低影響開發(fā)徑流特性研究
——以重慶悅來為例

王應(yīng)剛,李 霞,羅小玲

(1. 重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院,重慶 401120；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400060；3. 重慶市南岸區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會,重慶 400000)

目前，國內(nèi)大多數(shù)管理機(jī)構(gòu)控制城市洪澇和污染的手段僅僅依靠著雨洪排放[1]，這種方式不僅使地下水補(bǔ)給量降低，對水體生態(tài)平衡帶來沖擊，還會造成大量水資源浪費(fèi)，地面污染物排入江河水體，為收納水土帶來嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，國內(nèi)海綿城市建設(shè)出現(xiàn)的新型雨洪管理理念LID(CLow Impact Development)低影響開發(fā)理念將會為城市雨洪管理提供巨大助力[2]。雨水管理模型模型是世界不同城市地區(qū)雨水管理、排水系統(tǒng)設(shè)計評估和低影響發(fā)展模擬分析以及中國海綿城市建設(shè)中最廣泛使用的工具。文章運(yùn)用SWMM一維水動力模型，得到了海綿城市設(shè)施前后悅來張家溪河道徑流的變化，對徑流特性進(jìn)行了分析。

1 模型與模擬方法

1.1 模型簡介

雨水管理模型可動態(tài)模擬降水—徑流過程，通過布設(shè)管渠、蓄水池、排水口等設(shè)施，并率定研究流域集雨面積和下墊面屬性參數(shù)，模擬系統(tǒng)中匯水情況的動態(tài)軌跡[3]。王文亮等[4]運(yùn)用SWMM模型校核了傳統(tǒng)管線，評價了研究區(qū)域場地徑流特性，發(fā)現(xiàn)LID設(shè)施對徑流和污染物的削減效果較為顯著。張雙雙等[5]將SWMM模型應(yīng)用于常州某區(qū)域，在重現(xiàn)期80 a降雨條件下，研究了不同比例下的透水鋪裝和下沉式綠地對區(qū)域的減流效果。任伯幟等[6]、董欣等[7]采用SWMM模型模擬了小流域降雨徑流過程，發(fā)現(xiàn)SWMM模型對小流域有極好的適用性以及模擬精度，推廣了模型在小流域的應(yīng)用范圍。劉興坡等[8]分析了我國管網(wǎng)水文數(shù)據(jù)以及河道現(xiàn)狀，應(yīng)用SWMM模型提出了徑流參數(shù)校準(zhǔn)的方法，提高了模型模擬精度。2016年，方芃等[9]建立了城市內(nèi)澇模型，結(jié)合了SWMM模型對某城鎮(zhèn)河道水系承載能力進(jìn)行了論證。安志鵬[10]通過SWMM模型研究研究了雨水系統(tǒng)和天然河道相互作用下的優(yōu)化運(yùn)行，使城市排水管網(wǎng)的發(fā)展更具有持續(xù)性。劉蒙泰等[11]運(yùn)用PCSWMM模型有效分析了工程措施造成水量縮減致水環(huán)境的影響程度。蘇波等[12]利用SWMM模型研究了不同重現(xiàn)期下徑流調(diào)節(jié)對于雨洪管理模型的響應(yīng)程度。

1.2 模型建立

1.2.1研究區(qū)域概化

重慶悅來張家溪地處重慶市北部，作為全國海綿城市試點(diǎn)之一，張家溪為嘉陵江一級支流，研究區(qū)域面積為4.96 km2，近年修建悅來新城，打造“天然海綿”，人類工程建設(shè)活動偏多，原始地形變化幅度大。

根據(jù)悅來新城用地布局規(guī)劃資料，將研究區(qū)域按照子流域劃分將不同用地屬性的區(qū)域劃分成塊，考慮下墊面因素，結(jié)合市政道路和排水管網(wǎng)分布情況，遵循模型概化原則，將研究區(qū)域劃分成124個子匯水區(qū)。子匯水區(qū)分布如圖1所示。

圖1 悅來地區(qū)SWMM模型子匯水區(qū)分布示意

悅來新城排水管網(wǎng)系統(tǒng)是由檢測井，排水管道等泄洪建筑物組成的大型工程系統(tǒng)。根據(jù)悅來新城排水工程圖，將探究區(qū)官網(wǎng)概括為212條排水管道，213個排水節(jié)點(diǎn)和1個出水口節(jié)點(diǎn)，位于悅來張家溪內(nèi)，與嘉陵江左岸相連(如圖2所示)。

圖2 悅來地區(qū)SWMM模型管網(wǎng)分布示意

1.2.2模型參數(shù)確定

在建立悅來地區(qū)子匯水區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型后，通過測量和分析能獲得各子匯水區(qū)的面積，特征寬度和平均坡度，這些都是相對確定的，不會隨著模型的標(biāo)定和校準(zhǔn)而改變。對于有無洼地蓄水的子匯水區(qū)，不透水率，糙率等參數(shù)都不能直接得到。為了避免較大的誤差，有必要利用實(shí)測數(shù)據(jù)對經(jīng)驗(yàn)方法得到的值進(jìn)行識別和校正。

利用ArcGIS數(shù)字測量工具獲得了研究區(qū)子匯水區(qū)產(chǎn)流面積和平均坡度，但悅來地區(qū)開發(fā)非常密集，坡度變化很大，因此，ArcGIS的計算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)不同，需結(jié)合現(xiàn)狀道路地形標(biāo)高和管網(wǎng)排水坡度進(jìn)行修正。

不透水率指匯水區(qū)不透水面積占總面積的百分比，根據(jù)《重慶市兩江新區(qū)悅來新城海綿城市建設(shè)總體規(guī)劃》規(guī)劃用地和土地利用類型不透水面積比例參考值確定。

1.2.3SWMM模型參數(shù)率定與校驗(yàn)

文章采用納什效率系數(shù)RNS、洪峰流量相對誤差REP以及峰現(xiàn)時間誤差A(yù)ET3個指標(biāo)衡量模型模擬精度?！端那閳箢A(yù)報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)規(guī)定其納西效率系數(shù)要求為50%≤RNS<70%，洪峰流量相對誤差REP<20%，峰現(xiàn)時間誤差A(yù)ET以預(yù)報根據(jù)時間至實(shí)測洪峰出現(xiàn)時間之間時距的30%作為許可誤差。計算方法如下:

(1)

式中：

N——實(shí)測流量數(shù)據(jù)個數(shù)；

(2)

式中：

(3)

式中：

根據(jù)悅來新城實(shí)測降雨徑流資料，采用2019年3月22日實(shí)測降雨資料進(jìn)行標(biāo)定，徑流監(jiān)測采用JL405站監(jiān)測資料。經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整和試算，徑流量的模擬值與實(shí)測值的納西效率系數(shù)值RNS為59%，大于50%。洪峰流量相對誤差REP為0.2%，小于20%；峰現(xiàn)時間誤差A(yù)ET為0.25 h，滿足精度要求。率定后徑流實(shí)測值與模擬值過程線(如圖3所示)。

圖3 20190322實(shí)測—模擬徑流對比示意

對參數(shù)進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，使模擬徑流更符合實(shí)測徑流數(shù)據(jù)，提高模型在此次模擬的精確度。參數(shù)率定后取值見表1。

表1 參數(shù)率定后參數(shù)取值

為驗(yàn)證在其他降雨條件下率定后模型的穩(wěn)定性，選用2019年3月23日、2019年3月30日降雨進(jìn)行驗(yàn)證，作出徑流實(shí)測值和模擬過程線(如圖4～圖5所示)。

2019年3月23日徑流量的模擬值與實(shí)測值的納西效率系數(shù)RNS為69%, 大于50%；洪峰流量相對誤差REP為 15%，小于20%；峰現(xiàn)時間誤差A(yù)ET為0.1 h，滿足精度要求。2019年3月30日徑流量的模擬值與實(shí)測值的納西效率系數(shù)RNS為74%, 大于50%；洪峰流量相對誤差REP為 13%，小于20%；峰現(xiàn)時間誤差A(yù)ET為0.1 h，滿足精度要求。

圖4 20190323實(shí)測—模擬徑流對比示意

圖5 20190330實(shí)測—模擬徑流對比示意

根據(jù)上述分析表明，基于實(shí)測數(shù)據(jù)率定后的模擬結(jié)果符合研究區(qū)徑流的產(chǎn)生和收集規(guī)律，具有良好的穩(wěn)定性和適用性。率定后的模型參數(shù)可用于整個研究區(qū)域，以模擬不同降雨情景下研究區(qū)域的徑流過程。

2 基于SWMM模型悅來張家溪徑流分析

2.1 SWMM模型理論

SWMM基于兩個控制方程模擬地表徑流:連續(xù)性方程和動量方程。由子匯水區(qū)收集的雨水最終排入網(wǎng)絡(luò)，通過求解動態(tài)波動方程或其簡化形式計算網(wǎng)絡(luò)中的水流路徑。一維水動力模型的連續(xù)性和動量方程由下式給出:

(4)

(5)

式中：

t——時間, s；

Q——流量，m3/s；

A——過流斷面面積,m2；

H——靜壓水頭高度，m；

g——重力加速度，m2/s。

摩阻坡度Sf定義為:

(6)

式中:

K=gn2，n——曼寧系數(shù)；

R——水力半徑，m；

V——平均流速，m/s。

根據(jù)水平衡原理，SWMM節(jié)點(diǎn)方程由式(7)給出：

(7)

式中：

H——節(jié)點(diǎn)水位，m；

Q——管道流入流量，m3/s；

Ask——節(jié)點(diǎn)面積，m2

2.2 悅來張家溪天然流域徑流分析

研究區(qū)域?qū)⒅ゼ痈绫┯赀^程法和重慶市主城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合根據(jù)不同重現(xiàn)期推求設(shè)計洪水，設(shè)計歷時120 min，雨峰系數(shù)為0.17。

為分析海綿設(shè)施前后悅來張家溪河道徑流的變化，首先對張家溪開發(fā)前天然河道的徑流進(jìn)行模擬，分析其徑流特征。選取重現(xiàn)期P分別為1 a、5 a、20 a、50 a、100 a時的設(shè)計降雨條件，各重現(xiàn)期下張家溪本底河道徑流過程如圖6所示。

觀察徑流的過程，洪水從20 min開始急劇上升，洪峰大約在61 min后出現(xiàn)，之后緩慢退去，洪水在達(dá)到200 min后開始急劇下降。張家溪天然河的徑流量總體上呈尖細(xì)型，洪水陡漲緩降。隨著重現(xiàn)期的增加，退水逐漸變陡。主要原因是流域地處山區(qū)，河流坡度大，匯流時間短，洪水上漲較快。由于天然河流域具有較大的透水面積，滲透性和洼地蓄積性，可以起到一定的調(diào)洪調(diào)蓄作用，故退水呈現(xiàn)出相對緩慢的趨勢。但隨著重現(xiàn)期和降雨的增加，其調(diào)節(jié)和儲存功能越來越弱，衰退逐漸加劇。

圖6 張家溪天然河道徑流過程示意

2.3 悅來張家溪流域傳統(tǒng)城市開發(fā)徑流分析

為分析海綿設(shè)施建設(shè)的效果，本研究首先進(jìn)行了無海綿設(shè)施條件下的徑流模擬，不同重現(xiàn)期下張家溪河道洪水過程線如圖7所示。

圖7 張家溪流域傳統(tǒng)城市開發(fā)徑流過程示意

傳統(tǒng)城市開發(fā)模式下，張家溪河道徑流過程整體呈現(xiàn)為尖瘦型，洪水漲落都比較明顯且快速，相較于張家溪本底河道徑流過程，傳統(tǒng)開發(fā)模式下洪水洪峰增加明顯。主要原因是傳統(tǒng)開發(fā)模式下，下墊面性質(zhì)發(fā)生了較大變化，不透水區(qū)域大面積增加，水源涵養(yǎng)能力降低，產(chǎn)流量增加。

2.4 悅來張家溪流域低影響開發(fā)模式徑流分析

常見的LID設(shè)施按功能分為四大類，分別為滲透技術(shù)類、調(diào)蓄技術(shù)類、傳輸技術(shù)類、凈化技術(shù)類。悅來新城采用LID措施為：生物滯留設(shè)施+雨水桶+透水鋪裝+綠色屋頂+調(diào)蓄設(shè)施。海綿建設(shè)過后張家溪河道徑流的特征(見圖8)。

圖8 張家溪低影響模式開發(fā)徑流過程示意

可以看出各暴雨重現(xiàn)期下，海綿建設(shè)過后張家溪河道徑流特征與本底河道類似，洪水過程線整體呈尖瘦型，洪水陡漲明顯，退水較緩。主要原因是因?yàn)榱饔蛭挥谏絽^(qū)，匯水面以及河道坡度大，匯流時間短，洪水調(diào)節(jié)能力低，所以洪水陡漲；又因?yàn)楹＞d設(shè)施具有一定調(diào)蓄作用，故退水較緩，但隨著重現(xiàn)期增加，退水逐漸變陡，其原因是隨著重現(xiàn)期增加，降雨量增加，海綿設(shè)施的調(diào)蓄能力起的作用越來越小。

3 張家溪流域本底、海綿設(shè)施前后徑流對比分析

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2016)，本研究運(yùn)用SWMM模型計算研究區(qū)域在重現(xiàn)期P分別為1 a、5 a、20 a、50 a、100 a時的設(shè)計降雨條件下，直觀地表現(xiàn)LID實(shí)施前后與張家溪河道本底徑流的變化過程，對比分析見圖9～圖13。

在原始天然區(qū)域進(jìn)行城市開發(fā)，對當(dāng)?shù)貜搅饔绊懯蔷薮蟮模篜=1 a時，與其天然流域相比，低影響開發(fā)建設(shè)該區(qū)域后，洪峰流量增加95%，徑流總量增加98%，傳統(tǒng)城市建設(shè)該區(qū)域后，洪峰流量會增加225%，徑流總量增加187%。當(dāng)重現(xiàn)期增加時，低影響開發(fā)和傳統(tǒng)城市開發(fā)后的徑流增長在逐漸降低，到P=100 a時，低影響開發(fā)建設(shè)區(qū)域洪峰流量幾乎不變，徑流總量僅增加4%，傳統(tǒng)城市建設(shè)該區(qū)域后，洪峰流量會增加11%，徑流總量增加4.5%，整個降雨模擬過程發(fā)現(xiàn)洪峰歷時變化不大，各重現(xiàn)期基本保持一致。

徑流系數(shù)可反映降水深度—徑流深度隨時間變化而變化的瞬時關(guān)系，主要受子匯水區(qū)地形地貌、匯水坡度等因素影響。運(yùn)用式(8)徑流系數(shù)估算模型：

(8)

式中:

P—單位時間內(nèi)的降雨量，mm；

K—土壤飽和系數(shù)；

dP—單位時間內(nèi)的降雨量，mm；

dR—單位時間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量，mm。

圖9 1年一遇設(shè)計暴雨對比分析示意

圖10 5年一遇設(shè)計暴雨對比分析示意

圖11 20年一遇設(shè)計暴雨對比分析示意

圖12 50年一遇設(shè)計暴雨對比分析示意

圖13 100年一遇設(shè)計暴雨對比分析示意

計算124子匯水區(qū)得到徑流系數(shù)(見表2、表3)，由于子匯水區(qū)較多，數(shù)據(jù)選取Z1～Z10列出，對124個子匯水區(qū)做徑流分析，由于暴雨重現(xiàn)期增大，地面下滲能力嚴(yán)重滯后于降水量，因此,徑流系數(shù)隨重現(xiàn)期增大而增大，而悅來城區(qū)低影響開發(fā)后，徑流系數(shù)相較于傳統(tǒng)城市開發(fā)的徑流系數(shù)有所下降，尤其在暴雨重現(xiàn)期短的降雨下，但在暴雨重現(xiàn)期50 a、100 a的情形下減低幅度極低。

表2 低影響開發(fā)Z1～Z10子匯水區(qū)域徑流模擬成果

表3 傳統(tǒng)城市開發(fā)Z1～Z10子匯水區(qū)域徑流模擬成果

另一方面,不同重現(xiàn)期低影響開發(fā)設(shè)施的建設(shè)都能一定程度的削減洪峰流量和洪水總量，但從整體出發(fā)，隨著設(shè)計暴雨重現(xiàn)期的不斷增加，LID 措施對徑流總量、洪峰流量的削減作用便沒有之前那么明顯(如圖14所示)。

圖14 不同重現(xiàn)期削減率對比示意

4 結(jié)語

1) 通過分析可見重現(xiàn)期越短，城市建設(shè)對徑流影響程度越大，洪峰流量及洪水總量都明顯的增加；從理論層面分析，主要原因是不透水下墊面的增加和透水下墊面的減小，典型的透水下墊面有森林、濕地、水田，在原始條件下森林、濕地、水田能截留大量的降水因此徑流系數(shù)較小，但由于人為開發(fā)，破壞了原始下墊面，使透水域變?yōu)椴煌杆颉?/p>

2) 由低影響開發(fā)設(shè)施建設(shè)前后情況進(jìn)行對比分析，可以看出洪峰流量及洪水總量得到了明顯的降低，該結(jié)果表明合理的LID措施對于研究區(qū)洪峰流量以及徑流總量的削減是非常有效的，致徑流系數(shù)也明顯降低，從對這兩方面的削弱而起到涵養(yǎng)水源的作用。但隨著重現(xiàn)期增大，流量削減作用明顯降低，徑流系數(shù)變化十分微小。