典型海綿城市措施對雨洪過程的影響模擬

左凌峰 趙漁亨 李繼清

(華北電力大學水利與水電工程學院，北京 102206)

近年來，我國城市化進程加快，城區(qū)硬化面積逐漸增大，同時受氣候變化、市政管網布設等因素的影響，導致降雨后產匯流速度加快、地表徑流系數(shù)增大、洪峰流量增大、峰現(xiàn)時間提前[1]。頻繁發(fā)生的城市內澇災害對城市水安全日益造成威脅，逐漸成為制約城市經濟社會發(fā)展的首要問題[2]。如2012年，北京“7·21”暴雨是60多年來的最強暴雨，房屋倒塌10660間，受災人口160.2萬，經濟損失116.4億元；2016年，武漢“7·6”暴雨覆蓋全市12個區(qū)，受災人數(shù)75.7萬，經濟損失22.65億元。

基于此，結合英國、美國、澳大利亞等國家的城市雨洪管理經驗，我國學者也進行了多年探索，2013年中央城鎮(zhèn)化工作會議首次提出，大力推進建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。近幾年，海綿城市的技術開發(fā)和效果評估都取得了很大進步，其中，模型模擬對于海綿城市措施效果評估起到了至關重要的作用。截至目前，已開發(fā)了SWMM[3]、MIKE URBAN系列[4]、ICM InfoWorks[5]、HSPF[6]、SUSTAIN[7]等模型，且在城市水文領域都得到了較為廣泛的應用。其中SWMM具有免費開源、界面簡潔、操作便捷等優(yōu)點，是國內運用最廣泛的模型之一。已有許多研究重點關注了城市居民區(qū)海綿城市建設措施對徑流的削減效果，并發(fā)現(xiàn)不同措施在各研究區(qū)域對徑流削減效果存在一定的差異，如晉存田等[8]分析了北京某區(qū)域透水鋪裝和下沉式綠地的應用效果，結果表明在降雨頻率較大時下凹式綠地效果較好，在降雨頻率較小時透水鋪裝效果較好；周昕等[9]發(fā)現(xiàn)南京市某區(qū)域的海綿城市設施對徑流的調蓄效果隨著降雨重現(xiàn)期的增大而下降；王婷等[10]分析了老舊小區(qū)的海綿城市措施布設比例，研究發(fā)現(xiàn)組合方案的最優(yōu)結果并不能套用最佳比例；戎貴文等[11]則研究了工業(yè)園區(qū)的5種海綿城市設施組合方案，其中綠色屋頂、雨水罐、植被淺溝和透水鋪裝的組合方案對總徑流量削減效果最好，而綠色屋頂、雨水罐、雨水花園和透水鋪裝組合方案對洪峰流量的削減效果最好；甘丹妮等[12]提出了4組海綿城市設施布置比例各不相同的組合方案，評估其效益，并分析得到沒有生物滯留設施的方案效益最小；吳盈盈等[13]發(fā)現(xiàn)深圳市光明區(qū)某小區(qū)單項海綿城市措施中透水鋪裝對徑流量削減效果最好，綠色屋頂對峰值流量削減效果最好。

此外，國內對于海綿城市的建設會特別關注內澇嚴重的城區(qū)，海綿城市設施對削減徑流、緩解城市內澇起到了積極作用。因此本文選取北京市未來科學城北區(qū)和亦莊X35號調蓄區(qū)兩種不同類型區(qū)域作為研究對象，分別選擇3場降雨用于SWMM模型的構建，并對研究區(qū)域增設相同比例的3種海綿城市措施，分別對比不同海綿城市措施在不同區(qū)域的實際效果，為因地制宜地實施防澇建設提供相對科學合理的技術支撐。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

北京市降水量少且分布不均，多以汛期暴雨形式出現(xiàn)，是一個旱澇并存的典型城市，也是海綿城市建設的第一批試點地區(qū)，未來科學城和亦莊經濟開發(fā)區(qū)為典型試點區(qū)域。未來科學城分為南北兩個區(qū)，且兩區(qū)排水系統(tǒng)完全獨立，現(xiàn)有下墊面及海綿城市設施都比較復雜，區(qū)域面積較大。相對而言，亦莊X35號調蓄區(qū)現(xiàn)有下墊面及海綿城市設施都較為簡單，占地面積小，具有獨立的排水系統(tǒng)。

未來科學城位于北京市昌平區(qū)，以溫榆河和定泗路為界分為北區(qū)和南區(qū)，其中北區(qū)占地面積約為3.02km2。作為海綿城市典型試點區(qū)域，園區(qū)內增設了容積約為53萬m3的調蓄設施及多種海綿城市措施，以達到控制徑流總量的目的[14]。本文的研究區(qū)域為未來科學城北區(qū)(含部分核心綠地)，總集水面積為4.16km2，下墊面情況見圖1(a)。

亦莊X35號調蓄區(qū)位于北京市大興區(qū)東北部的亦莊開發(fā)區(qū)，其核心區(qū)為生態(tài)湖，且X35號調蓄區(qū)天然砂石坑為多功能調蓄池，周邊地塊雨水直接匯入調蓄池內，起到防洪調蓄作用。本次研究選取了生態(tài)湖東側、南側現(xiàn)狀道路的排水流域作為研究區(qū)，流域面積約為14.13hm2，下墊面情況見圖1(b)。

圖1 研究區(qū)域下墊面

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)來自ASTGTM衛(wèi)星產品；土地利用類型由實時衛(wèi)星成像解譯，并利用 ArcGIS 進行下墊面提取；降雨數(shù)據(jù)來自兩個研究區(qū)域所設雨量站的實際觀測數(shù)據(jù)，其中，未來科學城北區(qū)降雨數(shù)據(jù)選取2016年汛期的3場降雨的5min時段數(shù)據(jù)，亦莊X35號調蓄區(qū)選取2017年汛期的3場降雨的1min時段數(shù)據(jù)，雨情信息見表1；流量數(shù)據(jù)則來自各區(qū)域排水口的實測流量數(shù)據(jù)。排水管網數(shù)據(jù)包括檢查井、排口、管道等及各部分屬性的詳細數(shù)據(jù)，均來自相關部門。

表1 研究區(qū)域各場次降雨雨情

2 研究方法

2.1 SWMM模型基本原理

SWMM模型是一種分布式水文模型，由美國環(huán)境保護署設計開發(fā)，由于界面簡單、操作便捷的特點，現(xiàn)已被廣泛運用于城市雨洪模擬中。降雨徑流過程主要包括產流、坡面匯流和管網匯流。

a.產流。產流過程指降雨扣除流域蒸發(fā)、植被截留、地面填洼和土壤下滲等損失之后形成凈雨的過程。對于單場降雨而言，可不考慮蒸發(fā)部分。本文選用Horton下滲，計算公式為

ft=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：ft為土壤t時刻的下滲率，mm/h；f0為初始下滲率，mm/h；fc為穩(wěn)滲率，mm/h；t為時間，h；k為衰減指數(shù)，h-1。

b.坡面匯流。坡面匯流過程指經過產流模型獲得的凈雨轉化為集水區(qū)流量過程線的過程。本文采用水力學模型，將子匯水區(qū)概化為非線性水庫，求解曼寧公式與連續(xù)方程得到出流過程:

(2)

(3)

式中：Q為出流量，m3/s；S為平均坡度；n為地表曼寧系數(shù)；d為水深，m；dp為洼蓄深，m；V為地表蓄水量，m3；t為時間，s；i為降雨強度，mm/s；A為地表面積，m3；W為子匯水區(qū)漫流寬度,m。

c.管網匯流。SWMM模型將其簡化為一維的非均勻漸變流模擬管渠水流流動，主要有動力波、運動波、恒定流3種計算方法。由于所選研究區(qū)域面積較小且數(shù)據(jù)詳細，考慮到模擬精度，本文選擇依靠求解完整圣維南方程的動力波模擬管網匯流，圣維南方程如下：

(4)

(5)

式中：x為距離，m；A為過水斷面面積，m2；g為重力加速度，9.8m/s2；H為水深，m；S0為摩阻坡度。

2.2 SWMM模型概化

首先利用ArcGIS對兩個研究區(qū)域的雨水管網數(shù)據(jù)進行概化，結合衛(wèi)星地圖提取了7種下墊面(見圖1)，生成泰森多邊形劃分出研究區(qū)的子匯水區(qū)，建立SWMM概化模型，見圖2。其中，未來科學城北區(qū)共有69個子匯水區(qū)，81個排水節(jié)點，68條管道，1個排水口；亦莊X35號調蓄區(qū)有9個子匯水區(qū)，8個排水節(jié)點，8條管道，1個排水口。

圖2 研究區(qū)域SWMM概化模型

2.3 敏感參數(shù)

SWMM模型參數(shù)中的敏感參數(shù)是指具有明確物理意義、需要模型模擬與實際測量相結合才能確定取值范圍的參數(shù)，主要有下滲率、衰減系數(shù)、曼寧系數(shù)等。敏感參數(shù)會直接影響模型模擬結果的準確性及精確度，因此，參數(shù)率定及驗證是模型模擬中至關重要的一步。綜合模型手冊、北京市水文手冊、文獻資料[15-18]，初步選取的模型敏感參數(shù)范圍見表2。

表2 SWMM模型敏感參數(shù)取值范圍

SWMM模型將下墊面劃分為透水地面和不透水地面，根據(jù)透水地面占比等計算子匯水區(qū)的整體參數(shù)。結合衛(wèi)星地圖解譯結果，將研究區(qū)下墊面劃分為不透水路面、公路、建筑、草地、灌木、植草溝、工地，并分別率定各類型下墊面的敏感參數(shù)，其中草地、灌木、植草溝視作透水地面，其他下墊面視作不透水地面。根據(jù)ArcGIS計算子匯水區(qū)不同下墊面的面積占比，計算統(tǒng)計子匯水區(qū)的整體參數(shù)。

2.4 誤差評估

本次研究選取峰值流量誤差、納什效率系數(shù)及總徑流量誤差作為評價模擬結果的指標。峰值流量誤差反映了模型模擬瞬時流量的精確度，根據(jù)中國《水文情報預報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)[19]，其最大許可值為洪峰流量的20%。納什效率系數(shù)反映了模型模擬流量和實測流量的吻合程度。總徑流量誤差反映了模型產流總量與實際產流總量的吻合程度，根據(jù)《內澇防治系統(tǒng)數(shù)學模型構建和應用規(guī)程(征求意見稿)》[20]，小于20%即合格。

2.5 LID方案構建

為比較不同措施在研究區(qū)域的實際效果，在概化的SWMM模型基礎上，提出3種假設未來增建海綿城市措施的方案，分別為綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝。3種改造方案互相獨立，將措施平均分配至各子匯水區(qū)，措施增設面積與研究區(qū)域原下墊面情況相關，能反映不同研究區(qū)域的實際情況。其中，海綿城市的設置方案遵循最大設置比例原則，規(guī)定綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝的布設比例分別為建筑、綠地和道路的30%，以綠色屋頂方案為例，將各子匯水區(qū)中30%的屋頂面積改造為綠色屋頂。

3 結果與分析

3.1 模型模擬與驗證

SWMM模型的參數(shù)率定為手動調整相關參數(shù)，分別根據(jù)未來科學城北區(qū)和亦莊區(qū)域的率定期降雨，結合模型手冊率定參數(shù)，并由驗證期降雨驗證模型效果。

未來科學城北區(qū)的模擬結果誤差均小于17%(見表3)。在3場降雨中，對率定期2016年7月14日的降雨模擬效果較好，峰值誤差為2.41%，總徑流量誤差為-3.94%，納什效率系數(shù)為0.872，模擬徑流過程與實際徑流過程吻合較好；2016年7月19日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為-12.50%，總徑流量誤差為-14.17%，其中模擬峰現(xiàn)時間比實際峰現(xiàn)時間提前1h。在驗證期2016年6月9日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為16.09%，總徑流量誤差為4.23%，納什效率系數(shù)為0.867，滿足相關規(guī)范的精度要求。

表3 未來科學城北區(qū)降雨徑流模擬誤差

亦莊的模擬中，除2017年8月5日的洪峰誤差較大，其余誤差均小于4.00%(見表4)，主要原因是雨洪過程的產流數(shù)據(jù)部分缺失。其中，對率定期2017年7月4日的降雨模擬效果較好，峰值誤差為-1.23%，總徑流量誤差為1.25%；2017年8月5日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為19.30%，總徑流量誤差為3.23%。在驗證期2017年8月2日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為-3.33%，總徑流量誤差為1.07%，滿足相關規(guī)范的精度要求。

表4 亦莊X35號調蓄區(qū)降雨徑流模擬誤差

3.2 海綿城市措施方案對比

在所選研究區(qū)域中，若進一步增加海綿城市措施可以削減徑流峰值和徑流總量，為研究不同海綿城市措施的效果差異，提出3種假設的未來新建措施方案。利用SWMM模型模擬不同方案下的徑流峰值和總徑流量，對比不同海綿城市措施對降雨徑流過程影響的實際效果。

結果表明，在未來科學城北區(qū)，綠色屋頂措施效果最好，雨水花園的效果優(yōu)于透水鋪裝，雨洪過程模擬見圖3(a)～(c)。在所選的3場降雨中，綠色屋頂可以明顯削減徑流峰值和徑流總量，且在降雨強度最大的2016年7月14日場次中無積水節(jié)點產生，能夠很好地緩解城市內澇壓力。這主要是因為未來科學城北區(qū)有多處工業(yè)廠房、辦公樓等，屋頂占地面積較大，該下墊面對總體產流影響明顯。比較各措施在不同場次降雨的調蓄效果可以發(fā)現(xiàn)，當降雨由小強度(2016年6月9日)增至中等強度(2016年7月19日)時，透水鋪裝的調蓄效果明顯變差；當降雨強度進一步增至較大強度(2016年7月14日)時，綠色屋頂?shù)恼{蓄效果有一定的下降。

圖3 研究區(qū)域海綿城市措施改進效果

在亦莊X35號調蓄區(qū)，透水鋪裝略優(yōu)于雨水花園的調蓄效果，綠色屋頂效果不明顯，雨洪過程模擬見圖3(d)～(f)。綠色屋頂效果較差主要是因為X35號調蓄區(qū)中建筑物較少，設置的綠色屋頂面積也較小，對總體產流影響很小。對比3場降雨中透水鋪裝和雨水花園對洪峰、洪量的削減效果，可以發(fā)現(xiàn)，當降雨強度較小時(2017年7月4日和2017年8月5日)透水鋪裝的效果優(yōu)于雨水花園；當降雨強度較大時(2017年8月2日)雨水花園的效果優(yōu)于透水鋪裝，且在3場降雨中雨水花園的調蓄效果無明顯變化，均將徑流總量削減為現(xiàn)狀的82%。

對比兩研究區(qū)域各措施對降雨的調蓄效果可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強度的增加，透水鋪裝的調蓄效果明顯降低；隨著降雨強度和總降雨量的進一步增加，雨水花園和綠色屋頂?shù)恼{蓄效果也有一定程度的降低。這是因為在強降雨時，降雨強度大于透水鋪裝的入滲速度，部分降雨直接產流，調蓄效果隨之降低。而雨水花園和綠色屋頂能夠將雨水存儲至蓄水層中，若所選場次的降雨量未使其蓄漫，調蓄效果無明顯變化。即透水鋪裝僅改變下墊面的入滲能力，調蓄效果與降雨強度相關，對低強度的降雨調蓄效果較好；而雨水花園和綠色屋頂能夠綜合改善下墊面的入滲能力和蓄水能力，調蓄效果與降雨強度和降雨總量有關，對于大部分場次的降雨都有較好的調蓄效果。

同時，兩個研究區(qū)域的海綿城市建設措施效果差異較大，主要是因為不同區(qū)域的下墊面分布情況存在較大的差異。未來科學城地區(qū)為工業(yè)園區(qū)，工業(yè)建筑較密集，占地面積較廣，匯水時間較長；而亦莊X35號調蓄區(qū)位于世和園附近，建筑稀疏，下墊面主要為道路和綠地，占地面積小，匯流速度較快。因此，在研究不同區(qū)域的海綿城市措施效果時，需要結合地區(qū)的實際情況進行有針對性的分析研究，比較不同措施的實際效果。

4 結 論

本文利用SWMM模型分別以兩場實測降雨徑流過程為率定期、一場降雨徑流過程為驗證期，構建了北京市未來科學城北區(qū)和亦莊X35號調蓄區(qū)的雨洪模型，并比較了兩處研究區(qū)域在相同改建比例下，3種海綿城市建設措施的實際調控效果，從而比較海綿城市建設措施的綜合效果，主要結論如下：

a.構建的兩個雨洪模型效果較好，峰值流量誤差均小于20%，模擬徑流過程與實際徑流過程吻合較好，滿足相關規(guī)范的精度要求。模型能夠較好地體現(xiàn)研究區(qū)域的降雨徑流過程，可以在此基礎上比較海綿城市建設措施的實際效果。

b.對兩個研究區(qū)域增設3種海綿城市建設措施：綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝，削減徑流峰值和地表總徑流量。其中，在未來科學城北區(qū)綠色屋頂效果最好，增設措施后徑流總量削減至初始模型的82%；在亦莊X35號調蓄區(qū)，雨強較小時透水鋪裝效果最好，雨強較大時雨水花園效果最好。

c.透水鋪裝的調蓄效果隨降雨強度增大而降低，而綠色屋頂和雨水花園受降雨強度影響較小。因此，在推廣海綿城市建設時，需要考慮不同地區(qū)的實際下墊面情況、降雨雨型等，有針對性地比較不同海綿城市建設措施在研究區(qū)域的實際效果，才能更好地削減徑流。

本文選擇了差異較大的兩處研究區(qū)域，并以3場降雨進行率定驗證，數(shù)據(jù)可能不能完全代表研究區(qū)域的降雨特征。因此，應進一步收集不同類型地區(qū)的實測降雨徑流數(shù)據(jù)，篩選代表性好的降雨徑流過程，增加樣本容量，進一步比較不同區(qū)域海綿城市建設措施的實際調蓄效果。