典型海绵城市措施对雨洪过程的影响模拟

2022-11-03左凌峰赵渔亨李继清

水资源开发与管理 2022年10期

左凌峰赵渔亨李继清

(华北电力大学水利与水电工程学院，北京 102206)

近年来，我国城市化进程加快，城区硬化面积逐渐增大，同时受气候变化、市政管网布设等因素的影响，导致降雨后产汇流速度加快、地表径流系数增大、洪峰流量增大、峰现时间提前[1]。频繁发生的城市内涝灾害对城市水安全日益造成威胁，逐渐成为制约城市经济社会发展的首要问题[2]。如2012年，北京“7·21”暴雨是60多年来的最强暴雨，房屋倒塌10660间，受灾人口160.2万，经济损失116.4亿元；2016年，武汉“7·6”暴雨覆盖全市12个区，受灾人数75.7万，经济损失22.65亿元。

基于此，结合英国、美国、澳大利亚等国家的城市雨洪管理经验，我国学者也进行了多年探索，2013年中央城镇化工作会议首次提出，大力推进建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。近几年，海绵城市的技术开发和效果评估都取得了很大进步，其中，模型模拟对于海绵城市措施效果评估起到了至关重要的作用。截至目前，已开发了SWMM[3]、MIKE URBAN系列[4]、ICM InfoWorks[5]、HSPF[6]、SUSTAIN[7]等模型，且在城市水文领域都得到了较为广泛的应用。其中SWMM具有免费开源、界面简洁、操作便捷等优点，是国内运用最广泛的模型之一。已有许多研究重点关注了城市居民区海绵城市建设措施对径流的削减效果，并发现不同措施在各研究区域对径流削减效果存在一定的差异，如晋存田等[8]分析了北京某区域透水铺装和下沉式绿地的应用效果，结果表明在降雨频率较大时下凹式绿地效果较好，在降雨频率较小时透水铺装效果较好；周昕等[9]发现南京市某区域的海绵城市设施对径流的调蓄效果随着降雨重现期的增大而下降；王婷等[10]分析了老旧小区的海绵城市措施布设比例，研究发现组合方案的最优结果并不能套用最佳比例；戎贵文等[11]则研究了工业园区的5种海绵城市设施组合方案，其中绿色屋顶、雨水罐、植被浅沟和透水铺装的组合方案对总径流量削减效果最好，而绿色屋顶、雨水罐、雨水花园和透水铺装组合方案对洪峰流量的削减效果最好；甘丹妮等[12]提出了4组海绵城市设施布置比例各不相同的组合方案，评估其效益，并分析得到没有生物滞留设施的方案效益最小；吴盈盈等[13]发现深圳市光明区某小区单项海绵城市措施中透水铺装对径流量削减效果最好，绿色屋顶对峰值流量削减效果最好。

此外，国内对于海绵城市的建设会特别关注内涝严重的城区，海绵城市设施对削减径流、缓解城市内涝起到了积极作用。因此本文选取北京市未来科学城北区和亦庄X35号调蓄区两种不同类型区域作为研究对象，分别选择3场降雨用于SWMM模型的构建，并对研究区域增设相同比例的3种海绵城市措施，分别对比不同海绵城市措施在不同区域的实际效果，为因地制宜地实施防涝建设提供相对科学合理的技术支撑。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区域概况

北京市降水量少且分布不均，多以汛期暴雨形式出现，是一个旱涝并存的典型城市，也是海绵城市建设的第一批试点地区，未来科学城和亦庄经济开发区为典型试点区域。未来科学城分为南北两个区，且两区排水系统完全独立，现有下垫面及海绵城市设施都比较复杂，区域面积较大。相对而言，亦庄X35号调蓄区现有下垫面及海绵城市设施都较为简单，占地面积小，具有独立的排水系统。

未来科学城位于北京市昌平区，以温榆河和定泗路为界分为北区和南区，其中北区占地面积约为3.02km2。作为海绵城市典型试点区域，园区内增设了容积约为53万m3的调蓄设施及多种海绵城市措施，以达到控制径流总量的目的[14]。本文的研究区域为未来科学城北区(含部分核心绿地)，总集水面积为4.16km2，下垫面情况见图1(a)。

亦庄X35号调蓄区位于北京市大兴区东北部的亦庄开发区，其核心区为生态湖，且X35号调蓄区天然砂石坑为多功能调蓄池，周边地块雨水直接汇入调蓄池内，起到防洪调蓄作用。本次研究选取了生态湖东侧、南侧现状道路的排水流域作为研究区，流域面积约为14.13hm2，下垫面情况见图1(b)。

图1 研究区域下垫面

1.2 数据来源

研究区域的DEM数据来自ASTGTM卫星产品；土地利用类型由实时卫星成像解译，并利用 ArcGIS 进行下垫面提取；降雨数据来自两个研究区域所设雨量站的实际观测数据，其中，未来科学城北区降雨数据选取2016年汛期的3场降雨的5min时段数据，亦庄X35号调蓄区选取2017年汛期的3场降雨的1min时段数据，雨情信息见表1；流量数据则来自各区域排水口的实测流量数据。排水管网数据包括检查井、排口、管道等及各部分属性的详细数据，均来自相关部门。

表1 研究区域各场次降雨雨情

2 研究方法

2.1 SWMM模型基本原理

SWMM模型是一种分布式水文模型，由美国环境保护署设计开发，由于界面简单、操作便捷的特点，现已被广泛运用于城市雨洪模拟中。降雨径流过程主要包括产流、坡面汇流和管网汇流。

a.产流。产流过程指降雨扣除流域蒸发、植被截留、地面填洼和土壤下渗等损失之后形成净雨的过程。对于单场降雨而言，可不考虑蒸发部分。本文选用Horton下渗，计算公式为

ft=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：ft为土壤t时刻的下渗率，mm/h；f0为初始下渗率，mm/h；fc为稳渗率，mm/h；t为时间，h；k为衰减指数，h-1。

b.坡面汇流。坡面汇流过程指经过产流模型获得的净雨转化为集水区流量过程线的过程。本文采用水力学模型，将子汇水区概化为非线性水库，求解曼宁公式与连续方程得到出流过程:

(2)

(3)

式中：Q为出流量，m3/s；S为平均坡度；n为地表曼宁系数；d为水深，m；dp为洼蓄深，m；V为地表蓄水量，m3；t为时间，s；i为降雨强度，mm/s；A为地表面积，m3；W为子汇水区漫流宽度,m。

c.管网汇流。SWMM模型将其简化为一维的非均匀渐变流模拟管渠水流流动，主要有动力波、运动波、恒定流3种计算方法。由于所选研究区域面积较小且数据详细，考虑到模拟精度，本文选择依靠求解完整圣维南方程的动力波模拟管网汇流，圣维南方程如下：

(4)

(5)

式中：x为距离，m；A为过水断面面积，m2；g为重力加速度，9.8m/s2；H为水深，m；S0为摩阻坡度。

2.2 SWMM模型概化

首先利用ArcGIS对两个研究区域的雨水管网数据进行概化，结合卫星地图提取了7种下垫面(见图1)，生成泰森多边形划分出研究区的子汇水区，建立SWMM概化模型，见图2。其中，未来科学城北区共有69个子汇水区，81个排水节点，68条管道，1个排水口；亦庄X35号调蓄区有9个子汇水区，8个排水节点，8条管道，1个排水口。

图2 研究区域SWMM概化模型

2.3 敏感参数

SWMM模型参数中的敏感参数是指具有明确物理意义、需要模型模拟与实际测量相结合才能确定取值范围的参数，主要有下渗率、衰减系数、曼宁系数等。敏感参数会直接影响模型模拟结果的准确性及精确度，因此，参数率定及验证是模型模拟中至关重要的一步。综合模型手册、北京市水文手册、文献资料[15-18]，初步选取的模型敏感参数范围见表2。

表2 SWMM模型敏感参数取值范围

SWMM模型将下垫面划分为透水地面和不透水地面，根据透水地面占比等计算子汇水区的整体参数。结合卫星地图解译结果，将研究区下垫面划分为不透水路面、公路、建筑、草地、灌木、植草沟、工地，并分别率定各类型下垫面的敏感参数，其中草地、灌木、植草沟视作透水地面，其他下垫面视作不透水地面。根据ArcGIS计算子汇水区不同下垫面的面积占比，计算统计子汇水区的整体参数。

2.4 误差评估

本次研究选取峰值流量误差、纳什效率系数及总径流量误差作为评价模拟结果的指标。峰值流量误差反映了模型模拟瞬时流量的精确度，根据中国《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)[19]，其最大许可值为洪峰流量的20%。纳什效率系数反映了模型模拟流量和实测流量的吻合程度。总径流量误差反映了模型产流总量与实际产流总量的吻合程度，根据《内涝防治系统数学模型构建和应用规程(征求意见稿)》[20]，小于20%即合格。

2.5 LID方案构建

为比较不同措施在研究区域的实际效果，在概化的SWMM模型基础上，提出3种假设未来增建海绵城市措施的方案，分别为绿色屋顶、雨水花园和透水铺装。3种改造方案互相独立，将措施平均分配至各子汇水区，措施增设面积与研究区域原下垫面情况相关，能反映不同研究区域的实际情况。其中，海绵城市的设置方案遵循最大设置比例原则，规定绿色屋顶、雨水花园和透水铺装的布设比例分别为建筑、绿地和道路的30%，以绿色屋顶方案为例，将各子汇水区中30%的屋顶面积改造为绿色屋顶。

3 结果与分析

3.1 模型模拟与验证

SWMM模型的参数率定为手动调整相关参数，分别根据未来科学城北区和亦庄区域的率定期降雨，结合模型手册率定参数，并由验证期降雨验证模型效果。

未来科学城北区的模拟结果误差均小于17%(见表3)。在3场降雨中，对率定期2016年7月14日的降雨模拟效果较好，峰值误差为2.41%，总径流量误差为-3.94%，纳什效率系数为0.872，模拟径流过程与实际径流过程吻合较好；2016年7月19日的降雨径流模拟中，峰值误差为-12.50%，总径流量误差为-14.17%，其中模拟峰现时间比实际峰现时间提前1h。在验证期2016年6月9日的降雨径流模拟中，峰值误差为16.09%，总径流量误差为4.23%，纳什效率系数为0.867，满足相关规范的精度要求。

表3 未来科学城北区降雨径流模拟误差

亦庄的模拟中，除2017年8月5日的洪峰误差较大，其余误差均小于4.00%(见表4)，主要原因是雨洪过程的产流数据部分缺失。其中，对率定期2017年7月4日的降雨模拟效果较好，峰值误差为-1.23%，总径流量误差为1.25%；2017年8月5日的降雨径流模拟中，峰值误差为19.30%，总径流量误差为3.23%。在验证期2017年8月2日的降雨径流模拟中，峰值误差为-3.33%，总径流量误差为1.07%，满足相关规范的精度要求。

表4 亦庄X35号调蓄区降雨径流模拟误差

3.2 海绵城市措施方案对比

在所选研究区域中，若进一步增加海绵城市措施可以削减径流峰值和径流总量，为研究不同海绵城市措施的效果差异，提出3种假设的未来新建措施方案。利用SWMM模型模拟不同方案下的径流峰值和总径流量，对比不同海绵城市措施对降雨径流过程影响的实际效果。

结果表明，在未来科学城北区，绿色屋顶措施效果最好，雨水花园的效果优于透水铺装，雨洪过程模拟见图3(a)～(c)。在所选的3场降雨中，绿色屋顶可以明显削减径流峰值和径流总量，且在降雨强度最大的2016年7月14日场次中无积水节点产生，能够很好地缓解城市内涝压力。这主要是因为未来科学城北区有多处工业厂房、办公楼等，屋顶占地面积较大，该下垫面对总体产流影响明显。比较各措施在不同场次降雨的调蓄效果可以发现，当降雨由小强度(2016年6月9日)增至中等强度(2016年7月19日)时，透水铺装的调蓄效果明显变差；当降雨强度进一步增至较大强度(2016年7月14日)时，绿色屋顶的调蓄效果有一定的下降。

图3 研究区域海绵城市措施改进效果

在亦庄X35号调蓄区，透水铺装略优于雨水花园的调蓄效果，绿色屋顶效果不明显，雨洪过程模拟见图3(d)～(f)。绿色屋顶效果较差主要是因为X35号调蓄区中建筑物较少，设置的绿色屋顶面积也较小，对总体产流影响很小。对比3场降雨中透水铺装和雨水花园对洪峰、洪量的削减效果，可以发现，当降雨强度较小时(2017年7月4日和2017年8月5日)透水铺装的效果优于雨水花园；当降雨强度较大时(2017年8月2日)雨水花园的效果优于透水铺装，且在3场降雨中雨水花园的调蓄效果无明显变化，均将径流总量削减为现状的82%。

对比两研究区域各措施对降雨的调蓄效果可以发现，随着降雨强度的增加，透水铺装的调蓄效果明显降低；随着降雨强度和总降雨量的进一步增加，雨水花园和绿色屋顶的调蓄效果也有一定程度的降低。这是因为在强降雨时，降雨强度大于透水铺装的入渗速度，部分降雨直接产流，调蓄效果随之降低。而雨水花园和绿色屋顶能够将雨水存储至蓄水层中，若所选场次的降雨量未使其蓄漫，调蓄效果无明显变化。即透水铺装仅改变下垫面的入渗能力，调蓄效果与降雨强度相关，对低强度的降雨调蓄效果较好；而雨水花园和绿色屋顶能够综合改善下垫面的入渗能力和蓄水能力，调蓄效果与降雨强度和降雨总量有关，对于大部分场次的降雨都有较好的调蓄效果。

同时，两个研究区域的海绵城市建设措施效果差异较大，主要是因为不同区域的下垫面分布情况存在较大的差异。未来科学城地区为工业园区，工业建筑较密集，占地面积较广，汇水时间较长；而亦庄X35号调蓄区位于世和园附近，建筑稀疏，下垫面主要为道路和绿地，占地面积小，汇流速度较快。因此，在研究不同区域的海绵城市措施效果时，需要结合地区的实际情况进行有针对性的分析研究，比较不同措施的实际效果。