李永坤，薛聯(lián)青，邸蘇闖，潘興瑤，張書函，王麗晶

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048； 2.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；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來(lái)海綿城市建設(shè)衍生出若干城市水文學(xué)問題，涉及海綿措施徑流響應(yīng)機(jī)理及效應(yīng)研究[1-3]，首先是怎樣定量海綿措施不同尺度下的減控效果，其次是如何確定建成區(qū)海綿措施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，最終怎樣促進(jìn)區(qū)域小海綿與流域大海綿水系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。綜合評(píng)價(jià)雨洪利用工程布局及其優(yōu)化組合模式對(duì)場(chǎng)次降雨和年降雨量的控制效果，成為海綿城市亟待研究的首要問題。2013年，北京市發(fā)布DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，規(guī)定新建項(xiàng)目按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)配套建設(shè)雨洪利用工程，當(dāng)新建工程硬化面積達(dá)到2 000 m2及以上時(shí)，每千平方米硬化面積應(yīng)配套建設(shè)不小于30 m3的雨水調(diào)蓄池，綠地率建設(shè)工程下凹式綠地比例至少50%，公共停車場(chǎng)、人行道等透水鋪裝率不小于70%(以下簡(jiǎn)稱為“3+5+7”海綿改造措施)。隨著北京市入選第二批海綿試點(diǎn)城市，相繼發(fā)布了《北京市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》[5]，將中心城區(qū)劃分為308個(gè)雨水管控單元及31 018個(gè)地塊單元，確定各管控單元的年徑流總量控制率，以保障中心城區(qū)總體年徑流總量控制率達(dá)到75%以上。

大量研究結(jié)果表明[6-8]海綿措施等外界脅迫條件下流域水文情勢(shì)變異度影響分析主要采用數(shù)值模型及變化范圍法。由于變化環(huán)境下城市流域歷史徑流監(jiān)測(cè)序列不完整，或存在非一致性等問題，因此現(xiàn)狀主要選用數(shù)值模型法。Omar[9]利用SWMM模型分析低影響措施在城市密集區(qū)域的雨水徑流減控效果。陸小蕾等[10]基于SWMM模型研究，指出當(dāng)下凹綠地深度達(dá)到5～10 cm能夠有效削減雨水徑流。陳韜等[11]以嘉興市南湖區(qū)世合小鎮(zhèn)為例，應(yīng)用i-Tree模型評(píng)估了低影響開發(fā)措施水量水質(zhì)控制效果。王文亮等[12]應(yīng)用SWMM模型模擬雨水花園、植被淺溝和透水鋪裝3種措施對(duì)場(chǎng)地雨水徑流的影響，結(jié)果表明場(chǎng)地LID措施可將峰值流量及年徑流外排率恢復(fù)到開發(fā)前狀態(tài)。上述海綿措施模擬模型研究，重點(diǎn)針對(duì)建筑小區(qū)或區(qū)域尺度，缺少流域尺度不同降雨下的徑流控制效果的系統(tǒng)性研究，難以對(duì)流域整體新建及改建工程提供有效的指導(dǎo)意見。本文基于Infoworks ICM城市流域洪澇模型，利用流域出口水文監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)降雨徑流過(guò)程進(jìn)行率定驗(yàn)證，通過(guò)情景構(gòu)建定量評(píng)價(jià)流域“3+5+7”海綿措施對(duì)場(chǎng)次及年度降雨徑流過(guò)程的綜合影響。

1 研究區(qū)概況

馬草河是北京市中心城區(qū)西南部的一條重要排洪河道，屬于涼水河水系，是涼水河中心城區(qū)范圍內(nèi)的最大支流，西起京津鐵路涵洞，在洋橋閘附近匯入涼水河干流，全長(zhǎng)13 km，流域面積25.53 km2，流域下墊面高程介于36.88～54.72 m之間。研究區(qū)域范圍內(nèi)用地類型主要分為道路、普通房屋、裸土、河道面等13類，不透水面積比例為67%，根據(jù)不同下墊面類型雨量徑流系數(shù)建議取值[4]，加權(quán)平均得出流域綜合徑流系數(shù)為0.67，城市流域特點(diǎn)顯著。按照《北京市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》所提出的規(guī)劃目標(biāo)，研究區(qū)域涉及18個(gè)雨水管控單元，各管控單元年徑流總量控制率目標(biāo)值為71%～90%。馬草河流域位置分布見圖1。

圖1 馬草河流域位置和排水分區(qū)Fig.1 Location and drainage division of Macao River Basin

2 研 究 方 法

常用水文水力學(xué)模型主要包括Grid-XAJ-SATIN、LSX-HMS、Infoworks ICM、SWMM、MIKE等[8,13-14]，Infoworks ICM模型適用于城市流域雨水系統(tǒng)各種復(fù)雜水文水力學(xué)過(guò)程模擬，廣泛應(yīng)用于城市排水領(lǐng)域。模型集成了世界上多種產(chǎn)匯流模型，基于子集水區(qū)劃分和不同產(chǎn)流特征表面進(jìn)行降雨徑流計(jì)算，采用圣維南方程組模擬明渠和管道水力學(xué)演進(jìn)過(guò)程，采用Pressmann Slot方法模擬超負(fù)荷管道水力學(xué)演進(jìn)過(guò)程[8]。Infoworks ICM模型可以模擬生物滯留槽、雨水花園、綠色屋頂?shù)?類海綿措施的水文水質(zhì)過(guò)程，能夠與降雨徑流、管網(wǎng)匯流、河道匯流以及地面漫流過(guò)程交互耦合，系統(tǒng)能模擬下墊面、排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的水文水力學(xué)效應(yīng)。模型將透水鋪裝、下凹式綠地、雨水調(diào)蓄池概化為表層、填料層、蓄水層的3層豎向介質(zhì)，各層之間通過(guò)雨水徑流入滲過(guò)程實(shí)現(xiàn)水量傳遞，基于非線性水庫(kù)法求解，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：i——降雨強(qiáng)度，mm/s；q0——表層入流速率，mm/s；e1、e2——表層、填料層蒸發(fā)量，mm/s；q1——表層入滲速率，mm/s；q3——暗管出流速率，mm/s；f1、f2、f3——表層、填料層及蓄水層入滲速率，mm/s；d1、d3——表層及蓄水層蓄水深度，mm；L2——填料層深度，mm；θ2——填料層體積含水率，%；Φ3——蓄水層孔隙率，%。

海綿措施表層主要接收直接降雨和不透水匯水區(qū)域的徑流量，當(dāng)表層蓄滿后，雨水徑流直接溢流外排，表層及填料層入滲采用Green-Ampt公式計(jì)算，表層入滲速率計(jì)算如下：

(4)

式中：K2s——土壤飽和水力傳導(dǎo)度，mm/s；θs——土壤飽和含水量，%；θi——土壤初始含水量，%；Ψ2——土壤中濕潤(rùn)鋒以上的吸水頭，mm；F——單位面積累積入滲量，mm。

填料層承接表層入滲水量，填料層入滲速率計(jì)算式如下：

(5)

式中：HCO——入滲率衰減曲線常系數(shù)；θFC——土壤田間持水量，mm。

蓄水層水量來(lái)自填料層下滲，蓄水層可下滲至下層本地土壤層。當(dāng)設(shè)置排水暗管時(shí)，蓄水層水量可通過(guò)排水暗管外排，排水暗管出流速率計(jì)算式如下：

q3=Chn

(6)

式中：C——排水系數(shù)，若該層下無(wú)排水管則C=0；h——排水暗管上方飽和介質(zhì)厚度，mm；n——排水指數(shù)，當(dāng)取值為0.5時(shí)相當(dāng)于孔口出流。

3 模 型 構(gòu) 建

Infoworks ICM模型構(gòu)建包括子集水區(qū)產(chǎn)匯流、管網(wǎng)匯流和河道匯流。依據(jù)排水管網(wǎng)路由與雨水口的空間位置關(guān)系，綜合建筑物、大范圍綠地等下墊面類型，劃分29個(gè)排水分區(qū)，其中建筑排水分區(qū)24個(gè)(平均面積104 hm2)，綠地排水分區(qū)5個(gè)(平均面積10 hm2)。結(jié)合檢查井空間分布，通過(guò)泰森多邊形法進(jìn)一步劃分子集水區(qū)，作為降雨徑流的最小計(jì)算單元，最終將研究區(qū)劃分為5 107個(gè)子集水區(qū)，平均面積0.510 hm2。依據(jù)不同土地類型滲透性能將徑流表面概化為道路、屋頂、綠地及裸土4類，定量統(tǒng)計(jì)各子集水區(qū)4種徑流表面的面積比例，建立產(chǎn)匯流模型。馬草河流域排水分區(qū)分布見圖1。

馬草河流域排水管網(wǎng)包括分流制和合流制管線，在詳細(xì)收集雨水和雨污合流管線勘測(cè)資料基礎(chǔ)上，進(jìn)行管網(wǎng)匯流路徑、上下游管底高程拓?fù)錂z查，確保上下游管線連接關(guān)系、上下游底高程、坡度以及檢查井地面高程、埋深等屬性參數(shù)的合理性。研究區(qū)域共有5 102個(gè)檢查井，5 110條排水管線，29個(gè)排水口，管線總長(zhǎng)度129 km，管道形狀多為圓管或方涵，管徑分布在300～4 250 mm區(qū)間，管道糙率系數(shù)取0.013，建立管網(wǎng)匯流模型。管網(wǎng)匯流通過(guò)排水口排入河道，排水口是管網(wǎng)與河道的連接點(diǎn)。綜合考慮河道勘測(cè)斷面和出水口位置設(shè)置河道計(jì)算節(jié)點(diǎn)，河道糙率系數(shù)取0.03，建立河道匯流模型。

4 模型率定及驗(yàn)證

徑流表面中道路、屋頂為不透水下墊面，選用固定徑流系數(shù)法、SWMM匯流模型計(jì)算子集水區(qū)坡面產(chǎn)匯流過(guò)程，主要率定參數(shù)為徑流系數(shù)、初損值及曼寧系數(shù)，綠地和裸土為透水下墊面，選用霍頓入滲法、SWMM匯流模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，率定參數(shù)包括初損值、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、衰減系數(shù)及曼寧系數(shù)，參考規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、模型手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)確定各參數(shù)取值范圍[4,8,15-17]。為率定模擬參數(shù)并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選取近年來(lái)影響較大的2016年7月20日和2018年7月16日兩場(chǎng)典型降雨徑流過(guò)程資料(以下簡(jiǎn)稱2016年“7·20”和2018年“7·16”)，參數(shù)率定方法采用人工試錯(cuò)法，其中2016年“7·20”作為率定場(chǎng)次，2018年“7·16”作為驗(yàn)證場(chǎng)次。

研究系統(tǒng)收集兩場(chǎng)典型場(chǎng)次中世界公園、玉泉營(yíng)、新發(fā)地3個(gè)代表性雨量站實(shí)測(cè)降雨序列，以及洋橋閘實(shí)測(cè)流量序列，數(shù)據(jù)資料來(lái)源于北京市水文總站。通過(guò)雨量站點(diǎn)泰森多邊形劃分，空間插值提取各子集水區(qū)降雨過(guò)程輸入模型，經(jīng)分析河道漲水過(guò)程，將河道基流量2 m3/s作為邊界條件，采用相對(duì)誤差δ和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)檢驗(yàn)?zāi)M精度。在率定期，2016年“7·20”馬草河流域面平均降雨量301 mm，最大24 h降雨重現(xiàn)期大于20年一遇小于50年一遇，洋橋閘洪峰流量為92.95 m3/s，洪水重現(xiàn)期接近20年一遇，流域平均徑流深為113.65 mm。模擬洪峰流量為84.25 m3/s，峰值相對(duì)誤差為9%；峰現(xiàn)時(shí)間誤差為40 min，小于許可誤差(4 h)；模擬徑流深為132.82 mm，徑流深相對(duì)誤差為17%；模擬洪水過(guò)程N(yùn)ash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.92。在驗(yàn)證期，2018年“7·16”流域面平均降雨量為120 mm，最大24 h降雨重現(xiàn)期大于1年一遇小于3年一遇，洋橋閘洪峰流量為19.29 m3/s，平均徑流深為50.44 mm。模擬洪峰流量為20.93 m3/s，峰值相對(duì)誤差為9%；峰現(xiàn)時(shí)間誤差為1 h，小于許可誤差4 h；模擬徑流深為52.77 mm，徑流深相對(duì)誤差為5%；模擬洪水過(guò)程N(yùn)ash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.78。這2場(chǎng)洪水均存在漲水階段模擬值偏低、退水階段模擬值偏高的情況，在驗(yàn)證期洪水過(guò)程模擬精度有所降低，這可能與雨污合流管線截污改造、污水處理廠補(bǔ)給河道等人工調(diào)度措施有關(guān)，并不是自然降雨徑流過(guò)程。總體來(lái)說(shuō)，基于Infoworks ICM構(gòu)建的馬草河流域洪澇模型率定參數(shù)合理可靠，徑流量、洪峰流量和流量過(guò)程模擬精度較高，可用于不同降雨情景下的模擬分析。模型參數(shù)率定結(jié)果見表1。率定及驗(yàn)證場(chǎng)次洋橋閘模擬結(jié)果見圖2。

表1 Infoworks ICM模型參數(shù)率定結(jié)果

圖2 場(chǎng)次降雨模擬結(jié)果Fig.2 Comparison between simulated results and measurements in the rainfall event

5 模擬情景設(shè)置

按照DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中海綿措施組合配套建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，研究流域道路面積為1 175 hm2，透水鋪裝面積為822 hm2；綠地面積為724 hm2，下凹式綠地面積為362 hm2；硬化面積為861 hm2，雨水調(diào)蓄池建設(shè)規(guī)模為20萬(wàn) m3。綜合考慮海綿措施建設(shè)規(guī)范，設(shè)置豎向規(guī)模參數(shù)[4]，透水鋪裝表層、填料層、蓄水層深度分別為80 mm、50 mm及200 mm，表層、填料層入滲率取值為100 mm/h及29.97 mm/h，蓄水層未設(shè)置暗管；下凹式綠地護(hù)坡、填料層、蓄水層深度分別為200 mm、300 mm、200 mm，填料層入滲率為29.97 mm/h；雨水調(diào)蓄池排水指數(shù)取0.5，調(diào)蓄池蓄滿后經(jīng)孔口出流外排，排水延時(shí)為24 h，即降雨結(jié)束后24 h調(diào)蓄池收集雨水外排。各類海綿措施模擬參數(shù)如表2所示。

表2 海綿措施模擬參數(shù)

收集研究區(qū)域3個(gè)雨量站點(diǎn)2012—2016年降雨歷史序列，選取近年來(lái)降雨量強(qiáng)度偏大和量級(jí)偏多的2012年及2016年逐1 h降雨過(guò)程數(shù)據(jù)輸入模型[19-20]，評(píng)價(jià)流域尺度實(shí)施海綿措施改造后年徑流量的削減效果。

6 模擬結(jié)果分析

圖3 研究區(qū)域海綿措施徑流減控效果Fig.3 Runoff control effect of sponge measures at different return period rainfalls

1年一遇至50年一遇不同重現(xiàn)期模擬結(jié)果顯示，馬草河流域現(xiàn)狀模擬徑流總量區(qū)間范圍為9.54～159.13 mm，徑流系數(shù)為0.20～0.45，洪峰流量變化區(qū)間10.97～106.31 m3/s，洪峰滯時(shí)200～90 min，流域匯流時(shí)間約為180 min，現(xiàn)狀流域產(chǎn)流量大、匯流速度快，符合城市流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)。由圖3可以看出，實(shí)施調(diào)蓄池、下凹式綠地和透水鋪裝海綿改造后，能夠有效削減徑流總量和峰值流量，徑流量削減幅度為90.46%～38.88%，流域出口洋橋閘洪峰削減比例為93.25%～15.60%，峰現(xiàn)時(shí)間較現(xiàn)狀滯后225～0 min，表明海綿組合措施能夠?qū)τ旰橘Y源進(jìn)行攔截及滲蓄，降低地面徑流總量和坡面匯流時(shí)間，對(duì)各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨具有不同程度的削減效果。

由圖4可知，研究區(qū)1年一遇最大雨強(qiáng)為19 mm/h，海綿措施徑流量及峰值流量的削減效果達(dá)到90%以上，峰現(xiàn)時(shí)間延遲約225 min，主要由于降雨強(qiáng)度小于海綿措施入滲率，調(diào)蓄池空間相對(duì)較大，提高流域滯蓄能力，河道洪峰坦化作用顯著。當(dāng)暴雨重現(xiàn)期達(dá)到10年一遇后，最大雨強(qiáng)達(dá)到75 mm/h時(shí)，徑流量削減效果趨于穩(wěn)定。隨著暴雨重現(xiàn)期繼續(xù)增加，洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間削減效果明顯降低。50年一遇模擬結(jié)果圖4所示，海綿措施改造后洪峰流量為89.73 m3/s，洪峰流量削減比例僅15.60%，峰現(xiàn)時(shí)間基本無(wú)延遲。綜上所述，隨著暴雨重現(xiàn)期增加，海綿措施對(duì)徑流量與洪峰流量減控效果有所降低，海綿措施主要滯蓄10年一遇以下降雨徑流過(guò)程。

圖4 研究區(qū)域海綿措施徑流減控效果Fig.4 Runoff control effect of sponge measures in the study area

對(duì)于年徑流總量控制率，2012年研究區(qū)年降雨總量為820 mm，最大雨強(qiáng)為60 mm/h，降雨強(qiáng)度達(dá)到5年一遇，以局地雨強(qiáng)較大、連續(xù)型強(qiáng)降雨為主，模擬年徑流量為217 mm，年徑流系數(shù)為0.26；2016年降雨總量為623 mm，最大雨強(qiáng)為28 mm/h，降雨強(qiáng)度僅大于1年一遇小于3年一遇，全年以降雨強(qiáng)度較小、平穩(wěn)型降雨為主，模擬年徑流量為145 mm，年徑流系數(shù)為0.23。基于子集水區(qū)模擬流量過(guò)程，通過(guò)Arcgis軟件矢量要素Intersect空間分析工具，進(jìn)行子集水區(qū)與管控單元相交分析，應(yīng)用Spatial Join空間關(guān)聯(lián)加權(quán)提取各管控單元年徑流量和徑流系數(shù)。據(jù)圖5可知，2012年現(xiàn)狀各管控單元年徑流系數(shù)為0.21～0.35，其中14處地塊未達(dá)到規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)；2016年各管控單元年徑流系數(shù)為0.18～0.28，共有6處地塊未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 現(xiàn)狀年徑流系數(shù)Fig.5 Current annual runoff coefficient

據(jù)圖6可知，實(shí)施“3+5+7”海綿措施改造后：研究區(qū)域2012年模擬年徑流量為139 mm，較現(xiàn)狀年徑流量削減36%，年徑流總量控制率為83%，各管控單元控制率為82%～95%；2016年模擬年徑流量為84 mm，較現(xiàn)狀年徑流量削減42%，年徑流總量控制率達(dá)到87%，各管控單元控制率為86%～93%。實(shí)施海綿措施改造后2012年及2016年各地塊均能夠達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范能夠有效促進(jìn)海綿城市建設(shè)達(dá)標(biāo)。

圖6 海綿措施改造后年徑流總量控制率Fig.6 Volume capture ratio of annual rainfall after implementation of sponge measures

7 結(jié)論與展望

a. 按照“3+5+7”建設(shè)比例進(jìn)行海綿措施改造，能夠有效削減場(chǎng)次徑流量，1年一遇至50年一遇重現(xiàn)期下徑流量削減比例為90.46%～38.88%，河道洪峰流量削減比例為93.25%～15.60%，峰現(xiàn)時(shí)間滯后225～0 min，海綿措施對(duì)低重現(xiàn)期降雨呈現(xiàn)較好的控制效果。隨著場(chǎng)次降雨重現(xiàn)期的增加，徑流量及洪峰流量削減比例有所降低，洪峰流量削減、峰現(xiàn)時(shí)間延遲效果降低顯著。

b. 研究區(qū)域現(xiàn)狀平均年徑流系數(shù)為0.24，各管控單元年徑流系數(shù)為0.18～0.35，平均10處地塊未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施海綿措施后流域年徑流總量控制率達(dá)到85%，年徑流量平均削減39%，各管控地塊全部達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施“3+5+7”海綿措施后，能夠有效減控年徑流量，約束各管控地塊達(dá)標(biāo)排放，現(xiàn)行雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范滿足海綿城市建設(shè)要求。

本研究重點(diǎn)針對(duì)透水鋪裝、下凹式綠地、雨水調(diào)蓄池3類特定組合比例海綿措施的徑流減控效果，未來(lái)可進(jìn)一步研究不同海綿措施及其不同組合方式的水量水質(zhì)減控效果，為促進(jìn)海綿城市效果評(píng)估提供理論支撐。