梁昌梅，張 翔，吳鳳燕，劉路廣，黃 潔

（1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院 ，湖北省節(jié)約用水研究中心，湖北 武漢 430070； 2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072； 3. 武漢大學(xué) 海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著全球城市化進程的推進，道路、建筑物等不透水面積急劇增加，改變了原來的下墊面特征，嚴(yán)重影響了城市水循環(huán)機制，引發(fā)了一系列城市水文效應(yīng)，使得城市內(nèi)澇問題日益凸顯［1，2］，因此，迫切需要研究城市化對的洪量、洪峰等因素的影響以及應(yīng)對措施。

國外對于城市暴雨徑流的控制提出多種解決策略，并逐漸形成多個系統(tǒng)解決方案，如英國“可持續(xù)排水系統(tǒng)”（SUDS）；澳大利亞“水敏感城市”（WSUD）；美國“最佳管理措施”（BMPS）、“低影響開發(fā)”（LID）等，其中低影響開發(fā)是一種從源頭控制理念出發(fā)，通過各種LID設(shè)施控制雨水，保證開發(fā)前后水文特征不發(fā)生變化的一種方法，廣泛應(yīng)用于西方發(fā)達國家［3，4］。國內(nèi)借鑒LID 理念提出了建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，2020 年在十四五規(guī)劃中明確提出海綿城市建設(shè)繼續(xù)深入推進，地級及其以上建成區(qū)的黑臭水體削減比例達96%。2021年3月1日起執(zhí)行的《中國人民共和國長江保護法》中第六章綠色發(fā)展第六十八條明確規(guī)定長江流域縣級以上地方人民政府應(yīng)當(dāng)加快建設(shè)雨水自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市。目前國內(nèi)LID 措施的設(shè)計仍然缺少必要的水文分析計算，特別是在城市設(shè)計暴雨和設(shè)計洪水條件下的LID 設(shè)計研究較薄弱。

城市雨洪模型是用于評估低影響開發(fā)水文效應(yīng)有效的工具之一。自20 世紀(jì)60 年代開始，國外就對城市雨洪模型進行了大量研究且已取得了較大進展，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的模型如Info Works CS、SUSTAIN、HSPF、SLAMM、SWMM 等［5-9］，其中SWMM 在我國應(yīng)用最為普遍［10-13］。國內(nèi)城市雨洪模型研究起步較晚，比較系統(tǒng)的研究在20 世紀(jì)80 年代后期，發(fā)展較為成熟的城市雨洪模型主要有：城市雨水管道計算模型（SSCM）、城市雨水徑流模型（CSYJM）等［14， 15］。通過對比發(fā)現(xiàn)這些城市雨洪模型雖然可以模擬出復(fù)雜的徑流過程，但均需要確定大量參數(shù)，對實測數(shù)據(jù)要求較高；且考慮下墊面情況不夠充分，大多模型只將其分為透水和不透水兩種類型。

Win-TR55 是小流域設(shè)計洪水模型，該模型的產(chǎn)流核心為SCS-CN 徑流曲線模型，其突出的特點是計算過程簡單、所需要的參數(shù)較少，并綜合考慮了流域降水、土壤類型、下墊面類型、前期土壤濕潤狀況與徑流之間的關(guān)系。目前對于該模型的研究主要集中于兩個方面：一、改進SCS模型。學(xué)者們主要從兩個方面改進SCS 模型，一種是修訂和優(yōu)化CN值，如李志梅［16］等人利用研究區(qū)長期實際觀測降雨-徑流數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于降水量的CN值估算方法；MISHRA［17］等人提出了一個基于前5 日降雨和土壤濕度計算土壤潛在蓄水量的SCS-CN 模型，改善了CN值變化存在的跳躍性。另一種是改進SCS 模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，如吳艾璞［18］等人通過考慮前期雨量和降雨歷時對SCS-CN 模型進行改進，并運用至北京密云水庫；SING［19］等人通過考慮徑流系數(shù)和飽和程度的概念，改進了SCS-CN 模型，提出了一種結(jié)構(gòu)化更加合理、穩(wěn)定性更強的MMSCS-CN 模型。二、地表徑流預(yù)測。馬麗君［20］等人基于SCS-CN 模型，充分考慮了鄭州市下墊面產(chǎn)流情況，研究分析了坡度、土壤、土地利用與徑流量之間的關(guān)系。欒承梅［21］等人運用SCS 模型運用至江蘇北部的小流域中，依據(jù)該模型對研究區(qū)的徑流模擬，為該地區(qū)的小流域洪水預(yù)報提供了依據(jù)。

考慮WinTR55模型的計算過程簡單，所需參數(shù)少并在降雨徑流關(guān)系上，充分考慮了流域下墊面的特點及人類活動對徑流的影響，能針對未來土利用情況變化預(yù)估降雨徑流關(guān)系的可能變化等優(yōu)勢，將其運用至城市小區(qū)域中的低影響開發(fā)的水文效應(yīng)評估。以武漢市光谷九龍山生態(tài)園的低影響開發(fā)為例，利用Win-TR55 模擬了研究區(qū)分別在現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)和低影響開發(fā)模式下，不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨下的設(shè)計洪峰、設(shè)計洪量以及相應(yīng)淹沒范圍的變化，評估低影響開發(fā)在小區(qū)域上的水文效應(yīng)。

1 研究方法

通過對區(qū)域基礎(chǔ)資料的收集，得出不同開發(fā)模式下的不同土地利用類型面積，利用WinTR55 推求研究區(qū)的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)開發(fā)以及低影響開發(fā)后的三種模式在不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨下的設(shè)計洪水過程并利用體積法來確定其在不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水下的淹沒范圍，為研究區(qū)的LID設(shè)施設(shè)計提供水文依據(jù)。

1.1 WinTR55模型簡介

（1）產(chǎn)流過程。Win-TR55 的核心是SCS 水文模型，在降雨徑流關(guān)系上，其充分考慮了流域下墊面的特點，如土壤、坡度、植被、土地利用等；SCS 模型在我國應(yīng)用十分廣泛［10］，產(chǎn)流參數(shù)只有一個CN值，CN值與流域的土壤性質(zhì)、土地利用類型、坡度、植被等因素有關(guān)。

SCS模型的產(chǎn)流公式為：

式中：Q為徑流量，mm；P為一次降雨總量，mm。由于初損值Ia（mm）不易求，認(rèn)為Ia與流域當(dāng)時可能滯留量S（mm）有關(guān)。

S值主要是通過無因次參數(shù)CN來確定。

（2）CN值的確定。徑流曲線數(shù)CN值是用于描述降雨徑流關(guān)系的重要參數(shù)，它是研究區(qū)下墊面綜合特征的量化描述，決定性因素主要包括土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、前期土壤濕度等。CN值越大，S越小，則產(chǎn)流量越大。CN值的確定方法主要有兩種：一種是查表法：依據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、土壤類型和質(zhì)地、前期影響雨量，利用美國國家工程手冊CN值查算表和研究區(qū)實際情況，確定出CN值。還有一種是反推法，基于研究區(qū)的降雨徑流實測資料，通過SCS產(chǎn)流公式反推CN值。

由于本次研究缺少可靠的實際觀測數(shù)據(jù)，因此采用查表法。首先通過獲取研究區(qū)內(nèi)不同下墊面類型、土壤類型圖層，然后通過查表法確定出相應(yīng)的CN值，最后采用加權(quán)平均法，計算出流域的整體CN值，具體計算如公式（4）所示。在低影響開發(fā)過程中，主要改變下墊面類型和土壤參數(shù)，依據(jù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況，得出相應(yīng)的CN值。

式中：CNi表示第i中下墊面類型所對應(yīng)的CN值；Ai為每種下墊面的面積；n為流域內(nèi)下墊面類型的種類數(shù)。

（3）匯流過程。WinTR55 的匯流過程采用了SCS 模型的匯流，利用一條統(tǒng)一的無因次單位線來計算流域的徑流過程。無因次單位線的縱坐標(biāo)為q/qp，橫坐標(biāo)為t/tp，其中，qp和tp分別為有因次單位線的洪峰流域（m3/s）和峰現(xiàn)歷時（h）。

洪峰流量計算的經(jīng)驗公式如公式（5）所示：

式中：qp為凈雨量25.4 mm 時的單位線洪峰流量，m3/s；R為凈雨量，mm；A為流域面積，km2；tp為峰現(xiàn)時間，h。

tp與匯流時間tc關(guān)系為：

tc通過滯時L的關(guān)系求出：

式中：L為滯時（即由凈雨中心到洪峰出現(xiàn)時間的時距），h；tc為匯流時間，h；l為水流長度，m；y為流域平均坡度，%；S是流域的最大可能滯留量，mm。

無因次單位線時段D，如式（8）所示：

依據(jù)流域自身特點，用qp和tp將無因次單位線轉(zhuǎn)化為有因次單位線，再利用產(chǎn)流公式得出每一個時段D內(nèi)的徑流量R，與單位線相乘，得出流域的出流過程。

1.2 體積法

對于研究區(qū)淹沒范圍的確定主要采用“體積法”。其基本思想是：根據(jù)洪水由高向低流動的重力特性和地形起伏情況，用洪水水量與洪水淹沒范圍內(nèi)總水量體積相等的原理來模擬洪水淹沒范圍。

針對研究區(qū)域洪水淹沒區(qū)A，考慮到洪水淹沒區(qū)的陸面高程Eg（x，y）的離散性，把整個洪水淹沒區(qū)A離散為一些小方塊，用插值的方法使每個方塊都有一個高程數(shù)據(jù)。

式中：Δδ為小方塊的面積；N為洪水淹沒區(qū)A所劃分的小方塊數(shù)；Eg（i）為第i個小方塊的高程；Ew為洪水水面高程［22］。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省武漢市東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，北臨九龍湖水庫，東臨長嶺山麓，占地面積約700畝。下墊面目前為原始地貌，主要有空閑地、灌木林地、坑塘水面和旱坡地，基地整體地勢平緩，成東側(cè)高，西側(cè)平緩、北側(cè)高而南側(cè)低平之勢，土壤質(zhì)地均一多為黏土，區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛。研究區(qū)的只有一個排水口，入水口主要是九龍水庫的泄洪渠，假定九龍水庫的泄洪量為定值，如圖1所示。對研究區(qū)進行低影響開發(fā)，主要利用的設(shè)施有：綠色屋頂、透水鋪裝、植草溝、生物滯留池［13］等。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The location of the study area

2.2 數(shù) 據(jù)

主要收集了以下數(shù)據(jù)：現(xiàn)狀航拍圖（10 m×10 m）、CAD 地形數(shù)據(jù)、土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、研究區(qū)低影響開發(fā)規(guī)劃設(shè)計圖、不同重現(xiàn)期的日降雨量及其時程分配。

不同重現(xiàn)期的日降雨量及時程分配主要依據(jù)《武漢市海綿城市專項規(guī)劃》得出，如表1及圖2所示。

表1 不同重現(xiàn)期下日降雨量Tab.1 Daily rainfall of different return period

圖2 不同重現(xiàn)期下的降雨過程分配量Fig.2 The process of rainfall at different return period

3 研究結(jié)果

3.1 不同開發(fā)模式下參數(shù)CN值的確定

根據(jù)研究區(qū)的航拍圖，低影響設(shè)計規(guī)劃以及傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計圖，得出研究區(qū)的土地利用類型如圖3、圖4 所示，其相應(yīng)的面積如表2、表3和表4所示。

表2 現(xiàn)狀各土地利用類型及面積Tab.2 Areas of the land use type at pre-development situation

表3 低影響開發(fā)各土地利用類型及面積Tab.3 Areas of the land use type at LID development situation

表4 傳統(tǒng)開發(fā)模式下各土地利用類型及面積Tab.4 Areas of the land use type at traditional development situation

圖3 現(xiàn)狀的土地利用類型Fig.3 The land use type of pre-development situation

圖4 低影響開發(fā)條件下土地利用類型Fig.4 The land use type of LID designs

根據(jù)上述在不同開發(fā)模式下土地利用類型的統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)的地形、土壤滲透性特征，初損系數(shù)λ采用0.2，通過CN值查算表得出AMCⅡ（較濕潤條件）得出現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)以及低影響開發(fā)下SCS 模型的產(chǎn)流參數(shù)CN值分別為：82、88，低影響開發(fā)主要是改變了下墊面特征和土壤特征，通過參考《海綿城市工藝標(biāo)準(zhǔn)》《海綿城市施工作業(yè)指導(dǎo)書》中，表明透水鋪裝采用的砂黏性土層、綠色屋頂過濾層采用的是砂石，植草溝過濾層采用的10～30 cm 的碎石。雨水花園采用的是50～100 mm 的砂層，基于上述下墊面和土壤類型變化，查找CN參數(shù)表，具體見表5 所示，得出CN值為44。通過對比不同開發(fā)模式下的CN值，可以看出傳統(tǒng)開發(fā)下的CN值最大，低影響開發(fā)條件下的CN值最小，這主要是由于在傳統(tǒng)開發(fā)條件下，不透水面積增加，主要包括不透水路面、普通屋頂以及停車場；而采用低影響開發(fā)模式，將道路替換成透水路面，普通屋頂替換成綠色屋頂，停車場替換成生態(tài)停車場，改變了下墊面類型，增加了調(diào)蓄容積，相應(yīng)的CN值減小，產(chǎn)流量也減小。由于本研究區(qū)域沒有實測的降雨徑流數(shù)據(jù)，使得該模型不能進行校準(zhǔn)CN值，所以模型模擬的結(jié)果應(yīng)該有偏差，后續(xù)應(yīng)持續(xù)開展LID 設(shè)施的降雨產(chǎn)流實驗，用于確定不同情況下的CN值。

表5 不同LID設(shè)施的CN取值Tab.5 CN values for different LID facilities

3.2 不同重現(xiàn)期下設(shè)計洪水過程推求

利用Win-TR55 模型推求不同開發(fā)模式下1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、50 年一遇的設(shè)計暴雨對應(yīng)的設(shè)計洪水過程。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計洪水過程模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of design flood process under different return periods

由WinTR55的推求結(jié)果可知，傳統(tǒng)開發(fā)相較于現(xiàn)狀增加了洪峰及洪量，而低影響開發(fā)相較于現(xiàn)狀有效的削弱了洪峰及洪量，具體結(jié)果見如表6、表7。低影響開發(fā)之后，洪峰在1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、50 年一遇的設(shè)計暴雨強度下，相較于現(xiàn)狀分別削減了94.14%、70.63%、60.64%、45.42%；洪量在1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇以及50 年一遇的削減率分別是：96.74 %、81.58%、73.46%、61.13%；從上述結(jié)果分析可知，低影響開發(fā)對于洪峰削減率以及洪量削減率均隨著雨強的增加，然而對于其控制作用逐漸減小。通過圖5 所示，在降雨初期，3 種開發(fā)模式均未產(chǎn)流，然而隨著時間的推移，傳統(tǒng)模式最先產(chǎn)流，之后為現(xiàn)狀模式，最后為低影響開發(fā)，該模式大大延長了徑流產(chǎn)生的時間，這主要是由于低影響開發(fā)模式下的下墊面減緩了徑流的輸移時間，增加了下滲，因此該模式的開發(fā)對于城市內(nèi)澇的緩解具有十分重要的作用。

表6 低影響開發(fā)峰值削減率Tab.6 Peak reduction rate at LID situation

表7 低影響開發(fā)洪量削減率Tab.7 Flood reduction rate at LID situation

表8 低影響開發(fā)淹沒范圍削減率Tab.8 The reduction rate of submerged range at LID situation

3.3 設(shè)計淹沒范圍的確定

根據(jù)上述模型推求的設(shè)計洪水過程，考慮九龍水庫的泄洪量，利用體積法對設(shè)計淹沒范圍進行確定，得出結(jié)果圖6 所示。通過設(shè)計淹沒范圍面積的變化對比表明，傳統(tǒng)開發(fā)相較于現(xiàn)狀增加了不透水面積導(dǎo)致設(shè)計洪水淹沒范圍增加，而低影響開發(fā)模式相較于現(xiàn)狀有效的削減了設(shè)計洪水淹沒范圍。1年一遇、5年一遇、10 年一遇和50 年一遇設(shè)計暴雨對應(yīng)的設(shè)計洪水淹沒范圍分別削減了74.35%、63.6%、51.14%、6.83%，隨著雨強增加，低影響開發(fā)對于設(shè)計淹沒范圍的影響逐漸變小。

圖6 不同重現(xiàn)期下的淹沒范圍（單位：m）Fig.6 Submerged range at design storm under different return period

4 結(jié) 語

結(jié)合武漢九龍生態(tài)園實例，應(yīng)用Win-TR55 開展了設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水的研究，評估了不同下墊面條件，評估現(xiàn)狀、傳統(tǒng)和低影響開發(fā)3 種模式的水文效應(yīng)。結(jié)果表明Win-TR55 模型對于我國區(qū)域LID 水文評估是適用的；低影響開發(fā)相較于現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)開發(fā)對洪量、洪峰及設(shè)計淹沒范圍均起到削減作用，但是隨著雨強的增加，低影響開發(fā)作用逐漸減小。在高強度降雨的條件下，地形地勢可能是洪水過程影響的主導(dǎo)因素，因此在小區(qū)域開發(fā)過程中建議采用“綠色+灰色”基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的方式來應(yīng)對不同強度的降雨情景。研究成果可以為我國城市雨水管理和海綿城市建設(shè)提供指導(dǎo)意義。