左凌峰 趙漁亨 李繼清

(華北電力大學(xué)水利與水電工程學(xué)院，北京 102206)

近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城區(qū)硬化面積逐漸增大，同時(shí)受氣候變化、市政管網(wǎng)布設(shè)等因素的影響，導(dǎo)致降雨后產(chǎn)匯流速度加快、地表徑流系數(shù)增大、洪峰流量增大、峰現(xiàn)時(shí)間提前[1]。頻繁發(fā)生的城市內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)城市水安全日益造成威脅，逐漸成為制約城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的首要問(wèn)題[2]。如2012年，北京“7·21”暴雨是60多年來(lái)的最強(qiáng)暴雨，房屋倒塌10660間，受災(zāi)人口160.2萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)損失116.4億元；2016年，武漢“7·6”暴雨覆蓋全市12個(gè)區(qū)，受災(zāi)人數(shù)75.7萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)損失22.65億元。

基于此，結(jié)合英國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的城市雨洪管理經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了多年探索，2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議首次提出，大力推進(jìn)建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。近幾年，海綿城市的技術(shù)開(kāi)發(fā)和效果評(píng)估都取得了很大進(jìn)步，其中，模型模擬對(duì)于海綿城市措施效果評(píng)估起到了至關(guān)重要的作用。截至目前，已開(kāi)發(fā)了SWMM[3]、MIKE URBAN系列[4]、ICM InfoWorks[5]、HSPF[6]、SUSTAIN[7]等模型，且在城市水文領(lǐng)域都得到了較為廣泛的應(yīng)用。其中SWMM具有免費(fèi)開(kāi)源、界面簡(jiǎn)潔、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)運(yùn)用最廣泛的模型之一。已有許多研究重點(diǎn)關(guān)注了城市居民區(qū)海綿城市建設(shè)措施對(duì)徑流的削減效果，并發(fā)現(xiàn)不同措施在各研究區(qū)域?qū)搅飨鳒p效果存在一定的差異，如晉存田等[8]分析了北京某區(qū)域透水鋪裝和下沉式綠地的應(yīng)用效果，結(jié)果表明在降雨頻率較大時(shí)下凹式綠地效果較好，在降雨頻率較小時(shí)透水鋪裝效果較好；周昕等[9]發(fā)現(xiàn)南京市某區(qū)域的海綿城市設(shè)施對(duì)徑流的調(diào)蓄效果隨著降雨重現(xiàn)期的增大而下降；王婷等[10]分析了老舊小區(qū)的海綿城市措施布設(shè)比例，研究發(fā)現(xiàn)組合方案的最優(yōu)結(jié)果并不能套用最佳比例；戎貴文等[11]則研究了工業(yè)園區(qū)的5種海綿城市設(shè)施組合方案，其中綠色屋頂、雨水罐、植被淺溝和透水鋪裝的組合方案對(duì)總徑流量削減效果最好，而綠色屋頂、雨水罐、雨水花園和透水鋪裝組合方案對(duì)洪峰流量的削減效果最好；甘丹妮等[12]提出了4組海綿城市設(shè)施布置比例各不相同的組合方案，評(píng)估其效益，并分析得到?jīng)]有生物滯留設(shè)施的方案效益最?。粎怯萚13]發(fā)現(xiàn)深圳市光明區(qū)某小區(qū)單項(xiàng)海綿城市措施中透水鋪裝對(duì)徑流量削減效果最好，綠色屋頂對(duì)峰值流量削減效果最好。

此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于海綿城市的建設(shè)會(huì)特別關(guān)注內(nèi)澇嚴(yán)重的城區(qū)，海綿城市設(shè)施對(duì)削減徑流、緩解城市內(nèi)澇起到了積極作用。因此本文選取北京市未來(lái)科學(xué)城北區(qū)和亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)兩種不同類型區(qū)域作為研究對(duì)象，分別選擇3場(chǎng)降雨用于SWMM模型的構(gòu)建，并對(duì)研究區(qū)域增設(shè)相同比例的3種海綿城市措施，分別對(duì)比不同海綿城市措施在不同區(qū)域的實(shí)際效果，為因地制宜地實(shí)施防澇建設(shè)提供相對(duì)科學(xué)合理的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

北京市降水量少且分布不均，多以汛期暴雨形式出現(xiàn)，是一個(gè)旱澇并存的典型城市，也是海綿城市建設(shè)的第一批試點(diǎn)地區(qū)，未來(lái)科學(xué)城和亦莊經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)為典型試點(diǎn)區(qū)域。未來(lái)科學(xué)城分為南北兩個(gè)區(qū)，且兩區(qū)排水系統(tǒng)完全獨(dú)立，現(xiàn)有下墊面及海綿城市設(shè)施都比較復(fù)雜，區(qū)域面積較大。相對(duì)而言，亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)現(xiàn)有下墊面及海綿城市設(shè)施都較為簡(jiǎn)單，占地面積小，具有獨(dú)立的排水系統(tǒng)。

未來(lái)科學(xué)城位于北京市昌平區(qū)，以溫榆河和定泗路為界分為北區(qū)和南區(qū)，其中北區(qū)占地面積約為3.02km2。作為海綿城市典型試點(diǎn)區(qū)域，園區(qū)內(nèi)增設(shè)了容積約為53萬(wàn)m3的調(diào)蓄設(shè)施及多種海綿城市措施，以達(dá)到控制徑流總量的目的[14]。本文的研究區(qū)域?yàn)槲磥?lái)科學(xué)城北區(qū)(含部分核心綠地)，總集水面積為4.16km2，下墊面情況見(jiàn)圖1(a)。

亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)位于北京市大興區(qū)東北部的亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)，其核心區(qū)為生態(tài)湖，且X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)天然砂石坑為多功能調(diào)蓄池，周邊地塊雨水直接匯入調(diào)蓄池內(nèi)，起到防洪調(diào)蓄作用。本次研究選取了生態(tài)湖東側(cè)、南側(cè)現(xiàn)狀道路的排水流域作為研究區(qū)，流域面積約為14.13hm2，下墊面情況見(jiàn)圖1(b)。

圖1 研究區(qū)域下墊面

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)來(lái)自ASTGTM衛(wèi)星產(chǎn)品；土地利用類型由實(shí)時(shí)衛(wèi)星成像解譯，并利用 ArcGIS 進(jìn)行下墊面提??；降雨數(shù)據(jù)來(lái)自兩個(gè)研究區(qū)域所設(shè)雨量站的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中，未來(lái)科學(xué)城北區(qū)降雨數(shù)據(jù)選取2016年汛期的3場(chǎng)降雨的5min時(shí)段數(shù)據(jù)，亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)選取2017年汛期的3場(chǎng)降雨的1min時(shí)段數(shù)據(jù)，雨情信息見(jiàn)表1；流量數(shù)據(jù)則來(lái)自各區(qū)域排水口的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)。排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括檢查井、排口、管道等及各部分屬性的詳細(xì)數(shù)據(jù)，均來(lái)自相關(guān)部門。

表1 研究區(qū)域各場(chǎng)次降雨雨情

2 研究方法

2.1 SWMM模型基本原理

SWMM模型是一種分布式水文模型，由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，由于界面簡(jiǎn)單、操作便捷的特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于城市雨洪模擬中。降雨徑流過(guò)程主要包括產(chǎn)流、坡面匯流和管網(wǎng)匯流。

a.產(chǎn)流。產(chǎn)流過(guò)程指降雨扣除流域蒸發(fā)、植被截留、地面填洼和土壤下滲等損失之后形成凈雨的過(guò)程。對(duì)于單場(chǎng)降雨而言，可不考慮蒸發(fā)部分。本文選用Horton下滲，計(jì)算公式為

ft=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：ft為土壤t時(shí)刻的下滲率，mm/h；f0為初始下滲率，mm/h；fc為穩(wěn)滲率，mm/h；t為時(shí)間，h；k為衰減指數(shù)，h-1。

b.坡面匯流。坡面匯流過(guò)程指經(jīng)過(guò)產(chǎn)流模型獲得的凈雨轉(zhuǎn)化為集水區(qū)流量過(guò)程線的過(guò)程。本文采用水力學(xué)模型，將子匯水區(qū)概化為非線性水庫(kù)，求解曼寧公式與連續(xù)方程得到出流過(guò)程:

(2)

(3)

式中：Q為出流量，m3/s；S為平均坡度；n為地表曼寧系數(shù)；d為水深，m；dp為洼蓄深，m；V為地表蓄水量，m3；t為時(shí)間，s；i為降雨強(qiáng)度，mm/s；A為地表面積，m3；W為子匯水區(qū)漫流寬度,m。

c.管網(wǎng)匯流。SWMM模型將其簡(jiǎn)化為一維的非均勻漸變流模擬管渠水流流動(dòng)，主要有動(dòng)力波、運(yùn)動(dòng)波、恒定流3種計(jì)算方法。由于所選研究區(qū)域面積較小且數(shù)據(jù)詳細(xì)，考慮到模擬精度，本文選擇依靠求解完整圣維南方程的動(dòng)力波模擬管網(wǎng)匯流，圣維南方程如下：

(4)

(5)

式中：x為距離，m；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；g為重力加速度，9.8m/s2；H為水深，m；S0為摩阻坡度。

2.2 SWMM模型概化

首先利用ArcGIS對(duì)兩個(gè)研究區(qū)域的雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行概化，結(jié)合衛(wèi)星地圖提取了7種下墊面(見(jiàn)圖1)，生成泰森多邊形劃分出研究區(qū)的子匯水區(qū)，建立SWMM概化模型，見(jiàn)圖2。其中，未來(lái)科學(xué)城北區(qū)共有69個(gè)子匯水區(qū)，81個(gè)排水節(jié)點(diǎn)，68條管道，1個(gè)排水口；亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)有9個(gè)子匯水區(qū)，8個(gè)排水節(jié)點(diǎn)，8條管道，1個(gè)排水口。

圖2 研究區(qū)域SWMM概化模型

2.3 敏感參數(shù)

SWMM模型參數(shù)中的敏感參數(shù)是指具有明確物理意義、需要模型模擬與實(shí)際測(cè)量相結(jié)合才能確定取值范圍的參數(shù)，主要有下滲率、衰減系數(shù)、曼寧系數(shù)等。敏感參數(shù)會(huì)直接影響模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及精確度，因此，參數(shù)率定及驗(yàn)證是模型模擬中至關(guān)重要的一步。綜合模型手冊(cè)、北京市水文手冊(cè)、文獻(xiàn)資料[15-18]，初步選取的模型敏感參數(shù)范圍見(jiàn)表2。

表2 SWMM模型敏感參數(shù)取值范圍

SWMM模型將下墊面劃分為透水地面和不透水地面，根據(jù)透水地面占比等計(jì)算子匯水區(qū)的整體參數(shù)。結(jié)合衛(wèi)星地圖解譯結(jié)果，將研究區(qū)下墊面劃分為不透水路面、公路、建筑、草地、灌木、植草溝、工地，并分別率定各類型下墊面的敏感參數(shù)，其中草地、灌木、植草溝視作透水地面，其他下墊面視作不透水地面。根據(jù)ArcGIS計(jì)算子匯水區(qū)不同下墊面的面積占比，計(jì)算統(tǒng)計(jì)子匯水區(qū)的整體參數(shù)。

2.4 誤差評(píng)估

本次研究選取峰值流量誤差、納什效率系數(shù)及總徑流量誤差作為評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的指標(biāo)。峰值流量誤差反映了模型模擬瞬時(shí)流量的精確度，根據(jù)中國(guó)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)[19]，其最大許可值為洪峰流量的20%。納什效率系數(shù)反映了模型模擬流量和實(shí)測(cè)流量的吻合程度。總徑流量誤差反映了模型產(chǎn)流總量與實(shí)際產(chǎn)流總量的吻合程度，根據(jù)《內(nèi)澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和應(yīng)用規(guī)程(征求意見(jiàn)稿)》[20]，小于20%即合格。

2.5 LID方案構(gòu)建

為比較不同措施在研究區(qū)域的實(shí)際效果，在概化的SWMM模型基礎(chǔ)上，提出3種假設(shè)未來(lái)增建海綿城市措施的方案，分別為綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝。3種改造方案互相獨(dú)立，將措施平均分配至各子匯水區(qū)，措施增設(shè)面積與研究區(qū)域原下墊面情況相關(guān)，能反映不同研究區(qū)域的實(shí)際情況。其中，海綿城市的設(shè)置方案遵循最大設(shè)置比例原則，規(guī)定綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝的布設(shè)比例分別為建筑、綠地和道路的30%，以綠色屋頂方案為例，將各子匯水區(qū)中30%的屋頂面積改造為綠色屋頂。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型模擬與驗(yàn)證

SWMM模型的參數(shù)率定為手動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，分別根據(jù)未來(lái)科學(xué)城北區(qū)和亦莊區(qū)域的率定期降雨，結(jié)合模型手冊(cè)率定參數(shù)，并由驗(yàn)證期降雨驗(yàn)證模型效果。

未來(lái)科學(xué)城北區(qū)的模擬結(jié)果誤差均小于17%(見(jiàn)表3)。在3場(chǎng)降雨中，對(duì)率定期2016年7月14日的降雨模擬效果較好，峰值誤差為2.41%，總徑流量誤差為-3.94%，納什效率系數(shù)為0.872，模擬徑流過(guò)程與實(shí)際徑流過(guò)程吻合較好；2016年7月19日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為-12.50%，總徑流量誤差為-14.17%，其中模擬峰現(xiàn)時(shí)間比實(shí)際峰現(xiàn)時(shí)間提前1h。在驗(yàn)證期2016年6月9日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為16.09%，總徑流量誤差為4.23%，納什效率系數(shù)為0.867，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

表3 未來(lái)科學(xué)城北區(qū)降雨徑流模擬誤差

亦莊的模擬中，除2017年8月5日的洪峰誤差較大，其余誤差均小于4.00%(見(jiàn)表4)，主要原因是雨洪過(guò)程的產(chǎn)流數(shù)據(jù)部分缺失。其中，對(duì)率定期2017年7月4日的降雨模擬效果較好，峰值誤差為-1.23%，總徑流量誤差為1.25%；2017年8月5日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為19.30%，總徑流量誤差為3.23%。在驗(yàn)證期2017年8月2日的降雨徑流模擬中，峰值誤差為-3.33%，總徑流量誤差為1.07%，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

表4 亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)降雨徑流模擬誤差

3.2 海綿城市措施方案對(duì)比

在所選研究區(qū)域中，若進(jìn)一步增加海綿城市措施可以削減徑流峰值和徑流總量，為研究不同海綿城市措施的效果差異，提出3種假設(shè)的未來(lái)新建措施方案。利用SWMM模型模擬不同方案下的徑流峰值和總徑流量，對(duì)比不同海綿城市措施對(duì)降雨徑流過(guò)程影響的實(shí)際效果。

結(jié)果表明，在未來(lái)科學(xué)城北區(qū)，綠色屋頂措施效果最好，雨水花園的效果優(yōu)于透水鋪裝，雨洪過(guò)程模擬見(jiàn)圖3(a)～(c)。在所選的3場(chǎng)降雨中，綠色屋頂可以明顯削減徑流峰值和徑流總量，且在降雨強(qiáng)度最大的2016年7月14日?qǐng)龃沃袩o(wú)積水節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，能夠很好地緩解城市內(nèi)澇壓力。這主要是因?yàn)槲磥?lái)科學(xué)城北區(qū)有多處工業(yè)廠房、辦公樓等，屋頂占地面積較大，該下墊面對(duì)總體產(chǎn)流影響明顯。比較各措施在不同場(chǎng)次降雨的調(diào)蓄效果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨由小強(qiáng)度(2016年6月9日)增至中等強(qiáng)度(2016年7月19日)時(shí)，透水鋪裝的調(diào)蓄效果明顯變差；當(dāng)降雨強(qiáng)度進(jìn)一步增至較大強(qiáng)度(2016年7月14日)時(shí)，綠色屋頂?shù)恼{(diào)蓄效果有一定的下降。

圖3 研究區(qū)域海綿城市措施改進(jìn)效果

在亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)，透水鋪裝略優(yōu)于雨水花園的調(diào)蓄效果，綠色屋頂效果不明顯，雨洪過(guò)程模擬見(jiàn)圖3(d)～(f)。綠色屋頂效果較差主要是因?yàn)閄35號(hào)調(diào)蓄區(qū)中建筑物較少，設(shè)置的綠色屋頂面積也較小，對(duì)總體產(chǎn)流影響很小。對(duì)比3場(chǎng)降雨中透水鋪裝和雨水花園對(duì)洪峰、洪量的削減效果，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)(2017年7月4日和2017年8月5日)透水鋪裝的效果優(yōu)于雨水花園；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)(2017年8月2日)雨水花園的效果優(yōu)于透水鋪裝，且在3場(chǎng)降雨中雨水花園的調(diào)蓄效果無(wú)明顯變化，均將徑流總量削減為現(xiàn)狀的82%。

對(duì)比兩研究區(qū)域各措施對(duì)降雨的調(diào)蓄效果可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，透水鋪裝的調(diào)蓄效果明顯降低；隨著降雨強(qiáng)度和總降雨量的進(jìn)一步增加，雨水花園和綠色屋頂?shù)恼{(diào)蓄效果也有一定程度的降低。這是因?yàn)樵趶?qiáng)降雨時(shí)，降雨強(qiáng)度大于透水鋪裝的入滲速度，部分降雨直接產(chǎn)流，調(diào)蓄效果隨之降低。而雨水花園和綠色屋頂能夠?qū)⒂晁鎯?chǔ)至蓄水層中，若所選場(chǎng)次的降雨量未使其蓄漫，調(diào)蓄效果無(wú)明顯變化。即透水鋪裝僅改變下墊面的入滲能力，調(diào)蓄效果與降雨強(qiáng)度相關(guān)，對(duì)低強(qiáng)度的降雨調(diào)蓄效果較好；而雨水花園和綠色屋頂能夠綜合改善下墊面的入滲能力和蓄水能力，調(diào)蓄效果與降雨強(qiáng)度和降雨總量有關(guān)，對(duì)于大部分場(chǎng)次的降雨都有較好的調(diào)蓄效果。

同時(shí)，兩個(gè)研究區(qū)域的海綿城市建設(shè)措施效果差異較大，主要是因?yàn)椴煌瑓^(qū)域的下墊面分布情況存在較大的差異。未來(lái)科學(xué)城地區(qū)為工業(yè)園區(qū)，工業(yè)建筑較密集，占地面積較廣，匯水時(shí)間較長(zhǎng)；而亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)位于世和園附近，建筑稀疏，下墊面主要為道路和綠地，占地面積小，匯流速度較快。因此，在研究不同區(qū)域的海綿城市措施效果時(shí)，需要結(jié)合地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行有針對(duì)性的分析研究，比較不同措施的實(shí)際效果。

4 結(jié) 論

本文利用SWMM模型分別以兩場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨徑流過(guò)程為率定期、一場(chǎng)降雨徑流過(guò)程為驗(yàn)證期，構(gòu)建了北京市未來(lái)科學(xué)城北區(qū)和亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)的雨洪模型，并比較了兩處研究區(qū)域在相同改建比例下，3種海綿城市建設(shè)措施的實(shí)際調(diào)控效果，從而比較海綿城市建設(shè)措施的綜合效果，主要結(jié)論如下：

a.構(gòu)建的兩個(gè)雨洪模型效果較好，峰值流量誤差均小于20%，模擬徑流過(guò)程與實(shí)際徑流過(guò)程吻合較好，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。模型能夠較好地體現(xiàn)研究區(qū)域的降雨徑流過(guò)程，可以在此基礎(chǔ)上比較海綿城市建設(shè)措施的實(shí)際效果。

b.對(duì)兩個(gè)研究區(qū)域增設(shè)3種海綿城市建設(shè)措施：綠色屋頂、雨水花園和透水鋪裝，削減徑流峰值和地表總徑流量。其中，在未來(lái)科學(xué)城北區(qū)綠色屋頂效果最好，增設(shè)措施后徑流總量削減至初始模型的82%；在亦莊X35號(hào)調(diào)蓄區(qū)，雨強(qiáng)較小時(shí)透水鋪裝效果最好，雨強(qiáng)較大時(shí)雨水花園效果最好。

c.透水鋪裝的調(diào)蓄效果隨降雨強(qiáng)度增大而降低，而綠色屋頂和雨水花園受降雨強(qiáng)度影響較小。因此，在推廣海綿城市建設(shè)時(shí)，需要考慮不同地區(qū)的實(shí)際下墊面情況、降雨雨型等，有針對(duì)性地比較不同海綿城市建設(shè)措施在研究區(qū)域的實(shí)際效果，才能更好地削減徑流。

本文選擇了差異較大的兩處研究區(qū)域，并以3場(chǎng)降雨進(jìn)行率定驗(yàn)證，數(shù)據(jù)可能不能完全代表研究區(qū)域的降雨特征。因此，應(yīng)進(jìn)一步收集不同類型地區(qū)的實(shí)測(cè)降雨徑流數(shù)據(jù)，篩選代表性好的降雨徑流過(guò)程，增加樣本容量，進(jìn)一步比較不同區(qū)域海綿城市建設(shè)措施的實(shí)際調(diào)蓄效果。