基于水文－成本綜合績效的山地公園雨洪管理景觀系統(tǒng)策略研究

劉家琳 李武肸 彭子岳 劉兆莉

1 研究背景

重慶是典型的山地海綿城市試點地區(qū)。山地公園構(gòu)成了主城區(qū)綠地開放空間主體，相較于平原，公園中坡面下墊面占比大[1]。坡度是地表產(chǎn)流的關(guān)鍵因子之一[2]，加上本地夏季連續(xù)數(shù)月的雨季與短時暴雨特征，增加了山地公園雨洪流量、峰值的控制難度。實踐與研究表明山地公園具備良好的可持續(xù)雨洪管理的設(shè)計條件[1,3]，如果把公園中若干子匯水區(qū)由雨洪輸出的“排水節(jié)點”轉(zhuǎn)化為雨洪利用的“受納節(jié)點”，有利于豐富景觀多樣性，減少坡地沖刷侵蝕，減緩周邊用地下游區(qū)域雨洪負荷。

目前關(guān)于山地公園綠地雨洪管理的研究，在水文特征定性勘查、定量分析，雨洪管理景觀分級調(diào)控策略，水文效能研究層面有一定進展[1,3-6]。近年來雨洪管理景觀的前沿研究，關(guān)注到場地中該系統(tǒng)的水文–成本綜合績效，將技術(shù)方案在整個建設(shè)及運營生命周期年限中的成本消耗，以及單位成本的水文管控效能納入績效指標，旨在從水文管控的有效性、建造維護的經(jīng)濟性、成本效益等多重視角對景觀系統(tǒng)進行評估，研究場地多涉及城市街區(qū)[7-9]；而在山地公園中還未見針對雨洪管理景觀系統(tǒng)的水文–成本綜合績效的研究。本研究采用上述方法，以典型山地公園為對象進行水文–成本綜合績效評估，有利于在不同的管理目標或成本預算條件下，為方案決策提供韌性思路。

2 研究方法

2.1 研究案例

重慶年平均降雨量為1 000～1 350 mm，70%的降水集中在5—9月，全年以中小雨型為主，雨季易突發(fā)短時暴雨[10]。研究案例為重慶主城區(qū)的6例山地公園，其中3例公園依托山頂區(qū)域營建（北碚公園、鵝嶺公園、鴻恩寺公園），3例依托山體單側(cè)坡面營建（悅來公園、華龍公園、半山公園）。所選案例代表了山頂型、山坡型2種主要的山地公園類型，筆者暫未探討山麓型、山谷型、復合型等類型情況。各案例在坡度類型分布上具備代表性層級。各公園不同植被類型覆蓋條件下的土壤樣品測定表明，公園土壤質(zhì)地以砂質(zhì)壤土、粉壤土為主，存在少量混合回填土?；诂F(xiàn)狀徑流匯流分析，6例案例共包含69個子匯水區(qū)，不透水面多位于公園入口及山頂平坡區(qū)域，集水洼地布局分散（圖1）。

1 研究案例現(xiàn)狀徑流匯流分析Present runoff confluence analysis of the study cases

2.2 山地公園雨洪管理景觀系統(tǒng)策略

6例公園中，除悅來公園進行了局部匯水區(qū)的雨洪管理景觀改造外，其余案例均采用傳統(tǒng)管網(wǎng)排水系統(tǒng)。為便于探討公園整體的雨洪管理景觀系統(tǒng)策略，悅來公園以改造前的地形圖作為研究分析的現(xiàn)狀條件。由于山頂型公園位于山地高位，山坡型公園的平緩坡集水面占比小，其雨洪調(diào)控效能有限，故本研究以公園自身雨洪調(diào)控為主，未探討客水調(diào)控情況。

本研究為山地公園雨洪管理景觀改造提供了低、中、高3種工程強度的策略（圖2），景觀設(shè)施取自《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》（簡稱《指南》）[11]，所選設(shè)施類型便于公園局部改造過程的實施。策略如下：1）低強度改造策略，僅布設(shè)匯流終端管控措施，盡量利用子匯水區(qū)末端集水區(qū)的現(xiàn)狀綠地、水池，將其改造成滲透塘或濕塘；2）中強度改造策略，布設(shè)匯流終端管控措施，其規(guī)模與低強度方案一致，并增加布設(shè)源頭管控措施，即在中、上游子匯水區(qū)的鋪裝場地、綠地低勢區(qū)域增設(shè)生物滯留設(shè)施，按《兩江新區(qū)海綿城市建設(shè)模型應用技術(shù)導則（試行）》[12]，原土滲透性≥35 mm/h，采用簡易型生物滯留設(shè)施，原土滲透性<35 mm/h，采用復雜型生物滯留設(shè)施，設(shè)施規(guī)模設(shè)定所采用的設(shè)計降雨量為25 mm；3）高強度改造策略，即在中強度策略方案的基礎(chǔ)上，利用子匯水區(qū)內(nèi)坡度<25%的平緩坡增設(shè)生物滯留設(shè)施，依據(jù)《指南》建議，其布設(shè)面積上限為子匯水區(qū)面積的10%。

2 研究案例雨洪管理景觀布局策略Landscape layout strategies of stormwater management in the study cases

2.3 雨洪管理水文模型構(gòu)建與校對

針對公園現(xiàn)狀以及低、中、高3種強度的設(shè)計策略構(gòu)建雨洪管理模型（Storm Water Management Modle, SWMM）。模型涉及下墊面水文參數(shù)、排水管網(wǎng)參數(shù)、設(shè)施結(jié)構(gòu)參數(shù)3類數(shù)據(jù)。排水管網(wǎng)參數(shù)以排水施工圖為依據(jù)，現(xiàn)狀管網(wǎng)與新增雨洪管理景觀設(shè)施連通。子匯水區(qū)面積、不透水率、匯流寬度、坡度等水文參數(shù)按計算公式[13]，依據(jù)現(xiàn)狀地形圖數(shù)據(jù)并結(jié)合方案布局進行統(tǒng)計；其他水文特征參數(shù)取值與統(tǒng)計依據(jù)見表1。設(shè)施參數(shù)方面，生物滯留設(shè)施、濕塘、滲透塘的結(jié)構(gòu)層參數(shù)取值與依據(jù)見表2。模型計算時間步長依據(jù)模型開發(fā)實驗室及Eckart等的研究[17-18]，模擬時間設(shè)定為24 h。

表1 研究案例水文參數(shù)取值與依據(jù)[2,13-15]Tab. 1 Values and basis of hydrological parameters of the study cases[2,13-15]

表2 雨洪管理景觀設(shè)施結(jié)構(gòu)層參數(shù)取值與依據(jù)[11-13,16]Tab. 2 Values and basis of structural layer parameters of stormwater management landscape facilities[11-13,16]

研究采用重慶主城區(qū)不同坡度綠地、道路的各類地表徑流系數(shù)以往的監(jiān)測研究結(jié)果[2]，對案例改造前現(xiàn)狀水文模型的綜合徑流系數(shù)模擬值進行校對。文獻中徑流系數(shù)在本地單次降雨量100 mm暴雨實驗條件下獲得，監(jiān)測地土壤類型為砂質(zhì)壤土，其坡度范圍與土壤條件與本研究案例近似（鴻恩寺公園除外，其表土為粉壤土）。故采用該監(jiān)測數(shù)據(jù)為案例（鴻恩寺公園除外）的坡面綠地與道路場地的各類徑流系數(shù)賦值，加權(quán)得到各公園的綜合徑流系數(shù)本地參考值（表3）。

在相同的本地暴雨量（單次降雨量100 mm）設(shè)定條件下，模擬得到子匯水區(qū)綜合徑流系數(shù)并加權(quán)計算，得到各公園的綜合徑流系數(shù)模擬值。對照綜合徑流系數(shù)本地參考值，對模型敏感參數(shù)在理論值的合理范圍內(nèi)微調(diào)[18]，使得相同降雨條件下，各公園綜合徑流系數(shù)模擬值在本地參考值范圍內(nèi)（表3），使得模擬結(jié)果可靠。此外，鴻恩寺公園粉壤土的滲透性低于文獻監(jiān)測地砂質(zhì)壤土的滲透性，該案例的綜合徑流系數(shù)模擬值也相對本地文獻參考值偏大，表明模擬結(jié)果具備一定可靠性。

表3 研究案例綜合徑流系數(shù)本地參考值與模型模擬值（100 mm降雨條件）Tab. 3 Local reference value and model simulation value of integrated runoff coefficient of the study cases (100 mm precipitation)

2.4 降雨情景

研究選定多種降雨情景進行水文模擬，考慮重慶地區(qū)年徑流總量控制率80%～85%所對應的設(shè)計降雨量（25.5～31.9 mm），以及不同雨型條件，降雨重現(xiàn)期選定0.4 a、2 a、10 a、30 a。依據(jù)重慶主城區(qū)2017年最新修訂的暴雨強度公式適用地理范圍要求以及各公園所屬地理區(qū)位，選擇相應的暴雨強度公式，其中0.4 a和2 a重現(xiàn)期事件的降雨歷時為120 min，10 a和30 a重現(xiàn)期事件的降雨歷時為180 min，并應用芝加哥降雨過程歷線模型確定不同設(shè)計降雨歷線數(shù)據(jù)，雨峰位置系數(shù)取本地值0.17[19]。

2.5 績效指標

2.5.1 水文效能

依據(jù)水文效能評估方法[9]，本研究將公園終端排水口的徑流出流總量、徑流峰值流量的削減率作為低、中、高3種強度方案水文效能的評估指標。降雨事件i中徑流出流總量削減率ROV按公式（1）計算，徑流峰值流量削減率RPF按公式（2）計算。

式中Vbi和Vai分別指降雨事件i中公園改造前和雨洪管理策略實施后，公園排水出口的徑流出流總量；Pbi和Pai分別指降雨事件i中公園改造前和雨洪管理策略實施后，排水出口的徑流峰值流量。

2.5.2 全生命周期成本

按雨洪管理景觀設(shè)施使用年限相關(guān)研究，本研究擬定設(shè)施的全生命周期（life cycle cost,LCC）為30 a[20]，方案設(shè)定在第0年完成營造，在第1～30年中進行運行維護，不考慮設(shè)施最終拆除成本。設(shè)施全生命周期成本按公式（3～5）計算[7]：

式中Ccapital指技術(shù)方案建造成本，單價以《海綿城市建設(shè)工程投資估算指標》為依據(jù)[21]，簡易型生物滯留設(shè)施為339元/m2，復雜型生物滯留設(shè)施為415元/m2，生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)層不含防滲土工膜，滲透塘為335元/m2，小型濕塘（1 000 m2以內(nèi)）為389元/m2，中型濕塘（1 000～5 000 m2）為348元/m2，濕塘造價不含供水成本。PVO&Mt指技術(shù)設(shè)施在第t年的維護成本現(xiàn)值；FVO&Mt指設(shè)施在第t年的維護成本未來值；d為折現(xiàn)率，按現(xiàn)階段社會折現(xiàn)率取8%[22]；n為設(shè)施運行年限（n= 1,2, ....,n）；r為平均通貨膨脹率，取3%[24]；p為年運行維護費占初始成本的比例，簡易型和復雜型生物滯留設(shè)施的p值取8%，濕塘取3%，滲透塘取5%[23-24]。

2.5.3 水文–成本綜合績效值

研究采用在降雨事件i中的水文綜合效能PSWM與LCC的比值，來評估不同方案在降雨事件i中的水文–成本綜合績效值BSWM，依據(jù)為公式（6～7）[16]。本研究中ROV(i)與RPF(i)在水文綜合效能評價中視為同等重要，故PSWM為兩項指標的平均值。

3 績效分析結(jié)果與討論

3.1 水文效能分析

3.1.1 徑流出流總量削減率

圖3顯示了案例在不同改造強度策略下，應對不同降雨事件的排水口的ROV，結(jié)果表明在相同降雨事件下，排水口徑流出流總量一般隨景觀策略強度的增加而減少，ROV一般隨景觀策略強度的增加而增加，該結(jié)論與以往研究結(jié)論一致[16,24]。少量案例如華龍公園、北碚公園、鵝嶺公園，在重現(xiàn)期0.4 a降雨事件下，中、高強度策略的出流總量無變化，原因在于山地公園中存在少量匯水區(qū)由于地形坡度較陡，無法布設(shè)管控設(shè)施，使得在較小重現(xiàn)期的降雨事件中，即使在高強度策略中也無法達到100%的ROV值。

3 研究案例不同策略下排水出口的徑流出流總量削減率Reduction rate of total outflow at drainage outlets under different strategies in the study cases

在相同策略條件下，ROV一般隨降雨重現(xiàn)期的增加而表現(xiàn)下降，該結(jié)論與以往研究結(jié)論一致[24]。但個別案例（如鴻恩寺公園）未遵循此規(guī)律，低強度策略中，在重現(xiàn)期0.4 a降雨事件下的ROV反而低于重現(xiàn)期2 a降雨事件的ROV值，其原因在于該公園山頂區(qū)域的地形條件使?jié)裉脸薪拥膮R水面有限，其流量管控效能在重現(xiàn)期0.4 a降雨事件中并未充分利用，隨著重現(xiàn)期增加到2 a，其管控效能增加。

值得注意的是，高強度策略應對常規(guī)降雨事件（如0.4 a、2 a重現(xiàn)期），其ROV一般在90%以上，其削減效能較穩(wěn)定。而中、低強度策略中，相同案例應對0.4 a與2 a重現(xiàn)期的降雨事件時，其ROV變化較大，說明技術(shù)設(shè)施在出流量管控方面的效能有較大的不確定性，以往研究也提出了類似的觀點[16,24-25]。就山地公園而言，這種不確定可能會因較大的地形條件差異而更為凸顯。因此，重慶對山地公園的徑流總量管控的目標設(shè)定需要依據(jù)具體條件而定。

此外，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，在10 a和30 a重現(xiàn)期下，中、低強度策略的ROV明顯降低，管控效能不佳，此時高強度策略的ROV顯著優(yōu)于中、低強度，說明系統(tǒng)本身應對極端暴雨事件的能力有限，特別是以山頂和山坡地形為營建條件的山地公園，其平坡和洼地匯水面有限，即使在高強度策略下也難以實現(xiàn)出流量的充分控制。

3.1.2 徑流峰值流量削減率

圖4分別顯示了案例在不同改造強度策略下，應對不同降雨事件的排水口的RPF。結(jié)果表明在相同降雨事件下，排水口徑流峰值流量一般隨策略強度的增加而減少，RPF一般隨策略強度的增加而增加。半山公園、悅來公園、鴻恩寺公園的RPF隨降雨重現(xiàn)期的增加而迅速降低（圖4），上述案例采用中、低強度策略時，在30 a重現(xiàn)期下則完全喪失峰值管控效能，這些公園構(gòu)建濕塘的平坡和洼地面積占比小，布局分散，且不位于公園的終端匯流出口，使得濕塘的管控效能受限。而在大暴雨事件中，生物滯留設(shè)施的滯留容量可能被迅速耗盡，使得整體系統(tǒng)對徑流流速和集流時間的控制能力大幅降低。而北碚公園和鵝嶺公園，在整體匯流區(qū)的中部及末端有適宜的匯水面布設(shè)滲透塘或濕塘，在30 a重現(xiàn)期下，高強度策略的RPF分別達到92.1%和82.9%。說明了雨洪管理景觀系統(tǒng)受公園地形條件差異的影響，在極端降雨事件峰值流量管控上同樣具備不確定性。

4 研究案例不同策略下排水出口徑流峰值流量削減率Reduction rate of peak outflow at drainage outlet under different strategies in the study cases

而針對常規(guī)降雨事件（0.4 a和2 a重現(xiàn)期），高強度策略的RPF均在85%以上。即使是低強度策略，應對0.4 a重現(xiàn)期降雨，所有案例RPF均在50%以上。說明山地公園中雨洪管理措施一般能有效應對常規(guī)降雨事件的峰值流量管控。

3.2 全生命周期成本分析

研究案例中不同雨洪管理景觀策略LCC采用第2.5.2節(jié)所述方法計算。結(jié)果表明，案例在低、中強度策略下，Ccapital值均高于全生命周期的PVO&M值，維護成本占LCC達33.06%～48.78%。高強度策略下，設(shè)施全生命周期的PVO&M值已經(jīng)超過建設(shè)成本或兩者接近。另外不同策略的單位面積Ccapital值接近；但3種策略下的單位面積的全生命周期的PVO&M值隨策略強度增加而明顯遞增，使其單位面積LCC值遞增（圖5）。說明雨洪管理景觀的長期維護成本高，須納入總體投入成本考慮。

5 研究案例雨洪管理景觀系統(tǒng)策略的單位面積建設(shè)成本、全生命周期維護成本與總成本Per unit area construction cost, life cycle maintenance cost and total cost of stormwater management landscape system strategies in the study cases

相比中、低強度策略，高強度策略的全生命周期的PVO&M值及LCC明顯增加，且高強度策略下生物滯留設(shè)施的LCC占據(jù)整體技術(shù)方案的LCC的最大組成。結(jié)果表明：生物滯留設(shè)施的全生命周期的PVO&M值高于Ccapital值，這一結(jié)論與Chui等的研究一致[7]，滲透塘、濕塘的Ccapital值高于全生命周期的PVO&M值（圖6）。因此山地公園雨洪管理景觀改造中，應盡可能利用匯水低勢平洼地營造滲透塘、濕塘，并控制生物滯留設(shè)施的應用規(guī)模，有利于降低LCC。

6 雨洪管理景觀設(shè)施的單位面積建設(shè)成本與全生命周期維護成本Per unit area construction cost, life cycle maintenance cost of stormwater management landscape facilities

3.3 水文-成本綜合績效分析

圖7顯示了研究案例的BSWM，即LCC消耗每萬元所達到的水文效能。結(jié)果顯示：在相同重現(xiàn)期降雨下，BSWM值一般隨著策略強度的增加而減小，且以常規(guī)降雨事件為管控目標時，中、低強度的綜合績效值一般要明顯大于高強度策略，總體而言，低強度策略的綜合績效最佳，但這種差異隨著降雨重現(xiàn)期的增加而減小，在30 a重現(xiàn)期時，多數(shù)案例3種策略的BSWM值接近。

7 研究案例不同策略下水文－成本綜合績效Hydrological cost effectiveness under different strategies in the study cases

綜合結(jié)果分析表明：1）當雨洪管理景觀系統(tǒng)評估以BSWM最佳為依據(jù)，案例一般可采用低強度策略（圖8），但該策略在不同地形條件的案例中其水文管控效能差異較大；2）當以常規(guī)降雨事件為管控目標，滿足重慶本地年徑流總量控制率80%～85%，研究案例更宜采用中強度策略（圖9）；3）對于以緩坡地形為主的案例，可以極端降雨事件（如10 a或30 a重現(xiàn)期）為管控目標，在成本預算充沛的情況下，采用高強度策略（圖10），但由于雨洪管理系統(tǒng)的水文管控效能在山地公園中存在較大不確定性，該策略需謹慎使用。

9 山坡型公園雨洪管理景觀中強度策略Medium-intensity strategy of stromwater management landscape system in hillside landform parks

10 山頂型公園雨洪管理景觀高強度改略High-intensity strategy of stromwater management landscape system in hilltop landform parks

4 結(jié)論

山地公園雨洪管理景觀系統(tǒng)的水文管控效能具有較大不確定性，對山地公園水文管控目標的設(shè)定需依具體條件而定。

不同雨洪管理景觀系統(tǒng)策略的單位面積建設(shè)成本接近，但景觀系統(tǒng)的單位面積維護成本隨策略強度的增加而明顯增加，長期維護成本高。高強度策略下，生物滯留設(shè)施的全生命周期成本（LCC）占雨洪管理景觀系統(tǒng)方案的LCC的比重大，應控制其設(shè)計規(guī)模，降低方案的LCC值。

在相同重現(xiàn)期降雨下，BSWM一般隨著策略強度的增加而減小，在應對常規(guī)降雨事件時，低強度策略效益優(yōu)勢明顯，但在應對極端降雨事件（如30 a重現(xiàn)期）時，多數(shù)案例在不同策略下的BSWM值接近。

當以水文–成本綜合績效（BSWM）值最佳為依據(jù)，研究案例一般可采用低強度策略，即利用匯流末端的綠地、水池改造或營建成濕塘、滲透塘；當需滿足年徑流總量控制率80%～85%，案例更宜實施中強度策略，即在低強度策略布局基礎(chǔ)上，在中上游匯水區(qū)低勢處增設(shè)小規(guī)模的生物滯留設(shè)施，設(shè)施面積在本研究案例中占所承接子匯水區(qū)面積的3.5%～5.7%；對于個別緩坡地形案例，成本投入充足時，可考慮對極端降雨（10 a或30 a重現(xiàn)期）事件的管控，采用高強度策略，即在中強度策略布局基礎(chǔ)上增加生物滯留設(shè)施，其布設(shè)面積一般不超過所承接子匯水區(qū)面積的10%。

上述研究結(jié)論基于山坡、山頂?shù)孛驳墓珗@案例，未探討山坡型公園承接外部雨洪的情況；研究未涉及山麓、山谷以及復合型地形案例；改造策略中運用的技術(shù)設(shè)施類型有限；降雨情景僅考慮了典型重現(xiàn)期降雨事件，未考慮長期連續(xù)降雨情景下的水文效能。研究結(jié)論具有一定局限性，后續(xù)研究可在上述層面拓展。

總體而言，本研究將水文–成本綜合績效評估方法應用到重慶海綿城市建設(shè)的主體對象——山地公園，從不同視角進行了績效評估，提出不同管理目標或應用場景下的景觀系統(tǒng)韌性策略，該結(jié)論具有一定創(chuàng)新性，為重慶及亞熱帶濕潤氣候條件下，探索山坡、山頂?shù)孛驳某鞘泄珗@其雨洪管理景觀系統(tǒng)的構(gòu)建與方案決策提供了重要參考。

致謝(Acknowledgments)：

感謝西南大學園藝園林學院張建林教授、重慶道合園林景觀規(guī)劃設(shè)計有限公司、重慶市風景園林規(guī)劃研究院、重慶市風景園林學會為本研究提供了研究案例的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)；西南大學資源環(huán)境學院何丙輝教授團隊在其實驗室對土壤環(huán)刀樣品飽和滲透率進行了測定；西南大學園藝園林學院研究生唐詩嫻、李運星、陳玨潔、鄭瑞對圖1、3、9～11進行了輔助繪制，對數(shù)據(jù)進行了整理和校對。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

本文所有圖表均由作者繪制，圖1～2中半山公園、華龍公園地形底圖由重慶道合園林景觀規(guī)劃設(shè)計有限公司提供，悅來公園地形底圖由重慶市風景園林規(guī)劃研究院提供，北碚公園、鵝嶺公園、鴻恩寺公園地形底圖由重慶市風景園林學會提供。