海綿措施防洪排澇影響定量分析研究

李尤 潘興瑤 邸蘇闖 朱永華 劉佳倫 張書函 李永坤 程帥

摘 要：為了量化海綿措施對(duì)城市防洪排澇的影響，以典型城市區(qū)域萬泉河流域?yàn)槔?，基于InfoWorks ICM構(gòu)建綜合洪澇模型，參考北京市地方標(biāo)準(zhǔn)，開展海綿措施規(guī)劃與流域現(xiàn)狀下墊面下不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨多情景對(duì)比分析。結(jié)果表明：海綿措施能提高雨水管網(wǎng)排水能力，使得高于10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)增加7.59%，管段數(shù)增加8.98%;同時(shí)增強(qiáng)河道行洪能力，在10 a一遇至50 a一遇暴雨重現(xiàn)期下，峰值流量削減19.72%～39.36%，徑流總量削減26.45%～37.88%，沿線入清河口最高水位平均下降0.35 m;還能緩解流域內(nèi)澇積水，在5 a一遇至50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.13 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。

關(guān)鍵詞：防洪排澇;雨水管網(wǎng);河道行洪;內(nèi)澇積水;海綿措施; InfoWorks ICM

中圖分類號(hào)：TU992;TU998.4;TV877文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.011

引用格式：李尤，潘興瑤，邸蘇闖，等.海綿措施防洪排澇影響定量分析研究[J].人民黃河，2021，43（1）：53-60.

Quantitative Analysis of the Influence of Sponge Measures on Flood and Drainage Control

LI You1，2，3，4， PAN Xingyao1，5， DI Suchuang1，5， ZHU Yonghua 2， LIU Jialun6， ZHANG Shuhan1，5， LI Yongkun1，5， CHENG Shuai1，2

（1.Beijing Water Science and Technology Institute， Beijing 100048， China;

2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China;

3.Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China;

4.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 5.Beijing Engineering Technique Research

Centre for Non-Conventional Water Resources Exploration and Utilization and Water Use Efficient， Beijing 100048， China;

6.Beijing East to West Water Diversion Management Office， Beijing 100085， China）

Abstract：In order to quantify the impact of sponge measures on urban flood and drainage control， this paper took the Wanquan River basin in a typical urban area as an example， constructed an integrated flood model based on InfoWorks ICM and referred to Beijing local standards to carry out the sponge measures planning and the current situation by comparative analysis of different design rainfall return periods. The results show that the sponge measures can improve the drainage capacity of the rainwater pipe networks， which increases the pipe standard higher than 10-year return period and increases the pipe length by 7.05% and the pipe section by 8.98%. At the same time， it enhances the flood discharge capacity of the river. During the 10-year to 50-year return periods， the peak flow rates reduce by 19.72%-39.36%， the total runoff reduces by 26.45%-37.88% and the highest water table along the river into the Qing River reduces by 0.35 m. It can also alleviate the waterlogging in the basin. From 5-year to 50-year return periods， the maximum waterlogging depth is decreased by 0.29-0.04 m， the total waterlogging area decreased by 14.89-45.13 hm2 and the total waterlogging volume decreased by 30 399.97-110 114.24 m3.

Key words： urban flood and drainage control; rainwater pipe networks; river flooding; waterlogging; sponge measures; InfoWorks ICM

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著加快，城鎮(zhèn)化率由1981年的20.16%增至2015年的56.10%[1]，隨之帶來的城市洪澇問題日益凸顯。我國(guó)諸多城市如北京、上海、深圳、武漢及長(zhǎng)沙[2-4]等均受暴雨洪澇災(zāi)害的威脅，造成了慘重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。在利用防洪排澇等大型工程設(shè)施的同時(shí)，近年來以“人水和諧”為理念的海綿城市逐漸興起[5]。

國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出大批學(xué)者針對(duì)海綿城市建設(shè)緩解城市洪澇災(zāi)害、降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，并取得了顯著成果。2016年，林辰松等[6]通過建立公園綠地海綿開發(fā)模型，得到其對(duì)城市雨洪調(diào)控效果較好的結(jié)論。2017年，武永新等[7]分析了現(xiàn)狀下墊面及海綿措施改造后區(qū)域內(nèi)澇變化與差異，得到海綿措施可有效減小城市內(nèi)澇面積的結(jié)論。2018年，辛亞娟等[8]闡述了海綿城市在防治內(nèi)澇災(zāi)害與緩解城市水資源短缺方面的特點(diǎn)，為海綿城市雨洪利用技術(shù)在區(qū)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ);李俊等[9]基于PCSWMM軟件分析得到海綿設(shè)施對(duì)濱海城市地面積水、徑流量及徑流峰值有一定的削減作用;楊鋼等[10]基于SWMM模型評(píng)估了不同頻率設(shè)計(jì)暴雨下海綿措施對(duì)城市洪水的削減效果。

上述研究集中于對(duì)內(nèi)澇積水緩解效果、流域徑流削減評(píng)估的微觀尺度上，缺乏從排水設(shè)施與河道水系共同組成的洪澇防控體系改善效果的防洪排澇宏觀尺度研究。本文以典型城市流域萬泉河流域?yàn)槔跇?gòu)建綜合洪澇模型的基礎(chǔ)上，基于北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 11/685—2013）（下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中關(guān)于雨水調(diào)蓄池、下凹式綠地與透水鋪裝海綿措施的要求，開展海綿措施布局與流域現(xiàn)狀下墊面條件下城市防洪排澇風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析，以期為建設(shè)海綿城市、緩解城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 流域概況與基礎(chǔ)資料

1.1 流域概況

萬泉河是北京市中心城區(qū)北部排水主干河道清河的支流，位于海淀區(qū)西北部、清河流域上游，全長(zhǎng)約7 km，流域面積19 km2，河道行洪能力為20 a一遇設(shè)計(jì)流量，50 a一遇校核流量。該流域城市化水平逐年提高，現(xiàn)狀不透水面積達(dá)64%，是典型的城市流域。全流域共分為23個(gè)排水分區(qū)，下墊面高程為40～50 m。研究區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量585 mm，降水主要集中在6—8月，占年降水量的75%以上[11]。研究區(qū)為北京市的暴雨中心之一，局部高強(qiáng)度短歷時(shí)降雨發(fā)生較為頻繁，洪澇災(zāi)害易發(fā)，在“20120721”“20160720”等典型場(chǎng)次暴雨中造成了危害。

1.2 基礎(chǔ)資料

構(gòu)建綜合洪澇模型所需要的基礎(chǔ)資料包括地形數(shù)據(jù)、遙感影像、河道數(shù)據(jù)、排水設(shè)施等數(shù)據(jù)資料，詳見表1。基礎(chǔ)資料主要來源于北京市第一次水務(wù)普查成果，針對(duì)排水設(shè)施、地形等數(shù)據(jù)，通過專業(yè)勘測(cè)、實(shí)地調(diào)研等方式進(jìn)行校核與完善，數(shù)據(jù)可靠且精度高。

2 模型方法

基于城市綜合排水軟件InfoWorks ICM進(jìn)行洪澇模型構(gòu)建。在排水基礎(chǔ)資料補(bǔ)測(cè)、流域下墊面解譯等預(yù)處理基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流、河道匯流和地表漫流子模型，并對(duì)各子模型進(jìn)行耦合，形成綜合化的城市洪澇模型。在此基礎(chǔ)上從河道流量與積水深度兩個(gè)方面開展模型合理性分析，并結(jié)合不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨開展現(xiàn)狀及基于《規(guī)范》的海綿措施多情景模擬分析，完成包含管網(wǎng)排水能力、河道行洪能力及區(qū)域內(nèi)澇積水分析在內(nèi)的城市洪澇影響定量評(píng)估。數(shù)值模型構(gòu)建流程見圖1。

2.1 模型構(gòu)建方法

根據(jù)收集的資料，利用InfoWorks ICM軟件構(gòu)建萬泉河流域洪澇數(shù)值模型，包括產(chǎn)流模型、河道匯流模型、管網(wǎng)匯流模型、地表漫流模型以及多模型耦合。

（1）產(chǎn)流模型構(gòu)建。根據(jù)下墊面類型將研究區(qū)分為透水區(qū)域（綠地）和不透水區(qū)域（道路、建筑、水體、停車場(chǎng)、未利用硬化面積）。對(duì)不透水區(qū)域采用固定徑流系數(shù)法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算;透水區(qū)域采用Horton經(jīng)驗(yàn)公式[12]進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算：

fp=fc+（f0+fc）e-kt（1）

式中：fp為入滲率，mm/h;fc為穩(wěn)定入滲率，mm/h;f0為初始入滲率，mm/h;t為時(shí)間，h;k為與土壤有關(guān)的衰減系數(shù)，1/h。

主要參數(shù)取值參考《城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/T 969—2016）。

（2）管網(wǎng)匯流模型構(gòu)建?；跇?gòu)建的產(chǎn)流模型，在進(jìn)行管網(wǎng)與附屬設(shè)施信息整理、管網(wǎng)概化、拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建、管網(wǎng)縱斷面檢查的基礎(chǔ)上，依據(jù)流域雨水管線、道路、建筑、河道、區(qū)域地形，結(jié)合遙感影像對(duì)檢查井匯水區(qū)進(jìn)行人工勾繪，劃分為23個(gè)排水分區(qū)，再利用泰森多邊形法對(duì)2 281個(gè)檢查井開展匯水區(qū)劃分，共劃分子集水區(qū)2 195個(gè)，匯水面積范圍為0.001～400.34 hm2，平均匯水面積為0.87 hm2。最后，基于高精度遙感數(shù)據(jù)解譯的土地利用類型與子集水區(qū)分析，計(jì)算各子集水區(qū)不同用地類型所占面積。

（3）河道匯流模型構(gòu)建。根據(jù)實(shí)地調(diào)研及收集整理的萬泉河河道中心線、斷面資料等，數(shù)字化河道中心線、斷面資料，基于InfoWorks ICM軟件，生成河岸線并創(chuàng)建河岸連接，逐一開展河網(wǎng)上下游的拓?fù)潢P(guān)系及河道橫斷面的檢查與校核，完成河道匯流子模型的構(gòu)建，包括20個(gè)河道斷面、7.26 km的河道及河岸線。

（4）地表漫流模型構(gòu)建。地面模型是構(gòu)建二維地表漫流模型的基礎(chǔ)，同時(shí)也為缺失雨水管線及檢查井的區(qū)域提供高程推斷依據(jù)。利用1∶2 000基準(zhǔn)地形圖及局部實(shí)測(cè)高程點(diǎn)構(gòu)建地面模型，同時(shí)基于道路、建筑及局部微地形對(duì)地面模型進(jìn)行修正。三角網(wǎng)格的剖分是地表漫流模型的核心，充分考慮房屋等對(duì)降水的阻隔，同時(shí)考慮流域范圍、河道邊界、刻畫精度等，將研究區(qū)剖分為2個(gè)2D區(qū)間。通過網(wǎng)格化，共生成21.75萬個(gè)三角網(wǎng)格，面積介于14～900 m2之間，同時(shí)為了避免生成的細(xì)碎三角網(wǎng)格降低模型運(yùn)算速度，最小角度設(shè)置為5°。

（5）多模型耦合。多模型的耦合實(shí)現(xiàn)分別為管網(wǎng)模型、地表模型與河道模型三者之間的兩兩耦合。其中：管網(wǎng)模型和地表模型耦合通過檢查井進(jìn)行，超過排水管網(wǎng)排水能力而漫溢出來的洪水會(huì)從檢查井和雨篦子溢流到地面，依據(jù)地形行進(jìn)，在低凹區(qū)域匯集造成內(nèi)澇;管網(wǎng)模型與河道模型耦合采用雨水排口進(jìn)行連接，排水管網(wǎng)系統(tǒng)收集雨水，排放到河道中，引起河道水位上漲，同時(shí)，上漲的河水會(huì)阻礙排水管網(wǎng)中水量的排放，相互作用，相互影響;河道模型與地表漫流模型耦合通過河岸邊界側(cè)向連接來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)河道中的水量超過河道的輸送能力時(shí)，水就會(huì)從河岸較低處溢流到地面，隨地勢(shì)行進(jìn)，再從較為低洼的地方流回河道系統(tǒng)中。經(jīng)過上述流程，得到萬泉河流域綜合洪澇模型概化見圖2。

2.2 模型合理性分析

2.2.1 河道流量過程驗(yàn)證

研究區(qū)缺乏實(shí)測(cè)降雨徑流資料，采用流域出口設(shè)計(jì)流量與校核流量進(jìn)行模型合理性分析。萬泉河20 a一遇設(shè)計(jì)流量與50 a一遇校核流量過程采用瞬時(shí)單位線[13]推求，采用徑流系數(shù)法[14]扣除各時(shí)段入滲損失，根據(jù)《北京市水文手冊(cè)》（第二分冊(cè) 洪水篇）確定匯流參數(shù)。采用20 a一遇設(shè)計(jì)流量對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，用50 a一遇校核流量對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬流量和校核流量對(duì)比見圖3。流域出口模擬洪峰流量104.60 m3/s，校核洪峰流量99.00 m3/s，相對(duì)誤差-5.66%，Nash系數(shù)為0.92，峰現(xiàn)時(shí)間和流量過程基本一致，由此看出，模型合理可靠，可用于開展城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.2.2 內(nèi)澇積水深度驗(yàn)證

萬泉河流域典型場(chǎng)次暴雨過程的內(nèi)澇積水點(diǎn)實(shí)測(cè)資料較少，本文將“20120721”場(chǎng)次暴雨的上報(bào)積水情況中萬泉河橋的最大積水深度用于模型驗(yàn)證。萬泉河橋上報(bào)的積水深度為0.50 m，通過模型模擬此處內(nèi)澇積水最大深度為0.41 m，絕對(duì)誤差0.09 m，相對(duì)誤差18%，模擬結(jié)果可靠。

3 情景模擬與分析

3.1 情景設(shè)置

3.1.1 設(shè)計(jì)暴雨情景設(shè)置

分析城市內(nèi)澇發(fā)生原因，一般認(rèn)為短歷時(shí)強(qiáng)降雨是造成城市內(nèi)澇的氣象因素，而地下管網(wǎng)排水能力強(qiáng)弱才是造成內(nèi)澇與否的主要因素。加之目前暴雨預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)中主要根據(jù)最大1 h和最大6 h的降雨量閾值指標(biāo)進(jìn)行確定，考慮到短臨近期降雨預(yù)報(bào)成果比長(zhǎng)期的降雨預(yù)報(bào)成果精度更高，根據(jù)防汛應(yīng)急管理的需求，本文分析管網(wǎng)排水能力采用短歷時(shí)（1 h）設(shè)計(jì)暴雨。由于河道匯水范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)，因此分析河道行洪能力常采用長(zhǎng)歷時(shí)（24 h）設(shè)計(jì)暴雨。為了充分反映海綿措施對(duì)城市內(nèi)澇的削減作用，內(nèi)澇積水同樣采用長(zhǎng)歷時(shí)（24 h）設(shè)計(jì)暴雨指標(biāo)。

短歷時(shí)（1 h）不同重現(xiàn)期（1、3、5、10 a）和長(zhǎng)歷時(shí)（24 h）不同重現(xiàn)期（5、10、20、50 a）設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，根據(jù)北京地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/T 969—2016）中的暴雨強(qiáng)度公式推求：

q=1 602（1+1.037lg P）（t+11.593）0.681（5 min

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）;t為設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)，min;P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a。

短歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型依據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦使用的芝加哥雨型進(jìn)行降雨過程的時(shí)程分配，結(jié)合北京地區(qū)降雨特征，雨峰系數(shù)取值為0.167;長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型為北京典型設(shè)計(jì)暴雨雨型。

設(shè)計(jì)暴雨過程見圖4，長(zhǎng)歷時(shí)和短歷時(shí)暴雨情景設(shè)置見表2。

3.1.2 海綿措施布設(shè)情景設(shè)置

參考《規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，雨水控制與利用規(guī)劃中應(yīng)優(yōu)先利用低洼地形、下凹式綠地、透水鋪裝等設(shè)施滯蓄雨水，減少外排雨水量，并滿足以下要求：①新建工程硬化面積達(dá)到2 000 m2及以上項(xiàng)目，應(yīng)該配建雨水調(diào)蓄設(shè)施，具體配建標(biāo)準(zhǔn)為每1 000 m2硬化面積配建調(diào)蓄容積不小于30 m3;②凡涉及綠地率指標(biāo)要求的建設(shè)工程，綠地中至少應(yīng)該有50%為用于滯蓄雨水的下凹式綠地;③公共停車場(chǎng)、人行道、步行街、自行車道和休閑廣場(chǎng)、室外庭院的透水鋪裝率不小于70%（上述標(biāo)準(zhǔn)在下文簡(jiǎn)稱“地標(biāo)三項(xiàng)”）。按照上述海綿參數(shù)規(guī)模，本文海綿情景設(shè)置為雨水調(diào)蓄池、下凹式綠地及透水鋪裝組合方案，并與流域現(xiàn)狀下墊面展開對(duì)比分析。

3.1.3 海綿措施參數(shù)選取

參照《規(guī)范》，雨水調(diào)蓄池按照流域硬化面積配建調(diào)蓄容積，硬化面積計(jì)算見式（3），由此得到配建容積為268 135.8 m3;將流域50%的綠地鋪設(shè)為下凹式綠地，總面積為342.85 hm2;將流域70%的人行道路、停車場(chǎng)等鋪設(shè)為透水鋪裝，總面積為147.32 hm2。結(jié)合工程實(shí)地情況、InfoWorks ICM用戶手冊(cè)及相關(guān)參考文獻(xiàn)[15]，3種海綿措施參數(shù)選取如下：雨水調(diào)蓄池延時(shí)為24 h;下凹式綠地下凹深度為200 mm，植被容量比例為0.2;透水鋪裝表層厚度為2 mm，鋪裝層厚度為80 mm，土壤層厚度為100 mm;海綿措施土壤類型為砂質(zhì)壤土，孔隙度為0.437，田間持水量為0.105，凋萎系數(shù)為0.047。

Si=Sb-Sg-Sp（3）

式中：Si為硬化面積，m2;Sb為建設(shè)用地面積，m2;Sg為綠地面積（包括實(shí)現(xiàn)綠化的屋頂），m2;Sp為透水鋪裝用地面積，m2。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 海綿措施對(duì)雨水管網(wǎng)排水能力的影響

將不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過程作為輸入，模擬不同重現(xiàn)期條件下萬泉河流域管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)，用負(fù)荷等級(jí)S對(duì)管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評(píng)估，其中Ⅰ級(jí)（S<1）表明管道處于非滿重力流狀態(tài);Ⅱ級(jí)（S=1）表明管道處于壓力流狀態(tài)，并且水力坡度<管線坡度;Ⅲ級(jí)（S=2）表明管道處于壓力流狀態(tài)，并且水力坡度>管線坡度。管道排水能力評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)：S<1，認(rèn)為管線達(dá)到輸入降雨重現(xiàn)期的排水標(biāo)準(zhǔn);S≥1，認(rèn)為管線不達(dá)標(biāo)。流域現(xiàn)狀及“地標(biāo)三項(xiàng)”海綿措施布設(shè)條件下管網(wǎng)負(fù)荷模擬結(jié)果見表3。

由模擬計(jì)算結(jié)果可知，流域現(xiàn)狀下墊面條件下與進(jìn)行“地標(biāo)三項(xiàng)”海綿措施改造之后，從1 a一遇至10 a一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，現(xiàn)狀達(dá)標(biāo)管段數(shù)量增幅為0.59%～9.86%，管長(zhǎng)增幅為0.48%～7.58%;不達(dá)標(biāo)管網(wǎng)S=1管段數(shù)量的削減幅度為4.35%～49.06%，管長(zhǎng)削減幅度為2.31%～47.37%;S=2管段數(shù)量的削減幅度為62.24%～75.00%，管長(zhǎng)削減幅度為56.85%～83.33%。達(dá)標(biāo)管段數(shù)量及長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜合不同重現(xiàn)期模擬的負(fù)荷情況，得到區(qū)域現(xiàn)狀及海綿城市建設(shè)后雨水管網(wǎng)的排水能力（見表4）及空間分布（見圖5）。

由上述結(jié)果可知，流域進(jìn)行海綿措施布設(shè)后，雨水管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)普遍提高，其中排水能力在1～3 a一遇降雨時(shí)改善效果最為明顯，管長(zhǎng)削減比例達(dá)87.59%，管段數(shù)削減比例達(dá)84.15%;排水能力達(dá)10 a一遇以上的管段數(shù)增幅達(dá)8.98%，管長(zhǎng)增幅達(dá)7.59%。由此可知，海綿措施能通過“滲、滯、蓄、用、排”等源頭控制、末端處理等方式緩解雨水管網(wǎng)負(fù)荷，提高管網(wǎng)排水能力?？紤]到流域現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力較高，加之布設(shè)的海綿措施均是點(diǎn)狀滲透設(shè)施或調(diào)蓄設(shè)施，相較于大型調(diào)節(jié)工程，如調(diào)節(jié)塘、調(diào)節(jié)池或大型防洪排澇工程等，緩解效果仍有待提升。

3.2.2 海綿措施對(duì)河道行洪能力的影響

將不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過程作為輸入，模擬現(xiàn)狀下墊面及海綿措施布設(shè)后萬泉河流域出口流量過程。結(jié)果表明，在10 a一遇設(shè)計(jì)暴雨下，流域現(xiàn)狀下墊面峰值流量為69.87 m3/s，布設(shè)海綿措施后峰值流量減小至42.37 m3/s，河道徑流總量由1 657 975.15 m3減少至1 029 982.11 m3，徑流系數(shù)由0.48減小至0.29;在20 a一遇設(shè)計(jì)暴雨下，流域現(xiàn)狀下墊面峰值流量為85.88 m3/s，海綿城市規(guī)劃實(shí)施后峰值流量減小至59.91 m3/s，河道徑流總量由2 249 198.31 m3減少至1 520 962.44 m3，徑流系數(shù)由0.52減小至0.34;在50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨下，流域現(xiàn)狀下墊面峰值流量為104.60 m3/s，布設(shè)海綿措施后峰值流量減小至83.97 m3/s，徑流總量由3 05 9429.84 m3減少至2 250 090.55 m3，徑流系數(shù)由0.56減小至0.40。在上述模擬中流域現(xiàn)狀下墊面及海綿措施布設(shè)后，最高水位均未出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，萬泉河河道防洪能力基本滿足50 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在10 a一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，在布設(shè)海綿措施后，萬泉河入清河口處最高水位由37.47 m降至37.21 m，沿線最高水位平均降低0.42 m;20 a一遇最高水位由37.62 m降至37.39 m，沿線最高水位平均降低0.36 m;50 a一遇最高水位由37.78 m降至37.61 m，沿線最高水位平均降低0.27 m。隨著重現(xiàn)期的延長(zhǎng)最高水位降幅遞減，在10～50 a設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下，加入海綿措施后，河道沿線最高水位下降幅度為0.35 m左右。

綜上，布設(shè)海綿措施可以削減河道峰值流量、徑流總量，降低河道沿線最高水位，增強(qiáng)河道抵御暴雨洪水的能力。

3.2.3 海綿措施對(duì)內(nèi)澇積水的影響

模擬分析不同重現(xiàn)期條件下現(xiàn)狀下墊面及海綿措施布設(shè)后萬泉河流域內(nèi)澇積水狀況，分析檢查井溢流情況和積水點(diǎn)的位置、深度、淹沒范圍等。

（1）設(shè)計(jì)暴雨峰值時(shí)刻檢查井溢流情況對(duì)比分析。分析不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨峰值時(shí)刻現(xiàn)狀及海綿措施布設(shè)后萬泉河流域檢查井溢流情況，見表5、表6。由表5、表6可知，無論是現(xiàn)狀下墊面還是布設(shè)海綿措施，溢流檢查井個(gè)數(shù)、峰值總溢流量均隨著重現(xiàn)期的延長(zhǎng)而遞增。海綿措施布設(shè)后，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期從5 a延長(zhǎng)至50 a，檢查井溢流個(gè)數(shù)減少33～177個(gè);峰值總溢流量減小3 797.5～6 861.2 m3。綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著重現(xiàn)期的延長(zhǎng)，海綿措施緩解檢查井峰值溢流量效果依次遞增，檢查井溢流個(gè)數(shù)減少。

（2）內(nèi)澇積水模擬結(jié)果分析。不同重現(xiàn)期流域內(nèi)澇積水空間分布見圖6、圖7，模擬結(jié)果見表7、表8。無論是現(xiàn)狀下墊面還是海綿措施布設(shè)后，流域最大積水深度、積水總面積、積水總量均隨著重現(xiàn)期的延長(zhǎng)而遞增。海綿措施布設(shè)后，從5 a一遇至50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨條件下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.12 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。積水總面積與積水總量削減量隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的延長(zhǎng)而增加，最大積水深度削減效果在5 a一遇及10 a一遇短、中重現(xiàn)期下優(yōu)于20 a一遇及50 a一遇長(zhǎng)重現(xiàn)期。最大積水點(diǎn)分布在六郎莊路以北，該處存在大片建設(shè)用地，不透水面積較大且僅分布有一支管徑300～400 mm的支管，管網(wǎng)排水能力嚴(yán)重不足，是造成內(nèi)澇積水的主要原因。綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)海綿措施對(duì)于最大積水深度的削減在短、中重現(xiàn)期下效果更加顯著，對(duì)于積水總量與積水總面積的削減在長(zhǎng)重現(xiàn)期下效果更佳。

4 結(jié)論與展望

以北京市典型區(qū)域萬泉河流域?yàn)槔?，?gòu)建綜合洪澇模型，基于北京“地標(biāo)三項(xiàng)”海綿措施布設(shè)方案，開展海綿措施布局規(guī)劃，與流域現(xiàn)狀下墊面條件的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析，主要結(jié)論如下。

（1）雨水管網(wǎng)排水能力。加入海綿措施后，雨水管網(wǎng)排水能力低于1 a一遇的管長(zhǎng)減少13.89%，管段數(shù)減少12.50%;管網(wǎng)排水能力1～3 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)減少87.59%，管段數(shù)減少84.15%;管網(wǎng)排水能力3～5 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)減少8.15%，管段數(shù)減少51.92%;排水能力5～10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)減少65.85%，管段數(shù)減少65.60%;管網(wǎng)排水能力高于10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)增加7.59%，管段數(shù)增加8.98%。海綿措施能緩解管網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)，提高管網(wǎng)排水能力。

（2）河道行洪能力。加入海綿措施后，10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，河道峰值流量分別削減39.36%、30.24%、19.72%，徑流總量分別削減37.88%、32.38%和26.45%，徑流系數(shù)分別削減39.58%、34.62%、28.57%，沿線入清河口最高水位分別下降0.25、0.22、0.17 m。海綿措施能削減河道峰值流量、徑流總量，降低河道沿線最高水位，增強(qiáng)河道行洪能力。

（3）內(nèi)澇積水分析。海綿城市規(guī)劃實(shí)施后，從5 a一遇至50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨情景下，檢查井溢流個(gè)數(shù)減少33～177個(gè)，峰值總溢流量減少3 797.5～6 861.2 m3，海綿措施能有效緩解檢查井運(yùn)行負(fù)荷;對(duì)于內(nèi)澇積水，進(jìn)行海綿措施布設(shè)后，從5 a一遇至50 a一遇設(shè)計(jì)暴雨條件下，最大積水深度減小0.04～0.29 m，積水總面積減少14.89～45.12 hm2，積水總量減少30 399.97～110 114.24 m3。

基于上述結(jié)果，提出以下兩點(diǎn)展望：

（1）基于《規(guī)范》布設(shè)的雨水調(diào)蓄池、下凹式綠地及透水鋪裝，對(duì)于萬泉河流域這類已建成區(qū)實(shí)施改造較為困難，今后可針對(duì)流域?qū)嶋H情況，因地制宜布設(shè)海綿措施，必要時(shí)可進(jìn)行空間布局優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)海綿措施效益最大化。

（2）學(xué)者左其亭等[16]曾指出海綿措施側(cè)重增強(qiáng)城市的“彈性”與“韌性”，而防洪排澇工程則側(cè)重直接與洪澇災(zāi)害的抵抗，對(duì)于城市洪澇災(zāi)害的防治與削弱能力更加明顯。因此，城市洪澇防治應(yīng)當(dāng)采用以防洪排澇工程為主、海綿城市建設(shè)為輔的有機(jī)結(jié)合方式，在利用防洪排澇工程最大程度降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，充分利用海綿措施進(jìn)行雨水蓄積利用，實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展。

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