均蒸發(fā)量設(shè)置，例如某市全年總蒸發(fā)量為822 mm/a，日均蒸發(fā)量為2.25 mm/d，經(jīng)模擬計(jì)算比較后發(fā)現(xiàn)，按月均蒸發(fā)量和年均蒸發(fā)量計(jì)算的年徑流總量控制率相差不大，兩者差別約0.1%。由此可見(jiàn)，兩種設(shè)置皆可。

4 率定方式

模型率定方式包括場(chǎng)次（降雨數(shù)據(jù)）率定方式和連續(xù)（降雨數(shù)據(jù)）率定方式。研究認(rèn)為，應(yīng)該集中精力在連續(xù)率定上。因?yàn)槟陱搅骺偭靠刂坡适轻槍?duì)總體控制的，而非單個(gè)的降雨，何況在不同大小的降雨下，率定出來(lái)的模型參數(shù)相差很大，不求“場(chǎng)場(chǎng)準(zhǔn)”，但求“常常準(zhǔn)”（總體準(zhǔn)）。若用場(chǎng)次率定，則要求很高，參數(shù)只能適用于某一重現(xiàn)期；而用連續(xù)降雨率定，則可以從總體出發(fā)，得到相對(duì)科學(xué)的率定結(jié)果。

率定可以采用1個(gè)項(xiàng)目的若干排放口連續(xù)多年的排放水量與降雨量之比核算出年徑流總量控制率的實(shí)測(cè)值，并與模擬值進(jìn)行比較。對(duì)于不透水率、硬化面積收集率等敏感參數(shù)進(jìn)行多次試算，對(duì)普遍性的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值更要慎重。由于年徑流總量控制率是多年平均數(shù)值，具有全局性，因此計(jì)算時(shí)可針對(duì)不同年份單獨(dú)計(jì)算其年徑流總量控制率，分析各年降雨的影響，然后從多方面進(jìn)行統(tǒng)籌分析，從全局出發(fā)進(jìn)行率定。切忌為了某一年的精確匹配而片面地調(diào)整參數(shù)，或者為了結(jié)果完全匹配而過(guò)分地調(diào)整某一參數(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)踐，總結(jié)海綿城市徑流控制模型的年徑流總量控制率計(jì)算參數(shù)、模型概化程度、降雨邊界條件以及率定方式設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)，希望為其他海綿城市建設(shè)模型搭建提供一定的參考。由于目前率定過(guò)程存在原始數(shù)據(jù)匱乏的缺陷，因此參數(shù)率定工作仍存在較大的困難，但從長(zhǎng)期來(lái)看，模型仍是未來(lái)精細(xì)化建設(shè)的重要抓手，對(duì)模型建模實(shí)踐的不斷探索，必然會(huì)促進(jìn)未來(lái)海綿城市的建設(shè)更加科學(xué)合理及客觀。