低影響開發(fā)系統(tǒng)對西南紅層丘陵地區(qū)雨洪調(diào)控效果的模擬研究

梁 芊， 馮文凱,2*， 黎一禾， 魏昌利

(1.成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都 610059；3.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081)

受城市面積大規(guī)模擴張的影響，城市土地利用類型以硬質(zhì)鋪裝為主，天然狀態(tài)下的水文循環(huán)發(fā)生改變，增加了城市傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的壓力，使城市內(nèi)澇風險增加[1]。自1949年以來，遂寧中心城區(qū)遇強降雨時積水內(nèi)澇嚴重，易澇地段主要包括沙壩、煤坪、老城南開善河段等，城區(qū)易澇點共計44個，內(nèi)澇高風險區(qū)面積為9.36 km2。遂寧市發(fā)生10 000 m3/s以上的洪水達20余次，其中尤以1954、1981和1998年較為嚴重。為改善城市水文循環(huán)，構(gòu)建健全的排水系統(tǒng)，20世紀末，美國提出低影響開發(fā)(LID)理念[2]，住建部于2014年10月發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，提出建設(shè)具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市，讓城市“彈性適應(yīng)”環(huán)境變化與自然災(zāi)害[3]。

暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)是一個動態(tài)的分布式的水文模型，可用來模擬城市降雨徑流過程[4-5]，現(xiàn)如今已經(jīng)普遍應(yīng)用于城市雨洪的模擬評估[6-7]，最新推出的SWMM 5.1版中增設(shè)的LID模塊，可以模擬評估布設(shè)LID設(shè)施下的城市雨洪過程。胡愛兵等[8]運用 SWMM構(gòu)建了深圳市海綿城市某示范區(qū)模型，通過模擬比較后得到最佳LID布設(shè)方案；王雷等[9]利用SWMM構(gòu)建了華北某地區(qū)降雨徑流模型，模擬了5種LID措施布設(shè)組合的徑流控制效果，為該區(qū)域海綿城市建設(shè)提供最優(yōu)方案。李春林等[10]以沈陽市區(qū)為例，利用 SWMM 建立降雨徑流模型，收集相關(guān)數(shù)據(jù)對模型水文水質(zhì)參數(shù)進行率定和檢驗，分析對比了城市化后和加入LID設(shè)施后對城市內(nèi)澇特征的影響。

SWMM在西南地區(qū)具有良好的適用性[11]，胡彩虹等[12]得到貴安新區(qū)LID最優(yōu)措施對高頻暴雨和低頻暴雨的洪峰流量削減率高達67.2%和44.5%，劉佳琳等[13]利用SWMM對西南地區(qū)典型山地地區(qū)子匯水區(qū)產(chǎn)流特征進行了深入研究。以上研究推動了西南地區(qū)海綿城市建設(shè)的章程，但對于西南典型特征地質(zhì)區(qū)——紅層丘陵區(qū)的海綿城市建設(shè)缺乏相關(guān)資料。

針對研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征不同，需要根據(jù)研究區(qū)當?shù)厮?、地域特征不斷做出調(diào)整，在如何高效應(yīng)用低影響開發(fā)設(shè)施方面進行完善。因此，以遂寧市河東新區(qū)濕地公園為例，構(gòu)建SWMM模擬LID措施對低重現(xiàn)期與高重現(xiàn)期降雨條件下徑流控制率、洪峰推遲及下滲過程的影響，評估不同降雨重現(xiàn)期下LID設(shè)施對紅層丘陵區(qū)徑流調(diào)控效果的影響規(guī)律。為中國西南地區(qū)紅層丘陵地區(qū)的海綿城市建設(shè)提供相應(yīng)的理論依據(jù)，對推進中國海綿城市建設(shè)有著十分重要的意義。

1 SWMM模型的建立

1.1 研究區(qū)概況

遂寧市河東新區(qū)位于遂寧市涪江主要支流左岸，地貌表現(xiàn)為河谷沖積平壩地貌，上覆第四系沖積層粉土、粉-細砂含少量的砂卵礫石，下部為砂卵礫石層，基巖為上侏羅統(tǒng)遂寧組的粉砂質(zhì)泥巖。河東新區(qū)靠河一側(cè)雖受河流沖刷，河床基底有所起伏，但總體上較為平坦。根據(jù)遂寧市河東新區(qū)氣象監(jiān)測站(2000—2017年)近20年的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，河東新區(qū)多年平均降雨量約430 mm，其中降雨多集中在5—9月。研究區(qū)為遂寧市河東新區(qū)芳州路濕地休閑憩息區(qū)，位于遂寧市河東新區(qū)二期規(guī)劃區(qū)西側(cè)(圖1)，東臨五彩繽紛路以及保利江與城住宅小區(qū)，總占地面積約8.5×104m2，地理坐標為105°35′09.81″E，30°32′44.60″N。

改造之前芳洲路主要存在三個方面的排水問題：①局部路段冒水、積水現(xiàn)象突出；②雨污分流不徹底，存在雨污混接情況，影響聯(lián)盟河水質(zhì)；③雨水利用率低，景觀水體自來水補給消耗大。

圖1 遂寧市濕地公園位置示意圖Fig.1 Location diagram of of Suining Wetland Park

1.2 LID設(shè)施及其功能

降雨形成地表徑流的過程如圖2所示，海綿城市建設(shè)通過從源頭改變地表下墊面不透水性質(zhì)，增加雨水下滲量，利用天然地質(zhì)條件及在近地表處設(shè)置的人工臨時儲水裝置暫儲雨水，從而達到減少地表徑流、削減洪峰的作用。

圖2 降雨-地表徑流過程Fig.2 Rainfall-surface runoff process

濕地公園地質(zhì)結(jié)構(gòu)表層以第四系粉砂質(zhì)黏土為主，砂卵礫石層位于地表下覆5 m，可作為天然的蓄水層和過水廊道，綜合下墊面、排水管網(wǎng)走向、綠地空間等因素，濕地公園建設(shè)中采用如下LID措施：在停車場、游樂場設(shè)置透水鋪裝、滲排一體渠等。透水鋪裝利用其高滲透性及大空隙率的特點可就地消納儲存雨水徑流；在局部開敞空間例如多級音樂公園，設(shè)置了階梯狀植草溝及雨水花園——人工下凹綠地，利用植被根系及土壤對降水產(chǎn)生的儲存及滯留作用消減地表徑流，利用地表植被溝渠將多余的雨水運移至城市雨污管道。濕地公園LID布置平面圖如圖3所示。

圖3 濕地公園LID措施布設(shè)平面圖Fig.3 Arrangement diagram of LID measures in wetland park

1.3 研究區(qū)SWMM模型概化

在研究區(qū)域概化之前，基于多次對芳州路濕地公園實際地形地貌、水文狀況等進行現(xiàn)場踏勘和分析研究，結(jié)合已收集的相關(guān)場地排水渠道資料，區(qū)域概化并遵循以下原則。

(1)子匯水區(qū)排水應(yīng)遵循就近原則，排放到最近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并且布局應(yīng)根據(jù)研究場地的地形和排水管網(wǎng)。

(2)雨水徑流從不同節(jié)點流入地下管網(wǎng)，并從各相連的雨水管網(wǎng)最后出口排放。

(3)在計算水力時，所有雨水管網(wǎng)的支網(wǎng)不納入考慮，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)只考慮研究區(qū)域的主干網(wǎng)。

(4)在研究降雨條件吋，認為研究場地的每個子匯水上節(jié)點的降雨量和強度是一樣的。

(5)模擬情形中假設(shè)當前的排水管網(wǎng)無初始水深，且不考慮蒸發(fā)的汽化現(xiàn)象。

按照以上5個區(qū)域概化原則預先概括分析獲取的地圖及管網(wǎng)資料，研究區(qū)域概化為20個子匯水區(qū)，設(shè)置雨水管線15條、檢查井節(jié)點17個、排放口3個，平面概化圖如圖4所示。

圖4 濕地公園SWMM模型平面概化Fig.4 SWMM model plane generalization of wetland park

2 參數(shù)初選、率定及模型驗證

2.1 參數(shù)初選與率定

SWMM模型運行所需參數(shù)可大致分為三類[14]：水文模塊參數(shù)、水力模塊參數(shù)、LID設(shè)施參數(shù)。模型參數(shù)取值參考模型手冊及已有相關(guān)文獻，后基于研究區(qū)實際降雨徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定，以確保模擬結(jié)果最大貼近真實情況。對于水文模塊過程模擬，SWMM中徑流量通過曼寧公式給出，下滲模擬有三種形式：Horton模型[15]、Green-Ampt模型、SCS曲線數(shù)法，選擇Horton模型，其表達式為

f=(f0-f∞)e-kt+f∞

(1)

式(1)中：f為t時刻的入滲率，mm/h；f∞為土壤穩(wěn)定入滲率，mm/h；f0為初始入滲率，mm/h；k為入滲衰減系數(shù)。

水文模塊參數(shù)主要包括：子匯水區(qū)寬度、地表坡度、不透水面積百分比、曼寧粗糙系數(shù)、洼地儲水深度及地表滲透率。其中，子匯水區(qū)寬度是子匯水區(qū)面積與地表漫流最長路徑的比值[16]。子匯水區(qū)域進一步可以分為3個模塊，分別為透水地塊的、有洼蓄能力的不透水地塊的和無洼蓄能力的不透水地塊。每個子匯水區(qū)根據(jù)上述劃分的三種地表類型，各自獨立地開展模擬計算，計算完成之后將模擬結(jié)果進行匯總整理。即可得到回水區(qū)域的出流過程線。對于透水區(qū)域、有洼蓄能力的不透水區(qū)域和無洼蓄能力的不透水區(qū)域來說，其產(chǎn)流的計算公式為

R1=(i-f)Δt

(2)

R2=P-D

(3)

R3=P-E

(4)

式中：R為該子匯水區(qū)的產(chǎn)流量，mm；i為降雨強度，mm/h；f為透水地面的入滲率，mm/h；P為降雨量，mm；D為洼蓄量，mm；E為蒸發(fā)量，mm。

降雨經(jīng)地表匯流進入市政排水管網(wǎng)，雨水在管網(wǎng)中的運動是一較為種復雜的三維運動過程，管道中的水流流態(tài)可分為恒定流和非恒定流，對于水力模塊模擬，SWMM提供了三種水流在管渠管段的流量演算方式：恒定流演算、運動波演算、動力波演算。鑒于動力波兼具節(jié)點與管道的連續(xù)性，對回水頻發(fā)區(qū)的管道模擬效果較好[17]，因此本文模型采用動力波管道模型計算方法。水力模塊參數(shù)主要包括管道長度、管徑和曼寧粗糙系數(shù)。

選擇遂寧市河東新區(qū)圣蓮島雨量站2018年4月24日、2018年7月3日兩次降雨徑流監(jiān)測資料，對模型參數(shù)進行率定，以2018年7月24日暴雨進行驗證。SWMM初選及率定結(jié)果如表1所示，LID參數(shù)取值如表2所示。

表1 SWMM模型參數(shù)率定結(jié)果Table 1 Parameter calibration results of SWMM model

表2 LID設(shè)施參數(shù)取值Table 1 Parameter of LID facility

2.2 模型驗證

選取納什效率系數(shù)法(ENS)對在該研究區(qū)建立的模型參數(shù)進行率定，應(yīng)用遺傳算法，選擇河東新區(qū)濕地公園2018年4月11日和2017年7月15日兩場暴雨進行率定，以2018年7月24日暴雨進行驗證。

ENS的表達式為

(5)

式(5)中：Qsim為i時刻的模擬值；Qobs為i時刻的實測值；Qav為實測數(shù)據(jù)的平均值。

ENS可反映模型模擬過程和實測過程的擬合程度，ENS越接近1，說明模擬過程與實測過程的擬合程度越高,以ENS≥0.5作為模型率定的最低標準。模型驗證結(jié)果如表3所示。

表3 SWMM模型驗證結(jié)果Table 3 Parameters calibrition results of model of SWMM model

三場降雨的ENS均大于0.75，顯示出較好的擬合度，可以認為該模型參數(shù)取值合理，可用于遂寧市體育中心城市雨水控制與利用的模擬計算。

3 設(shè)計暴雨

降雨數(shù)據(jù)是SWMM模型最基礎(chǔ)且最重要的輸入變量，通過模型中的雨量計表征，該數(shù)據(jù)可以為實際降雨數(shù)據(jù)，也可以為設(shè)計降雨數(shù)據(jù)，不同降雨量與降雨強度模擬方案由設(shè)計降雨的不同重現(xiàn)期體現(xiàn)。分別設(shè)定2、5、20、50年一遇等4個降雨重現(xiàn)期，以評估遂寧市濕地公園海綿城市技術(shù)措施對不同降雨情形的作用。

2016年遂寧市市氣象局編制了《遂寧市主城區(qū)暴雨強度公式報告》，選取遂寧市主城區(qū)暴雨強度公式[式(2)]，采用Pilgrim & Cordery法[18]設(shè)計暴雨雨型分別推求重現(xiàn)期為2、5、20、50年，降雨歷時為 6 h 的降雨，設(shè)計雨型采用P，雨峰相對位置r取0.5。不同降雨重現(xiàn)期下設(shè)計降水過程線如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計降雨過程曲線Fig.5 Rainfall process curves at different recurrence interval

(6)

式(6)中：i為t時間內(nèi)的平均暴雨強度，mm/min；t為降水歷時，min；p為設(shè)計降雨重現(xiàn)期。

4 結(jié)果與討論

利用SWMM模型對研究區(qū)布設(shè)LID措施前后的地表徑流控制率進行模擬，設(shè)置重現(xiàn)期為2、5、20、50年四種降雨重現(xiàn)期模擬情景，遂寧市河東新區(qū)濕地公園地表徑流相關(guān)模擬結(jié)果如表4所示。研究區(qū)的降雨重現(xiàn)期由2年上升至50年，總降雨量由76.04 mm增加至139.05 mm，當降雨重現(xiàn)期分別為2年一遇和5年一遇時，LID措施下的徑流控制率可達78%和45%，相比布設(shè)前的同等重現(xiàn)期下的徑流控制率高出54%和25%。隨著重現(xiàn)期逐漸增大，LID措施下的徑流控制率逐漸減小，當降雨重現(xiàn)期為20年一遇和50年一遇時，LID措施下的徑流控制率分別為20%和11%，相比布設(shè)前同等重現(xiàn)期下的徑流控制率僅高出2%和1%。LID措施對城市降雨徑流的控制有明顯的效果，但隨著降雨重現(xiàn)期的增加，LID措施對降雨徑流的控制效果逐漸減弱。

表4 不同重現(xiàn)期下地表徑流模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of surface runoff under different recurrence periods

由圖6可以知，當降雨重現(xiàn)期為2年一遇和5年一遇時，LID措施對洪峰的推遲并不明顯，當降雨重現(xiàn)期為20年一遇和50年一遇時，LID措施對洪峰有較明顯的推遲作用，推遲時間達2、2.5 h。LID措施有推遲洪峰的作用，對低重現(xiàn)期降雨洪峰推遲的效果低于高重現(xiàn)期降雨，且隨著重現(xiàn)期的增加推遲作用愈加明顯。

圖6 布設(shè)LID措施前后不同重現(xiàn)期下的徑流過程曲線Fig.6 Runoff process curves under different recurrence periods with LID measures installed and unlaid

圖7為不同重現(xiàn)期下匯水區(qū)下滲量隨時間的變化曲線。在四個降雨重現(xiàn)期情景下，未設(shè)置LID措施的下滲量隨時間的變化曲線線型大致相同，均為先保持不變，而后劇烈降低，遂又保持平穩(wěn)，最終緩慢降低至穩(wěn)定值。設(shè)置LID設(shè)施后，下滲量在短時間內(nèi)急劇增加至最大值而后趨于平緩，下滲量有明顯增加，重現(xiàn)期為2年一遇和5年一遇時，最大下滲量分別增加了37.04%和21.88%，重現(xiàn)期為20年和50年時，最大下滲量分別增加了15.63%和6.25%。說明以透水鋪裝為主的LID設(shè)施可在短時間內(nèi)使降雨快速入滲，LID措施對低重現(xiàn)期降雨水入滲的促進作用優(yōu)于高重現(xiàn)期，入滲的降水一部分儲存于蓄水模塊中，溢出部分進入市政管網(wǎng)，剩余部分暫存土壤中緩慢下滲至淺層地下水中。

圖7 布設(shè)LID措施前后不同重現(xiàn)期下的下滲過程曲線Fig.7 Infiltration process curves under different recurrence periods with LID measures installed and unlaid

5 結(jié)論

通過建立SWMM模型對西南紅層丘陵區(qū)——遂寧市河東新區(qū)濕地公園海綿城市建設(shè)效果進行了模擬分析，模擬了海綿城市建設(shè)前后LID設(shè)施對研究區(qū)徑流量、徑流控制率、下滲量的影響過程，得到以下結(jié)論。

(1)海綿城市建設(shè)對西南紅層丘陵區(qū)地表徑流有明顯的削減作用，在低降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，LID措施對地表徑流的控制率達78%和45%，在高重現(xiàn)期(20年一遇進而50年一遇)情況下，地表徑流控制率僅2%和1%。隨著降雨重現(xiàn)期的增加，LID措施對降雨徑流的控制效果逐漸減弱。

(2)海綿城市措施對于西南紅層丘陵區(qū)洪峰流量有一定的削峰與洪峰推遲的作用，在低降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，洪峰的推遲現(xiàn)象不明顯，在高降雨重現(xiàn)期(2年一遇和5年一遇)情況下，洪峰的推遲時間達2、2.5 h。

(3)以透水鋪裝為主的海綿體可在短時間內(nèi)使降雨快速入滲，減少超滲產(chǎn)流，以達到消納雨水的目的。