低影响开发系统对西南红层丘陵地区雨洪调控效果的模拟研究

2020-06-30冯文凯黎一禾魏昌利

科学技术与工程 2020年15期

梁芊，冯文凯,2*，黎一禾，魏昌利

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；3.四川省地质调查院，成都 610081)

受城市面积大规模扩张的影响，城市土地利用类型以硬质铺装为主，天然状态下的水文循环发生改变，增加了城市传统排水系统的压力，使城市内涝风险增加[1]。自1949年以来，遂宁中心城区遇强降雨时积水内涝严重，易涝地段主要包括沙坝、煤坪、老城南开善河段等，城区易涝点共计44个，内涝高风险区面积为9.36 km2。遂宁市发生10 000 m3/s以上的洪水达20余次，其中尤以1954、1981和1998年较为严重。为改善城市水文循环，构建健全的排水系统，20世纪末，美国提出低影响开发(LID)理念[2]，住建部于2014年10月发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，提出建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市，让城市“弹性适应”环境变化与自然灾害[3]。

暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)是一个动态的分布式的水文模型，可用来模拟城市降雨径流过程[4-5]，现如今已经普遍应用于城市雨洪的模拟评估[6-7]，最新推出的SWMM 5.1版中增设的LID模块，可以模拟评估布设LID设施下的城市雨洪过程。胡爱兵等[8]运用 SWMM构建了深圳市海绵城市某示范区模型，通过模拟比较后得到最佳LID布设方案；王雷等[9]利用SWMM构建了华北某地区降雨径流模型，模拟了5种LID措施布设组合的径流控制效果，为该区域海绵城市建设提供最优方案。李春林等[10]以沈阳市区为例，利用 SWMM 建立降雨径流模型，收集相关数据对模型水文水质参数进行率定和检验，分析对比了城市化后和加入LID设施后对城市内涝特征的影响。

SWMM在西南地区具有良好的适用性[11]，胡彩虹等[12]得到贵安新区LID最优措施对高频暴雨和低频暴雨的洪峰流量削减率高达67.2%和44.5%，刘佳琳等[13]利用SWMM对西南地区典型山地地区子汇水区产流特征进行了深入研究。以上研究推动了西南地区海绵城市建设的章程，但对于西南典型特征地质区——红层丘陵区的海绵城市建设缺乏相关资料。

针对研究区域地质构造特征不同，需要根据研究区当地水文、地域特征不断做出调整，在如何高效应用低影响开发设施方面进行完善。因此，以遂宁市河东新区湿地公园为例，构建SWMM模拟LID措施对低重现期与高重现期降雨条件下径流控制率、洪峰推迟及下渗过程的影响，评估不同降雨重现期下LID设施对红层丘陵区径流调控效果的影响规律。为中国西南地区红层丘陵地区的海绵城市建设提供相应的理论依据，对推进中国海绵城市建设有着十分重要的意义。

1 SWMM模型的建立

1.1 研究区概况

遂宁市河东新区位于遂宁市涪江主要支流左岸，地貌表现为河谷冲积平坝地貌，上覆第四系冲积层粉土、粉-细砂含少量的砂卵砾石，下部为砂卵砾石层，基岩为上侏罗统遂宁组的粉砂质泥岩。河东新区靠河一侧虽受河流冲刷，河床基底有所起伏，但总体上较为平坦。根据遂宁市河东新区气象监测站(2000—2017年)近20年的降水监测数据统计，河东新区多年平均降雨量约430 mm，其中降雨多集中在5—9月。研究区为遂宁市河东新区芳州路湿地休闲憩息区，位于遂宁市河东新区二期规划区西侧(图1)，东临五彩缤纷路以及保利江与城住宅小区，总占地面积约8.5×104m2，地理坐标为105°35′09.81″E，30°32′44.60″N。

改造之前芳洲路主要存在三个方面的排水问题：①局部路段冒水、积水现象突出；②雨污分流不彻底，存在雨污混接情况，影响联盟河水质；③雨水利用率低，景观水体自来水补给消耗大。

图1 遂宁市湿地公园位置示意图Fig.1 Location diagram of of Suining Wetland Park

1.2 LID设施及其功能

降雨形成地表径流的过程如图2所示，海绵城市建设通过从源头改变地表下垫面不透水性质，增加雨水下渗量，利用天然地质条件及在近地表处设置的人工临时储水装置暂储雨水，从而达到减少地表径流、削减洪峰的作用。

图2 降雨-地表径流过程Fig.2 Rainfall-surface runoff process

湿地公园地质结构表层以第四系粉砂质黏土为主，砂卵砾石层位于地表下覆5 m，可作为天然的蓄水层和过水廊道，综合下垫面、排水管网走向、绿地空间等因素，湿地公园建设中采用如下LID措施：在停车场、游乐场设置透水铺装、渗排一体渠等。透水铺装利用其高渗透性及大空隙率的特点可就地消纳储存雨水径流；在局部开敞空间例如多级音乐公园，设置了阶梯状植草沟及雨水花园——人工下凹绿地，利用植被根系及土壤对降水产生的储存及滞留作用消减地表径流，利用地表植被沟渠将多余的雨水运移至城市雨污管道。湿地公园LID布置平面图如图3所示。

图3 湿地公园LID措施布设平面图Fig.3 Arrangement diagram of LID measures in wetland park

1.3 研究区SWMM模型概化

在研究区域概化之前，基于多次对芳州路湿地公园实际地形地貌、水文状况等进行现场踏勘和分析研究，结合已收集的相关场地排水渠道资料，区域概化并遵循以下原则。

(1)子汇水区排水应遵循就近原则，排放到最近的网络节点，并且布局应根据研究场地的地形和排水管网。

(2)雨水径流从不同节点流入地下管网，并从各相连的雨水管网最后出口排放。

(3)在计算水力时，所有雨水管网的支网不纳入考虑，雨水管网系统只考虑研究区域的主干网。

(4)在研究降雨条件吋，认为研究场地的每个子汇水上节点的降雨量和强度是一样的。

(5)模拟情形中假设当前的排水管网无初始水深，且不考虑蒸发的汽化现象。

按照以上5个区域概化原则预先概括分析获取的地图及管网资料，研究区域概化为20个子汇水区，设置雨水管线15条、检查井节点17个、排放口3个，平面概化图如图4所示。

图4 湿地公园SWMM模型平面概化Fig.4 SWMM model plane generalization of wetland park

2 参数初选、率定及模型验证

2.1 参数初选与率定

SWMM模型运行所需参数可大致分为三类[14]：水文模块参数、水力模块参数、LID设施参数。模型参数取值参考模型手册及已有相关文献，后基于研究区实际降雨径流监测数据进行率定，以确保模拟结果最大贴近真实情况。对于水文模块过程模拟，SWMM中径流量通过曼宁公式给出，下渗模拟有三种形式：Horton模型[15]、Green-Ampt模型、SCS曲线数法，选择Horton模型，其表达式为

f=(f0-f∞)e-kt+f∞

(1)

式(1)中：f为t时刻的入渗率，mm/h；f∞为土壤稳定入渗率，mm/h；f0为初始入渗率，mm/h；k为入渗衰减系数。

水文模块参数主要包括：子汇水区宽度、地表坡度、不透水面积百分比、曼宁粗糙系数、洼地储水深度及地表渗透率。其中，子汇水区宽度是子汇水区面积与地表漫流最长路径的比值[16]。子汇水区域进一步可以分为3个模块，分别为透水地块的、有洼蓄能力的不透水地块的和无洼蓄能力的不透水地块。每个子汇水区根据上述划分的三种地表类型，各自独立地开展模拟计算，计算完成之后将模拟结果进行汇总整理。即可得到回水区域的出流过程线。对于透水区域、有洼蓄能力的不透水区域和无洼蓄能力的不透水区域来说，其产流的计算公式为

R1=(i-f)Δt

(2)

R2=P-D

(3)

R3=P-E

(4)

式中：R为该子汇水区的产流量，mm；i为降雨强度，mm/h；f为透水地面的入渗率，mm/h；P为降雨量，mm；D为洼蓄量，mm；E为蒸发量，mm。

降雨经地表汇流进入市政排水管网，雨水在管网中的运动是一较为种复杂的三维运动过程，管道中的水流流态可分为恒定流和非恒定流，对于水力模块模拟，SWMM提供了三种水流在管渠管段的流量演算方式：恒定流演算、运动波演算、动力波演算。鉴于动力波兼具节点与管道的连续性，对回水频发区的管道模拟效果较好[17]，因此本文模型采用动力波管道模型计算方法。水力模块参数主要包括管道长度、管径和曼宁粗糙系数。

选择遂宁市河东新区圣莲岛雨量站2018年4月24日、2018年7月3日两次降雨径流监测资料，对模型参数进行率定，以2018年7月24日暴雨进行验证。SWMM初选及率定结果如表1所示，LID参数取值如表2所示。

表1 SWMM模型参数率定结果Table 1 Parameter calibration results of SWMM model

表2 LID设施参数取值Table 1 Parameter of LID facility

2.2 模型验证

选取纳什效率系数法(ENS)对在该研究区建立的模型参数进行率定，应用遗传算法，选择河东新区湿地公园2018年4月11日和2017年7月15日两场暴雨进行率定，以2018年7月24日暴雨进行验证。

ENS的表达式为

(5)

式(5)中：Qsim为i时刻的模拟值；Qobs为i时刻的实测值；Qav为实测数据的平均值。

ENS可反映模型模拟过程和实测过程的拟合程度，ENS越接近1，说明模拟过程与实测过程的拟合程度越高,以ENS≥0.5作为模型率定的最低标准。模型验证结果如表3所示。

表3 SWMM模型验证结果Table 3 Parameters calibrition results of model of SWMM model

三场降雨的ENS均大于0.75，显示出较好的拟合度，可以认为该模型参数取值合理，可用于遂宁市体育中心城市雨水控制与利用的模拟计算。

3 设计暴雨

降雨数据是SWMM模型最基础且最重要的输入变量，通过模型中的雨量计表征，该数据可以为实际降雨数据，也可以为设计降雨数据，不同降雨量与降雨强度模拟方案由设计降雨的不同重现期体现。分别设定2、5、20、50年一遇等4个降雨重现期，以评估遂宁市湿地公园海绵城市技术措施对不同降雨情形的作用。

2016年遂宁市市气象局编制了《遂宁市主城区暴雨强度公式报告》，选取遂宁市主城区暴雨强度公式[式(2)]，采用Pilgrim & Cordery法[18]设计暴雨雨型分别推求重现期为2、5、20、50年，降雨历时为 6 h 的降雨，设计雨型采用P，雨峰相对位置r取0.5。不同降雨重现期下设计降水过程线如图5所示。

图5 不同重现期下设计降雨过程曲线Fig.5 Rainfall process curves at different recurrence interval

(6)

式(6)中：i为t时间内的平均暴雨强度，mm/min；t为降水历时，min；p为设计降雨重现期。

4 结果与讨论

利用SWMM模型对研究区布设LID措施前后的地表径流控制率进行模拟，设置重现期为2、5、20、50年四种降雨重现期模拟情景，遂宁市河东新区湿地公园地表径流相关模拟结果如表4所示。研究区的降雨重现期由2年上升至50年，总降雨量由76.04 mm增加至139.05 mm，当降雨重现期分别为2年一遇和5年一遇时，LID措施下的径流控制率可达78%和45%，相比布设前的同等重现期下的径流控制率高出54%和25%。随着重现期逐渐增大，LID措施下的径流控制率逐渐减小，当降雨重现期为20年一遇和50年一遇时，LID措施下的径流控制率分别为20%和11%，相比布设前同等重现期下的径流控制率仅高出2%和1%。LID措施对城市降雨径流的控制有明显的效果，但随着降雨重现期的增加，LID措施对降雨径流的控制效果逐渐减弱。

表4 不同重现期下地表径流模拟结果Table 4 Simulation results of surface runoff under different recurrence periods

由图6可以知，当降雨重现期为2年一遇和5年一遇时，LID措施对洪峰的推迟并不明显，当降雨重现期为20年一遇和50年一遇时，LID措施对洪峰有较明显的推迟作用，推迟时间达2、2.5 h。LID措施有推迟洪峰的作用，对低重现期降雨洪峰推迟的效果低于高重现期降雨，且随着重现期的增加推迟作用愈加明显。

图6 布设LID措施前后不同重现期下的径流过程曲线Fig.6 Runoff process curves under different recurrence periods with LID measures installed and unlaid

图7为不同重现期下汇水区下渗量随时间的变化曲线。在四个降雨重现期情景下，未设置LID措施的下渗量随时间的变化曲线线型大致相同，均为先保持不变，而后剧烈降低，遂又保持平稳，最终缓慢降低至稳定值。设置LID设施后，下渗量在短时间内急剧增加至最大值而后趋于平缓，下渗量有明显增加，重现期为2年一遇和5年一遇时，最大下渗量分别增加了37.04%和21.88%，重现期为20年和50年时，最大下渗量分别增加了15.63%和6.25%。说明以透水铺装为主的LID设施可在短时间内使降雨快速入渗，LID措施对低重现期降雨水入渗的促进作用优于高重现期，入渗的降水一部分储存于蓄水模块中，溢出部分进入市政管网，剩余部分暂存土壤中缓慢下渗至浅层地下水中。