侯慶賀 成玉寧 袁旸洋

城市山體公園是在城市建設范圍內依托原狀山體景觀建立的城市公園[1]。作為城市建成環(huán)境重要的自然資源和城市綠地系統(tǒng)的重要組成部分，城市山體因其自身復雜的地形、水文和景觀特征，一直是城市防洪排澇、生態(tài)修復和景觀規(guī)劃研究的重點內容。不同于平地公園，受地形坡度、局地氣候、土壤植被、水利工程措施等因素的影響，山體公園水文特征通常表現(xiàn)為高流量、低入滲和較短的匯流時間，易形成局部積澇[2-3]。加之長期以來，山體雨洪管控通常采取灰色快排式工程措施[4]，一定程度上改變和弱化了山體自然的水文過程，加劇了下游建成區(qū)的防洪和排澇壓力。

山體水文生態(tài)調控是保持水土和實現(xiàn)雨水管控、利用的根本方法和發(fā)展方向[5]，強調生態(tài)過程與水文過程的相互作用和雙向調節(jié)機制[6]，遵從自然水文過程，利用生態(tài)化的水文調控措施，實現(xiàn)對雨水徑流的調配和控制。隨著海綿城市建設理念與低影響開發(fā)(LID)設計方法的推廣[7-8]，越來越多的山體公園被賦予了生態(tài)海綿的功能[2]，在保證山體下游防洪排澇安全的前提下，需綜合考慮山體雨洪控制、雨水利用和景觀游憩等多方面內容。生態(tài)化的水文調控方法和低影響開發(fā)的海綿措施開始廣泛應用于山地海綿城市規(guī)劃設計[9]、山體防洪設計[10]、山體公園雨水調控[11]及水景觀規(guī)劃設計[12]等領域。風景園林學科在傳承古典園林理水智慧[13]的同時，不斷吸收、融合生態(tài)化的水文調控方法[14]和國內外先進的可持續(xù)雨洪管理理念[15]，在山體公園水文調控的研究與實踐中形成了山體公園擬自然理水[16]、山體海綿公園[17]，以及山體公園水景觀營造[12]的設計方法和思路。但大多數(shù)研究局限于對山體公園水文調控設計方法與技術的探討，少有研究對山體水文調控方法和措施的水文效益進行評估。

目前已有大量的研究表明[18-20]，LID海綿設施等生態(tài)水文調控措施能夠有效促進雨水徑流就地消納，在徑流總量控制、錯峰調節(jié)尖峰徑流及徑流污染控制等方面具有積極的水文效益。其中一個關鍵的問題是LID設施的配置和位置對水文性能的影響[21]，相關研究[22-24]表明，分布式和小規(guī)模的LID設施可以有效減少和延緩峰值徑流，而集中式和大規(guī)模的LID設施在控制總出流量方面起著關鍵作用。但現(xiàn)階段研究對象主要集中于城市街區(qū)、居住區(qū)或公園綠地，對地形和水文特征較復雜的城市山體公園的研究相對較少。另外，對于設計降水情景的設置，國內外相關研究更多集中在對不同重現(xiàn)期場降水情景的水文性能評估[25]；海綿城市的相關研究則更多偏向于對年徑流總量控制率等指標的測算，缺少對長周期和連續(xù)降水情景的分析與評估。

基于以上原因，本研究在山體公園水文分區(qū)分級調控設計方法[16]的基礎上，結合南京市官窯山公園規(guī)劃設計實踐，提出了山體公園水文分級調控策略和水文效益評估方法。通過構建SWMM水文模型，模擬不同策略在應對不同重現(xiàn)期場降水和典型年降水情景下的水文性能，綜合評估分級調控策略在山體海綿公園實踐中的有效性和綜合效益，以期為相關研究與實踐提供設計參考和研究思路。

1 方法與材料

本研究基于官窯山公園規(guī)劃設計實踐，首先制定了4種山體公園水文分級調控策略(S1～S4)和1種傳統(tǒng)的排水設計策略(BS)，以及不同重現(xiàn)期下2h和6h降雨歷時對應的24種場降水情景和6種典型年(2015—2020年)降水情景。通過建立SWMM模型，選取出流總量削減率、尖峰流量削減率，以及尖峰匯流時間延遲率作為場降水情景綜合水文效益評估指標，選取年降水總量控制率和提升效益作為典型年降水情景水文效益評估指標，模擬不同降水情景下4種分級調控策略相較于傳統(tǒng)策略的水文性能，綜合評估官窯山公園分級調控策略水文效益。技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線

1.1 研究區(qū)概況

本研究在以往研究的基礎上[16]，結合南京市官窯山、李家山公園規(guī)劃設計實踐，選取匯水區(qū)較為獨立的官窯山公園作為研究案例，進一步探究不同調控策略的水文性能。官窯山公園位于南京市棲霞區(qū)，西鄰棲霞山，南近長江，總面積7.4萬m2。官窯山整體為自然山林狀態(tài)，用地類型主要包括林地、草地和少量的裸地和池塘。山體中間高、四周低，最大高程為45.23m。坡度主要集中在30%以下，局部山坡因挖方坡度較大，地形特征如圖2-1所示。根據(jù)上位規(guī)劃，官窯山將被打造為集生態(tài)保護、休閑游憩于一體的山體公園，服務周邊居住區(qū)。本研究基于官窯山數(shù)字高程模型(DEM)和Arcmap10.2中的水文分析工具，將官窯山公園首先劃分為4個匯水分區(qū)。為了避免景觀規(guī)劃設計和分級調控措施對地表水文特征一致性的影響[26-27]，根據(jù)設計高程、分級調控措施、道路和步道，以及排水等設施的空間分布，進一步將官窯山公園細分為8個子匯水區(qū)(C1-1～C4-2)(圖2-2)。

圖2 官窯山公園區(qū)位及其基本特征(2-1 高程；2-2 匯水區(qū))

1.2 水文分級調控設計策略

水文分級調控策略包括源頭就地消納、中端多級調節(jié)和末端滯蓄利用3個層級內容(圖3)。高地產(chǎn)流區(qū)是地表徑流的開端，地高坡陡，用地條件有限，應避免大規(guī)模的建設活動，保護原有植被并修復裸露的坡地，從而促進雨水徑流的截留、入滲和就地消納。中端徑流過境的坡面匯流區(qū)徑流豐富且隨地勢和雨強逐增，強降雨時會造成下游排水壓力增加，局部存在水土流失的現(xiàn)象。因此，該區(qū)域宜采用多層級的徑流組織與調配措施，錯峰調節(jié)山體的瞬時徑流，緩解下游排水壓力，保持水土。末端徑流匯集的區(qū)域主要集中于匯水區(qū)下游的谷地和低地，與城市建成區(qū)接壤，易發(fā)生積澇和山洪。該區(qū)域可設置相對集中的永久性或季節(jié)性調蓄設施，與城市建成區(qū)接壤區(qū)域須設置線性或環(huán)狀的截洪措施，在調節(jié)和控制上游雨水徑流的同時，營造宜人的山體水景觀，保障公園和周邊建設用地的防洪排澇安全。

圖3 山體公園水文分級調控策略示意

本研究在官窯山公園設計實踐過程中，基于分級調控設計方法[16]，提供了4種不同的水文分級調控策略(S1：末端截流和調蓄策略；S2：分級截流和末端調蓄策略；S3和S4：分級截流和分級調蓄策略)和1種傳統(tǒng)設計的基準策略(BS：末端截流排水策略)。如圖4所示，策略S1設置了末端截流溝(長1 020m，深600mm)和永久性調蓄濕地P(1 000m2，平均深度1 000mm)，與其他3種分級調控方案形成對照。S2在S1的基礎上沿山體中部人行步道增加了生態(tài)植草溝(長580m，深250mm)，用以比較分級截流設施的水文性能。S3在S2的基礎上，將濕地P按匯水區(qū)面積拆分為P1(400m2，平均深度1 000mm)和P2(600m2，平均深度1 000mm)并分級設置，用以比較相同調蓄容積情況下分級調蓄措施的水文性能。S4則是在S2的基礎上分級設置了與S3中P2相同容積的分級調蓄濕地，用以對比增加調蓄容積所引起的水文性能變化。

圖4 官窯山公園水文分級調控策略(圖4-1～4-4分別對應分級調控策略S1～S4)

1.3 設計降水情景的設置

南京屬亞熱帶季風氣候，降雨時空分布不均。為了充分驗證水文分級調控設計策略的有效性，采用了不同重現(xiàn)期(2、5、10、20、50、100年)和持續(xù)時間(2、6h)的場降水情景(圖5)及典型年(2015—2020年)降水情景(圖6)作為本次水文性能評估的設計降水情景。不同重現(xiàn)期場降水采用芝加哥雨型模型[28]生成，基于不同重現(xiàn)期南京市暴雨公式參數(shù)，結合雨峰系數(shù)推求得到設計降水過程，以反映各時段降水強度[29]。典型年降水采用2015—2020年南京市雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中38.8mm為南京市年降水總量控制率85%對應的設計降雨量。經(jīng)統(tǒng)計分析，2015—2020年平均降水量為1 431.78mm，平均降水次數(shù)為123次，其中，小于38.8mm的平均降水次數(shù)為115次，占總次數(shù)的93.63%；平均每年5次暴雨事件(大于50mm/24h)、69次連續(xù)降水事件。由此可見，2015—2020年絕大部分降水事件小于南京市85%控制率對應的設計降水量，但降水頻次和暴雨/連續(xù)降水事件頻次存在較大差異。按照85%控制率對應的38.8mm計算的2015—2020年平均降水總量控制率僅為81.07%，這主要由于不同年份的降水量、雨強和頻次存在較大差異。

圖5 南京市設計降水強度曲線(5-1 2h降水歷時；5-2 6h降水歷時)

圖6 南京市2015—2020年降水量分布

1.4 水文模型構建

現(xiàn)階段EPA SWMM已廣泛應用于低影響開發(fā)及海綿城市相關的分析、規(guī)劃與設計[30-31]，其中模型構建的關鍵在于輸入?yún)?shù)的完整性和精度。本研究大部分用于定義地表和排水網(wǎng)絡特征的參數(shù)來自現(xiàn)有的CAD和GIS數(shù)據(jù)，其余參數(shù)則由地表類型和子集水區(qū)屬性決定，包括透水表面和不透水表面的洼地存儲，以及透水表面、不透水表面、管道、草地洼地和生態(tài)截流渠道的地表流曼寧系數(shù)。此外，采用Horton方法[32]模擬入滲，采用非線性水庫方程模擬地表徑流，采用Saint-Venant方程模擬渠道和管道流。模型中的主要參數(shù)首先根據(jù)SWMM 5.0手冊[33]進行設置；然后根據(jù)南京地區(qū)相關研究報告[34-36]中的參數(shù)進行調整；最后通過對比子匯水區(qū)徑流系數(shù)，對模型參數(shù)進行調整校正，得到最終參數(shù)設置。

本研究涉及的水文分級調控措施主要包括截流設施(生態(tài)截流溝和生態(tài)植草溝)和調蓄設施(季節(jié)性濕地)2類LID設施，設施長度、深度、面積和位置信息在2.2小節(jié)中已詳細說明，設施的設計參數(shù)根據(jù)《低影響開發(fā)海綿城市建設指南》[37]、SWMM手冊[33]中推薦的LID參數(shù)閾值及相關參考文獻[36]設置，并根據(jù)項目設計過程的實際情況進行調整。

1.5 水文效益評估指標

水文分級調控策略S1～S4的水文效益評估以策略BS為基準，通過模擬和計算水文性能指標進行分析和評估。針對山體公園的特殊性，選定出流總量(RVol)、尖峰流量削減率(RQ)和尖峰匯流時間延遲率(RTc)作為場降水情景下的水文性能評估指標[38]，綜合評估不同調控策略的綜合水文效益(RCHP)；選定年降水總量控制率(RVCA)、年降水總量控制提升效益(RVC)作為典型年降水情景下的水文效益評估指標。

RVol、RQ和RTc分別為分級調控策略與基準策略BS出流總量、尖峰徑流量的削減比值和匯流時間的延遲比值(式1～3)。RCHP為以上3個指標的平均值，以體現(xiàn)策略S1～S4以BS為基準的綜合水文效益(式4)。

式中，VolBS、QBS和TBS分別為基準策略BS的總出流量、尖峰徑流量和匯流時間；Voli、Qi和Ti分別為策略i的總出流量、尖峰徑流量和匯流時間，i=S1、S2、S3、S4。

RVCA為累計全年控制雨量與全年總降雨量的比值，表現(xiàn)為不同策略在典型年降水情景下的降水總量控制率(式5)。RVC為分級調控策略與基準策略BS的年降水總量控制率的提升比值，表現(xiàn)為策略S1～S4以BS為基準的RVCA的提升效益(式6)。

式中，VD(j)為第j年雨水出流量；VT(j)為第j年總降水量，j=2015、2016、2017、2018、2019、2020年；RVCA(BS)為基準策略BS的年降水總量控制率；RVCA(i)為策略i的年降水總量控制率，i=S1、S2、S3、S4。

2 結果與討論

2.1 場降水情景下水文分級調控效益

圖7～9分別反映了策略S1～S4在不同重現(xiàn)期2h和6h場降水情景下的RVol、RQ和RTc的變化情況?？傮w而言，增加分級截流或分級調蓄措施均能夠較好地提升水文性能，總體表現(xiàn)為S4＞S3＞S2＞S1。不同重現(xiàn)期條件下，分級調控策略在2～5年一遇中小強度降水下的水文性能表現(xiàn)較好，隨著重現(xiàn)期的增加水文性能趨于平緩，最終表現(xiàn)為明顯的邊際效應，這與以往的研究結果一致[38-39]。不同降水延時條件下，策略S1～S4在2h降水事件的RVol、RQ和RTc均優(yōu)于6h降水事件，其中在尖峰匯流時間延遲方面的差異最大。這主要是受降水總量和降水峰值時間的影響，也從另一個角度說明了分級調控策略在應對中小強度短歷時降水時的水文性能優(yōu)于強降水長歷時降水情景。

圖7 場降水情景下策略S1～S4的出流總量削減率(7-1 2h降水歷時；7-2 6h降水歷時)

出流總量的削減主要表現(xiàn)為對雨水徑流的就地消納和控制。如圖7所示，策略S1～S4的RVol在2～5年一遇情景下能夠保持較高的削減率(62%～100%)，并隨著重現(xiàn)期的增加而降低并趨于平緩。其中，S4能夠顯著提升出流總量的控制效果；S3與S2幾乎持平且高于S1。調蓄容積一定的情況下，S3雖略高于S2，但S2相較于S1的提升效果(5%～14%)顯著高于S3相較于S2的提升效果(1%～2%)，即分級截流設施的提升效益優(yōu)于分級調蓄設施(S2-S1＞S3-S2)。這說明出流總量的削減主要受到調蓄容積的影響。調蓄容積有限的情況下，增加分級截流設施也能有效削減徑流總量。

尖峰流量的削減主要表現(xiàn)為對徑流流量和流速的控制。如圖8所示，與RVol表現(xiàn)一致，RQ在2～5年一遇降水情景下能夠保持較高的削減率。其中，S4能夠非常顯著地提升尖峰流量的削減效果。調蓄容積一定的情況下，S2和S3對于尖峰流量的削減表現(xiàn)與S1相近，雖然提升效果有限，但分散的截流和調蓄設施均表現(xiàn)出一定的積極作用，這與平地LID水文性能表現(xiàn)一致[22-24]。

圖8 場降水情景下策略S1～S4的尖峰流量削減率(8-1 2h降水歷時；8-2 6h降水歷時)

尖峰匯流時間的延遲主要表現(xiàn)為推遲徑流達峰所需時間。如圖9所示，策略S1～S4在2h降水歷時下的RTc顯著優(yōu)于6h，這與RVol和RQ的結果差異顯著。受降水歷時和峰值時間的影響，6h歷時下的延時效率明顯降低。S4在2h和6h均能夠保持明顯的優(yōu)勢，而調蓄容積一定的情況下，S2和S3相較于S1在2h歷時下的延遲作用更為有效，長歷時、高強度的降水使得土壤飽和、調蓄設施滿載，分級調控措施的延時作用被削弱。

圖9 場降水情景下策略S1～S4尖峰匯流時間延遲率(9-1 2h降水歷時；9-2 6h降水歷時)

為了避免單一指標的不確定性，本研究將RVol、RQ和RTc整合為綜合水文效益指標RCHP。如圖10所示，RCHP集中表現(xiàn)了RVol、RQ和RTc三者特征。首先，針對高強度降水情景表現(xiàn)出的水文效益的邊際效應，不建議該實踐設定過高的控制目標，應充分發(fā)揮其在2～10年一遇高頻次降水事件的高效表現(xiàn)；其次，S4對于提升山體公園總體的水文性能表現(xiàn)突出，可優(yōu)先選擇。而在調蓄容積有限的條件下，策略S2和S3對于不同水文性能指標的積極作用不容忽視。由圖7～10可知，分級設置截流設施除了截流作用，一定程度上還能夠錯峰調節(jié)和滯流山體雨水徑流，補充有限的調蓄空間；而總量一定的情況下，分級設置調蓄措施對于提升山體徑流總量的控制十分有限，但對于錯峰調蓄和尖峰延遲的作用較分級截流設施突出。此外，S1～S4在2h降水歷時的各水文性能指標和綜合水文效益均優(yōu)于6h情景，表明分級調控設施在短歷時降水情景下更具優(yōu)勢。同時說明此類研究與實踐應重視不同重現(xiàn)期、降水歷時和連續(xù)降水事件對水文性能的影響。

圖10 場降水情景下策略S1～S4綜合水文效益(10-1 2h降水歷時；10-2 6h降水歷時)

2.2 典型年降水情景下水文分級調控效益

2015—2020 年降水情景下，各年份及年平均RVCA總體均隨著分級調控策略的提升呈現(xiàn)上升態(tài)勢(圖11)。S1～S4的年平均RVCA維持在81.13%～84.97%(圖11-2)，其中S4表現(xiàn)最佳，而S2與S3幾乎持平，這與場降水情境下的結果相似。由于不同年份降水量、雨強、持續(xù)時間等特征的較大差異，S1～S4在不同年份的控制率表現(xiàn)也不盡相同(圖11-1)。結合圖6、11可知，由于2015年存在頻繁的強降水事件，S1～S4的控制率均表現(xiàn)不佳(63.97%～68.91%)；2019年降水總量最少，99%的降水小于38.8mm，相應的4種方案的RVCA均表現(xiàn)極好(98.30%～98.82%)；而極端降水事件和頻繁的連續(xù)降水事件可能會限制分級調控策略對RVCA的提升，從2017和2018年的走勢來看，S1～S4的控制率幾乎持平(78.25%～81.21%)?？傮w來說，2015—2020年，分級調控策略對于以中小強度降水為主的年份(2016、2019、2020年)的控制率較好，且隨著分級調控措施的增加呈現(xiàn)明顯的逐增趨勢；而對于連續(xù)強降水事件頻繁或存在極端強降水的年份(2015、2017、2018年)，控制效果明顯不如其他年份。受連續(xù)降水事件的影響，分級調控設施未能充分發(fā)揮其錯峰截流和調蓄的作用。而極端降水事件的影響一定程度上反映了其在場降水情境下應對高重現(xiàn)期降水的邊際效應。

圖11 2015—2020年策略BS、S1～S4年降水總量控制率(11-1 不同年份控制率變化；11-2 不同策略控制率分布)

RVC為策略S1～S4以BS為基準的年降水總量控制率提升效益。如圖12所示，2015—2020年各年份及年平均RVC均隨著分級調控設施的增設而逐增。2018和2019年的提升效益較低，主要是因為2018年頻繁的連續(xù)降水事件的影響；而2019年則是因為降水量普遍較小，提升空間有限。2017年由于存在單次近250mm的極端降水事件，造成S1～S4的提升效益十分相近。以上表現(xiàn)從另一角度反映了2017—2019年S1～S4的RVCA幾乎持平的原因。調蓄容積一定的情況下，S2和S3在RVC的表現(xiàn)與RVCA一致(圖11-2、12-2)；而S2相對于S1的提升效益(S2-S1)明顯高于S3相對于S2(S3-S2)。從分級調控設施對控制率的提升角度解讀，調蓄容積一定的情況下，分級截流設施對于控制率的提升效果優(yōu)于分級調蓄設施，這也與場降水水文效益結果一致。

圖12 2015—2020年策略S1～S4年降水總量控制提升效益(12-1 不同年份控制效益變化；12-2 不同策略控制效益分布)

3 結論

本研究以南京市官窯山公園為研究對象，構建了山體公園水文分級調控策略和水文效益評估方法，評估了4種分級調控策略在不同場降水和典型年降水情景下的水文效益。研究結果證實了分級調控策略在官窯山公園的積極水文效益，主要研究結論如下。

1)場降水和典型年降水情境下，官窯山公園各水文效益指標均隨著分級調控策略的提升而提升。其中，分級截流和調蓄策略(S4)的水文效益表現(xiàn)最佳，可優(yōu)先選擇增加分級調控容積；調蓄容積一定的情況下，分級截流策略(S2)和分級調蓄策略(S3)在場降水和年降水情境下表現(xiàn)相近，但綜合考慮分級截流設施(S2-S1)較分級調蓄設施(S3-S2)顯著的提升效果，建議在調蓄容積有限的條件下優(yōu)先分級設置截流設施。鑒于本個案研究結論并不一定適用于不同尺度的山體，相關研究需根據(jù)研究尺度和地域性降水特征做進一步研究。

2)場降水情景下，各水文效益指標均隨著雨強的增加而降低，S1～S4在應對高強度降水時均存在明顯的邊際效應。結合以往研究[38-39]，以及本研究典型年降水情景下極端暴雨和連續(xù)降水事件對年降水總量控制率的消極影響，建議此類研究與實踐盡可能多關注占全年降水次數(shù)約80%～90%的中小強度降水事件，同時也要加強連續(xù)降水事件對水文效益的影響研究。

3)典型年降水情景下，各年份及年平均徑流總量控制率和提升效益均隨著分級調控設施的增設而提升。但由于各年份降水分布和降水量的差異，尤其是極端暴雨和連續(xù)降水事件頻發(fā)的年份，年徑流總量控制率表現(xiàn)與設計的理想情況出入較大，控制率明顯達不到設計標準。這種情況在LID和海綿城市設計實踐中同樣存在。因此建議類似的研究與設計實踐充分考慮地域性年降水特征的差異性，將典型年降水情景作為水文效益分析和評估的重要指標之一。

“水”之于城市山體公園在生態(tài)、游憩、美觀及社會經(jīng)濟等方面具有長效的綜合效益，需綜合考慮水文效益、景觀效益和社會經(jīng)濟效益多方面內容，這也是后續(xù)需要繼續(xù)深入研究的內容。本研究結合官窯山公園設計實踐提出的水文分級調控策略，在方案模擬和項目實踐過程中均取得了良好的水文效益，較好地補充了傳統(tǒng)灰色工程措施生態(tài)性和美觀性的不足，從風景園林學科視角實現(xiàn)了山體公園水安全防護、雨水控制利用、水景觀營造等多目標的規(guī)劃設計研究與實踐，以期為城市山體海綿公園、山坡地雨洪調控等類似的規(guī)劃設計實踐提供參考與決策依據(jù)。

注：文中圖片均由作者繪制或拍攝。