申紅彬，徐宗學(xué)，張書函，李其軍

（1. 華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045；2. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3. 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

1 研究背景

近些年來，受局地、區(qū)域以及全球尺度上高強(qiáng)度人類活動影響，天然水文過程發(fā)生了顯著變化。城市化地區(qū)作為環(huán)境變化的熱點(diǎn)區(qū)域，不透水地表面積比例的大幅增長是引發(fā)流域水文環(huán)境改變的重要因素［1］。有研究表明，不透水面積比例增加10%～100%，徑流將增加200%～500%，并且比例20%是徑流迅速增加的閾值；當(dāng)不透水面積比例大于25%時(shí)，會導(dǎo)致地表水環(huán)境嚴(yán)重退化與毀壞［2-4］。

低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）是美國Maryland 州于1990 年代在最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）基礎(chǔ)上提出的一種新型雨水管理理念［5］。LID強(qiáng)調(diào)通過大量分散、小規(guī)模的源頭控制措施如綠色屋頂、植物蓄留池（雨水花園）、透水鋪裝、植被草溝和調(diào)蓄池等來實(shí)現(xiàn)對場地開發(fā)后新增不透水地表徑流增量的消納［6-10］，核心目標(biāo)是維持開發(fā)前后降雨徑流水文特征不變，包括徑流總量、洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間等。目前，LID已被明確作為我國海綿城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)組成部分之一［11］。

對于LID如何實(shí)現(xiàn)徑流總量控制目標(biāo)，我國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年下發(fā)的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（簡稱《指南》）提出“年徑流總量控制率”指標(biāo)，2018年出版的國標(biāo)《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）改為“雨水年徑流總量控制率”。其中，“徑流總量控制”概念在理論上存在一定的不足。對此，不論是《指南》還是《標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)質(zhì)上均采用降雨總量控制模式以實(shí)現(xiàn)徑流總量控制目標(biāo)。另外，《指南》、《標(biāo)準(zhǔn)》中“年控制”概念主要定位為多年平均概念，而我國降雨年內(nèi)分布不均、年際變幅很大，這給LID的效果監(jiān)測評價(jià)帶來了困難，易出現(xiàn)豐水年監(jiān)測效果偏低、枯水年監(jiān)測效果偏高的情況［12］。不同于我國的降雨總量控制模式，美國《實(shí)施暴雨徑流控制導(dǎo)則》（簡稱《導(dǎo)則》）采用降雨場次控制模式。降雨總量控制與場次控制在統(tǒng)計(jì)方法上有所區(qū)別，兩者存在一定的對應(yīng)關(guān)系。比較而言，降雨場次控制對于LID建設(shè)更具有實(shí)用意義與可操作性［13］。不少學(xué)者對這兩種降雨控制模式的區(qū)別進(jìn)行了分析討論［14-15］。不過，不少研究實(shí)踐表明，不同LID單體設(shè)施均具有一定的蓄納能力和匯水服務(wù)范圍（0～40 hm2）［16］。在區(qū)域大尺度LID中，就需要綜合考慮采用多種LID單體設(shè)施的組合與配置，相互之間匯流關(guān)系復(fù)雜。對于不同匯流關(guān)系，LID降雨控制方式也會存在區(qū)別。目前，對該方面問題的研究討論還較少。

本文對于不同場次降雨下不同匯流關(guān)系LID降雨控制方式的區(qū)別進(jìn)行分析比較，提出LID降雨控制方式的檢驗(yàn)方法與流程，并以北京未來科技城為例，對其LID降雨控制方式進(jìn)行分析檢驗(yàn)。相關(guān)成果可以進(jìn)一步深化人們對于LID降雨控制模式的認(rèn)識。

2 不同匯流關(guān)系LID降雨控制方式理論分析

2.1 考慮匯流關(guān)系場次降雨綜合徑流系數(shù)計(jì)算方法徑流系數(shù)是反映流域降雨-徑流關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)。對于不同類型下墊面組合地表區(qū)域，我國市政《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB11/685-2013）提出其綜合徑流系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：αc為綜合徑流系數(shù)；m為下墊面種類數(shù)；i為序號；αi為第i類下墊面徑流系數(shù)；Ai為第i類下墊面面積，km2；A為區(qū)域總面積，km2。

式（1）未考慮不同類型下墊面之間的匯流關(guān)系，而且對于不同類型下墊面徑流系數(shù)αi，規(guī)范取值是多年平均值，未具體針對不同場次降雨考慮徑流系數(shù)αi的變化。為此，針對場次降雨，并考慮匯流關(guān)系，通過對不同類型下墊面單元按匯流順序依次編號，可將式（1）進(jìn)一步簡單改進(jìn)表示為：

式中：Pi、Fi分別為不同類型下墊面單元降雨量和徑流損失量（包括蒸發(fā)、植被截流、地表填洼及土壤入滲等），mm；P為區(qū)域降雨量，mm；i為下墊面單元依匯流順序編號；m為下墊面單元個(gè)數(shù)。

對于某場具體降雨過程，應(yīng)用式（2）計(jì)算應(yīng)按匯流順序從區(qū)域最遠(yuǎn)端匯流單元開始，計(jì)算降雨量與損失量的差值，如差值為負(fù)取為0，如差值為正則多出水量計(jì)入下一級匯流單元，依次計(jì)算疊加直至區(qū)域匯流總出口，最終得到區(qū)域綜合徑流系數(shù)。

2.2 不同匯流關(guān)系LID綜合徑流系數(shù)變化特征在區(qū)域大尺度LID中，不同類型地塊（小區(qū)、道路、綠地等）建設(shè)布局、下墊面種類等有所不同，宜選用不同的LID設(shè)施組合，并可依布置關(guān)系不同形成不同的匯流關(guān)系。以圖1中分析子流域?yàn)槔?，因集水井位置不同可以?gòu)成兩種匯流關(guān)系：（1）串聯(lián)關(guān)系。集水井位置位于J3位置，不透水路面S3降雨徑流經(jīng)路牙開口匯入綠化帶G3，經(jīng)綠化帶G3調(diào)蓄后再匯入集水井J3，S3與G3之間構(gòu)成一種串聯(lián)關(guān)系；（2）并聯(lián)關(guān)系。集水井位置位于J′3位置，不透水路面S3降雨徑流經(jīng)路牙開口直接匯入集水井J′3，G3降雨徑流匯入集水井J′3，兩者構(gòu)成一種并聯(lián)關(guān)系，G3不對S3降雨徑流進(jìn)行調(diào)蓄。

兩種匯流關(guān)系下，子流域綜合徑流系數(shù)變化規(guī)律將會明顯不同，計(jì)算示例見圖1。其中，對于S3與G3串聯(lián)情況，在雨強(qiáng)（0.4 mm/min）較小條件下，在G3超滲產(chǎn)流前一定初始時(shí)段內(nèi)雨強(qiáng)小于G3土壤入滲能力，G3除自身下滲外還能夠蓄納上游S3匯入的徑流，因此初始一定時(shí)段內(nèi)子流域綜合徑流系數(shù)為0。對于S3與G3并聯(lián)情況，G3不蓄納S3的降雨產(chǎn)流，在G3超滲產(chǎn)流前一定初始時(shí)段內(nèi)G3徑流系數(shù)為0，S3不透水地表產(chǎn)生徑流，子流域綜合徑流系數(shù)為S3徑流系數(shù)與S3占子流域面積比例的乘積。因S3徑流系數(shù)符合不透水地表徑流系數(shù)變化特征，最大趨近值為1.0，故S3與G3并聯(lián)情況下在初始一定時(shí)段內(nèi)綜合徑流系數(shù)以S3所占面積比例為最大趨近值。

圖1 區(qū)域LID復(fù)雜匯流關(guān)系及綜合徑流系數(shù)變化情況

2.3 不同匯流關(guān)系LID降雨控制方式分析探討我國《指南》、《標(biāo)準(zhǔn)》均采用降雨總量控制模式以實(shí)現(xiàn)徑流總量控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)降雨量是LID規(guī)模設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。根據(jù)某區(qū)域多年日降雨量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)小于某一閾值的降雨量占總降雨量的比率，該比率對應(yīng)的降雨量即為設(shè)計(jì)降雨量［11，17］，并據(jù)此采用容積法等方法確定待建LID設(shè)施的規(guī)模。在區(qū)域降雨總量控制率、設(shè)計(jì)降雨量、LID設(shè)施容積一定的情況下，不同匯流關(guān)系分別對應(yīng)不同的降雨控制方式，主要表現(xiàn)為圖2中降雨量柱狀圖陰影分割組成方式的不同。

圖2 不同匯流關(guān)系下降雨控制方式的差異

仍以圖1中分析子流域?yàn)槔海?）對于不透水地表與LID設(shè)施串聯(lián)情況，當(dāng)降雨量（降雨體積）小于設(shè)計(jì)降雨量（LID設(shè)施容積）時(shí)，區(qū)域產(chǎn)流可完全被LID設(shè)施所蓄納，綜合徑流系數(shù)等于0，地表徑流不外排，可完全實(shí)現(xiàn)場次控制；當(dāng)降雨量（降雨體積）大于設(shè)計(jì)降雨量（LID設(shè)施容積）時(shí)，區(qū)域產(chǎn)流不能完全被LID設(shè)施所蓄納，綜合徑流系數(shù)大于0，部分地表徑流溢排，可實(shí)現(xiàn)對于小于設(shè)計(jì)降雨量下的初期部分控制，且該部分控制雨量可完全包含初始徑流。（2）對于不透水地表與LID設(shè)施并聯(lián)情況，對于任意量級降雨量，均有部分地表徑流外排，綜合徑流系數(shù)大于0，降雨控制方式均為部分控制，且因不透水地表初始徑流外排，該部分控制雨量不能完全包含初始徑流。

比較上述兩種徑流控制方式：（1）從不同場次降雨控制總量來看，并聯(lián)關(guān)系下控制不外排的雨量略小于串聯(lián)關(guān)系下控制不外排的雨量。（2）從水質(zhì)控制角度而言，串聯(lián)關(guān)系下小于設(shè)計(jì)降雨量的降雨會全部得到控制并經(jīng)過處理再經(jīng)滲流排入水體，超出的部分得不到有效處理而溢流排放，并會對已控高污染徑流（包含初始徑流）混摻稀釋而對水質(zhì)處理效果產(chǎn)生影響。不過，相比并聯(lián)關(guān)系下不透水地表初始高污染徑流的直接排放，串聯(lián)關(guān)系的水質(zhì)處理效果仍然相對較好。（3）從徑流過程峰值削減角度來說，串聯(lián)關(guān)系下不透水地表降雨徑流再經(jīng)LID 設(shè)施調(diào)蓄能夠有效延遲峰現(xiàn)時(shí)間，并減小峰值流量。（4）從地下水涵養(yǎng)與河川基流補(bǔ)給角度來看，串聯(lián)關(guān)系下小于設(shè)計(jì)降雨量的降雨為場次控制，雨水完全入滲土壤可以更好涵養(yǎng)地下水并穩(wěn)定補(bǔ)充河川基流，這與美國《導(dǎo)則》采用降雨場次控制模式出發(fā)點(diǎn)一致，即認(rèn)為95%年降雨場次控制率對應(yīng)的降雨總量最能代表自然條件下入滲的雨水總量［18］；相比之下，并聯(lián)關(guān)系下小于設(shè)計(jì)降雨量的降雨為部分控制，能夠入滲土壤補(bǔ)給地下水的雨水量相對減少，外排地表徑流匯入河川后又增大了徑流過程的不穩(wěn)定性。（5）對于降雨場次控制模式，串聯(lián)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)降雨場次控制的基礎(chǔ)。因此，對于區(qū)域LID 設(shè)施的布置，宜多采用串聯(lián)關(guān)系形式。

3 區(qū)域LID降雨控制方式的分析檢驗(yàn)

3.1 LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)步驟監(jiān)測是檢驗(yàn)LID 設(shè)施雨水徑流控制效果的重要基礎(chǔ)，基于區(qū)域LID實(shí)施后的降雨徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)，LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)流程

主要具體步驟為：（1）現(xiàn)場監(jiān)測：對于LID實(shí)施后區(qū)域，制定合理監(jiān)測方案、選擇監(jiān)測儀器，對降雨徑流過程進(jìn)行監(jiān)測；（2）統(tǒng)計(jì)分析：基于降雨徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)降雨徑流特征參數(shù)，包括：降雨量、徑流量、起止時(shí)間、最大雨強(qiáng)、洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流系數(shù)等；（3）比較診斷：按監(jiān)測場次降雨量大小依次排序，比較設(shè)計(jì)降雨量，判斷設(shè)計(jì)降雨量以下降雨是否符合場次控制，如有個(gè)別不符合分析相應(yīng)原因（如對于滲透設(shè)施是否是雨強(qiáng)過大所致），如大多不符合則實(shí)地調(diào)研區(qū)域內(nèi)是否有LID設(shè)施未能串聯(lián)的不透水地表區(qū)域；（4）模擬檢驗(yàn)：結(jié)合LID設(shè)施未串聯(lián)不透水地表區(qū)域調(diào)研結(jié)果，模擬該不透水地表區(qū)域的降雨徑流過程，并與監(jiān)測降雨徑流過程進(jìn)行比較，如果相符則進(jìn)一步印證了判斷、調(diào)研結(jié)果的合理性；（5）方案改進(jìn)：基于檢驗(yàn)判斷、調(diào)研結(jié)果，進(jìn)一步提出改進(jìn)的方案和措施。

3.2 未串聯(lián)不透水地表面積比例分析估算在區(qū)域LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)中，如已初步判別區(qū)域內(nèi)存有LID 未串聯(lián)的不透水地表區(qū)域，不透水地表降雨徑流損失主要為地表填洼損失，可以采用Linsely公式計(jì)算［19］：

式中：Δ為地表填洼損失量，mm；Δmax為最大地表填洼損失量，mm；P為降雨量，mm；β為變化速率，β=1/Δmax。

對于降雨量（雨強(qiáng)）小于設(shè)計(jì)降雨量（雨強(qiáng)）的場次降雨，在LID容積蓄滿溢流前，區(qū)域綜合徑流系數(shù)變化規(guī)律可表示為：

式中：A′為區(qū)域內(nèi)未串聯(lián)不透水面積，km2；A′/A為未串聯(lián)不透水面積比例值。

基于式（4），結(jié)合區(qū)域設(shè)計(jì)降雨量以下場次降雨綜合徑流系數(shù)實(shí)測值，通過擬合率定，可以初步估算相應(yīng)未串聯(lián)不透水地表所占面積比例值A(chǔ)′/A。

4 區(qū)域LID降雨控制方式實(shí)例檢驗(yàn)

4.1 北京未來科技城LID 概況北京未來科技城位于北京市昌平區(qū)東南部（圖4），是北京市經(jīng)濟(jì)向京津冀輻射的重要發(fā)展節(jié)點(diǎn)。未來科技城于2009年陸續(xù)開工建設(shè)，一期規(guī)劃面積約10 km2。根據(jù)未來科技城土地利用控制性詳細(xì)規(guī)劃，開發(fā)建設(shè)后全區(qū)除水面外不透水面積比例將由21%增至45%，經(jīng)式（1）估算，年均綜合徑流系數(shù)將由0.35增至0.59，為此需開展LID建設(shè)［20］。

圖4 北京未來科技城區(qū)域位置

未來科技城LID規(guī)劃設(shè)計(jì)主要參照《指南》。根據(jù)《指南》規(guī)定，新開發(fā)區(qū)域LID年徑流總量控制率應(yīng)不低于85%，確定未來科技城年徑流總量控制率≥85%。采用降雨總量控制模式以實(shí)現(xiàn)徑流總量控制目標(biāo)，根據(jù)北京市多年日降雨量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)小于某一閾值的降雨量占總降雨量的比率，比率為0.85對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為32.5 mm［20］。

未來科技城LID 采用了分區(qū)分塊的組合配置方案：（1）根據(jù)土地功能劃分分為2 類（雨水零排放區(qū)、雨水控制排放區(qū)）6個(gè)雨水利用子目標(biāo)區(qū)域（北部雨水零排放區(qū)、濱河雨水零排放區(qū)、京承雨水零排放區(qū)，北部雨水控排區(qū)、東南雨水控排區(qū)、西南雨水控排區(qū)）；（2）根據(jù)土地利用類型分為3類地塊（開發(fā)建設(shè)地塊（包括居住用地、教育科研用地、市政用地等）、地塊周邊道路（包括主干路、次干路、支路等）、公共綠地），按地塊面積比例分解雨水控制利用目標(biāo)；（3）分地塊選擇適宜LID設(shè)施組合（表1），分地塊開展雨水利用建設(shè)。

未來科技城LID匯流關(guān)系布設(shè)類似前文圖1。對于開發(fā)建設(shè)地塊，屋頂、道路、廣場等不透水地表降雨徑流均串聯(lián)匯入周邊下凹綠地、植物蓄留池（雨水花園）等，有些末端還設(shè)有雨水池等收集回用設(shè)施，嚴(yán)格限制雨水徑流外排，將雨水就地消納。對于地塊周邊道路，不透水路面降雨徑流多串聯(lián)匯入道路兩側(cè)下凹綠化帶內(nèi)，通過下滲、滯蓄等措施減少道路雨水外排，削減污染負(fù)荷。對于公共綠地，不透水地表降雨徑流均串聯(lián)匯入周邊下凹綠地，地塊內(nèi)部還建有增滲設(shè)施、雨水坑塘、雨水池等設(shè)施，在保證消納自身雨水的同時(shí)，還有能力調(diào)蓄下滲一部分外來徑流。

表1 北京未來科技城不同類型地塊LID設(shè)施配置組合

4.2 區(qū)域LID后降雨徑流監(jiān)測為檢驗(yàn)未來科技城LID雨水徑流控制效果，需開展降雨徑流監(jiān)測工作。根據(jù)《未來科技城外部雨污水排除規(guī)劃》，北部雨水控排區(qū)（除東南小部分區(qū)域雨水單獨(dú)向東排入方氏渠外，絕大部分雨水經(jīng)市政管網(wǎng)集中向南排入溫榆河，匯水面積約為230.97 hm2）與東南雨水控排區(qū)（雨水經(jīng)市政管網(wǎng)向南排入魯疃西溝）分別構(gòu)成相對獨(dú)立的排水區(qū)域，適宜選為監(jiān)測區(qū)域。徑流監(jiān)測位置選在排水區(qū)出口處（圖4位置M1、M2），儀器選用德國Hydro Vision公司生產(chǎn)的滿管/非滿管高精度多普勒超聲波流量計(jì)；降雨監(jiān)測位置選在溫榆河南側(cè)“綠洲”辦公樓前（圖4位置O），儀器采用翻斗式雨量計(jì)。具體參見文獻(xiàn)［21］。

2015、2016年雨季分別對未來科技城降雨徑流過程進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測。表2、表3分別為北部雨水控排區(qū)（以下簡稱北區(qū)）2015年監(jiān)測有效降雨徑流過程特征參數(shù)（降雨量、降雨起止時(shí)間、最大雨強(qiáng)、徑流量、徑流起止時(shí)間、洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流系數(shù)等）統(tǒng)計(jì)情況。其中，降雨量介于4.6～32.7 mm之間，最大雨強(qiáng)介于0.04～1.34 mm/min之間，雨強(qiáng)、雨量均較??；綜合徑流系數(shù)介于0.02～0.09 之間，平均值約為0.05；地表徑流開始前初損量介于1.0～3.3 mm 之間，平均值約為2.0 mm 左右。

表2 北京未來科技城北區(qū)場次降雨徑流過程特征統(tǒng)計(jì)

表3 北京未來科技城北區(qū)場次降雨徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.3 LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)

4.3.1 場次降雨控制方式分析判斷 對表2、表3中的監(jiān)測場次降雨按降雨量從小到大依次排序，并與設(shè)計(jì)降雨量32.5 mm比較，如圖5所示。其中，補(bǔ)充編號8、9、10分別為2016.7.14（降雨量33.1 mm）、2016.6.12（降雨量35 mm）、2016.7.20（降雨量195 mm）場次降雨，具體可以參見文獻(xiàn)［21］?？梢钥闯觯?016.7.20特大降雨外，其余9場降雨累計(jì)降雨量174.5 mm，控制不外排降雨量160.1 mm，降雨總量控制率達(dá)到91.7%，遠(yuǎn)大于總量控制率為85%的目標(biāo)。不過，2015年期間監(jiān)測場次降雨量多小于設(shè)計(jì)降雨量（32.5 mm），并均有一定量的地表徑流外排，對小于設(shè)計(jì)降雨量的降雨均未能實(shí)現(xiàn)場次控制。對于2016.7.20大雨過程，綜合外排徑流系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展情況如圖6所示?？梢钥闯觯?dāng)累計(jì)降雨量小于設(shè)計(jì)降雨量（32.5 mm）時(shí)，區(qū)域綜合徑流系數(shù)并不等于0，存在地表徑流外排的情況。綜合以上初步判斷，區(qū)域內(nèi)應(yīng)有部分不透水地表徑流未能串聯(lián)匯入LID設(shè)施。

根據(jù)北區(qū)2015年對不同場次降雨量、綜合徑流系數(shù)監(jiān)測值，基于式（4），經(jīng)擬合率定LID設(shè)施未串聯(lián)不透水地表所占面積比例值A(chǔ)′/A約為0.1，最大地表填洼損失量Δmax約為6.0 mm，約為平均初損量值（2.0 mm）的3倍，如圖7所示?？梢钥闯觯?015.9.11（編號：5）場次降雨外，綜合徑流系數(shù)實(shí)測值與擬合值變化趨勢基本符合。這是由于綜合徑流系數(shù)不僅受到降雨量的影響，還受到雨強(qiáng)、相鄰場次降雨間隔時(shí)間等多種因素的影響。對于2015.9.11 場次降雨，降雨量為5.7 mm，與2015.9.22（編號：6）場次降雨量4.6 mm相差不大，不過前者距其上次降雨（2015.9.10）間隔時(shí)間較短（1 d10 h30 min），以致徑流系數(shù)明顯增大。

圖5 場次降雨徑流控制方式判別情況

圖6 2016.7.20大雨綜合徑流系數(shù)變化情況

通過對北區(qū)分地塊實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)：建設(shè)地塊內(nèi)不透水屋頂、路面降雨徑流均能串聯(lián)匯入周邊綠地加以消納；道路地塊內(nèi)機(jī)動車不透水道路旁下凹綠化帶下凹深度多存在不足，集水井位置未按規(guī)劃位置布設(shè)（類似前文圖1中J3、J′3位置問題），導(dǎo)致不透水路面雨水直接排入市政管網(wǎng)（見圖8）。經(jīng)對北區(qū)不同類型用地面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，道路地塊內(nèi)不透水路面面積占北區(qū)全區(qū)面積的比例剛好約為0.1。因此，初步認(rèn)為2015年北區(qū)小于設(shè)計(jì)降雨量的場次降雨徑流主要為道路地塊內(nèi)的不透水路面產(chǎn)流。

圖7 綜合徑流系數(shù)隨降雨量變化情況

圖8 北區(qū)道路地塊路側(cè)下凹綠化帶調(diào)研情況

4.3.2 場次降雨徑流過程模擬驗(yàn)證 為進(jìn)一步驗(yàn)證上述判斷，需單獨(dú)對北區(qū)不透水道路降雨徑流過程進(jìn)行模擬，并與監(jiān)測降雨徑流過程進(jìn)行比較。本次模擬采用改進(jìn)的基于路段水文響應(yīng)單元離散的分布式單位線模型［22-26］：

式中：UHn為單位線縱坐標(biāo)值；Δt為單位線計(jì)算時(shí)段；n為時(shí)段序號；m為路段水文響應(yīng)單元個(gè)數(shù)；j為路段水文響應(yīng)單元序號；Aj為j路段水文響應(yīng)單元面積；為j路段水文響應(yīng)單元匯至流域出口時(shí)間與計(jì)算時(shí)段比值取整數(shù)；qj（Δt，n）為j路段水文響應(yīng)單元時(shí)段單位線；βj為j路段水文響應(yīng)單元速率參數(shù)，βj=1/Kj，Kj為j路段水文響應(yīng)單元線性水庫調(diào)蓄參數(shù)。

結(jié)合Nash瞬時(shí)單位線與等流時(shí)線理論［27］，線性水庫調(diào)蓄參數(shù)Kj等于坡面匯流時(shí)間Tj：

式中：Tj為j路段水文響應(yīng)單元坡面匯流時(shí)間，s；Lj為j路段水文響應(yīng)單元坡面長度，m；Vj為j路段水文響應(yīng)單元坡面水流平均流速，m/s，可以采用Eagleson-Bras公式計(jì)算［28］：

式中：Bj為j路段水文響應(yīng)單元坡面寬度，m；Jj為j路段水文響應(yīng)單元坡面比降；nj為j路段水文響應(yīng)單元坡面糙率；I為凈雨強(qiáng)度，cm/h。

北區(qū)道路地塊內(nèi)不透水道路共計(jì)有8條：魯疃西路（北區(qū)）、神華規(guī)劃二路、神華規(guī)劃三路、神華規(guī)劃四路、神華規(guī)劃五路、北區(qū)一號路、北區(qū)二號路、溫榆河北濱河路。根據(jù)路網(wǎng)、排水管網(wǎng)、集水井分布情況，可以概化離散為28個(gè)匯水路段水文響應(yīng)單元，并統(tǒng)計(jì)不同匯水路段相關(guān)地理特征參數(shù)（長度、面積等），見圖9。各匯水路段單元之間匯流關(guān)系相對復(fù)雜，匯流順序分別為：24-23-22-14-3-M1、25-22-14-3-M1、26-14-3-M1、21-14-3-M1、27-13-5-3-M1、20-13-5-3-M1、28-12-2-M1、19-12-2-M1、11-2-M1、10-9-7-1-M1、8-7-1-M1、4-1-M1、18-17-6-3-M1、15-6-3-M1、16-6-3-M1。

圖9 未來科技城北區(qū)道路匯水單元離散

圖10 未來科技城北區(qū)部分降雨徑流過程模擬

采用分布式單位線模型對北區(qū)不透水道路降雨徑流過程進(jìn)行模擬，部分模擬結(jié)果如圖10 所示。在模擬過程中，對于不同匯流路段單元匯至出口斷面M1的時(shí)間tj，暫不考慮市政排水管道內(nèi)流速分布的差異，基于監(jiān)測峰現(xiàn)時(shí)間（相當(dāng)于全流域匯流時(shí)間），依各匯流路段單元距出口斷面M1的距離按比例進(jìn)行分配估算。從圖10可以看出：北區(qū)不透水道路降雨徑流模擬計(jì)算值與北區(qū)監(jiān)測得到的降雨徑流實(shí)測值變化趨勢基本吻合。進(jìn)一步驗(yàn)證了2015年北區(qū)小于設(shè)計(jì)降雨量的場次降雨徑流主要為道路地塊內(nèi)不透水路面產(chǎn)流。因此，后期應(yīng)結(jié)合原串聯(lián)設(shè)計(jì)方案對不透水道路旁下凹綠化帶加以改造，具體為：加大下凹深度，將集水井位置重新布置，使得不透水道路降雨徑流經(jīng)路牙開口排入下凹綠地，經(jīng)調(diào)蓄后再進(jìn)入集水井，以實(shí)現(xiàn)LID 設(shè)施（下凹綠化帶）對不透水路面降雨徑流的調(diào)蓄控制。

5 結(jié)論

通過理論分析與實(shí)際監(jiān)測檢驗(yàn)，對不同匯流關(guān)系LID降雨控制方式的區(qū)別進(jìn)行了分析研究，提出了LID降雨控制方式的檢驗(yàn)方法與流程，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在區(qū)域LID中，LID設(shè)施與不透水地表之間依匯流方式的不同可以構(gòu)成串聯(lián)、并聯(lián)兩種關(guān)系形式，并分別對應(yīng)不同的降雨控制方式。對于小于設(shè)計(jì)降雨量的降雨，前者不透水地表產(chǎn)流完全被LID設(shè)施所蓄納，可以做到場次控制，后者不透水地表產(chǎn)流未經(jīng)LID設(shè)施直接排出，僅能實(shí)現(xiàn)部分控制；對于大于設(shè)計(jì)降雨量的降雨，兩者均為部分控制。從不同場次降雨控制總量來看，前者略大于后者。從對地下水涵養(yǎng)、徑流水質(zhì)改善和流量峰值削減角度而言，前者效果要優(yōu)于后者。

（2）基于監(jiān)測可以對區(qū)域LID雨水徑流控制效果與方式進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)不僅包括降雨總量控制率的統(tǒng)計(jì)，還需比較看小于設(shè)計(jì)降雨量的場次降雨能否做到場次控制，以分析判別降雨控制的方式。LID降雨控制方式分析檢驗(yàn)的主要流程步驟包括：現(xiàn)場監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析、比較診斷、模擬檢驗(yàn)與方案改進(jìn)。

（3）以北京未來科技城為例，對其LID徑流控制效果與方式進(jìn)行了分析檢驗(yàn)。結(jié)果表明，監(jiān)測期內(nèi)除2016.7.20特大降雨外，9場降雨累計(jì)降雨量174.5 mm，控制不外排雨量160.1 mm，降雨總量控制率91.7%，達(dá)到總量控制率≥85%的目標(biāo)，但對小于設(shè)計(jì)降雨量（32.5 mm）的單場降雨，均有一定量的地表徑流外排，未能實(shí)現(xiàn)場次控制。原因在于道路地塊內(nèi)不透水機(jī)動車路面與兩側(cè)綠化帶因施工布置問題未能實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，后期有待加以改進(jìn)。