匯水系統(tǒng)綠地雨洪調(diào)蓄研究
——以武漢港西匯水系統(tǒng)為例

葉 陽

裘鴻菲*

綠地雨洪調(diào)蓄研究已有20余年歷史，通過相關(guān)組織推動(dòng)和研究方法探討，研究成果已被廣泛應(yīng)用于城市雨洪管理的政策制定、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和收益分析中，取得了良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-2]。Shuster等用對比實(shí)驗(yàn)得出了地塊尺度綠地有一定調(diào)蓄雨水的能力[3]；Bhaskar等發(fā)現(xiàn)城市化過程使地塊雨水徑流量顯著增加[4]；Nickel等研究了德國綠地雨水管理實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)灰色和綠色基礎(chǔ)設(shè)施對雨水的調(diào)蓄作用[5]；Loperfido等認(rèn)為雨水最佳管理實(shí)踐(BMP)已被廣泛應(yīng)用于雨水調(diào)蓄，提出分散式綠地的調(diào)蓄作用是未來該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[6]。美國在綠地雨洪調(diào)蓄研究中側(cè)重通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。2011年，美國實(shí)施了綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——費(fèi)城“綠城清水計(jì)劃”[7]，解決了城市化發(fā)展造成的溢流、洪澇災(zāi)害等問題。

國內(nèi)綠地雨洪調(diào)蓄研究處于探索階段，現(xiàn)有研究多關(guān)注于評估調(diào)蓄效果的框架準(zhǔn)則，對實(shí)際項(xiàng)目定量研究的關(guān)注度較弱[8]，且多針對相對單一類型下墊面或某公園，或校園環(huán)境的局部區(qū)域，分析坡度、下墊面種類對地表產(chǎn)流的影響[9-10]。匯水系統(tǒng)是匯集、輸送和排放等設(shè)施組成的城市獨(dú)立雨水匯水區(qū)，包含完整的水文過程。研究綠地雨洪調(diào)蓄應(yīng)跟蹤從徑流形成到地表下滲、溢流、管網(wǎng)傳輸及泵站抽排的全過程，需要匯水系統(tǒng)尺度的定量探討，而現(xiàn)有研究較為缺乏。

本研究應(yīng)用ArcGIS和EPA SWMM技術(shù)，實(shí)驗(yàn)性模擬武漢港西匯水系統(tǒng)的地表徑流情況，得出適合武漢地區(qū)匯水系統(tǒng)尺度下的綠地雨洪調(diào)蓄能力，分析地塊綠地率與單位面積徑流量的相關(guān)性和匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)。旨在根據(jù)武漢地域特征和雨洪管理目標(biāo)，建立完善綠地雨洪調(diào)蓄的研究方法與指標(biāo)體系，討論不同重現(xiàn)期下匯水系統(tǒng)的綠地利用與保護(hù)策略，為相關(guān)研究與實(shí)踐提供借鑒。

1 研究準(zhǔn)備

1.1 研究區(qū)域

港西匯水系統(tǒng)位于武漢市青山區(qū)西北部，面積10.75km2。該系統(tǒng)地勢平坦，雨汛同期，徑流流程長，外排泵站及河道規(guī)模受限，飽受外洪內(nèi)澇雙重壓力，頑固漬水點(diǎn)有9個(gè)[11](圖1)，屬于城市排澇中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)《武漢市城市總體規(guī)劃(2010—2020年)》的用地類型和綠地服務(wù)功能，選取武漢港西匯水系統(tǒng)中教育科研、城市社區(qū)、公園綠地、商務(wù)辦公和城市道路的95個(gè)地塊，并進(jìn)行地塊類型、面積和特征寬度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理。

圖1 港西匯水系統(tǒng)漬水區(qū)分布圖

1.2 實(shí)地調(diào)查

地塊特征調(diào)查在2018年9—11月開展，主要調(diào)查各地塊粗糙系數(shù)、洼地蓄水、土壤條件和LID設(shè)施等情況。在各類型地塊綠地中分別選2個(gè)地塊的表土層，用環(huán)刀法測定樣品的最大入滲率與飽和入滲率。各類地塊調(diào)查結(jié)果與《武漢市海綿城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)中的指標(biāo)進(jìn)行校對后，用于綠地土壤層的參數(shù)設(shè)置(表1)。

圖2 河網(wǎng)分布圖

1.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備建模需要的匯水系統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)、遙感影像、管網(wǎng)和用地規(guī)劃CAD文件，以及管網(wǎng)信息表。匯水區(qū)即匯水點(diǎn)的集水范圍，劃分子匯水區(qū)旨在將地表徑流合理分配到排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，以期符合實(shí)際匯流情況[12]。利用ArcGIS對DEM進(jìn)行水文分析和集成，得到平滑處理的河流網(wǎng)絡(luò)(圖2)，計(jì)算得到流域子集，形成匯水系統(tǒng)的匯水區(qū)(圖3)。水文分析得到92個(gè)匯水區(qū)，根據(jù)匯水系統(tǒng)的道路、小區(qū)和管線等實(shí)際因素調(diào)整，共得95個(gè)子匯水區(qū)，其中最大面積為71.15hm2，最小面積為1.91hm2。通過判讀，匯水系統(tǒng)根據(jù)透水性可分為林地、草地、建筑及廣場、道路(圖4)。通過ArcGIS中的空間分析等工具得到子匯水區(qū)不透水面積百分比及平均坡度。

圖3 匯水區(qū)劃分結(jié)果圖

圖4 匯水系統(tǒng)透水性分類圖

2 模型模擬

2.1 研究方法

美國環(huán)保署開發(fā)的SWMM模型可以演算水流在匯水系統(tǒng)中的輸移，模擬城市降雨徑流情況。研究表明，SWMM模型可構(gòu)建符合實(shí)際情況的出水口、泵站、節(jié)點(diǎn)和管線等，形成完整的城市水文過程[13-14]，比其他方法更適用于匯水系統(tǒng)尺度的研究。根據(jù)《導(dǎo)則》中對匯水系統(tǒng)徑流系數(shù)和徑流控制率的要求，選擇武漢地區(qū)重現(xiàn)期為1、2(小重現(xiàn)期，下同)、5(中等重現(xiàn)期)和10年(大重現(xiàn)期)的降雨事件進(jìn)行模型演算。

2.2 模型概化

武漢港西匯水系統(tǒng)由檢查井、泵站、管道、出水口和調(diào)蓄池等組成。概化原則：1)只保留管徑大于600mm的管道；2)2根及以上管段連接處和拐角大于60°的管線拐角處加設(shè)節(jié)點(diǎn)；3)泵站概化時(shí)增設(shè)蓄水池；4)子匯水區(qū)匯流到就近的管道節(jié)點(diǎn)和子匯水區(qū)。匯水系統(tǒng)概化后節(jié)點(diǎn)共173個(gè)，管網(wǎng)221個(gè)(圖5)。由于匯水系統(tǒng)屬于小流域，選用Horton模型為入滲模型，匯流模型選擇Dynamic Wave，相關(guān)參數(shù)由調(diào)查結(jié)果、《導(dǎo)則》中指標(biāo)和SWMM用戶手冊推薦值率定[15]。

2.3 降雨設(shè)計(jì)

通過合成芝加哥雨型，為SWMM水文模型提供降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，雨峰系數(shù)取值為0.40，暴雨強(qiáng)度公式為：

據(jù)此設(shè)計(jì)不同重現(xiàn)期下的雨型如圖6。

2.4 模擬思路

為討論匯水系統(tǒng)內(nèi)綠地(此時(shí)“綠地”泛指所有種植植物的下墊面)對地表徑流的削減效果，實(shí)驗(yàn)組模擬時(shí)，將地塊概化為無綠地的地塊；對照組為現(xiàn)狀情況。依據(jù)質(zhì)量守恒法，采用流量驗(yàn)算與徑流路徑驗(yàn)算的連續(xù)性誤差驗(yàn)證，結(jié)果表明模型誤差屬于合理范圍，模擬結(jié)果合理可靠[16]。

2.5 雨洪風(fēng)險(xiǎn)評估

結(jié)合《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)、《導(dǎo)則》和實(shí)際排水狀況，構(gòu)建港西匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)評估體系(表2)[17]。

積水淹沒水深通過庫容曲線確定；雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級由各地塊的危險(xiǎn)性因素、敏感性因素、易損性和防災(zāi)效益因素根據(jù)公式(2)確定。各地塊的雨洪風(fēng)險(xiǎn)值根據(jù)大小劃分為5級，等級越大表示內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)多、雨洪風(fēng)險(xiǎn)越嚴(yán)重。

式中，V為綜合分值；Wi為因子i對應(yīng)的權(quán)重；Di為評價(jià)單元對應(yīng)因子i的評價(jià)因子分值。

表1 地塊特征調(diào)查結(jié)果

表2 港西匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)評估表

3 結(jié)果分析

3.1 綠地雨洪調(diào)蓄指標(biāo)

1)平均調(diào)蓄效率。

運(yùn)行模型，得到不同重現(xiàn)期下匯水系統(tǒng)的地表徑流情況。由圖7、表3可以看出，在小重現(xiàn)期下，綠地對徑流量削減和峰現(xiàn)時(shí)間(1：30前后5min)推遲的效果不佳，這主要是徑流的峰值特征不明顯所致，說明此時(shí)經(jīng)綠地調(diào)蓄地表徑流能維持在相對穩(wěn)定的水平。中、大重現(xiàn)期下徑流的峰值特征隨重現(xiàn)期增大而顯著增強(qiáng)，綠地對峰現(xiàn)時(shí)間的推遲效果達(dá)10min以上，其雨洪調(diào)蓄作用還體現(xiàn)在對徑流量和峰值特征的削減，這表明綠地的雨洪調(diào)蓄作用具有穩(wěn)定性和持續(xù)性，能顯著緩解因瞬時(shí)徑流過大造成的雨洪風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)《導(dǎo)則》的徑流系數(shù)要求，以二年一遇降雨為例，實(shí)驗(yàn)組(30.78mm)、對照組(26.43mm)模擬結(jié)果顯示：綠地使港西匯水系統(tǒng)的地表徑流減少了14.1%。整個(gè)匯水系統(tǒng)范圍(有效綠地總量3.01km2)徑流量減少了0.39×106m3，得出武漢港西匯水系統(tǒng)綠地在二年一遇的降雨條件下的平均調(diào)蓄效率(λ)為0.13m3/m2，該水平低于相關(guān)研究[15]中公園“生物滯留池”(0.17m3/m2)等的效率，可能是因?yàn)閰R水系統(tǒng)的綠地滲透性低于公園綠地。

2)最低綠地率。

在二年一遇降雨條件下，各類用地徑流系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為：城市社區(qū)、教育科研用地0.5；商業(yè)辦公、城市道路0.6；公園綠地0.15。這里“綠地率”是指地塊中種植植物的面積與地塊面積的百分比。確定各類地塊最低綠地率的方法是，用二分法每次調(diào)整一類地塊的綠地率，并進(jìn)行SWMM水文演算，考察該類地塊能否達(dá)到《導(dǎo)則》中要求的徑流系數(shù)，調(diào)整精度為1%。匯水系統(tǒng)最低綠地率由公式計(jì)算得出，因?yàn)榫G地是通過地表滲透作用調(diào)蓄雨水的，綠地調(diào)蓄雨量取決于綠地面積和綠地調(diào)蓄效率。結(jié)合容積法[18]知：

式中，Vs為綠地調(diào)蓄雨量，m3；H為設(shè)計(jì)降雨量日值，m；φ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，m2；λ為綠地平均調(diào)蓄效率，m3/m2；g為最低綠地率；J為水力坡降，一般可取J＝1；K為土壤(原土)滲透系數(shù)，m/s，取各類綠地飽和導(dǎo)水率(表1)加權(quán)平均數(shù)；ts為降雨過程中的滲透歷時(shí)，s，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?h；K×J×ts為常量，可設(shè)為k，經(jīng)計(jì)算港西匯水系統(tǒng)取20.29。

聯(lián)立(3)(4)得

公式(5)表明在降雨量和平均綠地調(diào)蓄效率一定時(shí)，匯水系統(tǒng)最低綠地率是由徑流系數(shù)決定的。因而一方面在綠地系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)要充分考慮所在匯水系統(tǒng)的徑流系數(shù)要求；另一方面在匯水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)評估綠地雨洪調(diào)蓄能力，不可只考慮管渠和高程等就制定過大徑流系數(shù)任務(wù)，導(dǎo)致雨水超出地表綠地的調(diào)蓄能力范圍，危害綠地系統(tǒng)。港西匯水系統(tǒng)的徑流系數(shù)取0.3，現(xiàn)狀條件下28%的綠地率不達(dá)標(biāo)，由表4可知，這緣于現(xiàn)狀城市社區(qū)、單位及商務(wù)類型地塊的綠地率過低，在進(jìn)行城市更新設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮增加這類地塊的綠地面積，以達(dá)到匯水系統(tǒng)徑流控制目標(biāo)。

圖5 匯水系統(tǒng)概化圖

圖6 不同重現(xiàn)期下的降雨過程線

3.2 綠地率與單位面積流量的關(guān)系

應(yīng)用SPSS對不同重現(xiàn)期下對照組中各地塊綠地率與單位面積流量的關(guān)系進(jìn)行分析(圖8)，結(jié)果表明隨重現(xiàn)期增大，綠地率與單位面積流量的相關(guān)性先增強(qiáng)后減弱，與在公園尺度下得出的結(jié)論[9]有一定差異。

小重現(xiàn)期下，綠地率與單位面積流量存在一定線性函數(shù)關(guān)系(擬合度R2＝0.951～0.972)，表明綠地對小重現(xiàn)期下單位面積流量有一定影響，擬合度未達(dá)0.995可能是綠地應(yīng)對小重現(xiàn)期降雨調(diào)蓄能力過剩引起的；中等重現(xiàn)期下，綠地率與單位面積流量呈強(qiáng)正相關(guān)(擬合度R2＝0.997)，綠地率是單位面積流量的決定性因素，建設(shè)綠地是應(yīng)對中等重現(xiàn)期降雨的優(yōu)先對策；大重現(xiàn)期下，綠地與單位面積流量的相關(guān)性一般(擬合度R2＝0.795)，此時(shí)綠地雨洪調(diào)蓄效果不盡人意，推測徑流已超過綠地的調(diào)蓄能力范圍，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮將綠地溢流與城市水系、管渠系統(tǒng)對接，保護(hù)綠地。應(yīng)對大重現(xiàn)期暴雨應(yīng)考慮除建設(shè)綠地外的其他方式，需要進(jìn)一步研究。

3.3 綠地對雨洪風(fēng)險(xiǎn)的控制

根據(jù)雨洪模擬結(jié)果，對照組內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)分布如圖9所示，溢流深度、速度和時(shí)間見表5。依據(jù)雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級，采用ArcGIS中Kriging Interpolation方法制作不同雨情下的實(shí)驗(yàn)組和對照組雨洪風(fēng)險(xiǎn)專題圖(圖10、11)，結(jié)果與《港西匯水系統(tǒng)漬水區(qū)分布圖》(圖1)驗(yàn)證吻合，有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。

由圖可知，各組隨著設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期增大，匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)上升，雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級3級以上的區(qū)域逐漸增多，且易澇區(qū)域主要集中于匯水系統(tǒng)的中部與東南部。從監(jiān)督分類結(jié)果可知，該部分綠地率低、硬化面積多，不難推測綠地率低且中南部地勢低等是造成高雨洪風(fēng)險(xiǎn)的主因；相反，北部地勢較高且有公園、新式小區(qū)、校園，綠地面積大，因而雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級小。風(fēng)險(xiǎn)等級為1和2級的區(qū)域范圍比較固定，該區(qū)域有大型綠地，排水條件較好，證明綠地對周邊地塊徑流削減作用顯著。危害等級為4級的區(qū)域隨著暴雨重現(xiàn)期延長而逐漸擴(kuò)大，主要由3級區(qū)域演化而來，其原因是該區(qū)域綠地率較低，隨著降雨強(qiáng)度增強(qiáng)，雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級提高。

通過相同重現(xiàn)期下2組匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)分布圖對比可知，在小重現(xiàn)期下，綠地對匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)的影響不大，可能由于小重現(xiàn)期下城市管渠能排放大部分雨水，發(fā)生溢流情況較少，而綠地作為地表的雨洪調(diào)蓄手段發(fā)揮的作用不顯著；在中等重現(xiàn)期下，綠地能顯著緩解匯水系統(tǒng)內(nèi)部的雨洪風(fēng)險(xiǎn)，綠地率高的區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)仍可維持在較低水平；在大重現(xiàn)期下，綠地雨洪調(diào)蓄的范圍和能力明顯下降，但大型綠地附近雨洪風(fēng)險(xiǎn)仍處于低水平，此時(shí)綠地對于匯水系統(tǒng)邊界的雨洪風(fēng)險(xiǎn)也有較強(qiáng)的控制作用，能讓內(nèi)部雨水不以徑流形式影響相鄰匯水系統(tǒng)。這表明在匯水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)部和相鄰系統(tǒng)的綠地率和綠地布局，以應(yīng)對大重現(xiàn)期降雨。

圖7 不同重現(xiàn)期下綠地的雨洪調(diào)蓄效果

圖8 綠地率與單位面積流量的關(guān)系

圖9 對照組內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)分布圖

4 結(jié)論與討論

1)匯水系統(tǒng)綠地雨洪調(diào)蓄指標(biāo)。

匯水系統(tǒng)綠地調(diào)蓄效率體現(xiàn)綠地的雨洪調(diào)蓄效果，以二年一遇降雨條件下港西匯水系統(tǒng)為例，綠地平均調(diào)蓄效率為0.13m3/m2。各類地塊及匯水系統(tǒng)有其完成雨洪調(diào)蓄任務(wù)的最低綠地率(18%～47%)，港西匯水系統(tǒng)中城市社區(qū)、商務(wù)辦公地塊綠地明顯不足，匯水系統(tǒng)最低綠地率為36%。

圖10 實(shí)驗(yàn)組匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)分布圖

圖11 對照組匯水系統(tǒng)雨洪風(fēng)險(xiǎn)分布圖

2)雨洪狀況下綠地的利用與保護(hù)。

小重現(xiàn)期下，綠地率與單位面積流量有一定相關(guān)性，此時(shí)匯水系統(tǒng)發(fā)生溢流少，雖然綠地能充分調(diào)蓄雨洪，但短時(shí)間內(nèi)城市管渠系統(tǒng)也能完成排水任務(wù)，可加強(qiáng)重點(diǎn)部位的綠地建設(shè)以管控雨洪風(fēng)險(xiǎn)；中等重現(xiàn)期下，綠地率與單位面積流量呈強(qiáng)正相關(guān)，能明顯緩解周邊區(qū)域的雨洪風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)城市管渠，此時(shí)綠地的雨洪調(diào)蓄是卓有成效的，建設(shè)綠地是應(yīng)對中等重現(xiàn)期雨洪的優(yōu)先對策；大重現(xiàn)期下，綠地雖對重點(diǎn)部位(綠地率高的區(qū)域)及匯水系統(tǒng)邊界的調(diào)蓄效果仍然明顯，但綠地率與單位面積流量的相關(guān)性一般，且其雨洪調(diào)蓄的范圍和能力明顯下降。此時(shí)應(yīng)考慮通過各類手段保護(hù)綠地，保證其受納的雨水不超出環(huán)境容納量。同時(shí)考慮除增加綠地面積外的雨洪調(diào)蓄措施，如構(gòu)建具有較高雨水調(diào)蓄能力的植物群落、添加土壤改良劑，改進(jìn)城市管渠和利用城市水系，對城市豎向高程的統(tǒng)一規(guī)劃管理等。為降低城市雨洪風(fēng)險(xiǎn)、合理利用和保護(hù)綠地，可將大型綠地和分散性綠地結(jié)合布置，提高綠地對地表徑流量的削減效果。

研究探討了不同重現(xiàn)期下匯水系統(tǒng)的綠地雨洪調(diào)蓄效能，提出綠地雨洪調(diào)蓄指標(biāo)和雨洪狀況下綠地利用和保護(hù)策略，經(jīng)驗(yàn)證符合實(shí)際情況。城市綠地尤其是公園綠地，首先具有休憩、娛樂等功能，同時(shí)也具有一定的雨洪調(diào)蓄能力。本研究討論了不同重現(xiàn)期下匯水系統(tǒng)的綠地利用與保護(hù)策略，為相關(guān)研究與實(shí)踐提供借鑒。關(guān)于雨洪狀況下各類綠地的利用和保護(hù)的具體措施，有待進(jìn)一步研究。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照表

表4 徑流控制統(tǒng)計(jì)表

表5 對照組內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

注：文中圖片均由作者繪制。