李珊珊,王兆禮,,賴成光,，吳旭樹(shù)，陳曉宏，林廣思，趙俊維

(1.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；2.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275； 3.肇慶市恒發(fā)農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東 肇慶 526114)

全球經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)城市用地?cái)U(kuò)張，城市下墊面硬化比例不斷增加，導(dǎo)致地表產(chǎn)匯流時(shí)間縮短，地下排水系統(tǒng)負(fù)荷增大[1]；此外，全球氣候變暖導(dǎo)致極端降雨事件頻發(fā)，大大增加了城市洪澇災(zāi)害和水資源問(wèn)題發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[2]。針對(duì)日益突出的城市洪澇問(wèn)題，20世紀(jì)90年代美國(guó)馬里蘭州環(huán)境資源署首先提出了低影響開(kāi)發(fā)(low impact design， LID)雨水管理體系[3]，即利用小型、分散、低成本且具有景觀效應(yīng)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施削減徑流總量，減少污染物負(fù)荷，提高雨水利用程度。此后，世界各國(guó)逐步開(kāi)展類似的城市雨洪管理相關(guān)研究，如英國(guó)提出的“可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable drainage system， SUDS)”[4]，澳大利亞提出的“水敏感城市(water sensitive urban design, WSUD)”理念[5]，以及新西蘭提出的“低影響城市設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)(low impact urban design and development, LIUDD)”[6]。我國(guó)在該方面的研究起步較晚，自2013年習(xí)近平總書記提出建設(shè)“海綿城市”后，與“海綿城市”相關(guān)的研究與政策才真正興起[7]。

LID設(shè)施有多種實(shí)現(xiàn)形式，包括生物滯留池、綠色屋頂、透水鋪裝等。國(guó)內(nèi)外對(duì)LID設(shè)施的研究，前期主要集中于單一LID設(shè)施的試驗(yàn)[8]和數(shù)值模擬[9]，如Versini等[10]基于試驗(yàn)對(duì)綠色屋頂?shù)乃挠绊戇M(jìn)行評(píng)價(jià)；李家科等[11]應(yīng)用暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)模擬雨水花園對(duì)水量水質(zhì)的調(diào)控效果。學(xué)者們還嘗試將不同LID設(shè)施進(jìn)行組合布局，胡愛(ài)兵等[12-13]依據(jù)不同的下墊面類型，人工確定LID設(shè)施改造比例；王婷等[14]直接采用單一LID設(shè)施最佳布設(shè)比例作為優(yōu)化布局方案；劉海嬌等[15]在確定削減目標(biāo)后，人工調(diào)整LID比例和布局以獲取優(yōu)化布局方案。盡管上述研究已取得不錯(cuò)的成果，但對(duì)LID設(shè)施分配比例和布局的確定方式欠妥，并未綜合考慮成本效益、適建性以及不同LID設(shè)施間的相互作用。為實(shí)現(xiàn)效益最大化，近年來(lái)開(kāi)始注重LID設(shè)施的優(yōu)化布局，逐漸放棄以往機(jī)械式指定LID設(shè)施改造比例和采用單一LID設(shè)施最佳比例進(jìn)行組合的方法，改用耦合水文模型與優(yōu)化算法以求解LID優(yōu)化布局，或直接采用LID優(yōu)化布局建模工具。這些方法包括：將HIMS(hydro-informatic modeling system)分布式模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)優(yōu)化算法相結(jié)合[16]；將長(zhǎng)期水文影響評(píng)價(jià)(long-term hydrologic impact assessment-LID, L-THIA-LID)模型與多算法遺傳自適應(yīng)目標(biāo)相耦合[17]；利用Python耦合SWMM模型和非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA)-Ⅱ形成優(yōu)化算法[18]，或在此基礎(chǔ)上提出基于邊際成本的多目標(biāo)優(yōu)化貪心算法(marginal-cost-based greedy strategy, MCGS)進(jìn)行LID設(shè)施的優(yōu)化布局[19]等。對(duì)于LID優(yōu)化布局建模工具，目前應(yīng)用較廣泛的是SUSTAIN(system for urban stormwater treatment and analysis integration)模型，不少研究者[20-21]采用SUSTAIN模型內(nèi)置的NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法成功實(shí)現(xiàn)LID優(yōu)化布局設(shè)計(jì)。與人工設(shè)定LID設(shè)施布局方案和改造比例相比，采用SUSTAIN模型進(jìn)行LID設(shè)施優(yōu)化布局的效率更高，但對(duì)于大區(qū)域而言，為減輕SUSTAIN模型的運(yùn)行負(fù)荷，需要對(duì)子匯水區(qū)和管網(wǎng)進(jìn)行大幅度的概化，其模擬精度仍有待提高；而SWMM模型雖然不能進(jìn)行LID優(yōu)化布局，但能實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水文效應(yīng)較高的模擬精度。因此本文嘗試應(yīng)用SUSTAIN模型進(jìn)行成本最小化模擬，獲取最優(yōu)的LID設(shè)施布局方案，重新輸入至SWMM模型中對(duì)LID設(shè)施進(jìn)行更精確的水文模擬。

不少研究表明LID設(shè)施能有效滯蓄雨洪，但在極端降雨條件下對(duì)徑流的削減效果較弱[22-23]，尤其在南方地區(qū)；而基于傳統(tǒng)“快排”模式的地下排水系統(tǒng)能快速排走雨水，但目前管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，導(dǎo)致逢大雨必澇。對(duì)此國(guó)家相關(guān)部門提出要加強(qiáng)地下綜合管廊建設(shè)，推進(jìn)“海綿城市”的建設(shè)，這促成了“海綿型”綜合管廊的誕生，即在地下綜合管廊建設(shè)中額外增添雨水調(diào)蓄倉(cāng)以增大排水能力，同時(shí)對(duì)城市下墊面進(jìn)行LID“海綿化”改造，聯(lián)合提升城市防洪排澇能力。鑒于此，本文針對(duì)“海綿型”綜合管廊試點(diǎn)區(qū)域——楊梅河流域，基于SWMM和SUSTAIN模型耦合，探討“海綿型”綜合管廊的水文效應(yīng)，并與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)、傳統(tǒng)綜合管廊、LID情景相比較，為“海綿型”綜合管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

2016年廣州市入選國(guó)家第二批管廊試點(diǎn)城市，天河智慧城高唐路段是全國(guó)“海綿型”綜合管廊建設(shè)的試點(diǎn)區(qū)域。高唐路段綜合管廊建設(shè)區(qū)域位于廣州市天河區(qū)楊梅河流域內(nèi)(圖1)，流域總面積約15.43 km2，地處南亞熱帶季風(fēng)區(qū)，多年平均降水量為1 725 mm，汛期集中于4—9月，汛期降水量占全年的81%。該區(qū)域目前沒(méi)有水閘和泵站等排澇設(shè)施，排澇功能主要由河涌及管網(wǎng)承擔(dān)，楊梅河在該區(qū)域的斷面較小，經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害。

圖1 研究區(qū)高程分布

本文使用的數(shù)據(jù)有數(shù)字高程模型(DEM)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、管網(wǎng)和綜合管廊設(shè)計(jì)資料等。DEM和土地利用類型數(shù)據(jù)(2014年)來(lái)源于國(guó)土部門，其中DEM分辨率高達(dá)8 m。土地利用類型數(shù)據(jù)已結(jié)合Google地理衛(wèi)星影像圖和實(shí)地調(diào)研結(jié)果作局部修正(圖2)。管網(wǎng)、綜合管廊、河道等數(shù)據(jù)均來(lái)源于市政相關(guān)部門(圖3)。

圖2 研究區(qū)土地利用類型

圖3 研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)概況

2 研究方法

為了探究“海綿型”綜合管廊的水文效應(yīng)，分別設(shè)置了4種不同的情景：傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)(情景1)、傳統(tǒng)綜合管廊(情景2)、LID(情景3)和“海綿型”綜合管廊(情景4)。情景1采用研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，不考慮綜合管廊和LID設(shè)施的建設(shè)；情景2和情景3基于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)情景分別新增地下綜合管廊和LID設(shè)施；情景4將地下綜合管廊建設(shè)與LID設(shè)施改造相結(jié)合?；诜铣杀?效益的削減率目標(biāo)，應(yīng)用SUSTAIN模型獲取LID優(yōu)化布局方案，然后輸入至SWMM模型中進(jìn)行水文模擬，對(duì)上述4種情景的水文效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，技術(shù)路線見(jiàn)圖4。

圖4 水文評(píng)估技術(shù)路線

2.1 SWMM模型構(gòu)建

SWMM模型[24]為分布式水文水動(dòng)力模型，主要模塊包括地表產(chǎn)流、地面徑流和管網(wǎng)匯流等。

2.1.1研究區(qū)概化

對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行概化，共獲取管道154條、井點(diǎn)175個(gè)、出水口7個(gè)；依據(jù)綜合管廊雨水倉(cāng)的工程參數(shù)將其概化為矩形斷面和部分圓形輸水管；楊梅河被概化為梯形斷面的明渠進(jìn)行模擬。子匯水區(qū)是SWMM計(jì)算產(chǎn)匯流的子單元，根據(jù)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)、建筑物、交通道路和管網(wǎng)分布，人工劃分263個(gè)子匯水區(qū)，平均面積為5.86 hm2，研究區(qū)概化結(jié)果見(jiàn)圖3。

2.1.2模型參數(shù)和驗(yàn)證

SWMM模型參數(shù)分為測(cè)量參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。楊梅河流域的子匯水區(qū)面積、平均坡度和不透水率等測(cè)量參數(shù)可通過(guò)ArcGIS間接獲取，管線參數(shù)根據(jù)CAD設(shè)計(jì)圖紙獲??；經(jīng)驗(yàn)參數(shù)則主要參考SWMM模型應(yīng)用手冊(cè)和鄰近類似區(qū)域的研究成果[25-26]，透水區(qū)和不透水區(qū)曼寧系數(shù)分別為0.011和0.24，透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄深度分別為2.5 mm和5 mm，霍頓模型的最大、最小入滲率和滲透衰減系數(shù)分別為103.8、11.44和8.46。在SUSTAIN模型中獲取LID優(yōu)化布局方案后，輸入至SWMM模型中，對(duì)LID設(shè)施和“海綿型”綜合管廊的水文效應(yīng)進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要輸入LID設(shè)施的相關(guān)參數(shù)，而這些參數(shù)依據(jù)模型用戶手冊(cè)和工程技術(shù)規(guī)范等確定(表1)。此外，滲透路面、生物滯留池和綠色屋頂?shù)仍O(shè)施表面層的表面坡度均為1%，土壤層的田間持水量和凋萎點(diǎn)含水量的體積分?jǐn)?shù)分別為0.2和0.1，土壤層的導(dǎo)水率、導(dǎo)水坡度和吸附水頭分別為12 mm/h、45%和90 mm。

表1 SWMM模型中LID設(shè)施參數(shù)設(shè)置

選用2018年6月8日0:00至18:50的實(shí)測(cè)降雨資料對(duì)SWMM模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。模擬發(fā)現(xiàn)整個(gè)研究區(qū)溢流量最大的井點(diǎn)是位于楊梅河下游易澇片區(qū)的井點(diǎn)NJ00028(圖3)。由于缺乏管網(wǎng)流量和水位數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該點(diǎn)所在區(qū)域是洪澇多發(fā)區(qū)，逢暴雨必澇，模擬的溢流點(diǎn)位置與實(shí)際的內(nèi)澇點(diǎn)基本重合，表明模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。因此本研究所構(gòu)建的SWMM模型可用于楊梅河流域不同重現(xiàn)期降雨條件下不同情景的水文效應(yīng)研究。

2.2 SUSTAIN模型構(gòu)建

SUSTAIN模型[21]是一款以插件形式嵌入ArcGIS平臺(tái)的城市降雨徑流模擬分析決策系統(tǒng)，可對(duì)LID設(shè)施進(jìn)行有效的模擬、布局、分析和優(yōu)化。

2.2.1降雨資料和徑流模擬設(shè)置

選用2018年5月7日至12月30日的實(shí)測(cè)長(zhǎng)序列降雨資料進(jìn)行模擬，以外部徑流模擬方式向概化的土地利用類型分配SWMM模擬所得的徑流時(shí)間序列(表2)，因此無(wú)需對(duì)SUSTAIN進(jìn)行二次驗(yàn)證。

表2 土地利用類型概化及徑流時(shí)間序列

2.2.2管網(wǎng)和子匯水區(qū)概化

SUSTAIN模型每次只能將一個(gè)出水口作為評(píng)估點(diǎn)進(jìn)行LID成本-效益優(yōu)化，其中楊梅河出水口最具代表性，故對(duì)其他出水口控制的小范圍子匯水區(qū)不予以考慮。綜合考慮研究區(qū)地形地勢(shì)、衛(wèi)星圖及管網(wǎng)走向等因素的影響，將前述的263個(gè)子匯水區(qū)概化為41個(gè)，其中面積最大的一個(gè)為0.7 km2，其余均小于0.5 km2。由于過(guò)于詳細(xì)的管道資料可能會(huì)降低模型模擬速度甚至導(dǎo)致運(yùn)行中途崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，因此，基于已概化的子匯水區(qū)、管網(wǎng)流向、道路、河流等對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行概化(圖5)。

圖5 概化的子匯水區(qū)和管網(wǎng)

2.2.3集合式LID設(shè)施的設(shè)計(jì)

本文根據(jù)土地利用類型的概化結(jié)果選擇LID設(shè)施，如高層建筑適宜建設(shè)綠色屋頂，低層建筑則適合安裝雨水桶對(duì)雨水回收利用，道路交通則適合鋪設(shè)滲透路面，其他透水區(qū)(如森林、灌木叢、耕地等)則不進(jìn)行過(guò)多“海綿化”改造，直接流向出水口；另外還需在研究區(qū)中增設(shè)濕塘用于儲(chǔ)蓄和處理來(lái)自植草溝、草地、透水鋪裝等海綿體的徑流，具體的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖6，LID設(shè)施的相關(guān)參數(shù)與單位成本取值見(jiàn)表3。

圖6 集合式LID設(shè)施設(shè)計(jì)方案

表3 SUSTAIN模型中LID設(shè)施相關(guān)參數(shù)和單位成本取值

2.2.4LID成本-效益分析

為初步預(yù)估符合實(shí)際成本-效益的徑流削減率目標(biāo)，在SUSTAIN模型中采用NSGA-Ⅱ進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲取LID優(yōu)化布局的成本-效益曲線(圖7)。由圖7可以看出，LID優(yōu)化布局后的年徑流削減率范圍在5%～40%之間，相應(yīng)的建設(shè)總成本為8.5億～14億。以預(yù)算成本0.7億元/km2對(duì)本研究區(qū)進(jìn)行“海綿化”改造[27]，總成本約為10億元，由圖7可知,與該預(yù)算成本相應(yīng)的年徑流削減率最高只能達(dá)到30%。以此為控制目標(biāo)在SUSTAIN模型中進(jìn)行成本最小化模擬，獲取LID的布局和數(shù)量。

圖7 LID設(shè)施的成本-效益分布

2.2.5LID優(yōu)化布局方案驗(yàn)證

對(duì)于大尺度流域，SUSTAIN模型中的子匯水區(qū)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)均被大幅度概化，其中管道類型設(shè)置為虛擬類型，因此模擬精度較低。SWMM模型雖能對(duì)整個(gè)研究區(qū)和LID設(shè)施實(shí)現(xiàn)較精確的水文模擬，但僅基于人工設(shè)定的LID改造比例，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的優(yōu)化布局。因此本研究結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，以年徑流削減率30%作為控制目標(biāo)，在SUSTAIN模型中獲取LID優(yōu)化布局方案后，輸入至SWMM模型中進(jìn)行水文模擬，結(jié)果顯示在重現(xiàn)期P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，流域溢流量削減率為31.44%，與SUSTAIN模型中初步設(shè)定的年徑流削減率30%相吻合，與實(shí)際成本-效益相符。由此可見(jiàn)，結(jié)合SUSTAIN模型中LID優(yōu)化布局的優(yōu)勢(shì)，利用SWMM模型對(duì)情景1～4進(jìn)行水文模擬評(píng)估，可有效評(píng)估LID設(shè)施和綜合管廊作用下水文效應(yīng)的差異。

3 結(jié)果與分析

研究區(qū)位于廣州市中心城區(qū)天河區(qū)，根據(jù)《廣州市排水管理辦法實(shí)施細(xì)則》推薦采用區(qū)間公式設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，以芝加哥雨型為設(shè)計(jì)雨型，選用P為2 a、20 a和50 a設(shè)計(jì)降雨對(duì)上述4種情景進(jìn)行城市雨洪模擬(圖8)，對(duì)模擬結(jié)果從出水口流量、溢流量?jī)煞矫孢M(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.1 出水口流量

選取研究區(qū)內(nèi)最具代表性的楊梅河出水口進(jìn)行流量過(guò)程分析，對(duì)P為2 a、20 a和50 a設(shè)計(jì)降雨條件下典型出水口的降雨-流量過(guò)程(圖8)、峰值流量以及峰現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明：

(a) P=2 a

a.與情景1相比，情景2的出水口流量大幅增加，在P為2 a、20 a和50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，峰值流量分別增加了66.93%、54.60%和42.87%，而峰現(xiàn)時(shí)間幾乎沒(méi)有發(fā)生變化；隨著重現(xiàn)期的增大，峰值流量增加幅度減小，維持在170 m3/s左右，這與管道的流量承載力有關(guān)。

b.情景3的出水口流量隨著重現(xiàn)期的增大而增大，與情景1相比，在P為2 a、20 a和50 a設(shè)計(jì)降雨條件下,峰值流量削減率分別為24.88%、21.25%和19.37%；峰現(xiàn)時(shí)間明顯延遲，在P為2 a設(shè)計(jì)降雨條件下，峰現(xiàn)時(shí)間延遲了23 min,即使在P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下亦延遲9 min。

c.與情景2相比，在P為2 a降雨條件下，情景4的出水口峰值流量削減率達(dá)20.97%，而在P為20 a和50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，峰值流量削減率分別為12.53%和6.98%；在3種重現(xiàn)期下，峰現(xiàn)時(shí)間均明顯延遲，至少可達(dá)8 min，表明LID設(shè)施具有滯蓄雨洪的作用，與基于“快排”模式的綜合管廊相結(jié)合可減輕河道的行洪壓力。

3.2 溢流量分析

位于楊梅河下游的井點(diǎn)NJ00028溢流情況最嚴(yán)重，故選取井點(diǎn)NJ00028和位于上游的井點(diǎn)NJ00064(圖3)作為典型溢流點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分析綜合管廊和LID的徑流削減效果。各重現(xiàn)期下不同情景方案的溢流總量和典型溢流點(diǎn)的信息見(jiàn)表4，由表4可知：

表4 各降雨重現(xiàn)期不同情景方案的溢流量信息

a.與情景1相比，情景2的下游井點(diǎn)NJ00028的溢流量削減率范圍為81.78%～98.54%；而上游井點(diǎn)NJ00064的溢流量削減率低于3.25%，削減效果甚微，表明綜合管廊的位置和設(shè)計(jì)方法直接影響著不同位置溢流點(diǎn)的溢流量削減效果。

b.與情景1相比，在LID作用下井點(diǎn)NJ00064和NJ00028的溢流量均在減小，但隨著設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期的增大，溢流量的削減率逐步減小。尤其是在P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，井點(diǎn)NJ00064和NJ00028的溢流量和溢流總量的削減率僅為26.52%、16.78%和31.44%，表明在低頻降雨條件下，LID對(duì)溢流量的削減效果較差。

c.情景4對(duì)溢流量的削減效果最佳，與情景1相比，溢流總量削減率達(dá)到60%以上，在P為2 a設(shè)計(jì)降雨條件下最高可達(dá)90.19%；即使在P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，井點(diǎn)NJ00028的溢流量削減率達(dá)到了94.28%，表明將“快排”與“滯蓄”相結(jié)合的“海綿型”綜合管廊對(duì)研究區(qū)溢流量具有極佳的削減效果。

4 結(jié) 論

a.實(shí)測(cè)降雨條件下，采用SWMM模型對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)情景下的水文效應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明楊梅河下游典型溢流點(diǎn)溢流量最大，與易澇片區(qū)實(shí)際淹沒(méi)情況相符，證明所構(gòu)建的SWMM模型適用于楊梅河流域不同情景水文效應(yīng)的模擬分析。

b.以30%年徑流削減率為目標(biāo)在SUSTAIN模型中獲取LID優(yōu)化布局方案，輸入至SWMM模型中進(jìn)行水文模擬，在P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，研究區(qū)的溢流總量削減率為31.44%，與SUSTAIN模型計(jì)算結(jié)果幾乎一致，表明與傳統(tǒng)機(jī)械式確定LID改造比例和布局的方式相比，本文提出的方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)LID優(yōu)化布局及精細(xì)化的水文模擬，以進(jìn)行情景分析。

c.在地下綜合管廊作用下，流域出水口流量增大，峰現(xiàn)時(shí)間幾乎不變，但對(duì)溢流量的削減效果明顯，其中處于下游的NJ00028井點(diǎn)溢流量削減率可達(dá)80%以上；LID設(shè)施能夠降低出水口流量，延遲峰現(xiàn)時(shí)間，但對(duì)溢流量的削減效果不如地下綜合管廊；“海綿型”綜合管廊對(duì)溢流量的削減效果最佳，在P為50 a設(shè)計(jì)降雨條件下，下游井點(diǎn)的溢流量削減率高達(dá)94.28%，對(duì)溢流總量的削減率達(dá)61.91%，與“快排”模式下的傳統(tǒng)綜合管廊情景相比，“海綿型”綜合管廊使流域出水口峰值流量明顯降低，峰現(xiàn)時(shí)間也明顯延遲，說(shuō)明“海綿型”綜合管廊結(jié)合了LID和地下綜合管廊的優(yōu)勢(shì)，是行之有效的洪災(zāi)緩解措施，值得推廣。