李 娜，孟雨婷 ，王 靜 ，俞 茜，張念強(qiáng)

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究所，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

在過(guò)去的幾十年內(nèi)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)急速發(fā)展，截至2017年底，我國(guó)的城鎮(zhèn)化率已經(jīng)由改革開(kāi)放初期1978年的17.9%提高到了58.52%[1]。傳統(tǒng)的城市化發(fā)展會(huì)顯著增加地表不透水率[2]，不僅增加城市地表徑流，減少地表下滲率[3]，同時(shí)會(huì)威脅城市水資源和水質(zhì)安全[4]。由于城市防洪排澇設(shè)施的建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于城鎮(zhèn)化進(jìn)程[5]，因此，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)城市內(nèi)澇問(wèn)題日益突出。2013年，國(guó)務(wù)院提出開(kāi)展“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設(shè)（Sponge City Construction，SCC）。海綿城市建設(shè)是基于與自然和諧共處和低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，LID）理念，通過(guò)綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式達(dá)到減少?gòu)搅髁坎p少雨水污染負(fù)荷的目的，使開(kāi)發(fā)后城市的水文功能盡可能接近開(kāi)發(fā)之前的狀況。

為了研究不同LID措施及其組合措施的內(nèi)澇削減效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的數(shù)學(xué)模型針對(duì)LID措施及其組合對(duì)于徑流總量、洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間等水文特征的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬[6-8]，常用的模擬軟件包括SWMM、Inforworks ICM以及MIKE系列軟件等。程濤等[8]采用Infoworks ICM中的排水模型構(gòu)建了濟(jì)南市市區(qū)某一23.83 km2海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)的排水管網(wǎng)模型，模擬了不同降雨情境下最大溢流量的情況，評(píng)估了研究區(qū)域排水管網(wǎng)的排水能力。Guan等[9]采用SWMM構(gòu)建了雨洪模型，模擬發(fā)現(xiàn)雨水罐、透水路面和貯存單元等不同LID措施組合對(duì)于徑流總量的削減率比單個(gè)LID措施的削減率更加顯著。Lee等[10]采用SWMM5模型模擬了LID措施對(duì)于徑流總量和徑流峰值的削減效果。但是，可以發(fā)現(xiàn)，這些模型重點(diǎn)模擬了LID措施對(duì)于徑流總量和洪峰流量等的影響，較少關(guān)注LID措施對(duì)暴雨內(nèi)澇的影響。

本文采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主開(kāi)發(fā)的洪澇仿真模型[11-14]和洪水風(fēng)險(xiǎn)分析軟件FRAS（李娜等，2016，登記號(hào)：2016SRBJ0650），以濟(jì)南市大明湖海綿城市試點(diǎn)區(qū)為研究對(duì)象，依據(jù)《山東省濟(jì)南市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作實(shí)施計(jì)劃（2015—2017）》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施方案》），在試點(diǎn)區(qū)內(nèi)布設(shè)了相應(yīng)的LID措施組合，分析在不同降雨重現(xiàn)期下LID措施組合的內(nèi)澇削減效果，從試點(diǎn)區(qū)、子流域和街區(qū)3個(gè)尺度分別分析LID措施對(duì)內(nèi)澇面積的影響，并在流域尺度上分析LID措施對(duì)徑流總量和洪峰流量的影響。此外，本文還在試點(diǎn)區(qū)內(nèi)的廣場(chǎng)西溝流域布置不同規(guī)模的單項(xiàng)LID措施，對(duì)比分析10年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨條件下不同比例單項(xiàng)LID措施的內(nèi)澇削減效果。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析與討論，提出相關(guān)的建議，以期為濟(jì)南市海綿城市建設(shè)以及城市防洪排澇提供技術(shù)支撐。

2 城市洪澇模型的構(gòu)建

2.1 模型原理本文采用的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析軟件集河道一維、城市二維的水動(dòng)力學(xué)模型[11-14]、地下排水計(jì)算模型、降雨產(chǎn)流水文模型等于一體，并通過(guò)基于GIS的分析界面實(shí)現(xiàn)城市洪澇模擬計(jì)算。一維模型通過(guò)計(jì)算洪水沿通道方向，以及與通道兩側(cè)網(wǎng)格的水流交換實(shí)現(xiàn)與二維模型的耦合。降雨產(chǎn)流和地下排水模型在特殊通道和網(wǎng)格上分別與一、二維水力學(xué)模型耦合，體現(xiàn)了一體化建模的緊密連接和實(shí)時(shí)同步模擬。其中，一維模型主要用于模擬城市內(nèi)寬度較小的河道洪水和城市道路行洪現(xiàn)象，二維模型用于模擬洪水在地面和寬度較大的河道中的演進(jìn)，降雨產(chǎn)流水文模型用于模擬降雨形成凈雨的過(guò)程，地下排水計(jì)算模型用于模擬城市排水管網(wǎng)、泵站等排水設(shè)施的作用，包括地下水庫(kù)模型、等效管網(wǎng)模型和精細(xì)管網(wǎng)模型，本文針對(duì)的試點(diǎn)區(qū)管網(wǎng)資料較為完善，研究區(qū)域面積較大（39 km2），包含4個(gè)小流域，綜合考慮以上兩個(gè)因素，采用“等效管網(wǎng)”模型[12，15]對(duì)試點(diǎn)區(qū)地下排水情況進(jìn)行模擬，該模型與二維水力學(xué)模型的耦合包括空間和時(shí)間尺度兩方面：（1）在空間尺度上，兩個(gè)模型均以每個(gè)網(wǎng)格、特殊通道或節(jié)點(diǎn)作為計(jì)算單元，當(dāng)二維水力學(xué)模型完成地面的基本方程組求解后，通過(guò)在含雨篦子（或雨水口）的網(wǎng)格計(jì)算能排入地下管網(wǎng)的水量、在含出水口的網(wǎng)格計(jì)算能排入一維或二維河道的水量實(shí)現(xiàn)二者的空間耦合；（2）在時(shí)間尺度上，二者采用相同的計(jì)算步長(zhǎng)，每個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)均進(jìn)行一次水流交換計(jì)算。本文針對(duì)降雨產(chǎn)流水文模型，在原有徑流系數(shù)法的基礎(chǔ)上增加了SCS法，與地面二維水力學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)耦合，并對(duì)LID措施所在的道路或網(wǎng)格進(jìn)行特殊計(jì)算或參數(shù)的特殊處理，使模型能更精細(xì)地反映海綿城市措施對(duì)區(qū)域產(chǎn)匯流過(guò)程的影響和效果。

2.2 降雨產(chǎn)流水文模型的改進(jìn)本文在降雨產(chǎn)流水文計(jì)算時(shí)采用SCS方法，該方法是原美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局（USDA-SCS）對(duì)來(lái)自美國(guó)不同地區(qū)的小流域降雨-徑流資料經(jīng)過(guò)多年分析研究得出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚16]。其關(guān)系表達(dá)如下式所示：

式中：F為產(chǎn)生地表徑流后的后損，即下滲量（mm）；S為土壤潛在最大蓄滯量（mm）；P為降雨量（mm）；Ia為產(chǎn)生地表徑流之前的初損（mm），包括截留、填洼和表層蓄水等的降雨損失；Q為地表徑流量（mm）。

本文針對(duì)城市洪澇仿真模型的改進(jìn)，主要是將SCS方法應(yīng)用于每個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的降雨產(chǎn)流計(jì)算。考慮到式（1）中降雨量P和下滲量F為場(chǎng)次累積值，而土壤潛在最大蓄滯量S會(huì)隨時(shí)間變化，所以在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)根據(jù)式（1）可求得各計(jì)算單元的潛在累積下滲量。由于城市產(chǎn)生徑流的水文過(guò)程中降雨初損主要體現(xiàn)在洼地蓄水[18]，而洼地蓄水的影響在二維水力學(xué)匯流模型中可通過(guò)網(wǎng)格化的地形體現(xiàn)，因此在降雨產(chǎn)流水文模型中可忽略降雨初損，將下滲量作為主要的降雨損失，則式（1）可轉(zhuǎn)換為式（2）。通過(guò)比較潛在下滲量與實(shí)際累積下滲量求得當(dāng)前時(shí)刻潛在下滲率，實(shí)際下滲率取該值與當(dāng)前時(shí)刻可下滲量和時(shí)間步長(zhǎng)比值中的較小值。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的下滲率計(jì)算見(jiàn)下式：

式中：fT為下滲率（mm/s）；F潛,T為至T時(shí)刻的潛在下滲量（mm）；∑F實(shí)際，T-DT為至T-DT時(shí)刻的實(shí)際累積下滲量（mm），使用模型計(jì)算出的下滲量累積求得；∑PT為至T時(shí)刻的累積降雨量（mm）；DT為時(shí)間步長(zhǎng)（s）；ST為T時(shí)刻的土壤潛在最大蓄滯量（mm）；PT為當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的降雨量（mm）；HT-DT為上一時(shí)刻積水量（mm）。

模型中將當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的凈雨量作為源匯項(xiàng)輸入水力學(xué)模型計(jì)算匯流過(guò)程，耦合過(guò)程如圖1所示。根據(jù)實(shí)際下滲情況，在面向每一個(gè)計(jì)算單元應(yīng)用SCS經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，對(duì)參數(shù)調(diào)整如下：

圖1 SCS模型與水力學(xué)模型耦合原理

（1）由于初始土壤潛在最大蓄滯量S0變化范圍很大，實(shí)際應(yīng)用中將S0以描述不同土壤-植被組合的徑流曲線數(shù)CN表示，S0與CN值的關(guān)系表達(dá)為：

式中：CN值是反映地表產(chǎn)流能力的綜合參數(shù)，現(xiàn)實(shí)條件下CN取值通常在30～98之間。

（2）一般來(lái)說(shuō)，隨著降雨過(guò)程的推進(jìn)，土壤含水量逐漸增加、下滲率逐步減小。在降雨過(guò)程結(jié)束時(shí)土壤含水量已有明顯增加，下滲率雖仍有變化但變化幅度較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，參考SWMM中針對(duì)降雨結(jié)束后下滲的簡(jiǎn)化處理方式[18]，模型中設(shè)定此種情況下的潛在下滲率fT與上一時(shí)刻的下滲率fT-DT相同。

（3）降雨過(guò)程中影響下滲的水量除實(shí)際降雨量外，還應(yīng)包括上一時(shí)刻積水量，因此公式中可下滲的水量應(yīng)為當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)的實(shí)際降雨量與上一時(shí)刻積水量之和。

（4）在實(shí)際下滲中，土壤潛在最大蓄滯量ST和實(shí)際累積下滲量∑F實(shí)際，T會(huì)隨著時(shí)間而變化，因此模型中在每一次水文計(jì)算后，都要更新參數(shù)值作為下一時(shí)間步長(zhǎng)的輸入值。

2.3 LID措施模擬本文研究涉及到的LID措施有綠色屋頂、下沉綠地、滯水減排綠地、增滲綠地和透水路面，針對(duì)不同措施的功能效果，將每種措施作為新的土地利用類型單元，在模型中對(duì)所在網(wǎng)格或道路的參數(shù)和計(jì)算方法相應(yīng)做出了調(diào)整。

2.3.1 參數(shù)的調(diào)整 考慮到研究所涉及LID措施的主要作用在于增滲和滯洪，因而在模型中相應(yīng)調(diào)整的參數(shù)為網(wǎng)格和道路的高程、糙率和CN值，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格和道路通道內(nèi)LID措施布設(shè)區(qū)域的參數(shù)值進(jìn)而影響計(jì)算單元參數(shù)的加權(quán)平均值。

（1）CN值主要影響降雨產(chǎn)流過(guò)程，體現(xiàn)LID措施布設(shè)后的增滲效果，具體參數(shù)值根據(jù)底層土壤類型、土地利用類型和前期濕潤(rùn)情況，通過(guò)查美國(guó)《國(guó)家工程手冊(cè)》中給出的CN值檢索表[17]獲得。本文中的綠色屋頂以基質(zhì)層，透水路面以透水基層，下沉綠地、滯水減排綠地及增滲綠地以原土確定各自底層土壤類型。

網(wǎng)格或道路的加權(quán)平均CN值計(jì)算如下式所示：

式中：CNi為計(jì)算單元中各土地利用類型對(duì)應(yīng)的CN值；Ai為計(jì)算單元中各土地利用類型的面積。

（2）高程的調(diào)整主要針對(duì)下沉綠地和滯水減排綠地，通過(guò)削減措施布設(shè)區(qū)域高程來(lái)反映其滯洪和調(diào)控積水的功能，削減值與其蓄水層深度一致，有下沉綠地部分的計(jì)算單元，高程ZB計(jì)算按下式所示：

式中：ZB原始為計(jì)算單元的原始高程值（m）；A總為計(jì)算單元總面積（m2）；H下沉為下沉綠地的蓄水深度（m）；A下沉為下沉綠地面積（m2）。

（3）糙率主要影響水力學(xué)計(jì)算中洪水的匯流過(guò)程，受表層土地利用類型影響，可通過(guò)增加糙率來(lái)反映措施滯洪的效果，網(wǎng)格或道路平均糙率值的計(jì)算方法可參照CN值的計(jì)算。

（4）考慮到綠色屋頂相對(duì)于其他措施土壤層較薄，下滲量有限，因而在原網(wǎng)格參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了最大蓄水量這一參數(shù)，在產(chǎn)流計(jì)算中綠色屋頂區(qū)域累積下滲量超過(guò)此蓄水量時(shí)不再下滲。

2.3.2 綠色屋頂產(chǎn)流計(jì)算方法改進(jìn) 含綠色屋頂?shù)木W(wǎng)格包括三種區(qū)域，即綠色屋頂區(qū)、非綠色屋頂房屋區(qū)和非房屋區(qū)。原水文-水力學(xué)耦合模型中網(wǎng)格內(nèi)房屋區(qū)域作為不透水面（無(wú)下滲）和非淹沒(méi)區(qū)域處理，參與模型中產(chǎn)匯流的計(jì)算，采用面積修正率（即屋面面積占網(wǎng)格面積的比值）參數(shù)反映屋面區(qū)域的大小，網(wǎng)格內(nèi)的積水集中分布于非房屋區(qū)域[11-14]。布設(shè)綠色屋頂后，其增滲和蓄滯效果對(duì)網(wǎng)格的產(chǎn)流有影響。對(duì)此，在模型中將網(wǎng)格的綠色屋頂區(qū)域和非房屋區(qū)域分別按圖1進(jìn)行下滲計(jì)算，非房屋區(qū)域PT為降雨量與網(wǎng)格積水量之和，綠色屋頂區(qū)域計(jì)算時(shí)PT僅為降雨量，綠色屋頂區(qū)域在累積下滲量達(dá)到設(shè)定的最大值后不再下滲。非綠色屋頂房屋區(qū)無(wú)下滲，凈雨量與降雨量相等。計(jì)算出三個(gè)區(qū)域的凈雨量后，使用面積加權(quán)法將凈雨量重新集中分布于非房屋區(qū)域，并將計(jì)算出的網(wǎng)格凈雨量P凈，網(wǎng)格作為源匯項(xiàng)與水力學(xué)模型耦合。P凈，網(wǎng)格的計(jì)算公式為：

式中：A非房屋為非房屋區(qū)域的面積（m2）；P凈,非房屋為非房屋區(qū)域的凈雨量（mm）；A綠屋為綠色屋頂?shù)拿娣e（m2）；P凈,綠屋為綠色屋頂?shù)膬粲炅浚╩m）；A非綠房屋區(qū)為非綠色屋頂房屋區(qū)域的面積（m2）；P降為降雨量。

3 海綿試點(diǎn)區(qū)及建模介紹

3.1 試點(diǎn)區(qū)概況濟(jì)南市海綿城市試點(diǎn)區(qū)為大明湖興隆區(qū)域，即經(jīng)十路以南、英雄山路以東、千佛山東路以西范圍，試點(diǎn)區(qū)域面積為39 km2，其中山區(qū)面積為16.7 km2，開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)域面積為22.2 km2，現(xiàn)狀人口約為32萬(wàn)人。整個(gè)試點(diǎn)區(qū)均位于濟(jì)南規(guī)劃主城區(qū)內(nèi)，地勢(shì)南高北低、東高西低，東、南部為山體丘陵，中部為山前坡地，試點(diǎn)區(qū)內(nèi)有廣場(chǎng)西溝、廣場(chǎng)東溝、興濟(jì)河和十六里河4個(gè)小流域，流域面積分別為5.66、7.72、13.73和3.01 km2。區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀建設(shè)較完善，地塊之間結(jié)合緊密，具備連片示范效應(yīng)。由于《實(shí)施方案》中并未詳細(xì)描述每類措施的規(guī)模和設(shè)置位置，模擬中僅在試點(diǎn)區(qū)內(nèi)設(shè)置了其中較為典型且有具體信息的5類LID措施：綠色屋頂、下沉綠地、滯水減排綠地、增滲綠地和透水路面，措施面積分別為0.26、0.31、1.32、0.46和0.18 km2，其分布如圖2所示。

3.2試點(diǎn)區(qū)模型建立研究區(qū)域共劃分為26659個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格，網(wǎng)格平均面積約為1500 m2（38 m×38 m），由于河道寬度均未達(dá)到網(wǎng)格平均尺寸，因此按特殊河道通道處理，共727條。道路設(shè)置為特殊道路通道，共1489條，如圖3所示。

3.2.1 參數(shù)賦值 模型中網(wǎng)格高程由DEM數(shù)據(jù)直接提取，網(wǎng)格糙率根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算落在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的不同土地利用類型面積加權(quán)后的平均糙率，網(wǎng)格面積修正率按各網(wǎng)格內(nèi)房屋面積與網(wǎng)格面積之比計(jì)算，網(wǎng)格下的排水管網(wǎng)相關(guān)參數(shù)根據(jù)實(shí)際管道的屬性提取了管道總長(zhǎng)、總體積、平均底坡和平均底高等；特殊河道斷面參數(shù)由實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，特殊道路通道的路面高程以道路高程散點(diǎn)數(shù)據(jù)沿道路中心線線性插值計(jì)算，寬度按道路面圖層量取獲得。另外，與海綿措施有關(guān)的參數(shù)主要為網(wǎng)格和道路的高程、糙率和CN值，取值結(jié)果見(jiàn)表1。其中：

圖2 試點(diǎn)區(qū)流域及LID措施分布

圖3 模型通道及邊界分布

（1）CN值是根據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地三角形的分類方法和試點(diǎn)區(qū)1∶1000000的土壤數(shù)據(jù)確定土壤類型后，利用試點(diǎn)區(qū)1∶2000的居民地和植被數(shù)據(jù)對(duì)土地利用類型進(jìn)行分類，再結(jié)合前期濕潤(rùn)情況，查詢美國(guó)土壤保持局提供的CN表獲得。

（2）針對(duì)綠色屋頂措施，結(jié)合試點(diǎn)區(qū)年徑流總量控制率不低于75%、對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量不小于27.7 mm的建設(shè)目標(biāo)，設(shè)置其最大蓄水量為27.7 mm，在產(chǎn)流計(jì)算中累積下滲量超過(guò)此蓄水量時(shí)，綠色屋頂區(qū)域不再下滲。

表1 試點(diǎn)區(qū)LID措施的相關(guān)模型參數(shù)取值方法

3.2.2 模型邊界 考慮到試點(diǎn)區(qū)南高北低、東高西低的地形，本文研究共設(shè)置了2個(gè)上邊界入流（扳倒井河和興濟(jì)河），及包括河道、道路和普通網(wǎng)格在內(nèi)共86個(gè)下邊界出流，同時(shí)將興隆水庫(kù)設(shè)為內(nèi)邊界，邊界位置見(jiàn)圖3。其中：（1）上邊界使用瞬時(shí)單位線法計(jì)算的流量過(guò)程作為該處的入流數(shù)據(jù)輸入模型，相關(guān)參數(shù)從《山東省水文圖集》中查得；（2）下邊界出流口按曼寧公式計(jì)算出流過(guò)程；（3）內(nèi)邊界興隆水庫(kù)的作用主要體現(xiàn)在調(diào)控來(lái)自上游的流量，即以不同暴雨設(shè)計(jì)頻率下的最大下泄量為控制，在該設(shè)計(jì)頻率暴雨下上游河道流量小于該值時(shí)敞泄，大于該值時(shí)按最大下泄量下泄。該水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，10年及20年一遇設(shè)計(jì)暴雨下的最大下泄量分別為36和47 m3/s，5年一遇設(shè)計(jì)暴雨、模型率定和驗(yàn)證時(shí)的最大下泄量按設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)下的下泄流量即36 m3/s計(jì)算。

3.2.3 初始條件 模型計(jì)算中的初始條件包括湖泊及河道初始水深，設(shè)置初始條件時(shí)參照濟(jì)南當(dāng)?shù)睾醇案骱恿鞫嗄昶骄钯Y料。

4 模型的率定驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的合理性，分別選取2012年7月8日和2015年8月3日兩場(chǎng)近年來(lái)試點(diǎn)區(qū)降雨量較大的典型暴雨過(guò)程進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證。

4.1 模型率定2012年7月8日降雨期間，試點(diǎn)區(qū)內(nèi)雨量站的累積降雨量介于28.2～93.7 mm之間，降雨集中于7月8日0—10時(shí)（圖4（a）），模型模擬總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為15 h，計(jì)算步長(zhǎng)為3 s，上邊界入流過(guò)程如圖4所示，興隆水庫(kù)最大下泄量設(shè)置為36 m3/s，邊界出口按曼寧公式計(jì)算。根據(jù)《濟(jì)南城市水文年鑒2012》，試點(diǎn)區(qū)內(nèi)部共有省委二宿舍和山東大廈2個(gè)道路水文站（圖3）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將模型計(jì)算的最大水深與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出誤差未超過(guò)10 cm，總體精度較好。

4.2 模型驗(yàn)證2015年8月3日降雨期間，試點(diǎn)區(qū)內(nèi)雨量站的累積降雨量介于44.1～71.5 mm之間，降雨主要集中于8月3日17—23時(shí)（圖4（b）），模型模擬總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為11 h，計(jì)算步長(zhǎng)為3 s，上邊界入流過(guò)程如圖4（b）所示，興隆水庫(kù)最大下泄量設(shè)置為36 m3/s，邊界出口按曼寧公式計(jì)算。根據(jù)《濟(jì)南城市水文年鑒2015》，省委二宿舍和山東大廈道路水文站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算的最大水深對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出兩個(gè)站點(diǎn)的水深誤差亦均未超過(guò)10 cm。另外，模型模擬的區(qū)域水深分布與地形分布特征是相吻合的，如圖5所示，淹沒(méi)較深的區(qū)域基本為地形上相對(duì)低洼的位置。

表2 2012年7月8日降雨過(guò)程道路最大水深的模擬結(jié)果

圖4 典型雨量站降雨過(guò)程及邊界入流過(guò)程

表3 2015年8月3日降雨過(guò)程道路最大水深的模擬結(jié)果

通過(guò)對(duì)模型的率定與驗(yàn)證結(jié)果可以看出，本文針對(duì)試點(diǎn)區(qū)構(gòu)建的模型，參數(shù)設(shè)置較為合理，道路測(cè)站處計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較小，模型能較為準(zhǔn)確地模擬不同降雨情況下區(qū)域內(nèi)的內(nèi)澇情況，率定和驗(yàn)證后的模型可以用于其他方案的計(jì)算。

5 方案計(jì)算與結(jié)果分析

利用驗(yàn)證后的模型計(jì)算了5、10和20年一遇24 h設(shè)計(jì)暴雨條件下（降雨過(guò)程見(jiàn)圖6）低影響開(kāi)發(fā)措施設(shè)置前后共18個(gè)方案，包括不同重現(xiàn)期降雨條件下，設(shè)置LID措施前后各3個(gè)方案和12個(gè)在廣場(chǎng)西溝設(shè)置不同比例LID措施的方案（10年一遇降雨重現(xiàn)期條件下）。研究分試點(diǎn)區(qū)、流域、街區(qū)3個(gè)空間尺度，分析了低影響開(kāi)發(fā)措施的內(nèi)澇削減效果，并在流域尺度上對(duì)比分析了不同比例單項(xiàng)LID措施的內(nèi)澇削減效果。

圖5 模型模擬的2015年8月3日暴雨網(wǎng)格水深分布與區(qū)域高程分布對(duì)比

圖6 各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨過(guò)程

圖7 5年一遇降雨試點(diǎn)區(qū)內(nèi)澇分布

圖8 10年一遇降雨試點(diǎn)區(qū)內(nèi)澇分布

圖9 20年一遇降雨試點(diǎn)區(qū)內(nèi)澇分布

5.1 LID措施的內(nèi)澇削減效果

5.1.1 試點(diǎn)區(qū)內(nèi)澇削減效果分析 本文繪制了不同降雨重現(xiàn)期下《實(shí)施方案》中LID開(kāi)發(fā)措施實(shí)施前后試點(diǎn)區(qū)的內(nèi)澇分布圖，圖7—圖9為各降雨重現(xiàn)期下試點(diǎn)區(qū)的內(nèi)澇分布圖。受淹面積的變化情況如表4所示。從不同降雨重現(xiàn)期下的內(nèi)澇分布圖可以看出，LID開(kāi)發(fā)措施的實(shí)施，對(duì)措施建設(shè)地和附近的內(nèi)澇均有明顯的消減效果，包括內(nèi)澇范圍的減少和水深的降低。

從表4可以看出：（1）措施實(shí)施前后內(nèi)澇面積都隨著降雨量級(jí)的增大而增大，措施后任一降雨重現(xiàn)期下試點(diǎn)區(qū)內(nèi)的內(nèi)澇面積相比現(xiàn)狀均有減小；（2）內(nèi)澇面積削減比例在5年一遇降雨下最大，20年一遇時(shí)最小。隨著降雨量級(jí)的增加，內(nèi)澇面積削減比例逐步減少，說(shuō)明隨著降雨量級(jí)的增大，低影響開(kāi)發(fā)措施的效果逐步減弱。

表4 試點(diǎn)區(qū)低影響開(kāi)發(fā)措施內(nèi)澇削減效果分析統(tǒng)計(jì)

5.1.2 流域內(nèi)澇削減效果分析 本文研究范圍內(nèi)有廣場(chǎng)東溝、廣場(chǎng)西溝、興濟(jì)河和十六里河4個(gè)小流域，每個(gè)流域中的低影響開(kāi)發(fā)措施面積、類型都有所差異，具體措施類型及面積見(jiàn)表5。為了對(duì)比LID措施在不同小流域的效果，本文分別統(tǒng)計(jì)了每個(gè)流域的內(nèi)澇情況。與統(tǒng)計(jì)試點(diǎn)區(qū)整體內(nèi)澇情況類似，對(duì)比流域內(nèi)澇情況時(shí)也以內(nèi)澇面積為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)各流域不同降雨重現(xiàn)期下的數(shù)據(jù)繪制了各流域內(nèi)澇削減面積比例變化圖，見(jiàn)圖10。

圖10 各流域內(nèi)澇削減比例變化對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以得出：（1）措施實(shí)施后4個(gè)流域的內(nèi)澇面積均有減小，削減比例均大于4.5%，內(nèi)澇削減效果隨著降雨量級(jí)增大而減小，與5.1.1節(jié)中試點(diǎn)區(qū)的內(nèi)澇削減面積變化規(guī)律相同；（2）廣場(chǎng)西溝、廣場(chǎng)東溝和興濟(jì)河流域內(nèi)LID措施所占流域面積的比例分別為11.11%，5.2%和4.45%，從圖9中可以看出子流域措施效果排序?yàn)閺V場(chǎng)西溝＞廣場(chǎng)東溝＞興濟(jì)河，與措施面積比例順序一致，說(shuō)明LID措施效果與措施所占區(qū)域面積比例呈正相關(guān)關(guān)系；（3）十六里河流域內(nèi)的LID措施以增滲綠地為主，從圖10中可以看出，十六里河流域在5年一遇暴雨下內(nèi)澇面積削減比例最大，并且隨著降雨量級(jí)增大，內(nèi)澇面積削減比例明顯減弱，這表明增滲綠地的內(nèi)澇削減效果在小重現(xiàn)期下較為明顯；（4）廣場(chǎng)東溝流域與興濟(jì)河流域的LID措施比例相近，且流域內(nèi)的主要措施都是道路滯水減排綠地，但廣場(chǎng)東溝的內(nèi)澇面積削減比例明顯大于興濟(jì)河，分析發(fā)現(xiàn)興濟(jì)河流域位于試點(diǎn)區(qū)南部，地勢(shì)高、山地多、坡度大；而廣場(chǎng)東溝地形較為平坦，這表明滯水減排綠地在坡度較大的地形下內(nèi)澇削減效果不明顯。

表5 各小流域海綿城市措施規(guī)模

5.1.3 街區(qū)內(nèi)澇削減效果分析 本文對(duì)比了廣場(chǎng)西溝上游積水較多且LID措施設(shè)置較集中的街區(qū)（圖11）在措施實(shí)施前后不同降雨重現(xiàn)期下的內(nèi)澇情況。該街區(qū)以道路及流域邊界為界，街區(qū)內(nèi)包括陽(yáng)光舜城十區(qū)、十二區(qū)、濟(jì)南舜文中學(xué)等建筑，街區(qū)總面積0.28 km2。

（1）街區(qū)內(nèi)澇削減效果分析。對(duì)比街區(qū)內(nèi)澇情況時(shí)同樣以內(nèi)澇面積為統(tǒng)計(jì)變量，整理了如表6所示的不同降雨重現(xiàn)期下LID措施實(shí)施前后內(nèi)澇面積的變化情況。

從表6可以發(fā)現(xiàn)：①措施實(shí)施前后內(nèi)澇面積都隨著降雨量級(jí)的增大而增大，措施后任一降雨重現(xiàn)期下街區(qū)內(nèi)的內(nèi)澇面積相比現(xiàn)狀都有減?。虎趦?nèi)澇面積削減比例在5年一遇時(shí)最大，20年一遇時(shí)最小，隨著降雨量級(jí)的增加，內(nèi)澇面積削減比例逐步減少，這表明隨著降雨量級(jí)的增大，低影響開(kāi)發(fā)措施在街區(qū)的內(nèi)澇削減效果逐步減弱。

圖11 街區(qū)和典型網(wǎng)格的位置及區(qū)域內(nèi)LID措施分布

表6 街區(qū)內(nèi)內(nèi)澇分析統(tǒng)計(jì)

（2）關(guān)注點(diǎn)內(nèi)澇削減效果分析。為了進(jìn)一步對(duì)比LID措施的效果，本文研究還選擇了不同位置的網(wǎng)格（見(jiàn)圖12），對(duì)比其在措施實(shí)施前后淹沒(méi)特征的變化，同時(shí)還對(duì)比了13200號(hào)網(wǎng)格有措施和無(wú)措施下的淹沒(méi)特征，具體參數(shù)及對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 措施實(shí)施前后典型網(wǎng)格淹沒(méi)變化對(duì)比

通過(guò)對(duì)比得出：①措施后網(wǎng)格淹沒(méi)歷時(shí)都有明顯縮短，最大水深出現(xiàn)時(shí)刻都有所滯后，且重現(xiàn)期較小時(shí)效果較好；②位于下游區(qū)域的12293號(hào)網(wǎng)格上并無(wú)LID措施而其上游區(qū)域內(nèi)布設(shè)有LID措施，但措施實(shí)施后，該網(wǎng)格的最大水深和淹沒(méi)歷時(shí)也大大減小，說(shuō)明LID措施能顯著減輕下游一定范圍內(nèi)的內(nèi)澇；③13200號(hào)網(wǎng)格上游區(qū)域內(nèi)布設(shè)有LID措施，通過(guò)對(duì)比該網(wǎng)格上有、無(wú)設(shè)置LID措施時(shí)淹沒(méi)特征的變化可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域或其上游區(qū)域設(shè)置LID措施均能緩解該區(qū)域的內(nèi)澇情況。

5.1.4 地表徑流變化分析 本文選取LID措施較多的廣場(chǎng)西溝流域開(kāi)展措施前后流域地表徑流過(guò)程的對(duì)比，流域地表徑流過(guò)程線及徑流總量、洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)刻的變化分別見(jiàn)圖12和表8。

通過(guò)對(duì)比得出：（1）措施后不同重現(xiàn)期下徑流總量都有所減小，5、10、20年一遇降雨條件下，徑流總量削減率分別為6.5%，4.4%，3.7%，LID措施對(duì)徑流總量的削減效果隨降雨量級(jí)的增大而減??；（2）洪峰流量在不同重現(xiàn)期下也有不同程度的削減，5、10、20年一遇降雨條件下洪峰流量的削減率分別為9.7%、8.1%和7.7%，LID措施對(duì)5年一遇降雨洪峰流量的削減效果最為明顯，之后隨降雨量級(jí)的增大而逐漸減小；（3）各個(gè)方案徑流過(guò)程中地表徑流峰現(xiàn)時(shí)間在LID措施實(shí)施前后無(wú)太大變化，初步分析與流域內(nèi)LID措施蓄水能力較小有關(guān)。

表8 措施實(shí)施前后廣場(chǎng)西溝流域徑流參數(shù)統(tǒng)計(jì)

5.2 不同規(guī)模單項(xiàng)措施的內(nèi)澇削減效果為了進(jìn)一步比較不同規(guī)模下單項(xiàng)措施的內(nèi)澇削減效果，本文選取了廣場(chǎng)西溝流域進(jìn)行方案模擬。該流域面積5.66 km2，地勢(shì)平坦，位于城市化程度較高的中心城區(qū)，居民地面積比例為16%。研究分綠色屋頂、透水路面和下沉綠地3類單一LID措施分別設(shè)置，其布設(shè)規(guī)則為在措施可設(shè)置的區(qū)域內(nèi)按從上游至下游的順序，選擇30%、50%、70%和100%的面積依次增加規(guī)模，對(duì)該12個(gè)方案分別進(jìn)行模擬計(jì)算。其中綠色屋頂、透水路面和下沉綠地的可設(shè)置面積分別為0.958、1.988和0.821 km2。本文從內(nèi)澇面積、流域積水量及流域出口流量3個(gè)方面分析10年一遇重現(xiàn)期下不同LID措施的內(nèi)澇削減效果。

5.2.1 內(nèi)澇面積變化 各方案內(nèi)澇面積削減比例對(duì)比圖如圖13所示，同時(shí)在圖中標(biāo)注了各方案措施面積占流域面積的比例。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：（1）10年一遇降雨重現(xiàn)期下，單項(xiàng)措施都能有效減少內(nèi)澇面積，削減效果隨措施面積增加而增強(qiáng)；（2）對(duì)比不同措施相近流域面積比例下，即圖中100%綠色屋頂、100%下沉綠地和50%透水路面（均近似15%流域面積）方案下的內(nèi)澇削減比例得出，三種措施對(duì)內(nèi)澇面積的削減效果排序?yàn)椋合鲁辆G地＞透水路面＞綠色屋頂。

圖12 廣場(chǎng)西溝地表徑流過(guò)程線

圖13 不同措施內(nèi)澇削減面積比例變化

5.2.2 積水量變化 本文統(tǒng)計(jì)了不同方案下流域積水量隨時(shí)間變化的過(guò)程，過(guò)程線如圖14所示。由圖可知：（1）各措施均能明顯削減流域積水量，削減量在整個(gè)降雨過(guò)程中呈先增大后減小的趨勢(shì)；（2）圖14（d）中，相似面積比例下不同單項(xiàng)LID措施對(duì)流域徑流的削減效果及作用時(shí)段有所不同，降雨前期，綠色屋頂對(duì)積水量的削減效果最好；降雨峰值及后期，下沉綠地和透水路面的積水量削減效果明顯增強(qiáng)，后期下沉綠地的積水量削減效果明顯優(yōu)于其他兩種措施。

圖14 各方案積水量變化過(guò)程線

圖15 各方案流域地表徑流過(guò)程

5.2.3 地表徑流變化 本文統(tǒng)計(jì)了各方案下流域地表徑流過(guò)程，過(guò)程線如圖15所示。由圖可知：（1）各項(xiàng)措施對(duì)地表徑流總量均有削減，隨著規(guī)模的增大，措施對(duì)地表徑流總量的削減量逐步增加；（2）圖15（b）中，不同比例下沉綠地對(duì)地表徑流總量的削減量均較小，削減量雖然隨措施規(guī)模增大但增量較??；（3）圖15（d）中，相似面積比例下不同單項(xiàng)LID措施對(duì)地表徑流的削減效果有所不同，綠色屋頂和透水路面對(duì)地表徑流總量的削減量較大，下沉綠地對(duì)地表徑流總量削減較小，這表明下沉綠地由于本身蓄滯量較小，其主要功能在于調(diào)控積水分布。

6 結(jié)論

本文采用水文-水動(dòng)力學(xué)耦合模型，針對(duì)不同量級(jí)降雨，開(kāi)展了LID措施在濟(jì)南大明湖試點(diǎn)區(qū)、小流域和街區(qū)3個(gè)不同尺度上的內(nèi)澇削減效果研究。通過(guò)本文研究可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）在3個(gè)不同尺度布置LID措施后，5、10、20年一遇降雨下的內(nèi)澇面積、洪峰流量和徑流總量均有所降低，隨著降雨量級(jí)增大，內(nèi)澇的削減效果減弱，5年一遇內(nèi)澇削減效果最為顯著。（2）單一LID措施的內(nèi)澇削減面積比例、積水量削減比例和地表徑流總量削減比例，都與措施的規(guī)模呈正相關(guān)，規(guī)模越大，削減量越大。（3）3種LID措施對(duì)積水量的削減效果在整個(gè)降雨過(guò)程中均呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于措施增滲量和蓄滯量有限，隨著降雨累積量的增大，后期能發(fā)揮的內(nèi)澇削減效果也隨之減弱。（4）不同類型LID措施的內(nèi)澇削減效果有所不同。10年一遇降雨條件下，濟(jì)南海綿城市試點(diǎn)區(qū)中的廣場(chǎng)西溝流域內(nèi)，措施對(duì)內(nèi)澇面積的削減效果排序?yàn)橄鲁辆G地＞透水路面＞綠色屋頂。

本文設(shè)置的3種LID措施的內(nèi)澇削減效果是基于本文研究區(qū)域的特殊地形和土地利用狀況得出的，對(duì)類似區(qū)域具有一定的參考價(jià)值，但仍具有一定的局限性。針對(duì)不同地形、土地利用和降雨雨型等條件，單獨(dú)LID措施及不同LID措施組合的內(nèi)澇削減效果還有待進(jìn)一步研究。