低影响开发径流特性研究——以重庆悦来为例

王应刚,李 霞,罗小玲

(1. 重庆市水利电力建筑勘测设计研究院,重庆 401120；2.重庆交通大学，重庆 400060；3. 重庆市南岸区农业农村委员会,重庆 400000)

目前，国内大多数管理机构控制城市洪涝和污染的手段仅仅依靠着雨洪排放[1]，这种方式不仅使地下水补给量降低，对水体生态平衡带来冲击，还会造成大量水资源浪费，地面污染物排入江河水体，为收纳水土带来严重的环境负担。因此，国内海绵城市建设出现的新型雨洪管理理念LID(CLow Impact Development)低影响开发理念将会为城市雨洪管理提供巨大助力[2]。雨水管理模型模型是世界不同城市地区雨水管理、排水系统设计评估和低影响发展模拟分析以及中国海绵城市建设中最广泛使用的工具。文章运用SWMM一维水动力模型，得到了海绵城市设施前后悦来张家溪河道径流的变化，对径流特性进行了分析。

1 模型与模拟方法

1.1 模型简介

雨水管理模型可动态模拟降水—径流过程，通过布设管渠、蓄水池、排水口等设施，并率定研究流域集雨面积和下垫面属性参数，模拟系统中汇水情况的动态轨迹[3]。王文亮等[4]运用SWMM模型校核了传统管线，评价了研究区域场地径流特性，发现LID设施对径流和污染物的削减效果较为显著。张双双等[5]将SWMM模型应用于常州某区域，在重现期80 a降雨条件下，研究了不同比例下的透水铺装和下沉式绿地对区域的减流效果。任伯帜等[6]、董欣等[7]采用SWMM模型模拟了小流域降雨径流过程，发现SWMM模型对小流域有极好的适用性以及模拟精度，推广了模型在小流域的应用范围。刘兴坡等[8]分析了我国管网水文数据以及河道现状，应用SWMM模型提出了径流参数校准的方法，提高了模型模拟精度。2016年，方芃等[9]建立了城市内涝模型，结合了SWMM模型对某城镇河道水系承载能力进行了论证。安志鹏[10]通过SWMM模型研究研究了雨水系统和天然河道相互作用下的优化运行，使城市排水管网的发展更具有持续性。刘蒙泰等[11]运用PCSWMM模型有效分析了工程措施造成水量缩减致水环境的影响程度。苏波等[12]利用SWMM模型研究了不同重现期下径流调节对于雨洪管理模型的响应程度。

1.2 模型建立

1.2.1研究区域概化

重庆悦来张家溪地处重庆市北部，作为全国海绵城市试点之一，张家溪为嘉陵江一级支流，研究区域面积为4.96 km2，近年修建悦来新城，打造“天然海绵”，人类工程建设活动偏多，原始地形变化幅度大。

根据悦来新城用地布局规划资料，将研究区域按照子流域划分将不同用地属性的区域划分成块，考虑下垫面因素，结合市政道路和排水管网分布情况，遵循模型概化原则，将研究区域划分成124个子汇水区。子汇水区分布如图1所示。

图1 悦来地区SWMM模型子汇水区分布示意

悦来新城排水管网系统是由检测井，排水管道等泄洪建筑物组成的大型工程系统。根据悦来新城排水工程图，将探究区官网概括为212条排水管道，213个排水节点和1个出水口节点，位于悦来张家溪内，与嘉陵江左岸相连(如图2所示)。

图2 悦来地区SWMM模型管网分布示意

1.2.2模型参数确定

在建立悦来地区子汇水区基础数据模型后，通过测量和分析能获得各子汇水区的面积，特征宽度和平均坡度，这些都是相对确定的，不会随着模型的标定和校准而改变。对于有无洼地蓄水的子汇水区，不透水率，糙率等参数都不能直接得到。为了避免较大的误差，有必要利用实测数据对经验方法得到的值进行识别和校正。

利用ArcGIS数字测量工具获得了研究区子汇水区产流面积和平均坡度，但悦来地区开发非常密集，坡度变化很大，因此，ArcGIS的计算结果与实际数据不同，需结合现状道路地形标高和管网排水坡度进行修正。

不透水率指汇水区不透水面积占总面积的百分比，根据《重庆市两江新区悦来新城海绵城市建设总体规划》规划用地和土地利用类型不透水面积比例参考值确定。

1.2.3SWMM模型参数率定与校验

文章采用纳什效率系数RNS、洪峰流量相对误差REP以及峰现时间误差AET3个指标衡量模型模拟精度。《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)规定其纳西效率系数要求为50%≤RNS<70%，洪峰流量相对误差REP<20%，峰现时间误差AET以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差。计算方法如下:

(1)

式中：

N——实测流量数据个数；

(2)

式中：

(3)

式中：

根据悦来新城实测降雨径流资料，采用2019年3月22日实测降雨资料进行标定，径流监测采用JL405站监测资料。经过反复的参数调整和试算，径流量的模拟值与实测值的纳西效率系数值RNS为59%，大于50%。洪峰流量相对误差REP为0.2%，小于20%；峰现时间误差AET为0.25 h，满足精度要求。率定后径流实测值与模拟值过程线(如图3所示)。

图3 20190322实测—模拟径流对比示意

对参数进行调试优化，使模拟径流更符合实测径流数据，提高模型在此次模拟的精确度。参数率定后取值见表1。

表1 参数率定后参数取值

为验证在其他降雨条件下率定后模型的稳定性，选用2019年3月23日、2019年3月30日降雨进行验证，作出径流实测值和模拟过程线(如图4～图5所示)。

2019年3月23日径流量的模拟值与实测值的纳西效率系数RNS为69%, 大于50%；洪峰流量相对误差REP为 15%，小于20%；峰现时间误差AET为0.1 h，满足精度要求。2019年3月30日径流量的模拟值与实测值的纳西效率系数RNS为74%, 大于50%；洪峰流量相对误差REP为 13%，小于20%；峰现时间误差AET为0.1 h，满足精度要求。

图4 20190323实测—模拟径流对比示意

图5 20190330实测—模拟径流对比示意

根据上述分析表明，基于实测数据率定后的模拟结果符合研究区径流的产生和收集规律，具有良好的稳定性和适用性。率定后的模型参数可用于整个研究区域，以模拟不同降雨情景下研究区域的径流过程。

2 基于SWMM模型悦来张家溪径流分析

2.1 SWMM模型理论

SWMM基于两个控制方程模拟地表径流:连续性方程和动量方程。由子汇水区收集的雨水最终排入网络，通过求解动态波动方程或其简化形式计算网络中的水流路径。一维水动力模型的连续性和动量方程由下式给出:

(4)

(5)

式中：

t——时间, s；

Q——流量，m3/s；

A——过流断面面积,m2；

H——静压水头高度，m；

g——重力加速度，m2/s。

摩阻坡度Sf定义为:

(6)

式中:

K=gn2，n——曼宁系数；

R——水力半径，m；

V——平均流速，m/s。

根据水平衡原理，SWMM节点方程由式(7)给出：

(7)

式中：

H——节点水位，m；

Q——管道流入流量，m3/s；

Ask——节点面积，m2

2.2 悦来张家溪天然流域径流分析

研究区域将芝加哥暴雨过程法和重庆市主城区暴雨强度公式结合根据不同重现期推求设计洪水，设计历时120 min，雨峰系数为0.17。

为分析海绵设施前后悦来张家溪河道径流的变化，首先对张家溪开发前天然河道的径流进行模拟，分析其径流特征。选取重现期P分别为1 a、5 a、20 a、50 a、100 a时的设计降雨条件，各重现期下张家溪本底河道径流过程如图6所示。

观察径流的过程，洪水从20 min开始急剧上升，洪峰大约在61 min后出现，之后缓慢退去，洪水在达到200 min后开始急剧下降。张家溪天然河的径流量总体上呈尖细型，洪水陡涨缓降。随着重现期的增加，退水逐渐变陡。主要原因是流域地处山区，河流坡度大，汇流时间短，洪水上涨较快。由于天然河流域具有较大的透水面积，渗透性和洼地蓄积性，可以起到一定的调洪调蓄作用，故退水呈现出相对缓慢的趋势。但随着重现期和降雨的增加，其调节和储存功能越来越弱，衰退逐渐加剧。

图6 张家溪天然河道径流过程示意

2.3 悦来张家溪流域传统城市开发径流分析

为分析海绵设施建设的效果，本研究首先进行了无海绵设施条件下的径流模拟，不同重现期下张家溪河道洪水过程线如图7所示。

图7 张家溪流域传统城市开发径流过程示意

传统城市开发模式下，张家溪河道径流过程整体呈现为尖瘦型，洪水涨落都比较明显且快速，相较于张家溪本底河道径流过程，传统开发模式下洪水洪峰增加明显。主要原因是传统开发模式下，下垫面性质发生了较大变化，不透水区域大面积增加，水源涵养能力降低，产流量增加。

2.4 悦来张家溪流域低影响开发模式径流分析

常见的LID设施按功能分为四大类，分别为渗透技术类、调蓄技术类、传输技术类、净化技术类。悦来新城采用LID措施为：生物滞留设施+雨水桶+透水铺装+绿色屋顶+调蓄设施。海绵建设过后张家溪河道径流的特征(见图8)。

图8 张家溪低影响模式开发径流过程示意

可以看出各暴雨重现期下，海绵建设过后张家溪河道径流特征与本底河道类似，洪水过程线整体呈尖瘦型，洪水陡涨明显，退水较缓。主要原因是因为流域位于山区，汇水面以及河道坡度大，汇流时间短，洪水调节能力低，所以洪水陡涨；又因为海绵设施具有一定调蓄作用，故退水较缓，但随着重现期增加，退水逐渐变陡，其原因是随着重现期增加，降雨量增加，海绵设施的调蓄能力起的作用越来越小。

3 张家溪流域本底、海绵设施前后径流对比分析

根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2016)，本研究运用SWMM模型计算研究区域在重现期P分别为1 a、5 a、20 a、50 a、100 a时的设计降雨条件下，直观地表现LID实施前后与张家溪河道本底径流的变化过程，对比分析见图9～图13。

在原始天然区域进行城市开发，对当地径流影响是巨大的：P=1 a时，与其天然流域相比，低影响开发建设该区域后，洪峰流量增加95%，径流总量增加98%，传统城市建设该区域后，洪峰流量会增加225%，径流总量增加187%。当重现期增加时，低影响开发和传统城市开发后的径流增长在逐渐降低，到P=100 a时，低影响开发建设区域洪峰流量几乎不变，径流总量仅增加4%，传统城市建设该区域后，洪峰流量会增加11%，径流总量增加4.5%，整个降雨模拟过程发现洪峰历时变化不大，各重现期基本保持一致。

径流系数可反映降水深度—径流深度随时间变化而变化的瞬时关系，主要受子汇水区地形地貌、汇水坡度等因素影响。运用式(8)径流系数估算模型：

(8)

式中:

P—单位时间内的降雨量，mm；

K—土壤饱和系数；

dP—单位时间内的降雨量，mm；

dR—单位时间内产生的径流量，mm。

图9 1年一遇设计暴雨对比分析示意

图10 5年一遇设计暴雨对比分析示意

图11 20年一遇设计暴雨对比分析示意

图12 50年一遇设计暴雨对比分析示意

图13 100年一遇设计暴雨对比分析示意

计算124子汇水区得到径流系数(见表2、表3)，由于子汇水区较多，数据选取Z1～Z10列出，对124个子汇水区做径流分析，由于暴雨重现期增大，地面下渗能力严重滞后于降水量，因此,径流系数随重现期增大而增大，而悦来城区低影响开发后，径流系数相较于传统城市开发的径流系数有所下降，尤其在暴雨重现期短的降雨下，但在暴雨重现期50 a、100 a的情形下减低幅度极低。

表2 低影响开发Z1～Z10子汇水区域径流模拟成果

表3 传统城市开发Z1～Z10子汇水区域径流模拟成果

另一方面,不同重现期低影响开发设施的建设都能一定程度的削减洪峰流量和洪水总量，但从整体出发，随着设计暴雨重现期的不断增加，LID 措施对径流总量、洪峰流量的削减作用便没有之前那么明显(如图14所示)。

图14 不同重现期削减率对比示意

4 结语

1) 通过分析可见重现期越短，城市建设对径流影响程度越大，洪峰流量及洪水总量都明显的增加；从理论层面分析，主要原因是不透水下垫面的增加和透水下垫面的减小，典型的透水下垫面有森林、湿地、水田，在原始条件下森林、湿地、水田能截留大量的降水因此径流系数较小，但由于人为开发，破坏了原始下垫面，使透水域变为不透水域。

2) 由低影响开发设施建设前后情况进行对比分析，可以看出洪峰流量及洪水总量得到了明显的降低，该结果表明合理的LID措施对于研究区洪峰流量以及径流总量的削减是非常有效的，致径流系数也明显降低，从对这两方面的削弱而起到涵养水源的作用。但随着重现期增大，流量削减作用明显降低，径流系数变化十分微小。