李永坤，薛聯(lián)青，邸蘇闖，潘興瑤，張書函，王麗晶

(1.北京市水科學技術(shù)研究院，北京 100048； 2.北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048；3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

近年來海綿城市建設(shè)衍生出若干城市水文學問題，涉及海綿措施徑流響應機理及效應研究[1-3]，首先是怎樣定量海綿措施不同尺度下的減控效果，其次是如何確定建成區(qū)海綿措施建設(shè)標準，最終怎樣促進區(qū)域小海綿與流域大海綿水系統(tǒng)的有機結(jié)合。綜合評價雨洪利用工程布局及其優(yōu)化組合模式對場次降雨和年降雨量的控制效果，成為海綿城市亟待研究的首要問題。2013年，北京市發(fā)布DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》[4]，規(guī)定新建項目按照統(tǒng)一標準配套建設(shè)雨洪利用工程，當新建工程硬化面積達到2 000 m2及以上時，每千平方米硬化面積應配套建設(shè)不小于30 m3的雨水調(diào)蓄池，綠地率建設(shè)工程下凹式綠地比例至少50%，公共停車場、人行道等透水鋪裝率不小于70%(以下簡稱為“3+5+7”海綿改造措施)。隨著北京市入選第二批海綿試點城市，相繼發(fā)布了《北京市海綿城市專項規(guī)劃》[5]，將中心城區(qū)劃分為308個雨水管控單元及31 018個地塊單元，確定各管控單元的年徑流總量控制率，以保障中心城區(qū)總體年徑流總量控制率達到75%以上。

大量研究結(jié)果表明[6-8]海綿措施等外界脅迫條件下流域水文情勢變異度影響分析主要采用數(shù)值模型及變化范圍法。由于變化環(huán)境下城市流域歷史徑流監(jiān)測序列不完整，或存在非一致性等問題，因此現(xiàn)狀主要選用數(shù)值模型法。Omar[9]利用SWMM模型分析低影響措施在城市密集區(qū)域的雨水徑流減控效果。陸小蕾等[10]基于SWMM模型研究，指出當下凹綠地深度達到5～10 cm能夠有效削減雨水徑流。陳韜等[11]以嘉興市南湖區(qū)世合小鎮(zhèn)為例，應用i-Tree模型評估了低影響開發(fā)措施水量水質(zhì)控制效果。王文亮等[12]應用SWMM模型模擬雨水花園、植被淺溝和透水鋪裝3種措施對場地雨水徑流的影響，結(jié)果表明場地LID措施可將峰值流量及年徑流外排率恢復到開發(fā)前狀態(tài)。上述海綿措施模擬模型研究，重點針對建筑小區(qū)或區(qū)域尺度，缺少流域尺度不同降雨下的徑流控制效果的系統(tǒng)性研究，難以對流域整體新建及改建工程提供有效的指導意見。本文基于Infoworks ICM城市流域洪澇模型，利用流域出口水文監(jiān)測斷面實測降雨徑流過程進行率定驗證，通過情景構(gòu)建定量評價流域“3+5+7”海綿措施對場次及年度降雨徑流過程的綜合影響。

1 研究區(qū)概況

馬草河是北京市中心城區(qū)西南部的一條重要排洪河道，屬于涼水河水系，是涼水河中心城區(qū)范圍內(nèi)的最大支流，西起京津鐵路涵洞，在洋橋閘附近匯入涼水河干流，全長13 km，流域面積25.53 km2，流域下墊面高程介于36.88～54.72 m之間。研究區(qū)域范圍內(nèi)用地類型主要分為道路、普通房屋、裸土、河道面等13類，不透水面積比例為67%，根據(jù)不同下墊面類型雨量徑流系數(shù)建議取值[4]，加權(quán)平均得出流域綜合徑流系數(shù)為0.67，城市流域特點顯著。按照《北京市海綿城市專項規(guī)劃》所提出的規(guī)劃目標，研究區(qū)域涉及18個雨水管控單元，各管控單元年徑流總量控制率目標值為71%～90%。馬草河流域位置分布見圖1。

圖1 馬草河流域位置和排水分區(qū)Fig.1 Location and drainage division of Macao River Basin

2 研 究 方 法

常用水文水力學模型主要包括Grid-XAJ-SATIN、LSX-HMS、Infoworks ICM、SWMM、MIKE等[8,13-14]，Infoworks ICM模型適用于城市流域雨水系統(tǒng)各種復雜水文水力學過程模擬，廣泛應用于城市排水領(lǐng)域。模型集成了世界上多種產(chǎn)匯流模型，基于子集水區(qū)劃分和不同產(chǎn)流特征表面進行降雨徑流計算，采用圣維南方程組模擬明渠和管道水力學演進過程，采用Pressmann Slot方法模擬超負荷管道水力學演進過程[8]。Infoworks ICM模型可以模擬生物滯留槽、雨水花園、綠色屋頂?shù)?類海綿措施的水文水質(zhì)過程，能夠與降雨徑流、管網(wǎng)匯流、河道匯流以及地面漫流過程交互耦合，系統(tǒng)能模擬下墊面、排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的水文水力學效應。模型將透水鋪裝、下凹式綠地、雨水調(diào)蓄池概化為表層、填料層、蓄水層的3層豎向介質(zhì)，各層之間通過雨水徑流入滲過程實現(xiàn)水量傳遞，基于非線性水庫法求解，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：i——降雨強度，mm/s；q0——表層入流速率，mm/s；e1、e2——表層、填料層蒸發(fā)量，mm/s；q1——表層入滲速率，mm/s；q3——暗管出流速率，mm/s；f1、f2、f3——表層、填料層及蓄水層入滲速率，mm/s；d1、d3——表層及蓄水層蓄水深度，mm；L2——填料層深度，mm；θ2——填料層體積含水率，%；Φ3——蓄水層孔隙率，%。

海綿措施表層主要接收直接降雨和不透水匯水區(qū)域的徑流量，當表層蓄滿后，雨水徑流直接溢流外排，表層及填料層入滲采用Green-Ampt公式計算，表層入滲速率計算如下：

(4)

式中：K2s——土壤飽和水力傳導度，mm/s；θs——土壤飽和含水量，%；θi——土壤初始含水量，%；Ψ2——土壤中濕潤鋒以上的吸水頭，mm；F——單位面積累積入滲量，mm。

填料層承接表層入滲水量，填料層入滲速率計算式如下：

(5)

式中：HCO——入滲率衰減曲線常系數(shù)；θFC——土壤田間持水量，mm。

蓄水層水量來自填料層下滲，蓄水層可下滲至下層本地土壤層。當設(shè)置排水暗管時，蓄水層水量可通過排水暗管外排，排水暗管出流速率計算式如下：

q3=Chn

(6)

式中：C——排水系數(shù)，若該層下無排水管則C=0；h——排水暗管上方飽和介質(zhì)厚度，mm；n——排水指數(shù)，當取值為0.5時相當于孔口出流。

3 模 型 構(gòu) 建

Infoworks ICM模型構(gòu)建包括子集水區(qū)產(chǎn)匯流、管網(wǎng)匯流和河道匯流。依據(jù)排水管網(wǎng)路由與雨水口的空間位置關(guān)系，綜合建筑物、大范圍綠地等下墊面類型，劃分29個排水分區(qū)，其中建筑排水分區(qū)24個(平均面積104 hm2)，綠地排水分區(qū)5個(平均面積10 hm2)。結(jié)合檢查井空間分布，通過泰森多邊形法進一步劃分子集水區(qū)，作為降雨徑流的最小計算單元，最終將研究區(qū)劃分為5 107個子集水區(qū)，平均面積0.510 hm2。依據(jù)不同土地類型滲透性能將徑流表面概化為道路、屋頂、綠地及裸土4類，定量統(tǒng)計各子集水區(qū)4種徑流表面的面積比例，建立產(chǎn)匯流模型。馬草河流域排水分區(qū)分布見圖1。

馬草河流域排水管網(wǎng)包括分流制和合流制管線，在詳細收集雨水和雨污合流管線勘測資料基礎(chǔ)上，進行管網(wǎng)匯流路徑、上下游管底高程拓撲檢查，確保上下游管線連接關(guān)系、上下游底高程、坡度以及檢查井地面高程、埋深等屬性參數(shù)的合理性。研究區(qū)域共有5 102個檢查井，5 110條排水管線，29個排水口，管線總長度129 km，管道形狀多為圓管或方涵，管徑分布在300～4 250 mm區(qū)間，管道糙率系數(shù)取0.013，建立管網(wǎng)匯流模型。管網(wǎng)匯流通過排水口排入河道，排水口是管網(wǎng)與河道的連接點。綜合考慮河道勘測斷面和出水口位置設(shè)置河道計算節(jié)點，河道糙率系數(shù)取0.03，建立河道匯流模型。

4 模型率定及驗證

徑流表面中道路、屋頂為不透水下墊面，選用固定徑流系數(shù)法、SWMM匯流模型計算子集水區(qū)坡面產(chǎn)匯流過程，主要率定參數(shù)為徑流系數(shù)、初損值及曼寧系數(shù)，綠地和裸土為透水下墊面，選用霍頓入滲法、SWMM匯流模型進行產(chǎn)匯流計算，率定參數(shù)包括初損值、初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、衰減系數(shù)及曼寧系數(shù)，參考規(guī)范標準、模型手冊和相關(guān)文獻確定各參數(shù)取值范圍[4,8,15-17]。為率定模擬參數(shù)并驗證模型的準確性，選取近年來影響較大的2016年7月20日和2018年7月16日兩場典型降雨徑流過程資料(以下簡稱2016年“7·20”和2018年“7·16”)，參數(shù)率定方法采用人工試錯法，其中2016年“7·20”作為率定場次，2018年“7·16”作為驗證場次。

研究系統(tǒng)收集兩場典型場次中世界公園、玉泉營、新發(fā)地3個代表性雨量站實測降雨序列，以及洋橋閘實測流量序列，數(shù)據(jù)資料來源于北京市水文總站。通過雨量站點泰森多邊形劃分，空間插值提取各子集水區(qū)降雨過程輸入模型，經(jīng)分析河道漲水過程，將河道基流量2 m3/s作為邊界條件，采用相對誤差δ和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)檢驗模擬精度。在率定期，2016年“7·20”馬草河流域面平均降雨量301 mm，最大24 h降雨重現(xiàn)期大于20年一遇小于50年一遇，洋橋閘洪峰流量為92.95 m3/s，洪水重現(xiàn)期接近20年一遇，流域平均徑流深為113.65 mm。模擬洪峰流量為84.25 m3/s，峰值相對誤差為9%；峰現(xiàn)時間誤差為40 min，小于許可誤差(4 h)；模擬徑流深為132.82 mm，徑流深相對誤差為17%；模擬洪水過程Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.92。在驗證期，2018年“7·16”流域面平均降雨量為120 mm，最大24 h降雨重現(xiàn)期大于1年一遇小于3年一遇，洋橋閘洪峰流量為19.29 m3/s，平均徑流深為50.44 mm。模擬洪峰流量為20.93 m3/s，峰值相對誤差為9%；峰現(xiàn)時間誤差為1 h，小于許可誤差4 h；模擬徑流深為52.77 mm，徑流深相對誤差為5%；模擬洪水過程Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.78。這2場洪水均存在漲水階段模擬值偏低、退水階段模擬值偏高的情況，在驗證期洪水過程模擬精度有所降低，這可能與雨污合流管線截污改造、污水處理廠補給河道等人工調(diào)度措施有關(guān)，并不是自然降雨徑流過程?？傮w來說，基于Infoworks ICM構(gòu)建的馬草河流域洪澇模型率定參數(shù)合理可靠，徑流量、洪峰流量和流量過程模擬精度較高，可用于不同降雨情景下的模擬分析。模型參數(shù)率定結(jié)果見表1。率定及驗證場次洋橋閘模擬結(jié)果見圖2。

表1 Infoworks ICM模型參數(shù)率定結(jié)果

圖2 場次降雨模擬結(jié)果Fig.2 Comparison between simulated results and measurements in the rainfall event

5 模擬情景設(shè)置

按照DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》[4]中海綿措施組合配套建設(shè)標準，研究流域道路面積為1 175 hm2，透水鋪裝面積為822 hm2；綠地面積為724 hm2，下凹式綠地面積為362 hm2；硬化面積為861 hm2，雨水調(diào)蓄池建設(shè)規(guī)模為20萬 m3。綜合考慮海綿措施建設(shè)規(guī)范，設(shè)置豎向規(guī)模參數(shù)[4]，透水鋪裝表層、填料層、蓄水層深度分別為80 mm、50 mm及200 mm，表層、填料層入滲率取值為100 mm/h及29.97 mm/h，蓄水層未設(shè)置暗管；下凹式綠地護坡、填料層、蓄水層深度分別為200 mm、300 mm、200 mm，填料層入滲率為29.97 mm/h；雨水調(diào)蓄池排水指數(shù)取0.5，調(diào)蓄池蓄滿后經(jīng)孔口出流外排，排水延時為24 h，即降雨結(jié)束后24 h調(diào)蓄池收集雨水外排。各類海綿措施模擬參數(shù)如表2所示。

表2 海綿措施模擬參數(shù)

收集研究區(qū)域3個雨量站點2012—2016年降雨歷史序列，選取近年來降雨量強度偏大和量級偏多的2012年及2016年逐1 h降雨過程數(shù)據(jù)輸入模型[19-20]，評價流域尺度實施海綿措施改造后年徑流量的削減效果。

6 模擬結(jié)果分析

圖3 研究區(qū)域海綿措施徑流減控效果Fig.3 Runoff control effect of sponge measures at different return period rainfalls

1年一遇至50年一遇不同重現(xiàn)期模擬結(jié)果顯示，馬草河流域現(xiàn)狀模擬徑流總量區(qū)間范圍為9.54～159.13 mm，徑流系數(shù)為0.20～0.45，洪峰流量變化區(qū)間10.97～106.31 m3/s，洪峰滯時200～90 min，流域匯流時間約為180 min，現(xiàn)狀流域產(chǎn)流量大、匯流速度快，符合城市流域產(chǎn)匯流特點。由圖3可以看出，實施調(diào)蓄池、下凹式綠地和透水鋪裝海綿改造后，能夠有效削減徑流總量和峰值流量，徑流量削減幅度為90.46%～38.88%，流域出口洋橋閘洪峰削減比例為93.25%～15.60%，峰現(xiàn)時間較現(xiàn)狀滯后225～0 min，表明海綿組合措施能夠?qū)τ旰橘Y源進行攔截及滲蓄，降低地面徑流總量和坡面匯流時間，對各重現(xiàn)期設(shè)計降雨具有不同程度的削減效果。

由圖4可知，研究區(qū)1年一遇最大雨強為19 mm/h，海綿措施徑流量及峰值流量的削減效果達到90%以上，峰現(xiàn)時間延遲約225 min，主要由于降雨強度小于海綿措施入滲率，調(diào)蓄池空間相對較大，提高流域滯蓄能力，河道洪峰坦化作用顯著。當暴雨重現(xiàn)期達到10年一遇后，最大雨強達到75 mm/h時，徑流量削減效果趨于穩(wěn)定。隨著暴雨重現(xiàn)期繼續(xù)增加，洪峰流量、峰現(xiàn)時間削減效果明顯降低。50年一遇模擬結(jié)果圖4所示，海綿措施改造后洪峰流量為89.73 m3/s，洪峰流量削減比例僅15.60%，峰現(xiàn)時間基本無延遲。綜上所述，隨著暴雨重現(xiàn)期增加，海綿措施對徑流量與洪峰流量減控效果有所降低，海綿措施主要滯蓄10年一遇以下降雨徑流過程。

圖4 研究區(qū)域海綿措施徑流減控效果Fig.4 Runoff control effect of sponge measures in the study area

對于年徑流總量控制率，2012年研究區(qū)年降雨總量為820 mm，最大雨強為60 mm/h，降雨強度達到5年一遇，以局地雨強較大、連續(xù)型強降雨為主，模擬年徑流量為217 mm，年徑流系數(shù)為0.26；2016年降雨總量為623 mm，最大雨強為28 mm/h，降雨強度僅大于1年一遇小于3年一遇，全年以降雨強度較小、平穩(wěn)型降雨為主，模擬年徑流量為145 mm，年徑流系數(shù)為0.23。基于子集水區(qū)模擬流量過程，通過Arcgis軟件矢量要素Intersect空間分析工具，進行子集水區(qū)與管控單元相交分析，應用Spatial Join空間關(guān)聯(lián)加權(quán)提取各管控單元年徑流量和徑流系數(shù)。據(jù)圖5可知，2012年現(xiàn)狀各管控單元年徑流系數(shù)為0.21～0.35，其中14處地塊未達到規(guī)劃標準；2016年各管控單元年徑流系數(shù)為0.18～0.28，共有6處地塊未達到控制標準。

圖5 現(xiàn)狀年徑流系數(shù)Fig.5 Current annual runoff coefficient

據(jù)圖6可知，實施“3+5+7”海綿措施改造后：研究區(qū)域2012年模擬年徑流量為139 mm，較現(xiàn)狀年徑流量削減36%，年徑流總量控制率為83%，各管控單元控制率為82%～95%；2016年模擬年徑流量為84 mm，較現(xiàn)狀年徑流量削減42%，年徑流總量控制率達到87%，各管控單元控制率為86%～93%。實施海綿措施改造后2012年及2016年各地塊均能夠達到控制標準，現(xiàn)行雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范能夠有效促進海綿城市建設(shè)達標。

圖6 海綿措施改造后年徑流總量控制率Fig.6 Volume capture ratio of annual rainfall after implementation of sponge measures

7 結(jié)論與展望

a. 按照“3+5+7”建設(shè)比例進行海綿措施改造，能夠有效削減場次徑流量，1年一遇至50年一遇重現(xiàn)期下徑流量削減比例為90.46%～38.88%，河道洪峰流量削減比例為93.25%～15.60%，峰現(xiàn)時間滯后225～0 min，海綿措施對低重現(xiàn)期降雨呈現(xiàn)較好的控制效果。隨著場次降雨重現(xiàn)期的增加，徑流量及洪峰流量削減比例有所降低，洪峰流量削減、峰現(xiàn)時間延遲效果降低顯著。

b. 研究區(qū)域現(xiàn)狀平均年徑流系數(shù)為0.24，各管控單元年徑流系數(shù)為0.18～0.35，平均10處地塊未達到控制標準。實施海綿措施后流域年徑流總量控制率達到85%，年徑流量平均削減39%，各管控地塊全部達到控制標準。實施“3+5+7”海綿措施后，能夠有效減控年徑流量，約束各管控地塊達標排放，現(xiàn)行雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范滿足海綿城市建設(shè)要求。

本研究重點針對透水鋪裝、下凹式綠地、雨水調(diào)蓄池3類特定組合比例海綿措施的徑流減控效果，未來可進一步研究不同海綿措施及其不同組合方式的水量水質(zhì)減控效果，為促進海綿城市效果評估提供理論支撐。