梁 芊， 馮文凱,2*， 黎一禾， 魏昌利

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；3.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081)

受城市面積大規(guī)模擴(kuò)張的影響，城市土地利用類型以硬質(zhì)鋪裝為主，天然狀態(tài)下的水文循環(huán)發(fā)生改變，增加了城市傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的壓力，使城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增加[1]。自1949年以來(lái)，遂寧中心城區(qū)遇強(qiáng)降雨時(shí)積水內(nèi)澇嚴(yán)重，易澇地段主要包括沙壩、煤坪、老城南開(kāi)善河段等，城區(qū)易澇點(diǎn)共計(jì)44個(gè)，內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積為9.36 km2。遂寧市發(fā)生10 000 m3/s以上的洪水達(dá)20余次，其中尤以1954、1981和1998年較為嚴(yán)重。為改善城市水文循環(huán)，構(gòu)建健全的排水系統(tǒng)，20世紀(jì)末，美國(guó)提出低影響開(kāi)發(fā)(LID)理念[2]，住建部于2014年10月發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，提出建設(shè)具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市，讓城市“彈性適應(yīng)”環(huán)境變化與自然災(zāi)害[3]。

暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的分布式的水文模型，可用來(lái)模擬城市降雨徑流過(guò)程[4-5]，現(xiàn)如今已經(jīng)普遍應(yīng)用于城市雨洪的模擬評(píng)估[6-7]，最新推出的SWMM 5.1版中增設(shè)的LID模塊，可以模擬評(píng)估布設(shè)LID設(shè)施下的城市雨洪過(guò)程。胡愛(ài)兵等[8]運(yùn)用 SWMM構(gòu)建了深圳市海綿城市某示范區(qū)模型，通過(guò)模擬比較后得到最佳LID布設(shè)方案；王雷等[9]利用SWMM構(gòu)建了華北某地區(qū)降雨徑流模型，模擬了5種LID措施布設(shè)組合的徑流控制效果，為該區(qū)域海綿城市建設(shè)提供最優(yōu)方案。李春林等[10]以沈陽(yáng)市區(qū)為例，利用 SWMM 建立降雨徑流模型，收集相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)模型水文水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定和檢驗(yàn)，分析對(duì)比了城市化后和加入LID設(shè)施后對(duì)城市內(nèi)澇特征的影響。

SWMM在西南地區(qū)具有良好的適用性[11]，胡彩虹等[12]得到貴安新區(qū)LID最優(yōu)措施對(duì)高頻暴雨和低頻暴雨的洪峰流量削減率高達(dá)67.2%和44.5%，劉佳琳等[13]利用SWMM對(duì)西南地區(qū)典型山地地區(qū)子匯水區(qū)產(chǎn)流特征進(jìn)行了深入研究。以上研究推動(dòng)了西南地區(qū)海綿城市建設(shè)的章程，但對(duì)于西南典型特征地質(zhì)區(qū)——紅層丘陵區(qū)的海綿城市建設(shè)缺乏相關(guān)資料。

針對(duì)研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征不同，需要根據(jù)研究區(qū)當(dāng)?shù)厮?、地域特征不斷做出調(diào)整，在如何高效應(yīng)用低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施方面進(jìn)行完善。因此，以遂寧市河?xùn)|新區(qū)濕地公園為例，構(gòu)建SWMM模擬LID措施對(duì)低重現(xiàn)期與高重現(xiàn)期降雨條件下徑流控制率、洪峰推遲及下滲過(guò)程的影響，評(píng)估不同降雨重現(xiàn)期下LID設(shè)施對(duì)紅層丘陵區(qū)徑流調(diào)控效果的影響規(guī)律。為中國(guó)西南地區(qū)紅層丘陵地區(qū)的海綿城市建設(shè)提供相應(yīng)的理論依據(jù)，對(duì)推進(jìn)中國(guó)海綿城市建設(shè)有著十分重要的意義。

1 SWMM模型的建立

1.1 研究區(qū)概況

遂寧市河?xùn)|新區(qū)位于遂寧市涪江主要支流左岸，地貌表現(xiàn)為河谷沖積平壩地貌，上覆第四系沖積層粉土、粉-細(xì)砂含少量的砂卵礫石，下部為砂卵礫石層，基巖為上侏羅統(tǒng)遂寧組的粉砂質(zhì)泥巖。河?xùn)|新區(qū)靠河一側(cè)雖受河流沖刷，河床基底有所起伏，但總體上較為平坦。根據(jù)遂寧市河?xùn)|新區(qū)氣象監(jiān)測(cè)站(2000—2017年)近20年的降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，河?xùn)|新區(qū)多年平均降雨量約430 mm，其中降雨多集中在5—9月。研究區(qū)為遂寧市河?xùn)|新區(qū)芳州路濕地休閑憩息區(qū)，位于遂寧市河?xùn)|新區(qū)二期規(guī)劃區(qū)西側(cè)(圖1)，東臨五彩繽紛路以及保利江與城住宅小區(qū)，總占地面積約8.5×104m2，地理坐標(biāo)為105°35′09.81″E，30°32′44.60″N。

改造之前芳洲路主要存在三個(gè)方面的排水問(wèn)題：①局部路段冒水、積水現(xiàn)象突出；②雨污分流不徹底，存在雨污混接情況，影響聯(lián)盟河水質(zhì)；③雨水利用率低，景觀水體自來(lái)水補(bǔ)給消耗大。

圖1 遂寧市濕地公園位置示意圖Fig.1 Location diagram of of Suining Wetland Park

1.2 LID設(shè)施及其功能

降雨形成地表徑流的過(guò)程如圖2所示，海綿城市建設(shè)通過(guò)從源頭改變地表下墊面不透水性質(zhì)，增加雨水下滲量，利用天然地質(zhì)條件及在近地表處設(shè)置的人工臨時(shí)儲(chǔ)水裝置暫儲(chǔ)雨水，從而達(dá)到減少地表徑流、削減洪峰的作用。

圖2 降雨-地表徑流過(guò)程Fig.2 Rainfall-surface runoff process

濕地公園地質(zhì)結(jié)構(gòu)表層以第四系粉砂質(zhì)黏土為主，砂卵礫石層位于地表下覆5 m，可作為天然的蓄水層和過(guò)水廊道，綜合下墊面、排水管網(wǎng)走向、綠地空間等因素，濕地公園建設(shè)中采用如下LID措施：在停車場(chǎng)、游樂(lè)場(chǎng)設(shè)置透水鋪裝、滲排一體渠等。透水鋪裝利用其高滲透性及大空隙率的特點(diǎn)可就地消納儲(chǔ)存雨水徑流；在局部開(kāi)敞空間例如多級(jí)音樂(lè)公園，設(shè)置了階梯狀植草溝及雨水花園——人工下凹綠地，利用植被根系及土壤對(duì)降水產(chǎn)生的儲(chǔ)存及滯留作用消減地表徑流，利用地表植被溝渠將多余的雨水運(yùn)移至城市雨污管道。濕地公園LID布置平面圖如圖3所示。

圖3 濕地公園LID措施布設(shè)平面圖Fig.3 Arrangement diagram of LID measures in wetland park

1.3 研究區(qū)SWMM模型概化

在研究區(qū)域概化之前，基于多次對(duì)芳州路濕地公園實(shí)際地形地貌、水文狀況等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和分析研究，結(jié)合已收集的相關(guān)場(chǎng)地排水渠道資料，區(qū)域概化并遵循以下原則。

(1)子匯水區(qū)排水應(yīng)遵循就近原則，排放到最近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且布局應(yīng)根據(jù)研究場(chǎng)地的地形和排水管網(wǎng)。

(2)雨水徑流從不同節(jié)點(diǎn)流入地下管網(wǎng)，并從各相連的雨水管網(wǎng)最后出口排放。

(3)在計(jì)算水力時(shí)，所有雨水管網(wǎng)的支網(wǎng)不納入考慮，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)只考慮研究區(qū)域的主干網(wǎng)。

(4)在研究降雨條件吋，認(rèn)為研究場(chǎng)地的每個(gè)子匯水上節(jié)點(diǎn)的降雨量和強(qiáng)度是一樣的。

(5)模擬情形中假設(shè)當(dāng)前的排水管網(wǎng)無(wú)初始水深，且不考慮蒸發(fā)的汽化現(xiàn)象。

按照以上5個(gè)區(qū)域概化原則預(yù)先概括分析獲取的地圖及管網(wǎng)資料，研究區(qū)域概化為20個(gè)子匯水區(qū)，設(shè)置雨水管線15條、檢查井節(jié)點(diǎn)17個(gè)、排放口3個(gè)，平面概化圖如圖4所示。

圖4 濕地公園SWMM模型平面概化Fig.4 SWMM model plane generalization of wetland park

2 參數(shù)初選、率定及模型驗(yàn)證

2.1 參數(shù)初選與率定

SWMM模型運(yùn)行所需參數(shù)可大致分為三類[14]：水文模塊參數(shù)、水力模塊參數(shù)、LID設(shè)施參數(shù)。模型參數(shù)取值參考模型手冊(cè)及已有相關(guān)文獻(xiàn)，后基于研究區(qū)實(shí)際降雨徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，以確保模擬結(jié)果最大貼近真實(shí)情況。對(duì)于水文模塊過(guò)程模擬，SWMM中徑流量通過(guò)曼寧公式給出，下滲模擬有三種形式：Horton模型[15]、Green-Ampt模型、SCS曲線數(shù)法，選擇Horton模型，其表達(dá)式為

f=(f0-f∞)e-kt+f∞

(1)

式(1)中：f為t時(shí)刻的入滲率，mm/h；f∞為土壤穩(wěn)定入滲率，mm/h；f0為初始入滲率，mm/h；k為入滲衰減系數(shù)。

水文模塊參數(shù)主要包括：子匯水區(qū)寬度、地表坡度、不透水面積百分比、曼寧粗糙系數(shù)、洼地儲(chǔ)水深度及地表滲透率。其中，子匯水區(qū)寬度是子匯水區(qū)面積與地表漫流最長(zhǎng)路徑的比值[16]。子匯水區(qū)域進(jìn)一步可以分為3個(gè)模塊，分別為透水地塊的、有洼蓄能力的不透水地塊的和無(wú)洼蓄能力的不透水地塊。每個(gè)子匯水區(qū)根據(jù)上述劃分的三種地表類型，各自獨(dú)立地開(kāi)展模擬計(jì)算，計(jì)算完成之后將模擬結(jié)果進(jìn)行匯總整理。即可得到回水區(qū)域的出流過(guò)程線。對(duì)于透水區(qū)域、有洼蓄能力的不透水區(qū)域和無(wú)洼蓄能力的不透水區(qū)域來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)流的計(jì)算公式為

R1=(i-f)Δt

(2)

R2=P-D

(3)

R3=P-E

(4)

式中：R為該子匯水區(qū)的產(chǎn)流量，mm；i為降雨強(qiáng)度，mm/h；f為透水地面的入滲率，mm/h；P為降雨量，mm；D為洼蓄量，mm；E為蒸發(fā)量，mm。

降雨經(jīng)地表匯流進(jìn)入市政排水管網(wǎng)，雨水在管網(wǎng)中的運(yùn)動(dòng)是一較為種復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，管道中的水流流態(tài)可分為恒定流和非恒定流，對(duì)于水力模塊模擬，SWMM提供了三種水流在管渠管段的流量演算方式：恒定流演算、運(yùn)動(dòng)波演算、動(dòng)力波演算。鑒于動(dòng)力波兼具節(jié)點(diǎn)與管道的連續(xù)性，對(duì)回水頻發(fā)區(qū)的管道模擬效果較好[17]，因此本文模型采用動(dòng)力波管道模型計(jì)算方法。水力模塊參數(shù)主要包括管道長(zhǎng)度、管徑和曼寧粗糙系數(shù)。

選擇遂寧市河?xùn)|新區(qū)圣蓮島雨量站2018年4月24日、2018年7月3日兩次降雨徑流監(jiān)測(cè)資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，以2018年7月24日暴雨進(jìn)行驗(yàn)證。SWMM初選及率定結(jié)果如表1所示，LID參數(shù)取值如表2所示。

表1 SWMM模型參數(shù)率定結(jié)果Table 1 Parameter calibration results of SWMM model

表2 LID設(shè)施參數(shù)取值Table 1 Parameter of LID facility

2.2 模型驗(yàn)證

選取納什效率系數(shù)法(ENS)對(duì)在該研究區(qū)建立的模型參數(shù)進(jìn)行率定，應(yīng)用遺傳算法，選擇河?xùn)|新區(qū)濕地公園2018年4月11日和2017年7月15日兩場(chǎng)暴雨進(jìn)行率定，以2018年7月24日暴雨進(jìn)行驗(yàn)證。

ENS的表達(dá)式為

(5)

式(5)中：Qsim為i時(shí)刻的模擬值；Qobs為i時(shí)刻的實(shí)測(cè)值；Qav為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

ENS可反映模型模擬過(guò)程和實(shí)測(cè)過(guò)程的擬合程度，ENS越接近1，說(shuō)明模擬過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程的擬合程度越高,以ENS≥0.5作為模型率定的最低標(biāo)準(zhǔn)。模型驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

表3 SWMM模型驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Parameters calibrition results of model of SWMM model

三場(chǎng)降雨的ENS均大于0.75，顯示出較好的擬合度，可以認(rèn)為該模型參數(shù)取值合理，可用于遂寧市體育中心城市雨水控制與利用的模擬計(jì)算。

3 設(shè)計(jì)暴雨

降雨數(shù)據(jù)是SWMM模型最基礎(chǔ)且最重要的輸入變量，通過(guò)模型中的雨量計(jì)表征，該數(shù)據(jù)可以為實(shí)際降雨數(shù)據(jù)，也可以為設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)，不同降雨量與降雨強(qiáng)度模擬方案由設(shè)計(jì)降雨的不同重現(xiàn)期體現(xiàn)。分別設(shè)定2、5、20、50年一遇等4個(gè)降雨重現(xiàn)期，以評(píng)估遂寧市濕地公園海綿城市技術(shù)措施對(duì)不同降雨情形的作用。

2016年遂寧市市氣象局編制了《遂寧市主城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式報(bào)告》，選取遂寧市主城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式[式(2)]，采用Pilgrim & Cordery法[18]設(shè)計(jì)暴雨雨型分別推求重現(xiàn)期為2、5、20、50年，降雨歷時(shí)為 6 h 的降雨，設(shè)計(jì)雨型采用P，雨峰相對(duì)位置r取0.5。不同降雨重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)降水過(guò)程線如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)降雨過(guò)程曲線Fig.5 Rainfall process curves at different recurrence interval

(6)

式(6)中：i為t時(shí)間內(nèi)的平均暴雨強(qiáng)度，mm/min；t為降水歷時(shí)，min；p為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。

4 結(jié)果與討論

利用SWMM模型對(duì)研究區(qū)布設(shè)LID措施前后的地表徑流控制率進(jìn)行模擬，設(shè)置重現(xiàn)期為2、5、20、50年四種降雨重現(xiàn)期模擬情景，遂寧市河?xùn)|新區(qū)濕地公園地表徑流相關(guān)模擬結(jié)果如表4所示。研究區(qū)的降雨重現(xiàn)期由2年上升至50年，總降雨量由76.04 mm增加至139.05 mm，當(dāng)降雨重現(xiàn)期分別為2年一遇和5年一遇時(shí)，LID措施下的徑流控制率可達(dá)78%和45%，相比布設(shè)前的同等重現(xiàn)期下的徑流控制率高出54%和25%。隨著重現(xiàn)期逐漸增大，LID措施下的徑流控制率逐漸減小，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為20年一遇和50年一遇時(shí)，LID措施下的徑流控制率分別為20%和11%，相比布設(shè)前同等重現(xiàn)期下的徑流控制率僅高出2%和1%。LID措施對(duì)城市降雨徑流的控制有明顯的效果，但隨著降雨重現(xiàn)期的增加，LID措施對(duì)降雨徑流的控制效果逐漸減弱。

表4 不同重現(xiàn)期下地表徑流模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of surface runoff under different recurrence periods

由圖6可以知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇和5年一遇時(shí)，LID措施對(duì)洪峰的推遲并不明顯，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為20年一遇和50年一遇時(shí)，LID措施對(duì)洪峰有較明顯的推遲作用，推遲時(shí)間達(dá)2、2.5 h。LID措施有推遲洪峰的作用，對(duì)低重現(xiàn)期降雨洪峰推遲的效果低于高重現(xiàn)期降雨，且隨著重現(xiàn)期的增加推遲作用愈加明顯。

圖6 布設(shè)LID措施前后不同重現(xiàn)期下的徑流過(guò)程曲線Fig.6 Runoff process curves under different recurrence periods with LID measures installed and unlaid

圖7為不同重現(xiàn)期下匯水區(qū)下滲量隨時(shí)間的變化曲線。在四個(gè)降雨重現(xiàn)期情景下，未設(shè)置LID措施的下滲量隨時(shí)間的變化曲線線型大致相同，均為先保持不變，而后劇烈降低，遂又保持平穩(wěn)，最終緩慢降低至穩(wěn)定值。設(shè)置LID設(shè)施后，下滲量在短時(shí)間內(nèi)急劇增加至最大值而后趨于平緩，下滲量有明顯增加，重現(xiàn)期為2年一遇和5年一遇時(shí)，最大下滲量分別增加了37.04%和21.88%，重現(xiàn)期為20年和50年時(shí)，最大下滲量分別增加了15.63%和6.25%。說(shuō)明以透水鋪裝為主的LID設(shè)施可在短時(shí)間內(nèi)使降雨快速入滲，LID措施對(duì)低重現(xiàn)期降雨水入滲的促進(jìn)作用優(yōu)于高重現(xiàn)期，入滲的降水一部分儲(chǔ)存于蓄水模塊中，溢出部分進(jìn)入市政管網(wǎng)，剩余部分暫存土壤中緩慢下滲至淺層地下水中。

圖7 布設(shè)LID措施前后不同重現(xiàn)期下的下滲過(guò)程曲線Fig.7 Infiltration process curves under different recurrence periods with LID measures installed and unlaid

5 結(jié)論

通過(guò)建立SWMM模型對(duì)西南紅層丘陵區(qū)——遂寧市河?xùn)|新區(qū)濕地公園海綿城市建設(shè)效果進(jìn)行了模擬分析，模擬了海綿城市建設(shè)前后LID設(shè)施對(duì)研究區(qū)徑流量、徑流控制率、下滲量的影響過(guò)程，得到以下結(jié)論。

(1)海綿城市建設(shè)對(duì)西南紅層丘陵區(qū)地表徑流有明顯的削減作用，在低降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，LID措施對(duì)地表徑流的控制率達(dá)78%和45%，在高重現(xiàn)期(20年一遇進(jìn)而50年一遇)情況下，地表徑流控制率僅2%和1%。隨著降雨重現(xiàn)期的增加，LID措施對(duì)降雨徑流的控制效果逐漸減弱。

(2)海綿城市措施對(duì)于西南紅層丘陵區(qū)洪峰流量有一定的削峰與洪峰推遲的作用，在低降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，洪峰的推遲現(xiàn)象不明顯，在高降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，洪峰的推遲時(shí)間達(dá)2、2.5 h。

(3)以透水鋪裝為主的海綿體可在短時(shí)間內(nèi)使降雨快速入滲，減少超滲產(chǎn)流，以達(dá)到消納雨水的目的。