深圳新城公园低影响开发改造工程效果

田坤，宫永伟，陈世杰，任心欣，李俊奇，王文亮

1）北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，北京 100044；2）北京建筑大学海绵城市研究院，北京 100044；3）深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东 深圳 518049

城市化进程加快导致城市降雨径流水文机制改变，引发积水内涝、水环境污染和水生态退化等问题，给城市水安全、水环境与生态系统带来巨大压力［1］.受到气候变化和城市化的双重影响，中国流域自然水循环系统发生了剧烈变化［2］，极端降雨发生的频率和强度增加［3］，城市“热岛效应”和“雨岛效应”日益突显［4］，严重影响城市安全.

低影响开发（low impact development，LID）强调在场地开发过程中采用源头和分散式措施维持场地开发前的水文特征，追求雨水径流汇流速度的减缓及下渗［5］，用以弥补传统灰色基础设施与结构性措施的不足.生态文明建设背景下，中国提出了构建“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市［6-7］，2015 年以来，中国已有几十座城市开展了海绵城市建设［8］.在城市公园绿地的改造设计中融入了低影响开发理念，优先利用绿色基础设施，结合灰色基础设施，构建“渗蓄滞净用排”弹性雨水系统，实现城市公园绿地的雨洪调节功能.

雨洪模拟是海绵城市建设的重要基础和关键环节［9］，城市水文水动力模型是城市洪涝分析与预测的主要工具［10］，通过模型量化城市雨洪的形成过程，对城市排水系统进行风险评估以及对低影响开发工程进行效果评价十分必要［11］，模型模拟法在海绵城市建设效果评价中得到广泛应用［12］.当前，主流的水文水动力模型包括美国环保署研发的暴雨管理模型（storm water management model，SWMM）、丹麦DHI公司研发的城市管网模型（MIKE Urban），英国Wallingford 公司研发的城市综合径流模型（Info-Works ICM）等，其中，SWMM具有开源免费、输入数据易收集和模拟精度较高等优势，在国内外拥有成熟的参考实例和应用经验［13-14］.

深圳作为中国南方多雨的城市，具有雨量多、强度大和频次高的特点，不同场次降雨特征也不相同，通过分析不同场次降雨特征对深圳公园绿地低影响开发改造后径流控制效果的影响，对深圳乃至南方其他多雨城市新建或改造项目的雨水径流控制具有重要的借鉴意义.

本研究采用SWMM 对基于低影响开发理念改造的深圳新城公园雨水径流控制效果进行模拟评价.根据实际监测的降雨和流量数据对构建的模型进行参数率定与验证，分析了不同重现期设计场次降雨、监测场次降雨以及监测连续降雨情景下，公园的场次径流总量削减率、径流峰值削减率、峰现时刻延后时间、年径流总量控制率及其影响因素，探讨了不同降雨特征（降雨量、平均雨强、降雨历时以及雨前干期）与径流控制效果的相关性，同时评价了该公园低影响开发改造工程在单场次降雨及长期降雨情景下的运行性能，研究结果可为定量评价深圳市乃至南方其他城市公园绿地的低影响开发设施运行性能提供科学参考方法.

1 研究区域概况

新城公园位于中国深圳市光明新区华夏路南侧，占地面积约57 hm²，是一座以山体、林地和池塘等自然资源为依托的公园.该公园是中国最早进行低影响开发改造的项目之一，在中国海绵城市建设进程中具有里程碑意义，改造工程实现了功能性景观设施在城市开放空间的示范应用.新城公园低影响开发改造工程布局如图1.新城公园低影响开发改造工程设计目标为实现年径流总量控制率70%，即对应不大于28 mm的降雨产生的径流不外排，同时增加公园雨水下渗量，提高土壤含水率等.

图1 新城公园低影响开发改造工程布局Fig.1 Layout of LID retrofitting projects: boundary of Shenzhen Xincheng Park (blue dotted line), grass swales (green line), sunken lawn (celadon line), composite fillers bioretention (blue line), water tanks (red line), soil infiltration purification system (brown line), and forebay-wetland (blue point).

公园内现状排水系统由低影响开发源头设施、“灰色+绿色”中途转输设施和末端调蓄设施等技术措施有机组成.新城公园低影响开发改造工程量请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料表S1.园内雨水主要通过低影响开发设施、雨水口、检查井和管道等排放.降雨时，各下垫面的雨水通过自然下渗得到初步削减，超出下渗能力的部分通过公园竖向设计进行有效排放.具体路径为：中小雨时下凹式绿地、复合介质生物滞留设施内的雨水溢流进入植草沟，通过植草沟的下渗作用使径流量得到进一步削减，再进入园区雨水管网；大到暴雨时，通过前置塘-雨水湿地和模块式蓄水设施等末端调蓄设施收集周边场地雨水，超出调蓄高度的雨水溢流排入市政雨水管网.通过构建低影响开发设施体系，实现了公园内雨水有组织排放与综合利用，雨水综合利用系统如图2.

图2 新城公园低影响开发雨水综合利用系统Fig.2 Comprehensive utilization system of rainwater of Shenzhen Xincheng Park.

研究区域表面覆土类型为人工填土，主要由卵砾石、砂及少量黏性土组成.复合介质生物滞留设施内种植土采用人工混合填料，通过双环入渗实验测得渗透速率为6.9 × 10-6～2.7 × 10-5m/s，底部蓄水层由粒径为1～3 cm 的砾石构成，渗透性能良好.该区域四季气候温和，降雨丰富，多年记录平均降雨量1 837 mm，降雨多集中在4～9 月份，年平均气温22 ℃；主要风向为东北风和东南风；平均相对湿度79%.

2 数据与方法

2.1 SWMM模型

SWMM是一个动态水文水力模型，以子汇水区作为基本水文控制单元，可以较好地模拟复杂下垫面单场次或连续降雨的产汇流过程［15］.徐多［16］应用SWMM对建筑小区进行建模分析并评价LID设施对径流水文水质的控制效果，验证了SWMM 模型的适用性.

2.2 数据来源

本研究主要数据及来源为：① 研究区域降雨、排口流量数据为研究团队监测（2013—2015年），降雨数据采用SpecWare9 Professional 翻斗式雨量计记录，精度为0.254 mm，记录间隔为1 min，排口流量数据采用HACH FL900超声波流量计记录，记录间隔为1 min，用于SWMM 的参数率定验证及相关性规律分析；② 深圳市高程数据，分辨率为30 m，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，用于获取研究区域的坡度信息；③ 深圳市2～50 a一遇短历时（180 min）设计降雨数据，来源于《深圳市暴雨强度公式及查算图表》；④ 深圳市2008—2017年降雨数据，来源于国家气象科学数据中心(http://www.nmic.cn/).

2.3 监测降雨数据

选取在研究区域实际监测的4场降雨及对应排口流量数据进行模型参数率定与验证.所选的4场监测降雨事件具有完整的出流过程且流量数据无明显突变点，选取的降雨事件基本特征如表1.

表1 新城公园监测降雨事件基本特征Table 1 Characteristics of monitoring rainfall events of Shenzhen Xincheng Park

2.4 评价方法

2.4.1 模型适用性评价

选用纳什效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency，NSE）和拟合决定系数R2作为模型模拟准确性的评价指标［17］，分别检验模拟值与实测值的吻合程度以及线性相关程度.NSE ＜ 1，0 ＜R2＜ 1，NSE 和R2越接近1，模型模拟的拟合效果越好.

2.4.2 改造效果评价

分别进行单场次和连续降雨模拟，采用的评价指标包括场次径流总量削减率、场次径流总量控制率、径流峰值削减率、径流峰现时刻延后时间以及年径流总量控制率等，对研究区域低影响开发改造后的径流控制效果及其影响因素展开分析.

3 模型构建

3.1 模型概化

根据研究区域高程数据和管网数据，综合竖向地形、土地利用、植草沟和雨水排放口位置等因素划分11 个汇水分区，采用泰森多边形法将11 个汇水分区按照雨水管网布局进一步划分为127个子汇水分区，概化了274 条管线（雨水管线按照实际布局和参数设置、植草沟按照明渠概化）、13个雨水排放口，新城公园模型概化如图3.

图3 新城公园模型概化图Fig.3 Model of the Xincheng Park with node (green square), link (pink line), location of flow monitoring (red triangle), boundary of the subcatchment (blue line), boundary of the building (black line).

采用广泛应用的Horton下渗模型、动力波模型作为SWMM产汇流计算方法［18］，通过SWMM中LID开发模块布设低影响开发改造工程并按照实际设计参数取值.子汇水分区内各类下垫面的面积、坡度、不透水面积比等参数按实际取值.特征宽度采用2种处理方式：道路和建筑屋面等汇流路径稳定的地块以其实际汇流长度（单侧流屋面）或实际长度的2倍（两侧流屋面或道路）取值；下凹式绿地、复合介质生物滞留设施等难以确定其实际汇流宽度的地块按照其面积的次方计算取值［12］.

3.2 模型参数率定与验证

模型中不透水区曼宁系数、透水区曼宁系数、不透水区初损填洼深度和透水区初损填洼深度等不确定性参数根据《SWMM用户手册》［15］推荐取值作为初始值，经率定验证后得到研究区域的适用性参数.

选取20130519 和20150723 两场降雨对模型参数进行水量率定，选取20130914 和20150728 两场降雨进行模型验证，模型参数率定与验证的结果如图4.由图4 可知，除个别点离散外，模拟数据与实测数据的过程线形状基本相同，峰值及趋势保持一致.经统计分析，20130519 和20150723 两场降雨流量率定结果的NSE 和R2均大于0.8，20130914和20150728 两场降雨流量验证结果的NSE 和R2均大于0.7，本研究率定与验证结果拟合程度较好.以上结果表明，基于SWMM 构建的新城公园模型参数设置合理可靠，可应用于后续模拟分析，模型具体参数如表2.

表2 参数率定结果Table 2 The calibration results of parameters

图4 参数率定与验证 （a）20130519参数率定；（b）20150723参数率定；（c）20130914模型验证；（d）20150728模型验证Fig.4 Model calibration of (a) 20130519, (b) 20150723 and validation of (c) 20130519, and (d) 20150728, with rainfall (blue line,right axis), runoff of simulation (black line, left axis), and runoff of monitor (red point, left axis).

4 改造效果评价

分别构建新城公园低影响开发工程改造前后的SWMM 模型，通过模拟不同重现期设计场次降雨、监测场次降雨以及监测连续降雨情景下研究区域低影响开发改造工程对径流总量、径流峰值的控制效果及峰值延后时间的控制效果，评价该公园海绵城市建设达标情况［19］.

4.1 设计场次降雨情景下的效果

通过分析SWMM 模拟结果，可以得出随着重现期增大，研究区域低影响开发改造前后的降雨总量、产流体积、径流峰值均不断增大，峰值出现的时刻也随之提前.研究区域低影响开发改造前后的场次径流总量和径流峰值如图5.在设计的2～50 a一遇降雨模拟中，径流总量削减率介于16.9%～30.8%，径流峰值削减率介于30.4%～47.2%，峰值延后时间介于18～26 min之间，场次降雨的径流总量控制率提升了14.5%～23.2%，说明低影响开发改造减少了径流外排量.但随着重现期的增大，径流控制效果明显减弱，场次径流削减率、场次径流总量控制率呈现出逐渐下降的趋势.印定坤等［12］分析青岛市某海绵城市试点区经海绵城市改造后的效果与本研究一致.究其原因为低影响开发改造促进了雨水渗透，延缓了汇入管道的径流峰值，但是改造工程占公园整体的比例较小以及调蓄设施的容纳能力有限，超过5 a 一遇的降雨量难以达到较高的径流总量及峰值削减率.

图5 不同重现期径流控制效果 （a）径流总量控制效果；（b）径流峰值控制效果Fig.5 (a) Effect of volume capture ratio and (b) effect of peak flow control under different return-periods rainfall event, before retrofitting (purple column), and after retrofitting (red column).

4.2 监测场次降雨情景下的效果

选取2016-03-21至2016-10-18共12场降雨进行模拟，分析不同降雨特征情况下，低影响开发改造工程对场地径流控制效果影响的相关性.12场降雨的降雨特征及对应的场地径流控制效果请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料表S2.改造后场地径流削减率在51.2%～86.1%，径流总量控制率在70.7%～94.8%之间，低影响开发改造工程使得径流总量控制率提高了31.5%～62.8%，反映了低影响开发改造对重现期较小的降雨量具有较好的控制效果.

利用SPSS24.0 软件分析不同降雨特征与场地径流削减率的相关关系，结果表明低影响开发改造工程对场地径流削减率的控制效果随着降雨量、平均雨强、降雨历时的增大而减弱（Pearson 相关系数r＜ 0），与雨前干期无显著相关性（Pearson相关系数r＞ 0）.场地径流削减率与降雨量呈极显著相关关系（P= 0.000 1 ＜ 0.01），与降雨历时呈显著相关关系（P= 0.02 ＜ 0.05）.不同降雨特征与场地径流削减率关系如图6.由图6 可知，场地径流削减率与降雨量的拟合决定系数R2= 0.927，拟合程度最高.当降雨量较小时，场地径流削减率较高，随降雨量增大，径流削减率逐渐降低，当降雨量超出低影响开发改造工程的控制能力时，场次径流总量削减率维持在较低水平.降雨历时、平均降雨强度与场地径流削减率的拟合决定系数R2分别为0.552 和0.336，拟合程度一般.黄国如等［20］在分析不同降雨特征与低影响开发单项措施对雨水径流控制效果的相关关系研究中，得到了同样结论.

图6 不同降雨特征 （a）降雨量；（b）降雨强度；（c）降雨历时；（d）雨前干期与场地径流总量削减率的关系Fig.6 Relationship between different rainfall characteristics.Total runoff reduction rate versus (a) precipitation, (b) rainfall intensity,(c) rainfall durations, and (d) antecedent dry period.

4.3 监测连续降雨情景下的控制效果

选取深圳市2008—2017 年连续10 a 的降雨数据（时间间隔为5 min）进行模拟分析.改造前后场地各雨水排放口的径流峰值削减效果如图7.研究表明，区域低影响开发改造工程增加了雨水蓄滞空间、提高了土壤下渗能力.改造后各排口径流峰值均显著低于改造前，径流峰值削减率在1.2%～94.5%，平均削减率为79.3%.

图7 各排放口径流峰值控制效果Fig.7 Peak flow reduction of different outfall before retrofitting(purple column) and after retrofitting (red column).

经计算，2008—2017 年降雨量共计18 365.1 mm，场地降雨总量、径流总量分别为2.6 × 107m3和5.2 × 106m3，年径流总量控制率为79.8%，大于70%的设计目标.

5 结 论

以深圳新城公园为研究对象，基于SWMM 分析在不同降雨条件下低影响开发改造前后的场次径流总量削减率、场次径流总量控制率、径流峰值削减率、峰值延后时间以及不同降雨特征对场地径流控制效果的相关性，得出以下主要结论：

1）低影响开发工程在重现期不超过5 a的降雨情况下对场地径流控制效果明显，但对于重现期超过5 a 的降雨，低影响开发改造的能力有限；低影响开发工程作为源头减排措施在高频降雨条件下具有良好的削减峰值流量、延缓峰现时间效果，但短历时强降雨条件下低影响开发工程起到的作用有限，需要协同中途及末端措施共同发挥控制效果.

2）典型场次降雨条件下，场地径流总量削减率随着降水量、降雨历时和平均雨强增加而降低，径流总量削减率与降水量极显著相关.

3）连续10 a 降雨模拟的年径流总量控制率仍满足设计目标，但低影响开发工程随着时间推移出现的设施老化、基质堵塞和污染物累积等诸多问题难以在模型中体现，因此检验其能否长期正常运行仍是今后模型开发研究的重要内容.

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