劉　文, 陳衛(wèi)平, 彭　馳

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京　100085

?

社區(qū)尺度綠色基礎設施暴雨徑流消減模擬研究

劉文, 陳衛(wèi)平*, 彭馳

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京100085

摘要:當前快速的城市化進程導致了城市地區(qū)內(nèi)澇事件頻繁發(fā)生。綠色基礎設施是減輕城市洪澇的有效措施之一。SWMM (Storm Water Management Model) 等模型的復雜性使得規(guī)劃管理者對模型的操作和應用存在困難，而且缺乏對綠色基礎設施徑流消減機制的展現(xiàn)。目前的研究中，比較單個與綜合綠色基礎設施配置徑流消減效果的研究相對較少?；谒科胶夂统鞘兴倪^程，開發(fā)了社區(qū)尺度綠色基礎設施消減作用的暴雨徑流模型，并以北京市一典型社區(qū)為例，模擬研究了一年一遇和五年一遇兩種暴雨條件下不同綠色基礎設施配置對暴雨徑流流量和峰值的消減效率。結(jié)果表明：用兩場野外監(jiān)測的降雨和徑流數(shù)據(jù)驗證模型得到的決定系數(shù)分別為0.68和0.71，納什效率系數(shù)分別達到0.99和0.96，表明模型是可靠的。在一年一遇和五年一遇兩種暴雨條件下，將常規(guī)綠地改造成5 cm深度的下凹式綠地，徑流量分別減少了8.23%和23.30%，徑流峰值分別減少了20.31%和29.11%；在建造300 m3調(diào)蓄池的情景下，徑流量分別減少了84.90%和20.97%，徑流峰值分別減少了88.99%和0.10%；在50%的不透水地表鋪裝透水磚情景下，徑流量分別減少了46.51%和38.52%，徑流峰值分別減少了39.96%和35.48%。3種綠色基礎設施都可以較好的消減社區(qū)暴雨徑流，但是隨著暴雨強度的增強，下凹式綠地的消減效果略增強，調(diào)蓄池的消減效果變差，透水磚鋪裝的消減效果較穩(wěn)定。綜合3種措施對暴雨徑流具有顯著消減效果，可以100%消減一年一遇暴雨產(chǎn)生的徑流，在五年一遇設計暴雨條件下，分別消減75.47%的總徑流量和64.52%的徑流峰值。

關鍵詞：綠色基礎設施；暴雨徑流；下凹式綠地；調(diào)蓄池；透水磚鋪裝；社區(qū)

隨著全球城市化進程的加快，城市地區(qū)不透水地表面積增加，直接改變了城市下墊面條件，使自然的水循環(huán)機制發(fā)生改變[1]。城市區(qū)域雨水徑流增多，雨水匯流速度加大給當前的雨水基礎設施帶來很大壓力[2]。近年來，全球氣候變化導致某些區(qū)域強降雨事件的頻率增加，使得城市地區(qū)嚴重積水和暴雨洪水事件頻繁發(fā)生[3]，給人民群眾生命財產(chǎn)造成的損失與日俱增，已成為社會各界關注的問題之一[4]。

傳統(tǒng)的雨水管理方法是利用大的管道和混凝土渠道使雨水盡可能快地排出，造成城市河道生態(tài)環(huán)境惡化和雨水資源嚴重浪費[5]。近些年，發(fā)達國家提出新的城市雨水管理方法如綠色基礎設施 (Green Infrastructure，GI)，與之類似的是低影響開發(fā) (Low Impact Development，LID)，這些雨水管理策略從源頭上通過一系列現(xiàn)場的截留和滯留等徑流調(diào)控措施，實現(xiàn)城市雨洪的資源化利用[6- 7]。盡管人們對綠色基礎設施在消減城市雨洪的認識和關注不斷增加，但是真正將這些雨洪管理策略付諸實踐的步伐卻很慢。主要原因之一是由于缺乏有效的綠色基礎設施設計和評估工具，而有效的綠色基礎設施模擬軟件可為設施實踐的工程應用提供設計指導[8]。

近年來，隨著綠色基礎設施和低影響開發(fā)理念和體系的發(fā)展，國外模擬這些措施效能的雨洪模型逐漸開發(fā)并推廣，目前已取得了很大進展。SWMM、MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization)、SUSTAIN (System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration)和L-THIA-LID (Long-Term Hydrologic Impact Assessment-Low Impact Development) 等模型被廣泛的用來模擬不同暴雨特征和設施空間布局對設施消減控制徑流的效果[9- 13]，評價措施的選擇方案和成本比較[14- 15]。近年來，我國學者對綠色基礎設施和低影響開發(fā)措施模擬研究工作的開展已有不少案例，但大多集中在對SWMM 模型的應用方面[16- 18]。

SWMM等模型對地形、匯水區(qū)劃分和排水管網(wǎng)匯水的計算導致模型較為復雜，模型開發(fā)應用需要深入分析和專業(yè)技能，超越了一般公眾的能力[19]，使得規(guī)劃管理者對模型的操作應用存在困難，而且復雜的模型掩蓋了對自然水文機制的定量刻畫[20- 21]。由于水文模型中一些概念化參數(shù)通過實測不易獲得，以及目前針對城市下墊面和綠色基礎設施的徑流在野外監(jiān)測存在困難[19]，用來驗證和率定模型的實測數(shù)據(jù)很少，限制了模型在城市雨洪規(guī)劃管理中的推廣應用。本研究的目標為結(jié)合水量平衡和城市水文循環(huán)，建立耦合綠色基礎設施消減作用的社區(qū)尺度暴雨徑流模型，通過野外監(jiān)測數(shù)據(jù)評估模型的有效性，進而模擬研究不同綠色基礎設施配置對社區(qū)暴雨徑流的消減作用。旨在設計開發(fā)易于操作和實用的社區(qū)綠色基礎設施消減暴雨徑流模擬與管理軟件，為綠色基礎設施雨水管理的決策和城市可持續(xù)的雨洪管理提供科學依據(jù)。

1研究方法

1.1模型簡述：

由于城市中不同地表類型的下墊面會產(chǎn)生不同的水文響應，為了計算的方便，將城市地表概化為不透水地表、透水地表和水體3種類型模塊單獨計算，如圖 1所示。不透水地表的徑流量為降雨量扣除填洼和蒸發(fā)的剩余水量。透水地表的徑流計算分為冠層截留、蒸發(fā)、入滲和填洼過程。水體調(diào)蓄雨水徑流主要根據(jù)流入量、流出量和蓄水容量計算。為了達到實用的目的，模型在整體計算過程中基于水量平衡和水文物理過程，而在每個水文過程選擇偏重于參數(shù)較少和普遍適用的經(jīng)驗型方程。綠色基礎設施主要模擬其雨水入滲、滯留和存儲的能力和出流量，在計算過程中替換相對應地表的徑流計算模塊。社區(qū)降雨總的徑流量是3類地表和綠色基礎設施產(chǎn)生和流出的徑流總和，流量峰值是整個徑流過程時間段內(nèi)的最大流量[22]。

圖1　模型徑流計算原理圖Fig.1　Schematic depiction of the model calculation

1.1.1不透水地表徑流計算

假設不透水地表是100%不透水，降雨量減去蒸發(fā)、填洼和存儲的雨水量就是徑流量[23]。不透水地表產(chǎn)生的徑流量(Rimp,mm)為：

(1)

(2)

式中,P指降雨量(mm)，D指不透水地表的填洼量(mm)，ST指填洼存儲水平(mm)，ED指填洼水的蒸發(fā)量(mm)，Ep指時間步長內(nèi)的潛在蒸發(fā)量(mm)。

1.1.2透水地表徑流計算

透水地表的模擬分別計算冠層截留、蒸發(fā)、地表入滲和地表填洼過程，再根據(jù)水量平衡計算得到產(chǎn)流量。

(1)冠層截留過程

植被冠層截留量的計算采用Wang 等[24]改進的Rutter模型方法，截留量(SIc, mm)的計算表達式為：

(3)

式中,SI0指前一時期的截留雨水量(mm)，Pf是自由穿透冠層雨量(mm)，由下式計算：

Pf=Pe-κLAI

(4)

(5)

Sc=SLLAI

(6)

式中,κ指消光系數(shù)，LAI指葉面積指數(shù)，Ec指時間步長內(nèi)葉面截留水的蒸發(fā)量(mm)，Sc指冠層的儲水能力(mm)，SL指特定的葉面儲水量(mm)。

(2)蒸發(fā)過程

潛在蒸發(fā)量的計算采用基于氣溫的Hargreaves方法[25]，潛在蒸發(fā)量(Ep, mm/d)計算公式為：

(7)

式中,RAmax指地外輻射(MJ m-2d-1)，λ指水的氣化比潛熱(MJ/kg)，通常取值為2.45 MJ/kg，Tmax指日最高溫度(℃)，Tmin指日最低溫度(℃)，Tav指日均溫度(℃)。

(3)地表入滲過程

扣除截留后的降雨抵達地表后，這部分降雨將發(fā)生地表入滲、地表填洼和地表徑流。采用Mein與Larson改進的Green-Ampt模型方法[26]模擬降雨入滲的過程，入滲速率(f, mm/min)的計算公式如下：

(8)

tp=Fp/i

(9)

(10)

式中,Ks指飽和導水率(mm/min)，θs指飽和含水量(%)，θi指初始含水量(%)，Sf指濕潤鋒處的平均吸力(mm)，F(xiàn)指累積入滲量(mm)，tp指開始積水的時間(min)，F(xiàn)p指開始積水時刻的入滲量(mm)，i指冠層截留之后凈雨的雨強(mm/min)。

(4)地表填洼過程

剩余降雨量留存于地表，部分進行填洼，部分成為地表徑流參與匯流。初始時刻的地表填洼雨水儲量(Sd0, mm)根據(jù)Linsley于1975年推導出的經(jīng)驗公式計算[27]：

(11)

式中,Sdmax指透水地表填洼量(mm)，PC指累積剩余降雨量(mm)，即降雨減去截留和入滲的雨量。

其它時間步長的填洼量(Sd, mm)由下式計算：

(12)

Es=min(Sdt,Ep)

(13)

式中,Sdt指前一時間步長內(nèi)的填洼量(mm)，Es指之前填洼雨水的蒸發(fā)量(mm)。

透水地表總的徑流量(Rper, mm)計算采用水量平衡方法，即降雨減去截留、入滲和填洼的雨量就是透水地表的徑流量，計算式為：

(14)

式中,Δt指模擬的時間步長(mm)。

1.1.3水體出流量計算

(15)

式中,Ap指流入水體的雨水匯水面積(m3)，A指社區(qū)的面積(m2)，Ac指水體的表面積(m2)，α指不透水面積的比例(%)，β指透水面積的比例(%)，Ew指水面蒸發(fā)量(mm)，H指水體的最大存儲能力(m3)，Vw指降雨之前水體的存儲水平(m3)。

1.1.4綠色基礎設施徑流消減模擬

(1)下凹式綠地

下凹綠地低于周圍路面可以更多的容納雨水。當積水深度超過綠地下凹深度時，多余的雨水量即外溢流出綠地。下凹式綠地的出流量(Qs, m3)計算如下：

(16)

式中,q指下凹綠地上前一時段的凈雨量(mm)，f指下凹綠地入滲量(mm)，hs指綠地下凹深度(mm)。

(2)調(diào)蓄池

調(diào)蓄池的作用是容納流入的雨水，當調(diào)蓄池存儲的水量超過其容量時，調(diào)蓄池不再調(diào)蓄，流入的雨水從溢流口流出。假定降雨時期內(nèi)調(diào)蓄池內(nèi)的雨水不回用，計算過程中不考慮雨水的滲漏。調(diào)蓄池流出的雨水量(Qr, m3)用下式表示：

(17)

式中,μ指雨水收集比例(%)，Rc指時間步長內(nèi)累積的徑流量(m3)，Hr指調(diào)蓄池雨水存儲能力(m3)，Vr0指降雨之前調(diào)蓄池存儲的水量(m3)。

(3)透水磚鋪裝路面

透水磚的雨水滲透速率遠大于降雨強度，對降雨入滲無阻礙作用[28]。透水磚層、找平層和墊層的有效空隙率和厚度決定了可容納的最大雨水量。透水磚路面產(chǎn)流量(Qp, m3)計算公式如下：

(18)

式中,η指地基土壤的入滲率(mm/min)，F(xiàn)c指地基土壤累積容納的雨水量(mm)，Hp指透水磚路面雨水存儲能力(mm)，ω指不透水地表透水鋪裝改造的比例(%)。

1.2模型參數(shù)

模型參數(shù)值的選取依據(jù)文獻研究的結(jié)果和經(jīng)典模型的參數(shù)默認值，如表1所示。

表1　模型模擬的參數(shù)取值表

1.3模型評價

采用模擬徑流值與實測徑流值線性回歸的決定系數(shù)(R2)以及納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe Efficiency，NSE)來評價模型對實測水文過程模擬的好壞。納什效率系數(shù)的計算公式如下[34]：

(19)

圖2　設計暴雨的雨型分布Fig.2　The rainfall pattern distribution of designed storms

1.4模擬情景

選擇北京市海淀區(qū)一典型城市社區(qū)進行情景模擬分析，社區(qū)總面積24635 m2，社區(qū)內(nèi)包括住宅樓、辦公樓、廣場、草坪和道路等，綠地面積比率為31.4%，無水體；其中綠地為透水地面，其它均為不透水地面。此情況下社區(qū)內(nèi)無綠色基礎設施配置，作為基本情景。

暴雨的設計采用北京市暴雨公式，計算得到降雨歷時2 h，時間步長為5 min，重現(xiàn)期分別為一年一遇(P=99.9%)和五年一遇(P=20%)的2種類型暴雨，降雨過程的雨量分配如圖 2所示[37]。2 h總的降雨量分別為21.6 mm和67.2 mm。設計暴雨的計算公式如下：

(20)

式中，q指設計暴雨強度，P指設計重現(xiàn)期，t指降雨歷時。

綠色基礎設施設計以下4種情景：(1) 綠地改造成下凹深度5 cm；(2) 建造地下調(diào)蓄池300 m3；(3) 50%的不透水面用混凝土透水磚鋪裝；(4) 綜合情景，包含前面3種設施，即綠地下凹式改造、建造調(diào)蓄池和透水磚鋪裝。

圖3　研究區(qū)用地類型分布圖Fig.3　Land use distribution of study area

2結(jié)果與討論

2.1模型驗證

模型驗證選擇北京市某小區(qū)南匯水區(qū)，匯水區(qū)的面積為29500 m2，透水面積比例占總面積的30.2%。2013年7月到9月在雨水出口處安裝ISCO 6712全自動采樣儀，用750面積速度流量計模塊和674雨量計分別監(jiān)測徑流流量和記錄降雨量(Teledyne ISCO, NB, USA)。研究區(qū)域的用地類型分布和實驗監(jiān)測點的信息如圖3所示。研究區(qū)中綠地主要以大面積的草地為主，灌木和喬木的冠層較小，而且分布很少，在本研究中為了簡化，都按照草地來計算。

在2013年7月15日和8月11日下午2場典型的降雨事件下(降雨量分別為62.2 mm和26.5 mm)，模擬降雨徑流和監(jiān)測徑流線性回歸的決定系數(shù)R2分別為0.68和0.71(圖4)，納什效率系數(shù)(NSE)分別達到0.99和0.96，表明模型效率是滿意的。對較小的降雨事件下的徑流過程，模型驗證的效果不理想。由于模型中未劃分匯水區(qū)和利用排水管網(wǎng)信息，對徑流匯水過程沒有考慮，造成模型對實際徑流過程模擬的一致性和精確度不高；但是總的徑流量和徑流峰值作為模型重點模擬和關注的輸出結(jié)果，模型驗證的精度是可以接受的。因此，模型是可靠和合理的。

圖4　模擬與實測的徑流水文圖Fig.4　The hydrography of simulated runoff and observed runoff

2.2情景模擬結(jié)果

用驗證的模型分別模擬在基本情景和綠色基礎設施情景下的徑流量和流量峰值，并分析綠色基礎設施對比基本情景的暴雨徑流消減效率。

2.2.1基本情景

在P=99.9%和P=20%的暴雨條件下，社區(qū)模擬的總徑流量分別為357.12 m3和1455.56 m3，徑流峰值分別為19.89 m3/min和69.78 m3/min，表明隨著降雨強度的增大，徑流量和峰值顯著增加。P=99.9%與P=20%重現(xiàn)期下的暴雨徑流相比較，徑流降雨比率從67.07%增加到87.87%，入滲降雨比率從23.89%降低到10.82% (表2)。

表2　不同情景下的降雨與徑流量和入滲量比率

a, b: 調(diào)蓄池沒有雨水入滲，結(jié)果同基本情景

2.2.2綠地下凹式改造情景

常見的綠地和地面齊平，在大暴雨的情景下雨水流出綠地，并沒有充分的發(fā)揮綠地的蓄滲能力。下凹式綠地利用下凹空間可以充分蓄積雨水，顯著增加雨水入滲時間，具有滲蓄雨水和消減洪峰流量等優(yōu)點[38]。本研究的情景中，將平式綠地改造成低于周圍路面5 cm，未考慮屋面和道路等不透水面徑流流入綠地。在設計暴雨P=99.9%重現(xiàn)期下，下凹式綠地情景徑流降雨比率降低到61.55%，入滲降雨比率增加到29.41%(表2)，總徑流量減少了8.23%，徑流峰值減少了20.31%(表3)；在P=20%設計暴雨事件下，下凹式綠地情景徑流降雨比率降低到67.40%，入滲降雨比率增加到31.29%，總徑流量減少了23.30%，徑流峰值減少了29.11%。由于模擬的情景中下凹式綠地并沒有考慮接納不透水地面的徑流，因此下凹綠地只是消減了綠地產(chǎn)生的大部分徑流，造成了一年一遇暴雨徑流削減的比例小于五年一遇削減比例。下凹式綠地對總徑流量的消減效果較小，是由于綠地對社區(qū)總徑流的貢獻較低[9]，在一年一遇和五年一遇的暴雨下分別占到總徑流的7.0%和23.0%，因而調(diào)控雨洪的作用有限。國內(nèi)的一些研究結(jié)果也證實了下凹式綠地相比于平式綠地良好的徑流消減效果[39- 41]。下凹式綠地在大的降雨條件下徑流消減效果略好于小的降雨條件，是由于更多的雨水被綠地截蓄入滲到土壤。下凹式綠地可以充分利用有限的綠地空間，增加綠地消減徑流的潛力，增加綠地的雨水入滲能力，更進一步補充地下水。

表3　不同綠色基礎設施情景下的徑流消減效果

2.2.3增設調(diào)蓄池情景

考慮到城市雨水資源的短缺，社區(qū)內(nèi)可建造地下調(diào)蓄池，收集存儲雨水再利用。假設在小區(qū)雨水出口處建造一調(diào)蓄池，擬建容積為300 m3。與基本情景的模擬結(jié)果對比，在P=99.9%的設計暴雨事件下，調(diào)蓄池情景的降雨比率降低到10.13%(表2)，總徑流量減少了84.90%，徑流峰值減少了88.99% (表3)；在P=20%設計暴雨下，降雨比率降低到69.44%，總徑流量減少了20.97%，徑流峰值減少了0.10%。在2個暴雨重現(xiàn)期下，調(diào)蓄池的消減效果相差較大。在小的降雨事件下對總徑流量和流量峰值的消減效果很好，但是在大的降雨下消減效果較差，這是因為調(diào)蓄池的調(diào)控能力是由自身的體積大小限制的。而且，由于設計的暴雨事件中，暴雨強度峰值靠后，在峰值來臨之前，調(diào)蓄池的儲水量已滿，無調(diào)蓄作用，導致其對徑流峰值的消減效果甚微。盡管調(diào)蓄池對徑流的消減效果受到降雨量的影響波動較大，但是其更多的目的是收集和存儲雨水。目前北京市正在居住小區(qū)內(nèi)推廣調(diào)蓄池建設，收集的雨水用來綠地灌溉、補充水景觀和洗車等，實現(xiàn)暴雨徑流的消減和雨水的資源化利用。值得注意的是，由于雨水季節(jié)性和成本因素，在工程實施中調(diào)蓄池的大小設計應充分考慮雨水利用效率和經(jīng)濟情況等[41]。

2.2.4路面透水磚鋪裝情景

隨著城市化的快速發(fā)展，大量的不透水地表由于產(chǎn)流和匯流的迅速，增加了城市地區(qū)洪澇風險。采用滲透性良好的透水磚鋪裝路面是減少不透水面徑流的有效途徑之一[42]。將50%的不透水面用混凝土透水磚鋪裝改造。與基本情景的模擬結(jié)果相比，在設計暴雨P=99.9%重現(xiàn)期下，透水磚鋪裝情景徑流降雨比率降低到35.88%，入滲降雨比率增加到55.08%(表2)，總徑流量減少了46.51%，徑流峰值減少了39.96% (表3)；在P=20%設計暴雨事件下，透水磚鋪裝情景徑流降雨比率降低到54.03%，入滲降雨比率增加到44.66%，總徑流量減少了38.52%，徑流峰值減少了35.48%。在2個暴雨重現(xiàn)期下相比較，透水磚鋪裝消減效果較穩(wěn)定，但是在大的降雨事件下的消減效果略差于小的降雨事件，這是由于較大的雨強超過了透水鋪裝的滲透能力，雨水來不及入滲。透水路面通過入滲，在一定程度上恢復了自然的水文狀況[43]。由于透水路面減少和緩解了不透水地面的產(chǎn)流和匯流速率[42,44- 45]，因此能夠有效緩解不透水路面的積水和內(nèi)澇問題。

總的來說，結(jié)合以上的結(jié)果分析和不同情景下徑流過程圖的比較分析(圖5)得出：下凹式綠地和透水磚鋪磚設施都有良好的消減徑流量和徑流峰值，以及增加雨水入滲量的效果。隨著降雨強度的增加，下凹式綠地對徑流的消減作用略增強，但是效果有限，透水磚鋪裝的消減效果比較穩(wěn)定。調(diào)蓄池的消減效果取決于它自身的體積和降雨量大小。調(diào)蓄池和透水磚鋪裝設施都表現(xiàn)出在小的降雨事件下消減效果好于大的降雨事件下的現(xiàn)象，與他人的一些研究結(jié)果相類似[46- 47]。因此需要綜合這些設施的配置，來達到更好更穩(wěn)定的消減效果[48]。

圖5　不同模擬情景下的徑流過程比較Fig.5　Comparison of runoff dynamic between different scenarios

2.2.5綜合情景

與基本情景的模擬結(jié)果相比，在設計暴雨P=99.9%重現(xiàn)期下，綜合情景下可以100%消減徑流，入滲降雨比率增加到60.61%(表 2)；在P=20%設計暴雨事件下，綜合情景的徑流降雨比率降低到21.56%，入滲降雨比率增加到65.14%，總徑流量減少了75.47%，徑流峰值減少了64.52%(表 3)。與3個單獨的設施情景相比，綜合設施配置提高了徑流消減效果，增強了不同降雨強度下的消減穩(wěn)定性，在消減雨洪的同時，實現(xiàn)雨水入滲補給地下水和收集利用的效益。因此，合理設計綜合的綠色基礎設施配置可以達到最優(yōu)的消減效果，實現(xiàn)雨洪調(diào)控和資源化利用，是科學可持續(xù)的雨洪管理途徑之一[22]。

3結(jié)論

隨著城市化的快速發(fā)展，城市發(fā)展過程中面臨的洪澇災害和水資源匱乏等共性問題日益嚴重。如何科學和可持續(xù)的調(diào)控管理城市雨洪是城市規(guī)劃和管理者面臨亟待解決的問題和挑戰(zhàn)。本文介紹了綠色基礎設施模擬模型設計理念和計算過程，并利用野外實地監(jiān)測的降雨和徑流數(shù)據(jù)驗證了模型的準確性。在模型驗證的基礎上，模擬分析了下凹式綠地、調(diào)蓄池、透水磚鋪裝和綜合配置情景對社區(qū)暴雨徑流的消減效果，并且比較分析了不同綠色基礎設施徑流消減效果的優(yōu)缺點。單個設施的徑流消減效果較好，但是消減作用有限，效果單一。綜合綠色基礎設施配置不僅具有良好的徑流消減效果，而且可以實現(xiàn)雨水入滲土壤和收集利用的環(huán)境經(jīng)濟效益，是社區(qū)消減雨洪和雨水資源利用的最優(yōu)實踐措施之一。

與同類模型相比，本模型結(jié)合水量平衡和城市水文的特點，綜合了產(chǎn)流計算的準確性和參數(shù)的簡化，注重了模型的可操作性，使這一模型適用于實施前期合理設計和科學評估綠色基礎設施的需要。然而，在情景模擬設計中未考慮下凹式綠地接納鄰近屋頂和周圍不透水路面部分徑流的情形，導致下凹式綠地只是消減了綠地產(chǎn)生的大部分徑流，造成了在一年一遇暴雨事件下的徑流削減比例小于五年一遇削減比例。因此今后研究中需要結(jié)合實際情形合理設計綠色基礎設施與不透水屋面和路面的水文連接方式，進一步深入分析和討論兩者之間不同水文連接方式對消減效果的影響；以及用實地監(jiān)測的綠色基礎設施徑流數(shù)據(jù)來驗證其消減效果。

參考文獻(References):

[1]Whitford V, Ennos A R, Handley J F. “City form and natural process”—indicators for the ecological performance of urban areas and their application to Merseyside, UK. Landscape and Urban Planning, 2001, 57(2): 91- 103.

[2]Goonetilleke A, Thomas E, Ginn S, Gilbert D. Understanding the role of land use in urban stormwater quality management. Journal of Environmental management, 2005, 74(1): 31- 42.

[3]Villarreal E L, Semadeni-Davies A, Bengtsson L. Inner city stormwater control using a combination of best management practices. Ecological Engineering, 2004, 22(4/5): 279- 298.

[4]胡偉賢, 何文華, 黃國如, 馮杰. 城市雨洪模擬技術研究進展. 水科學進展, 2010, 21(1): 137- 144.

[5]Stone B Jr. Paving over paradise: how land use regulations promote residential imperviousness. Landscape andUrban Planning, 2004, 69(1): 101- 113.

[6]Mell I C. Can green infrastructure promote urban sustainability?. Proceedings of the ICE-Engineering Sustainability, 2009, 162(1): 23- 34.

[7]Coffman L. Low-impact development design strategies an integrated design approach: EPA 841-B-00-003. Prince George′s Country, Maryland: Department of Environmental Resource, Programs and Planning Division, 2000.

[8]王建龍, 車伍, 易紅星. 基于低影響開發(fā)的雨水管理模型研究及進展. 中國給水排水, 2010, 26(18): 50- 54.

[9]Brander K E, Owen K E, Potter K W. Modeled impacts of development type on runoff volume and infiltration performance. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2004, 40(4): 961- 969.

[10]Elliot A H, Trowsdale S A, Wadhwa S. Effect of aggregation of on-site storm-water control devices in an urban catchment model. Journal of Hydrologic Engineering, 2009, 14(9): 975- 983.

[11]Gilroy K L, McCuen R H.Spatio-temporal effects of low impact development practices. Journal of Hydrology, 2009, 367(3/4): 228- 236.

[12]He Z, Davis A P. Process modeling of storm- water flow in a bioretention cell. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2011, 137(3): 121- 131.

[13]Qin H P, Li Z X, Fu G T. The effects of low impact development on urban flooding under different rainfall characteristics. Journal of Environmental Management, 2013, 129: 577- 585.

[14]Spatari S, Yu Z W, Montalto F A. Life cycle implications of urban green infrastructure. Environmental Pollution, 2011, 159(8/9): 2174- 2179.

[15]Wang R R, Eckelman M J, Zimmerman J B. Consequential environmental and economic life cycle assessment of green and gray stormwater infrastructures for combined sewer systems. Environmental Science & Technology, 2013, 47(19): 11189- 11198.

[16]侯愛中, 唐莉華, 張思聰. 下凹綠地和蓄水池對城市型洪水的影響. 北京水務, 2007, (2): 42- 45.

[17]晉存田, 趙樹旗, 閆肖麗, 周玉文. 透水磚和下凹式綠地對城市雨洪的影響. 中國給水排水, 2010, 1(26): 40- 42, 46- 46.

[18]趙冬泉, 董魯燕, 王浩正. 降雨徑流連續(xù)模擬參數(shù)全局靈敏性分析. 環(huán)境科學學報, 2011, 31(4): 717- 723.

[19]Ahiablame L M, Engel B A, Chaubey I. Effectiveness of low impact development practices: literature review and suggestions for future research. Water, Air, & Soil Pollution, 2012, 223(7): 4253- 4273.

[20]Elliott A H, Trowsdale S A. A review of models for low impact urban stormwater drainage. Environmental Modelling & Software, 2007, 22(3): 394- 405.

[21]Gao C, Liu J, Zhu J, Wang Z W. Review of current research on urban low-impact development practices. Research Journal of Chemistry and Environment, 2013, 17(S1): 209- 214.

[22]Liu W, Chen W P, Peng C. Assessing the effectiveness of green infrastructures on urban flooding reduction: a community scale study. Ecological Modelling, 2014, 291: 6- 14.

[23]Huber W C, Dickinson R E. Storm Water Management Model, Version 4 User′s Manual: Report No EPA/600/3-88/001a. Athens: US Environmental Protection Agency, 1988.

[24]Wang J, Endreny T A, Nowak D J. Mechanistic simulation of tree effects in an urban water balance model.JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2008, 44(1): 75- 85.

[25]Hargreaves G H, Samani Z A. Reference crop evapotranspiration from ambient air temperature. Applied Engineering in Agriculture, 1985, 1: 96- 99.

[26]Mein R G, Larson C L. Modeling infiltration during a steady rain. Water Resources Research, 1973, 9(2): 384- 394.

[27]Linsley R K, Kohler M A, Paulhus J L H. Applied Hydrology. New York: McGraw- Hill, 1949.

[28]王新星. 住宅小區(qū)不同下墊面滯蓄雨水的效果評價[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學, 2007.

[29]徐向陽. 平原城市雨洪過程模擬. 水利學報, 1998, 29(8): 34- 37.

[30]雷曉輝, 蔣云鐘, 王浩. 分布式水文模型EasyDHM. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

[31]謝永華, 趙立新. 田間土壤特性的空間變異性. 中國農(nóng)業(yè)大學學報, 1998, 3(2): 41- 45.

[32]符素華, 劉寶元, 吳敬東, 段淑懷. 北京地區(qū)坡面徑流計算模型的比較研究. 地理科學, 2002, 22(5): 604- 609.

[33]Su F G, Xie Z H. A model for assessing effects of climate change on runoff in China. Progress in Natural Science, 2003, 13(9): 701- 707.

[34]Nash J E, Sutcliffe J V. River flow forecasting through conceptual models part I—A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, 10(3): 282- 290.

[35]Santhi C, Arnold J G, Williams J R, Dugas W A, Srinivasan R, Hauck L M. Validation of the swat model on a large rwer basin with point and nonpoint sources. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2001, 37(5): 1169- 1188.

[36]Moriasi D N, Arnold J G, Van Liew M W, Bingner R L, Harmel R D, Veith T L. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE, 2007, 50(3): 885- 900.

[37]牟金磊. 北京市設計暴雨雨型分析[D]. 蘭州: 蘭州交通大學, 2011.

[38]張金龍, 張志政. 下凹式綠地蓄滲能力及其影響因素分析. 節(jié)水灌溉, 2012, (1): 44- 47.

[39]任樹梅, 周紀明, 劉紅, 孟光輝. 利用下凹式綠地增加雨水蓄滲效果的分析與計算. 中國農(nóng)業(yè)大學學報, 2000, 5(2): 50- 54.

[40]葉水根, 劉紅, 孟光輝. 設計暴雨條件下下凹式綠地的雨水蓄滲效果. 中國農(nóng)業(yè)大學學報, 2001, 6(6): 53- 58.

[41]叢翔宇, 倪廣恒, 惠士博, 田富強, 張彤. 基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析. 水利水電技術, 2006, 37(4): 64- 67.

[42]趙飛, 張書函, 陳建剛, 孔剛, 龔應安. 透水鋪裝雨水入滲收集與徑流削減技術研究. 給水排水, 2011, 37(增刊): 254- 258.

[43]Fassman E A, Blackbourn S. Urban runoff mitigation by a permeable pavement system over impermeable soils. Journal of Hydrologic Engineering, 2010, 15(6): 475- 485.

[44]Bean E Z, Hunt W F, Bidelspach D A. Field survey of permeable pavement surface infiltration rates. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2007, 133(3): 249- 255.

[45]Drake J, Bradford A, Van Seters T. Stormwater quality of spring-ummer-fall effluent from three partial-infiltration permeable pavement systems and conventional asphalt pavement. Journal of Environmental Management, 2014, 139: 69- 79.

[46]Holman- Dodds J K, Bradley A A, Potter K W. Evaluation of hydrologic benefits of infiltration based urban storm water management. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2003, 39(1): 205- 215.

[47]Schneider L E, McCuen R H. Assessing the hydrologic performance of best management practices. Journal of Hydrologic Engineering, 2006, 11(3): 278- 281.

[48]Mentens J, Raes D, Hermy M. Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century?. Landscape and Urban Planning, 2006, 77(3): 217- 226.

Modeling the effects of green infrastructure on storm water runoff reduction at community scale

LIU Wen, CHEN Weiping*, PENG Chi

StateKeyLaboratoryforUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Abstract：Rapid urbanization has greatly changed the underlying surface, resulting in frequent floods and waterlogging in urban areas and causing enormous economic damage and loss of life. Of the innovative storm water management strategies, green infrastructure (GI), which uses vegetation, soils, and natural processes to manage storm water and create healthier urban environments, has proved to be an effective measure to mitigate urban flooding. The runoff reduction effectiveness of green infrastructure facilities under different scenarios can be simulated by mathematical models. However, complex models like the storm water management model are difficult for planners and managers to operate and apply. Furthermore, they are inadequate in demonstrating the runoff reduction mechanisms of green infrastructure. Although the performance of green infrastructure in mitigating urban flooding has been extensively investigated, few studies have attempted to examine and compare runoff reduction effectiveness between integrated green infrastructure and single green infrastructure facilities under different storm recurrence periods. In this study, a community-scale simulation model based on water balance and urban hydrological processes was developed to quantify the reduction effect of green infrastructure on storm water runoff. A typical community in Beijing was selected as a case study to assess the reduction effectiveness of different green infrastructure configurations, based on the volume and peak flow of storm water runoff under 1-year and 5-year storm events. Four scenarios of green infrastructure configuration were considered, namely: converting to concave green land; constructing a storage pond; converting to porous brick pavement; and combining the previous three measures. Field-monitored runoff data of two rain events were used to validate the model. The validation results yielded determination coefficients of 0.68 and 0.71 respectively for the two rain events, while the Nash-Sutcliffe efficiencies were 0.99 and 0.96 respectively, indicating that model performance was satisfactory and reliable. For the scenario of concave green space with 5 cm depth, runoff volume was reduced by 8.23% and 23.30% and peak flow was reduced by 20.31% and 29.11% respectively for 1-year and 5-year storm events. For the 300 m3 storage pond scenario, runoff volume was reduced by 84.90% and 20.97% respectively for 1-year and 5-year events, while peak flow was reduced by 88.99% and 0.10% respectively. For the scenario in which 50% of impervious surface area was modified to porous brick pavement, runoff volume was reduced by 46.51% and 38.52%, and peak flow was reduced by 39.96% and 35.48% respectively for 1-year and 5-year events. These results indicate that each of the three facilities showed good runoff reduction effectiveness. With increased rainfall intensity, the reduction effectiveness of concave green space, storage pond, and porous brick pavement was slightly enhanced, decreased, and relatively stable respectively. The integrated green infrastructure configuration scenario showed significant reduction effects, with 100% reduction of runoff generated by the 1-year storm; runoff volume and peak flow were reduced by 75.47% and 64.52% respectively under conditions of the 5-year storm, as well as showing increased rainwater infiltration and harvesting for utilization. Therefore, the integrated green infrastructure configuration is among the optimal strategies for storm water runoff reduction and rainwater resource utilization in communities.

Key Words:green infrastructure; storm water runoff; concave green land; storage pond; porous brick pavement; community

DOI:10.5846/stxb201408121604

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wpchen@rcees.ac.cn

收稿日期:2014- 08- 12; 網(wǎng)絡出版日期:2015- 07- 29

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAC13B04); 國家自然科學基金(41271501)

劉文, 陳衛(wèi)平, 彭馳.社區(qū)尺度綠色基礎設施暴雨徑流消減模擬研究.生態(tài)學報,2016,36(6):1686- 1697.

Liu W, Chen W P, Peng C.Modeling the effects of green infrastructure on storm water runoff reduction at community scale.Acta Ecologica Sinica,2016,36(6):1686- 1697.