李 靜 黃經(jīng)南 劉學(xué)軍 宋菊芳 萬 羽

武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院 武漢 430072

雨水降落至地表后, 降雨量分別形成徑流量、 蒸發(fā)量和蓄滲量, 對于容易引起城市內(nèi)澇的短時超強降雨, 一方面要加強城市排水設(shè)施的建設(shè), 另一方面也要通過各種手段增加雨水蓄滲量, 減少雨水徑流量[1]。 城市建成環(huán)境下,雨水徑流量和蓄滲量受城市建設(shè)影響十分明顯[2]。 張青萍等[3]提出, 在海綿城市建設(shè)中要重視雨洪景觀安全格局的構(gòu)建。 由于城市建成區(qū)被大量不透水的道路、 建筑所覆蓋, 能夠下滲雨水的多為城市綠地, 城市綠地將直接影響雨水的下滲量, 進而影響城市雨水的徑流量[4]。因而綠地的空間分布應(yīng)是城市雨洪景觀格局的重要組成部分, 綠地空間布局與雨水徑流之間的關(guān)系是構(gòu)建雨洪景觀安全格局的基礎(chǔ)問題之一。

已有的研究認(rèn)為綠地的空間分布對雨水下滲量和徑流量都存在一定的影響。 郭雪蓮[5]在面積約為1 m2的人工實驗裝置上發(fā)現(xiàn)不透水斑塊的重要值、 形狀、 分離度、 均勻度對降雨的下滲有顯著的影響。 該研究針對的是不透水表面的空間分布(由于地表可以大致分為不透水和透水兩種類型), 研究結(jié)果也反映了透水地表的空間分布對雨水蓄滲和徑流的影響。 N.Fohrer 等[6]采用GIS 模型對德國Aar 流域約60km2的范圍進行了模擬, 結(jié)果表明, 不同田地和森林斑塊面積的大小對地表徑流總量有較明顯的影響。 Bautista[7]研究了在半干旱環(huán)境中植被的景觀斑塊密度和徑流之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)二者存在反比關(guān)系。 Ziegler[8]研究了越南北部兩塊高地流域景觀破碎化對地表水文的影響, 發(fā)現(xiàn)景觀結(jié)構(gòu)破碎度越高, 越不利于徑流的調(diào)節(jié)和滯留。 Biao Zhang[9]研究了北京地區(qū)2000—2010 年城市綠地的變化及給城市地表徑流帶來的影響, 認(rèn)為在相似的降雨條件下, 徑流隨城市綠地的主導(dǎo)類型和景觀格局不同而變化。 戚曉明[10]以合肥市為例的研究結(jié)果表明, 不透水面的集中度越強, 徑流系數(shù)越大; 也反過來表明了透水下墊面的空間格局會對雨水徑流造成一定影響。 吳健生[11]以深圳市為案例, 研究了景觀破碎度、 斑塊聚集度等5 個景觀指數(shù)與城市內(nèi)澇點數(shù)量之間的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)綠地的聚集度越高, 城市區(qū)域的內(nèi)澇程度越低。

以上研究都表明綠地對雨水的徑流形成和排放都有一定的影響, 但是研究大多是將綠地作為眾多影響因子中的一個來考查, 缺少對城市綠地空間布局與城市雨水徑流的針對性研究[12]。 本文基于Infoworks ICM 模型軟件, 模擬城市規(guī)劃區(qū)在其他條件基本不變的情況下,綠地的空間布局對城市雨水徑流形成的影響,以期為城市綠地規(guī)劃減少城市洪澇災(zāi)害提供參考。

1 Infoworks ICM 模型介紹

Infoworks ICM 是由英國的HR Wallingford Ltd. 公司開發(fā)的城市排水綜合模擬軟件。 該公司是一家國際知名的水力學(xué)研究公司, 其前身是創(chuàng)始于1947 年英國政府的水力學(xué)研究所。 Infoworks ICM 軟件是世界上最早將城市排水管網(wǎng)、河道和地面二維洪澇淹沒模型綜合在一起的軟件, 在中國和全世界都有非常廣泛的應(yīng)用[13]。

本研究使用的一維管網(wǎng)模型包括地表產(chǎn)流模型、 地表匯流模型和管網(wǎng)匯流模型[14]。 地表產(chǎn)流模型描述地面開始積水并形成地表徑流的過程, 通常將城市地面劃分為建筑、 道路和綠地3 種類型, 根據(jù)各自的入滲、 洼蓄模型, 將雨水轉(zhuǎn)化為徑流。 匯流模型確定降雨以多快的速度從集水區(qū)進入排水系統(tǒng), 本文采用非線性水庫模型SWMM。 管網(wǎng)匯流模型采用質(zhì)量、 動量和能量守恒方程描述管道內(nèi)明渠流, 由質(zhì)量守恒原理得到連續(xù)性方程, 由牛頓第二定律得到動量方程, 最終用圣維南方程組求解。

2 研究區(qū)域與對比方案

2.1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域位于陜西省西安市西咸新區(qū),總面積約48 km2, 其中建設(shè)用地面積31.19 km2。研究區(qū)地勢較為平坦, 地面高程位于385.66 ～395.2 m, 其中的河道和濕地作為雨水排水的受納水體。

2.2 對比方案

為了驗證不同綠地布局對雨水徑流的影響,本文設(shè)計了3 種不同的綠地布局方案, 3 個方案都保證總的綠地面積相等, 但是綠地的空間分布不同。 方案一為常規(guī)的規(guī)劃方案, 方案二為綠地集中布置方案, 方案三為綠地的絕對平均布置。

本研究中的綠化占地特指能讓雨水滲透到地下的地面, 其占地比率比規(guī)范中的綠地率要大, 比綠化覆蓋率要小, 因而界定的綠化占地率是指所有綠化面積占總用地面積的比例。

方案一遵循一般規(guī)劃中綠地空間的點、 線、面分布規(guī)律, 綠地分布基本均衡, 但沒有空間上的特別規(guī)律。 規(guī)劃范圍綠地空間布局見圖1所示, 用地平衡表見表1 所示。

方案二為集中布置方案, 綠地集中布置在3個區(qū)域的中心位置。 規(guī)劃綠地空間布局見圖2所示, 用地平衡表見表2 所示, 各類用地面積與方案一基本相等。

圖1 方案一綠地分布圖

表1 方案一城市建設(shè)用地平衡表

圖2 方案二綠地分布圖

表2 方案二城市建設(shè)用地平衡表

方案三為綠地絕對平均分布的方案, 是一個理想化的方案, 即設(shè)定每個子集水區(qū)內(nèi)的綠化占地比率都是一樣。 在城市總體規(guī)劃中, 綠地與廣場用地的面積沒有包含綠地之外的其他用地內(nèi)部的綠地面積, 因而并不能準(zhǔn)確地反映城市真實的綠化覆蓋。 雨水模擬模型中使用的是每個子集水區(qū)中的透水和不透水地表的面積, 即計算每個子集水區(qū)內(nèi)建筑、 道路和綠地3 種類型地表的比例和面積, 并運用到模型計算中。 為了表達城市綠地絕對均勻分布的這種理想狀態(tài), 參考陜西省城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定和西安市城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定, 根據(jù)每種用地類型的常規(guī)建筑密度、 道路面積率、 綠地率指標(biāo), 率定了各類用地中道路、建筑和綠化占地比率(表3)。

表3 各類用地中道路、 建筑和綠地的占地比率 %

軟件在模擬時, 需要計算每個子集水區(qū)中的透水面積和不透水面積。 方案一和方案二根據(jù)表3 指標(biāo)進行計算, 方案三則直接在軟件中指定其綠化占地比率。 方案三的綠地空間分布已經(jīng)超出了傳統(tǒng)規(guī)劃圖的表達模式, 因而沒有給出相應(yīng)的方案圖。

方案一和方案二的綠地占地面積為845.67 hm2,方案三給定每個子集水區(qū)綠化占地比率為27.03%, 總的綠地面積也為845.67 hm2。

3 模型構(gòu)建

3.1 區(qū)域概化

針對研究區(qū)域的模型概化過程主要包括子集水區(qū)劃分和排水管網(wǎng)概化[14]。 本研究利用ArcGIS 泰森多邊形工具生成子集水區(qū)[15], 同時利用ArcGIS 水文分析功能生成自然分水線, 兩者綜合考慮, 劃分出889 個子集水區(qū)。 匯集到一個出水口的子集水區(qū)組成一個匯水區(qū), 由于管網(wǎng)、 地形和道路的影響, 研究范圍劃分了35個匯水區(qū)(圖3)。

圖3 各匯水區(qū)分布圖

本規(guī)劃區(qū)排水管網(wǎng)概化最終結(jié)果為920 個節(jié)點(包含35 個出水口) 和885 條管道, 最終統(tǒng)計結(jié)果為研究區(qū)域概化管道總長度207.33 km,集水區(qū)總面積31.19 km2。

3.2 模型建立

為了探究與比較不同綠地布局對排水管網(wǎng)的影響, 對3 套方案分別進行建模模擬。 由于目前我國城市的建設(shè)開發(fā)中采用透水路面的情況還比較少, 所以本研究將建筑、 道路表面視為不透水面, 采用固定滲透模型, 參考相關(guān)規(guī)范和文件, 取徑流系數(shù)0.8～0.95 作為其產(chǎn)流比例。 對于這兩者之外的地表, 統(tǒng)一作為綠地,采用Horton 滲透模型, 假定滲透率隨降雨時間增加而呈指數(shù)減少的趨勢。

將以上圖形和數(shù)據(jù)導(dǎo)入Infoworks ICM 模型軟件, 根據(jù)西安市的暴雨強度公式, 設(shè)定雨峰系數(shù)0.4、 降雨時長120 min。 設(shè)置模擬時長為210 min, 重現(xiàn)期分別選擇為1 年、 5 年、 20 年、50 年和100 年進行降雨模擬。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù), 運行軟件模擬之后得到3 個方案不同重現(xiàn)期降雨的地表雨水和管道雨水徑流數(shù)據(jù), 結(jié)合規(guī)劃方案中的綠化占地比率, 對比分析它們之間的相互影響關(guān)系。

4.1 徑流量與綠化占地比率之間的關(guān)系

各匯水區(qū)的雨水不會相互流動, 管道也沒有連接, 因而各個匯水區(qū)之間的地表徑流和管網(wǎng)水力關(guān)系相對獨立。 以各匯水區(qū)的總徑流量除以匯水區(qū)面積得到單位面積的累計徑流量,以各匯水區(qū)單位面積累計徑流量為因變量y, 以各匯水區(qū)綠化占地比率為自變量x, 分別對方案一和方案二的35 個匯水區(qū)數(shù)據(jù)進行回歸分析,結(jié)果如圖4 所示。 由于方案三中每個匯水區(qū)的綠化占地比率都是一樣的, 不能表現(xiàn)出統(tǒng)計上的差別, 所以沒有進行此項分析。

圖4 方案一與方案二各匯水區(qū)綠化占地比率與單位面積累計徑流量分析圖

從圖4 可以看出, 單位面積累計徑流量和綠化占地比率之間表現(xiàn)出很好的相關(guān)性, 除了方案一在降雨重現(xiàn)期P ＝1 的情況外, 各方案不同重現(xiàn)期的R2均大于0.7 。 說明單位用地面積的徑流量大小與地表的綠化占地比率高度相關(guān), 綠化占地比率越大, 雨洪的產(chǎn)生量越小。

為了更詳細地分析徑流量的變化, 隨機選取了第18 號匯水區(qū)不同方案、 不同重現(xiàn)期下的總徑流量和單位面積徑流量數(shù)據(jù) (表4)。分析結(jié)果表明, 在不同重現(xiàn)期條件下, 不同方案都呈現(xiàn)綠化占地比率越低, 進入管網(wǎng)的徑流量越大的規(guī)律。

表4 第18 號匯水區(qū)不同方案不同重現(xiàn)期徑流量匯總表

4.2 總徑流量對比分析

匯水區(qū)總徑流量反映研究范圍在整個降雨時段內(nèi)地表的總徑流量。 從表5 可以看出, 3種方案總徑流量差別不大, 第三個方案即絕對平均布置方案的總徑流量略小, 但是差別都在1%以內(nèi), 考慮到系統(tǒng)誤差的存在, 可以忽略不記。 3 個方案總徑流量在時間上的變化規(guī)律也基本一致。

表5 三個方案總徑流量 萬m3

由分析結(jié)果可以看出, 不同的綠地空間布局情況下雨水的徑流雖有不同, 但是差別很小; 雨水徑流量變化的時間曲線也非常一致,說明不同的綠地空間布局對雨水徑流量幾乎沒有影響。

4.3 管網(wǎng)動態(tài)存儲量對比分析

管網(wǎng)動態(tài)存儲量反映管網(wǎng)中的雨水量, 其隨著降雨的強弱和進入管道中的水量多少發(fā)生變化。 表6 是3 個方案的不同重現(xiàn)期降雨時的管網(wǎng)動態(tài)存儲量的最大值, 從表6 可知, 3 個方案差別不大。 不同重現(xiàn)期情況下, 方案一和方案三較為接近, 并大于方案二, 說明方案二對于管道的利用沒有方案一和方案三充分; 方案三綠化分布均勻, 與原始方案差別不大; 方案二是虛擬的集中方案, 與原始方案一差別最大, 因而不能很好地適應(yīng)管道。

通過對比管網(wǎng)動態(tài)存儲量隨時間的變化圖可知, 3 個方案在時間上的變化規(guī)律也基本一致。 不同方案在同一重現(xiàn)期降雨量下, 峰值出現(xiàn)的時間基本一樣, 都在1 h 左右。

表6 三個方案動態(tài)存儲量最大值 萬m3

5 討論

雨水的產(chǎn)、 匯流量與地塊的綠化占地比率高度相關(guān), 綠地的多少對雨水產(chǎn)、 匯流量有明顯的影響, 這符合水文學(xué)的一般規(guī)律。 雨水降落到地表后, 分解為徑流量、 滲入量和蒸發(fā)量, 短時降雨可以忽略蒸發(fā)量的影響, 因而決定雨水產(chǎn)流量的就是滲入量。 城市地表中綠地的比例決定了雨水下滲量, 所以綠地的多少直接影響了徑流量的形成, 即, 綠地的多少是產(chǎn)、 匯流量的決定性影響因素。

雨水產(chǎn)流量和匯流量與綠地的空間布局相關(guān)性不強, 不同的綠地空間分布方案, 雨水的產(chǎn)流量和匯流量相差不大。 此結(jié)論和前述已有研究的結(jié)論并不十分吻合, 可能由多方面原因造成。 文獻3 針對的是面積約1 m2的實驗裝置, 當(dāng)不透水斑塊總面積相等, 分離度、 均勻度不等時, 其周長發(fā)生變化, 在土壤表面以下, 透水區(qū)向不透水區(qū)的側(cè)向滲透面積發(fā)生變化, 因而不同方案下雨水的滲透量會不同。 當(dāng)在城市尺度研究此問題時, 水在土壤中的側(cè)向滲透的影響相對于整場降雨量非常小, 因而得出了不同結(jié)論。 文獻4、 5、 6 研究的是流域尺度的植被對徑流的影響, 其研究對象的水文情況比城市區(qū)域復(fù)雜很多, 植被的種類和土壤的分布類型均比城市區(qū)域復(fù)雜很多, 因而也會有不同的結(jié)論。 文獻7、 8、 9 的研究沒有約束總的綠地面積, 因而研究的影響因子較多。 本研究是針對綠地空間布局這一單一因素的分析,因而又會有不同的結(jié)論。

從表5 可以看出, 由于管道排水能力的限制, 管道中收集到雨水的多少與匯水區(qū)綠地率有關(guān), 還與降雨量的大小有關(guān), 最主要的是管網(wǎng)和用地的匹配程度。 相較于原方案, 模型中管網(wǎng)與方案一、 方案三匹配較好, 因而動態(tài)存儲量大; 方案二由于用地變化程度最大, 從而導(dǎo)致管網(wǎng)的動態(tài)存儲量最小。

本文通過Infoworks ICM 模型模擬了不同綠地空間分布和不同綠化占地比率下的雨水產(chǎn)、匯流過程, 由于城市的地表覆蓋、 地形和管道布局情況復(fù)雜, 本研究的模擬只是考慮了較為理想和簡單的綠地空間變化情況, 沒有考慮不同性質(zhì)綠地的下滲率; 在軟件模擬中對地形坡度進行了概化, 因而也沒能詳細表達地形對地表徑流的影響, 這些都是后續(xù)研究中要深入和加強的地方。