李 娜，孟雨婷 ，王 靜 ，俞 茜，張念強

（1.中國水利水電科學研究院 防洪抗旱減災研究所，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京 100038）

1 研究背景

在過去的幾十年內，我國城鎮(zhèn)化建設急速發(fā)展，截至2017年底，我國的城鎮(zhèn)化率已經由改革開放初期1978年的17.9%提高到了58.52%[1]。傳統(tǒng)的城市化發(fā)展會顯著增加地表不透水率[2]，不僅增加城市地表徑流，減少地表下滲率[3]，同時會威脅城市水資源和水質安全[4]。由于城市防洪排澇設施的建設遠遠落后于城鎮(zhèn)化進程[5]，因此，隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，我國城市內澇問題日益突出。2013年，國務院提出開展“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設（Sponge City Construction，SCC）。海綿城市建設是基于與自然和諧共處和低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）理念，通過綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式達到減少徑流量并減少雨水污染負荷的目的，使開發(fā)后城市的水文功能盡可能接近開發(fā)之前的狀況。

為了研究不同LID措施及其組合措施的內澇削減效果，國內外學者采用不同的數(shù)學模型針對LID措施及其組合對于徑流總量、洪峰流量和峰現(xiàn)時間等水文特征的影響進行了數(shù)值模擬[6-8]，常用的模擬軟件包括SWMM、Inforworks ICM以及MIKE系列軟件等。程濤等[8]采用Infoworks ICM中的排水模型構建了濟南市市區(qū)某一23.83 km2海綿城市建設試點區(qū)的排水管網模型，模擬了不同降雨情境下最大溢流量的情況，評估了研究區(qū)域排水管網的排水能力。Guan等[9]采用SWMM構建了雨洪模型，模擬發(fā)現(xiàn)雨水罐、透水路面和貯存單元等不同LID措施組合對于徑流總量的削減率比單個LID措施的削減率更加顯著。Lee等[10]采用SWMM5模型模擬了LID措施對于徑流總量和徑流峰值的削減效果。但是，可以發(fā)現(xiàn)，這些模型重點模擬了LID措施對于徑流總量和洪峰流量等的影響，較少關注LID措施對暴雨內澇的影響。

本文采用中國水利水電科學研究院自主開發(fā)的洪澇仿真模型[11-14]和洪水風險分析軟件FRAS（李娜等，2016，登記號：2016SRBJ0650），以濟南市大明湖海綿城市試點區(qū)為研究對象，依據(jù)《山東省濟南市海綿城市建設試點工作實施計劃（2015—2017）》（以下簡稱《實施方案》），在試點區(qū)內布設了相應的LID措施組合，分析在不同降雨重現(xiàn)期下LID措施組合的內澇削減效果，從試點區(qū)、子流域和街區(qū)3個尺度分別分析LID措施對內澇面積的影響，并在流域尺度上分析LID措施對徑流總量和洪峰流量的影響。此外，本文還在試點區(qū)內的廣場西溝流域布置不同規(guī)模的單項LID措施，對比分析10年一遇24 h設計暴雨條件下不同比例單項LID措施的內澇削減效果。通過對模擬結果的分析與討論，提出相關的建議，以期為濟南市海綿城市建設以及城市防洪排澇提供技術支撐。

2 城市洪澇模型的構建

2.1 模型原理本文采用的洪水風險分析軟件集河道一維、城市二維的水動力學模型[11-14]、地下排水計算模型、降雨產流水文模型等于一體，并通過基于GIS的分析界面實現(xiàn)城市洪澇模擬計算。一維模型通過計算洪水沿通道方向，以及與通道兩側網格的水流交換實現(xiàn)與二維模型的耦合。降雨產流和地下排水模型在特殊通道和網格上分別與一、二維水力學模型耦合，體現(xiàn)了一體化建模的緊密連接和實時同步模擬。其中，一維模型主要用于模擬城市內寬度較小的河道洪水和城市道路行洪現(xiàn)象，二維模型用于模擬洪水在地面和寬度較大的河道中的演進，降雨產流水文模型用于模擬降雨形成凈雨的過程，地下排水計算模型用于模擬城市排水管網、泵站等排水設施的作用，包括地下水庫模型、等效管網模型和精細管網模型，本文針對的試點區(qū)管網資料較為完善，研究區(qū)域面積較大（39 km2），包含4個小流域，綜合考慮以上兩個因素，采用“等效管網”模型[12，15]對試點區(qū)地下排水情況進行模擬，該模型與二維水力學模型的耦合包括空間和時間尺度兩方面：（1）在空間尺度上，兩個模型均以每個網格、特殊通道或節(jié)點作為計算單元，當二維水力學模型完成地面的基本方程組求解后，通過在含雨篦子（或雨水口）的網格計算能排入地下管網的水量、在含出水口的網格計算能排入一維或二維河道的水量實現(xiàn)二者的空間耦合；（2）在時間尺度上，二者采用相同的計算步長，每個步長內均進行一次水流交換計算。本文針對降雨產流水文模型，在原有徑流系數(shù)法的基礎上增加了SCS法，與地面二維水力學模型進行實時耦合，并對LID措施所在的道路或網格進行特殊計算或參數(shù)的特殊處理，使模型能更精細地反映海綿城市措施對區(qū)域產匯流過程的影響和效果。

2.2 降雨產流水文模型的改進本文在降雨產流水文計算時采用SCS方法，該方法是原美國農業(yè)部水土保持局（USDA-SCS）對來自美國不同地區(qū)的小流域降雨-徑流資料經過多年分析研究得出的經驗模型[16]。其關系表達如下式所示：

式中：F為產生地表徑流后的后損，即下滲量（mm）；S為土壤潛在最大蓄滯量（mm）；P為降雨量（mm）；Ia為產生地表徑流之前的初損（mm），包括截留、填洼和表層蓄水等的降雨損失；Q為地表徑流量（mm）。

本文針對城市洪澇仿真模型的改進，主要是將SCS方法應用于每個計算步長內的降雨產流計算。考慮到式（1）中降雨量P和下滲量F為場次累積值，而土壤潛在最大蓄滯量S會隨時間變化，所以在每一時間步長內根據(jù)式（1）可求得各計算單元的潛在累積下滲量。由于城市產生徑流的水文過程中降雨初損主要體現(xiàn)在洼地蓄水[18]，而洼地蓄水的影響在二維水力學匯流模型中可通過網格化的地形體現(xiàn)，因此在降雨產流水文模型中可忽略降雨初損，將下滲量作為主要的降雨損失，則式（1）可轉換為式（2）。通過比較潛在下滲量與實際累積下滲量求得當前時刻潛在下滲率，實際下滲率取該值與當前時刻可下滲量和時間步長比值中的較小值。每個時間步長內的下滲率計算見下式：

式中：fT為下滲率（mm/s）；F潛,T為至T時刻的潛在下滲量（mm）；∑F實際，T-DT為至T-DT時刻的實際累積下滲量（mm），使用模型計算出的下滲量累積求得；∑PT為至T時刻的累積降雨量（mm）；DT為時間步長（s）；ST為T時刻的土壤潛在最大蓄滯量（mm）；PT為當前計算步長內的降雨量（mm）；HT-DT為上一時刻積水量（mm）。

模型中將當前計算步長內的凈雨量作為源匯項輸入水力學模型計算匯流過程，耦合過程如圖1所示。根據(jù)實際下滲情況，在面向每一個計算單元應用SCS經驗公式時，對參數(shù)調整如下：

圖1 SCS模型與水力學模型耦合原理

（1）由于初始土壤潛在最大蓄滯量S0變化范圍很大，實際應用中將S0以描述不同土壤-植被組合的徑流曲線數(shù)CN表示，S0與CN值的關系表達為：

式中：CN值是反映地表產流能力的綜合參數(shù)，現(xiàn)實條件下CN取值通常在30～98之間。

（2）一般來說，隨著降雨過程的推進，土壤含水量逐漸增加、下滲率逐步減小。在降雨過程結束時土壤含水量已有明顯增加，下滲率雖仍有變化但變化幅度較小，為簡化計算，參考SWMM中針對降雨結束后下滲的簡化處理方式[18]，模型中設定此種情況下的潛在下滲率fT與上一時刻的下滲率fT-DT相同。

（3）降雨過程中影響下滲的水量除實際降雨量外，還應包括上一時刻積水量，因此公式中可下滲的水量應為當前計算步長內的實際降雨量與上一時刻積水量之和。

（4）在實際下滲中，土壤潛在最大蓄滯量ST和實際累積下滲量∑F實際，T會隨著時間而變化，因此模型中在每一次水文計算后，都要更新參數(shù)值作為下一時間步長的輸入值。

2.3 LID措施模擬本文研究涉及到的LID措施有綠色屋頂、下沉綠地、滯水減排綠地、增滲綠地和透水路面，針對不同措施的功能效果，將每種措施作為新的土地利用類型單元，在模型中對所在網格或道路的參數(shù)和計算方法相應做出了調整。

2.3.1 參數(shù)的調整 考慮到研究所涉及LID措施的主要作用在于增滲和滯洪，因而在模型中相應調整的參數(shù)為網格和道路的高程、糙率和CN值，通過調整網格和道路通道內LID措施布設區(qū)域的參數(shù)值進而影響計算單元參數(shù)的加權平均值。

（1）CN值主要影響降雨產流過程，體現(xiàn)LID措施布設后的增滲效果，具體參數(shù)值根據(jù)底層土壤類型、土地利用類型和前期濕潤情況，通過查美國《國家工程手冊》中給出的CN值檢索表[17]獲得。本文中的綠色屋頂以基質層，透水路面以透水基層，下沉綠地、滯水減排綠地及增滲綠地以原土確定各自底層土壤類型。

網格或道路的加權平均CN值計算如下式所示：

式中：CNi為計算單元中各土地利用類型對應的CN值；Ai為計算單元中各土地利用類型的面積。

（2）高程的調整主要針對下沉綠地和滯水減排綠地，通過削減措施布設區(qū)域高程來反映其滯洪和調控積水的功能，削減值與其蓄水層深度一致，有下沉綠地部分的計算單元，高程ZB計算按下式所示：

式中：ZB原始為計算單元的原始高程值（m）；A總為計算單元總面積（m2）；H下沉為下沉綠地的蓄水深度（m）；A下沉為下沉綠地面積（m2）。

（3）糙率主要影響水力學計算中洪水的匯流過程，受表層土地利用類型影響，可通過增加糙率來反映措施滯洪的效果，網格或道路平均糙率值的計算方法可參照CN值的計算。

（4）考慮到綠色屋頂相對于其他措施土壤層較薄，下滲量有限，因而在原網格參數(shù)的基礎上增加了最大蓄水量這一參數(shù)，在產流計算中綠色屋頂區(qū)域累積下滲量超過此蓄水量時不再下滲。

2.3.2 綠色屋頂產流計算方法改進 含綠色屋頂?shù)木W格包括三種區(qū)域，即綠色屋頂區(qū)、非綠色屋頂房屋區(qū)和非房屋區(qū)。原水文-水力學耦合模型中網格內房屋區(qū)域作為不透水面（無下滲）和非淹沒區(qū)域處理，參與模型中產匯流的計算，采用面積修正率（即屋面面積占網格面積的比值）參數(shù)反映屋面區(qū)域的大小，網格內的積水集中分布于非房屋區(qū)域[11-14]。布設綠色屋頂后，其增滲和蓄滯效果對網格的產流有影響。對此，在模型中將網格的綠色屋頂區(qū)域和非房屋區(qū)域分別按圖1進行下滲計算，非房屋區(qū)域PT為降雨量與網格積水量之和，綠色屋頂區(qū)域計算時PT僅為降雨量，綠色屋頂區(qū)域在累積下滲量達到設定的最大值后不再下滲。非綠色屋頂房屋區(qū)無下滲，凈雨量與降雨量相等。計算出三個區(qū)域的凈雨量后，使用面積加權法將凈雨量重新集中分布于非房屋區(qū)域，并將計算出的網格凈雨量P凈，網格作為源匯項與水力學模型耦合。P凈，網格的計算公式為：

式中：A非房屋為非房屋區(qū)域的面積（m2）；P凈,非房屋為非房屋區(qū)域的凈雨量（mm）；A綠屋為綠色屋頂?shù)拿娣e（m2）；P凈,綠屋為綠色屋頂?shù)膬粲炅浚╩m）；A非綠房屋區(qū)為非綠色屋頂房屋區(qū)域的面積（m2）；P降為降雨量。

3 海綿試點區(qū)及建模介紹

3.1 試點區(qū)概況濟南市海綿城市試點區(qū)為大明湖興隆區(qū)域，即經十路以南、英雄山路以東、千佛山東路以西范圍，試點區(qū)域面積為39 km2，其中山區(qū)面積為16.7 km2，開發(fā)建設區(qū)域面積為22.2 km2，現(xiàn)狀人口約為32萬人。整個試點區(qū)均位于濟南規(guī)劃主城區(qū)內，地勢南高北低、東高西低，東、南部為山體丘陵，中部為山前坡地，試點區(qū)內有廣場西溝、廣場東溝、興濟河和十六里河4個小流域，流域面積分別為5.66、7.72、13.73和3.01 km2。區(qū)域內現(xiàn)狀建設較完善，地塊之間結合緊密，具備連片示范效應。由于《實施方案》中并未詳細描述每類措施的規(guī)模和設置位置，模擬中僅在試點區(qū)內設置了其中較為典型且有具體信息的5類LID措施：綠色屋頂、下沉綠地、滯水減排綠地、增滲綠地和透水路面，措施面積分別為0.26、0.31、1.32、0.46和0.18 km2，其分布如圖2所示。

3.2試點區(qū)模型建立研究區(qū)域共劃分為26659個不規(guī)則網格，網格平均面積約為1500 m2（38 m×38 m），由于河道寬度均未達到網格平均尺寸，因此按特殊河道通道處理，共727條。道路設置為特殊道路通道，共1489條，如圖3所示。

3.2.1 參數(shù)賦值 模型中網格高程由DEM數(shù)據(jù)直接提取，網格糙率根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)計算落在每個網格內的不同土地利用類型面積加權后的平均糙率，網格面積修正率按各網格內房屋面積與網格面積之比計算，網格下的排水管網相關參數(shù)根據(jù)實際管道的屬性提取了管道總長、總體積、平均底坡和平均底高等；特殊河道斷面參數(shù)由實測斷面數(shù)據(jù)計算獲得，特殊道路通道的路面高程以道路高程散點數(shù)據(jù)沿道路中心線線性插值計算，寬度按道路面圖層量取獲得。另外，與海綿措施有關的參數(shù)主要為網格和道路的高程、糙率和CN值，取值結果見表1。其中：

圖2 試點區(qū)流域及LID措施分布

圖3 模型通道及邊界分布

（1）CN值是根據(jù)國際土壤質地三角形的分類方法和試點區(qū)1∶1000000的土壤數(shù)據(jù)確定土壤類型后，利用試點區(qū)1∶2000的居民地和植被數(shù)據(jù)對土地利用類型進行分類，再結合前期濕潤情況，查詢美國土壤保持局提供的CN表獲得。

（2）針對綠色屋頂措施，結合試點區(qū)年徑流總量控制率不低于75%、對應設計降雨量不小于27.7 mm的建設目標，設置其最大蓄水量為27.7 mm，在產流計算中累積下滲量超過此蓄水量時，綠色屋頂區(qū)域不再下滲。

表1 試點區(qū)LID措施的相關模型參數(shù)取值方法

3.2.2 模型邊界 考慮到試點區(qū)南高北低、東高西低的地形，本文研究共設置了2個上邊界入流（扳倒井河和興濟河），及包括河道、道路和普通網格在內共86個下邊界出流，同時將興隆水庫設為內邊界，邊界位置見圖3。其中：（1）上邊界使用瞬時單位線法計算的流量過程作為該處的入流數(shù)據(jù)輸入模型，相關參數(shù)從《山東省水文圖集》中查得；（2）下邊界出流口按曼寧公式計算出流過程；（3）內邊界興隆水庫的作用主要體現(xiàn)在調控來自上游的流量，即以不同暴雨設計頻率下的最大下泄量為控制，在該設計頻率暴雨下上游河道流量小于該值時敞泄，大于該值時按最大下泄量下泄。該水庫設計防洪標準為10年一遇，10年及20年一遇設計暴雨下的最大下泄量分別為36和47 m3/s，5年一遇設計暴雨、模型率定和驗證時的最大下泄量按設計防洪標準下的下泄流量即36 m3/s計算。

3.2.3 初始條件 模型計算中的初始條件包括湖泊及河道初始水深，設置初始條件時參照濟南當?shù)睾醇案骱恿鞫嗄昶骄钯Y料。

4 模型的率定驗證

為檢驗模型參數(shù)的合理性，分別選取2012年7月8日和2015年8月3日兩場近年來試點區(qū)降雨量較大的典型暴雨過程進行模型的率定和驗證。

4.1 模型率定2012年7月8日降雨期間，試點區(qū)內雨量站的累積降雨量介于28.2～93.7 mm之間，降雨集中于7月8日0—10時（圖4（a）），模型模擬總時長設定為15 h，計算步長為3 s，上邊界入流過程如圖4所示，興隆水庫最大下泄量設置為36 m3/s，邊界出口按曼寧公式計算。根據(jù)《濟南城市水文年鑒2012》，試點區(qū)內部共有省委二宿舍和山東大廈2個道路水文站（圖3）的實測數(shù)據(jù)，將模型計算的最大水深與實測值進行對比，結果見表2，可以看出誤差未超過10 cm，總體精度較好。

4.2 模型驗證2015年8月3日降雨期間，試點區(qū)內雨量站的累積降雨量介于44.1～71.5 mm之間，降雨主要集中于8月3日17—23時（圖4（b）），模型模擬總時長設定為11 h，計算步長為3 s，上邊界入流過程如圖4（b）所示，興隆水庫最大下泄量設置為36 m3/s，邊界出口按曼寧公式計算。根據(jù)《濟南城市水文年鑒2015》，省委二宿舍和山東大廈道路水文站的實測數(shù)據(jù)與模型計算的最大水深對比結果見表3，可以看出兩個站點的水深誤差亦均未超過10 cm。另外，模型模擬的區(qū)域水深分布與地形分布特征是相吻合的，如圖5所示，淹沒較深的區(qū)域基本為地形上相對低洼的位置。

表2 2012年7月8日降雨過程道路最大水深的模擬結果

圖4 典型雨量站降雨過程及邊界入流過程

表3 2015年8月3日降雨過程道路最大水深的模擬結果

通過對模型的率定與驗證結果可以看出，本文針對試點區(qū)構建的模型，參數(shù)設置較為合理，道路測站處計算值與實測值誤差較小，模型能較為準確地模擬不同降雨情況下區(qū)域內的內澇情況，率定和驗證后的模型可以用于其他方案的計算。

5 方案計算與結果分析

利用驗證后的模型計算了5、10和20年一遇24 h設計暴雨條件下（降雨過程見圖6）低影響開發(fā)措施設置前后共18個方案，包括不同重現(xiàn)期降雨條件下，設置LID措施前后各3個方案和12個在廣場西溝設置不同比例LID措施的方案（10年一遇降雨重現(xiàn)期條件下）。研究分試點區(qū)、流域、街區(qū)3個空間尺度，分析了低影響開發(fā)措施的內澇削減效果，并在流域尺度上對比分析了不同比例單項LID措施的內澇削減效果。

圖5 模型模擬的2015年8月3日暴雨網格水深分布與區(qū)域高程分布對比

圖6 各重現(xiàn)期設計降雨過程

圖7 5年一遇降雨試點區(qū)內澇分布

圖8 10年一遇降雨試點區(qū)內澇分布

圖9 20年一遇降雨試點區(qū)內澇分布

5.1 LID措施的內澇削減效果

5.1.1 試點區(qū)內澇削減效果分析 本文繪制了不同降雨重現(xiàn)期下《實施方案》中LID開發(fā)措施實施前后試點區(qū)的內澇分布圖，圖7—圖9為各降雨重現(xiàn)期下試點區(qū)的內澇分布圖。受淹面積的變化情況如表4所示。從不同降雨重現(xiàn)期下的內澇分布圖可以看出，LID開發(fā)措施的實施，對措施建設地和附近的內澇均有明顯的消減效果，包括內澇范圍的減少和水深的降低。

從表4可以看出：（1）措施實施前后內澇面積都隨著降雨量級的增大而增大，措施后任一降雨重現(xiàn)期下試點區(qū)內的內澇面積相比現(xiàn)狀均有減小；（2）內澇面積削減比例在5年一遇降雨下最大，20年一遇時最小。隨著降雨量級的增加，內澇面積削減比例逐步減少，說明隨著降雨量級的增大，低影響開發(fā)措施的效果逐步減弱。

表4 試點區(qū)低影響開發(fā)措施內澇削減效果分析統(tǒng)計

5.1.2 流域內澇削減效果分析 本文研究范圍內有廣場東溝、廣場西溝、興濟河和十六里河4個小流域，每個流域中的低影響開發(fā)措施面積、類型都有所差異，具體措施類型及面積見表5。為了對比LID措施在不同小流域的效果，本文分別統(tǒng)計了每個流域的內澇情況。與統(tǒng)計試點區(qū)整體內澇情況類似，對比流域內澇情況時也以內澇面積為統(tǒng)計指標，根據(jù)各流域不同降雨重現(xiàn)期下的數(shù)據(jù)繪制了各流域內澇削減面積比例變化圖，見圖10。

圖10 各流域內澇削減比例變化對比

通過對比可以得出：（1）措施實施后4個流域的內澇面積均有減小，削減比例均大于4.5%，內澇削減效果隨著降雨量級增大而減小，與5.1.1節(jié)中試點區(qū)的內澇削減面積變化規(guī)律相同；（2）廣場西溝、廣場東溝和興濟河流域內LID措施所占流域面積的比例分別為11.11%，5.2%和4.45%，從圖9中可以看出子流域措施效果排序為廣場西溝＞廣場東溝＞興濟河，與措施面積比例順序一致，說明LID措施效果與措施所占區(qū)域面積比例呈正相關關系；（3）十六里河流域內的LID措施以增滲綠地為主，從圖10中可以看出，十六里河流域在5年一遇暴雨下內澇面積削減比例最大，并且隨著降雨量級增大，內澇面積削減比例明顯減弱，這表明增滲綠地的內澇削減效果在小重現(xiàn)期下較為明顯；（4）廣場東溝流域與興濟河流域的LID措施比例相近，且流域內的主要措施都是道路滯水減排綠地，但廣場東溝的內澇面積削減比例明顯大于興濟河，分析發(fā)現(xiàn)興濟河流域位于試點區(qū)南部，地勢高、山地多、坡度大；而廣場東溝地形較為平坦，這表明滯水減排綠地在坡度較大的地形下內澇削減效果不明顯。

表5 各小流域海綿城市措施規(guī)模

5.1.3 街區(qū)內澇削減效果分析 本文對比了廣場西溝上游積水較多且LID措施設置較集中的街區(qū)（圖11）在措施實施前后不同降雨重現(xiàn)期下的內澇情況。該街區(qū)以道路及流域邊界為界，街區(qū)內包括陽光舜城十區(qū)、十二區(qū)、濟南舜文中學等建筑，街區(qū)總面積0.28 km2。

（1）街區(qū)內澇削減效果分析。對比街區(qū)內澇情況時同樣以內澇面積為統(tǒng)計變量，整理了如表6所示的不同降雨重現(xiàn)期下LID措施實施前后內澇面積的變化情況。

從表6可以發(fā)現(xiàn)：①措施實施前后內澇面積都隨著降雨量級的增大而增大，措施后任一降雨重現(xiàn)期下街區(qū)內的內澇面積相比現(xiàn)狀都有減??；②內澇面積削減比例在5年一遇時最大，20年一遇時最小，隨著降雨量級的增加，內澇面積削減比例逐步減少，這表明隨著降雨量級的增大，低影響開發(fā)措施在街區(qū)的內澇削減效果逐步減弱。

圖11 街區(qū)和典型網格的位置及區(qū)域內LID措施分布

表6 街區(qū)內內澇分析統(tǒng)計

（2）關注點內澇削減效果分析。為了進一步對比LID措施的效果，本文研究還選擇了不同位置的網格（見圖12），對比其在措施實施前后淹沒特征的變化，同時還對比了13200號網格有措施和無措施下的淹沒特征，具體參數(shù)及對比結果見表7。

表7 措施實施前后典型網格淹沒變化對比

通過對比得出：①措施后網格淹沒歷時都有明顯縮短，最大水深出現(xiàn)時刻都有所滯后，且重現(xiàn)期較小時效果較好；②位于下游區(qū)域的12293號網格上并無LID措施而其上游區(qū)域內布設有LID措施，但措施實施后，該網格的最大水深和淹沒歷時也大大減小，說明LID措施能顯著減輕下游一定范圍內的內澇；③13200號網格上游區(qū)域內布設有LID措施，通過對比該網格上有、無設置LID措施時淹沒特征的變化可以發(fā)現(xiàn)，在內澇嚴重區(qū)域或其上游區(qū)域設置LID措施均能緩解該區(qū)域的內澇情況。

5.1.4 地表徑流變化分析 本文選取LID措施較多的廣場西溝流域開展措施前后流域地表徑流過程的對比，流域地表徑流過程線及徑流總量、洪峰流量和峰現(xiàn)時刻的變化分別見圖12和表8。

通過對比得出：（1）措施后不同重現(xiàn)期下徑流總量都有所減小，5、10、20年一遇降雨條件下，徑流總量削減率分別為6.5%，4.4%，3.7%，LID措施對徑流總量的削減效果隨降雨量級的增大而減??；（2）洪峰流量在不同重現(xiàn)期下也有不同程度的削減，5、10、20年一遇降雨條件下洪峰流量的削減率分別為9.7%、8.1%和7.7%，LID措施對5年一遇降雨洪峰流量的削減效果最為明顯，之后隨降雨量級的增大而逐漸減?。唬?）各個方案徑流過程中地表徑流峰現(xiàn)時間在LID措施實施前后無太大變化，初步分析與流域內LID措施蓄水能力較小有關。

表8 措施實施前后廣場西溝流域徑流參數(shù)統(tǒng)計

5.2 不同規(guī)模單項措施的內澇削減效果為了進一步比較不同規(guī)模下單項措施的內澇削減效果，本文選取了廣場西溝流域進行方案模擬。該流域面積5.66 km2，地勢平坦，位于城市化程度較高的中心城區(qū)，居民地面積比例為16%。研究分綠色屋頂、透水路面和下沉綠地3類單一LID措施分別設置，其布設規(guī)則為在措施可設置的區(qū)域內按從上游至下游的順序，選擇30%、50%、70%和100%的面積依次增加規(guī)模，對該12個方案分別進行模擬計算。其中綠色屋頂、透水路面和下沉綠地的可設置面積分別為0.958、1.988和0.821 km2。本文從內澇面積、流域積水量及流域出口流量3個方面分析10年一遇重現(xiàn)期下不同LID措施的內澇削減效果。

5.2.1 內澇面積變化 各方案內澇面積削減比例對比圖如圖13所示，同時在圖中標注了各方案措施面積占流域面積的比例。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：（1）10年一遇降雨重現(xiàn)期下，單項措施都能有效減少內澇面積，削減效果隨措施面積增加而增強；（2）對比不同措施相近流域面積比例下，即圖中100%綠色屋頂、100%下沉綠地和50%透水路面（均近似15%流域面積）方案下的內澇削減比例得出，三種措施對內澇面積的削減效果排序為：下沉綠地＞透水路面＞綠色屋頂。

圖12 廣場西溝地表徑流過程線

圖13 不同措施內澇削減面積比例變化

5.2.2 積水量變化 本文統(tǒng)計了不同方案下流域積水量隨時間變化的過程，過程線如圖14所示。由圖可知：（1）各措施均能明顯削減流域積水量，削減量在整個降雨過程中呈先增大后減小的趨勢；（2）圖14（d）中，相似面積比例下不同單項LID措施對流域徑流的削減效果及作用時段有所不同，降雨前期，綠色屋頂對積水量的削減效果最好；降雨峰值及后期，下沉綠地和透水路面的積水量削減效果明顯增強，后期下沉綠地的積水量削減效果明顯優(yōu)于其他兩種措施。

圖14 各方案積水量變化過程線

圖15 各方案流域地表徑流過程

5.2.3 地表徑流變化 本文統(tǒng)計了各方案下流域地表徑流過程，過程線如圖15所示。由圖可知：（1）各項措施對地表徑流總量均有削減，隨著規(guī)模的增大，措施對地表徑流總量的削減量逐步增加；（2）圖15（b）中，不同比例下沉綠地對地表徑流總量的削減量均較小，削減量雖然隨措施規(guī)模增大但增量較??；（3）圖15（d）中，相似面積比例下不同單項LID措施對地表徑流的削減效果有所不同，綠色屋頂和透水路面對地表徑流總量的削減量較大，下沉綠地對地表徑流總量削減較小，這表明下沉綠地由于本身蓄滯量較小，其主要功能在于調控積水分布。

6 結論

本文采用水文-水動力學耦合模型，針對不同量級降雨，開展了LID措施在濟南大明湖試點區(qū)、小流域和街區(qū)3個不同尺度上的內澇削減效果研究。通過本文研究可以得到以下幾點結論：（1）在3個不同尺度布置LID措施后，5、10、20年一遇降雨下的內澇面積、洪峰流量和徑流總量均有所降低，隨著降雨量級增大，內澇的削減效果減弱，5年一遇內澇削減效果最為顯著。（2）單一LID措施的內澇削減面積比例、積水量削減比例和地表徑流總量削減比例，都與措施的規(guī)模呈正相關，規(guī)模越大，削減量越大。（3）3種LID措施對積水量的削減效果在整個降雨過程中均呈先增大后減小的趨勢，這是由于措施增滲量和蓄滯量有限，隨著降雨累積量的增大，后期能發(fā)揮的內澇削減效果也隨之減弱。（4）不同類型LID措施的內澇削減效果有所不同。10年一遇降雨條件下，濟南海綿城市試點區(qū)中的廣場西溝流域內，措施對內澇面積的削減效果排序為下沉綠地＞透水路面＞綠色屋頂。

本文設置的3種LID措施的內澇削減效果是基于本文研究區(qū)域的特殊地形和土地利用狀況得出的，對類似區(qū)域具有一定的參考價值，但仍具有一定的局限性。針對不同地形、土地利用和降雨雨型等條件，單獨LID措施及不同LID措施組合的內澇削減效果還有待進一步研究。