基于HYDRUS-1D生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控模擬

張 煒，王浩遠(yuǎn)，趙玉華，李思敏

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2. 河北省水污染控制與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

近年來(lái)，為應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇頻繁和水環(huán)境惡化，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施并全面推進(jìn)海綿城市建設(shè)，生物滯留設(shè)施作為主要的單項(xiàng)海綿措施之一受到了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，相關(guān)理論與技術(shù)的研究不斷發(fā)展[1-3]。目前，關(guān)于生物滯留設(shè)施的研究大多集中于試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)研究[4-5]，容易受到試驗(yàn)裝置或現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，鑒于模型模擬可以大范圍多角度地分析解決問(wèn)題，且具有較好的準(zhǔn)確性和便捷性，眾多學(xué)者引入模型技術(shù)用于生物滯留設(shè)施的研發(fā)工作[6]。唐雙成等[7]利用西安市1951—2007年長(zhǎng)序列降雨過(guò)程，通過(guò)DRAINMOD模擬雨水花園長(zhǎng)期運(yùn)行效果；Gao等[8]利用RECARGA模擬生物滯留設(shè)施對(duì)降雨徑流調(diào)控效應(yīng)；Meng等[9]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了HYDRUS-1D模擬生物滯留設(shè)施運(yùn)行效果的可靠性。HYDRUS-1D是由美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的土壤環(huán)境模擬軟件，可以模擬變飽和多孔介質(zhì)中的一維水流入滲過(guò)程，適應(yīng)范圍較廣，模擬結(jié)果可靠[10-11]。殷瑞雪等[12]以北京城區(qū)為背景，運(yùn)用HYDRUS-1D模擬分析兩種填料層生物滯留設(shè)施在不同重現(xiàn)期下24 h降雨過(guò)程的產(chǎn)流規(guī)律；李家科等[13]通過(guò)設(shè)定多組情景，利用HYDRUS-1D模擬不同填料層厚度生物滯留設(shè)施徑流總量調(diào)控效果。然而，不同地區(qū)降雨特征差異較大，需根據(jù)降雨條件調(diào)整生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)性研究。因此，本文通過(guò)物模試驗(yàn)結(jié)果率定模型參數(shù)，驗(yàn)證基于HYDRUS-1D生物滯留設(shè)施模型模擬結(jié)果的可靠性；通過(guò)改變降雨特征和設(shè)施結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析不同水力負(fù)荷、蓄水層高度和初始含水率條件下生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控效應(yīng)，以期為生物滯留設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

生物滯留設(shè)施試驗(yàn)裝置采用直徑150 mm UPVC管試制，依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)要求，設(shè)施自上而下分為50 mm超高層、100 mm蓄水層、150 mm種植土層、600 mm填料層和100 mm承托層，如圖1所示。種植土層選用我國(guó)華北地區(qū)典型表層20 cm處粉質(zhì)壤土，種植北方地區(qū)常見(jiàn)的早熟禾和鳶尾；填料層選用體積比1∶2的種植土加工程砂混合填料。

圖1 生物滯留設(shè)施裝置示意圖

1.2 模型原理

HYDRUS-1D采用Richards方程來(lái)描述一維垂向水分運(yùn)移過(guò)程，忽略水流水平和側(cè)向運(yùn)動(dòng)[14]，表達(dá)式為

(1)

K(h,x)=Ks(x)Kr(h,x)

(2)

式中：h為壓力水頭，cm；θ為體積含水率，cm3/cm3；t為時(shí)間，s；x為垂向坐標(biāo)，cm；K(h,x)為非飽和滲透系數(shù)函數(shù)；S為源匯項(xiàng)，通常代表根系吸水率；β為水流方向與垂直方向夾角，取β=0；Kr為相對(duì)導(dǎo)水率，cm/d；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/d。

HYDRUS-1D提供了5種可選的土壤水力模型，本文選用應(yīng)用較為成熟、適用范圍更廣的van Genuchten-Mualem模型，且忽略水流滯后現(xiàn)象[15]，該模型方程為

(3)

(4)

(5)

其中

m=1-1/n

式中：θr為殘余含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；Se為有效飽和度；α為進(jìn)氣值倒數(shù)，cm-1；n為孔徑分布參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

取種植土和工程砂試樣風(fēng)干、研磨后過(guò)2mm篩，采用篩分法與比重計(jì)法測(cè)定試驗(yàn)所用種植土與混合填料顆粒組成，按照美國(guó)制土壤質(zhì)地三角圖確定其土壤質(zhì)地[16-17]，采用環(huán)刀法測(cè)定容重，烘干法測(cè)定含水率，通過(guò)HYDRUS-1D自帶的Rosetta軟件，依據(jù)種植土與混合填料的機(jī)械組成及容重?cái)M合水分特征曲線，預(yù)測(cè)水力模型參數(shù)[18]。為率定模型參數(shù)，驗(yàn)證模型的可靠性，依據(jù)邯鄲市暴雨強(qiáng)度公式和設(shè)計(jì)徑流量公式，綜合實(shí)際降雨特征和生物滯留設(shè)施分布特征，選擇降雨重現(xiàn)期為0.5 a、2 a和5 a，降雨時(shí)長(zhǎng)為60 min、90 min和120 min的降雨過(guò)程，并且采用生物滯留設(shè)施匯流比為10∶1、15∶1和20∶1，結(jié)合正交試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，如圖2所示。受試驗(yàn)條件的制約，試驗(yàn)時(shí)采用恒定進(jìn)水水力負(fù)荷，同時(shí)觀測(cè)和記錄設(shè)施的溢流和出水過(guò)程，直至進(jìn)水結(jié)束。分析生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控影響因素時(shí)，為盡可能地模擬實(shí)際降雨過(guò)程，按芝加哥雨型確定生物滯留設(shè)施進(jìn)水量，雨峰系數(shù)取0.4[19]。

圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)通過(guò)蠕動(dòng)泵(保定蘭格WT600-2J-A)控制裝置進(jìn)水流量，在裝置溢流口和出水口利用容積法測(cè)定溢流量和出水量。每次試驗(yàn)間隔3 d，試驗(yàn)前測(cè)定裝置種植土層和填料層初始含水率，以保證每次試驗(yàn)生物滯留設(shè)施各層含水率基本相同。通過(guò)HYDRUS-1D建立生物滯留設(shè)施模型，以含水率作為模型初始條件，模型上邊界為大氣邊界條件，下邊界(出水口)為自由出流邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)降雨時(shí)長(zhǎng)確定模型的時(shí)間信息和輸出信息，迭代信息參照模型默認(rèn)值。因試驗(yàn)降雨時(shí)長(zhǎng)較短，故忽略植物吸收、土壤蒸發(fā)及環(huán)境溫度等對(duì)雨水徑流的影響。選取M1、M4、M7方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，主要調(diào)整種植土層和填料層的Ks、θs及n，輔助微調(diào)θr和α[13]，對(duì)比生物滯留設(shè)施溢流量的模擬值和實(shí)測(cè)值；利用M2、M3、M5、M6、M8、M9方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型可靠性。在參數(shù)率定和驗(yàn)證模型可靠性的過(guò)程中，通過(guò)均方根誤差(RMSE)、相對(duì)誤差(RE)、納什效率系數(shù)(NSE)及決定系數(shù)(R2) 4個(gè)指標(biāo)判斷模擬值和實(shí)測(cè)值之間的吻合度[20-21]。生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控效應(yīng)受水力負(fù)荷、蓄水層高度和初始含水率等因素的影響。采用驗(yàn)證后的生物滯留設(shè)施模型，通過(guò)改變不同影響因素，設(shè)定多組模擬情景，分析生物滯留設(shè)施水文調(diào)控效能，判斷設(shè)施達(dá)到最佳調(diào)控效果的條件，從而達(dá)到優(yōu)化和推廣生物滯留設(shè)施的目的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)率定和驗(yàn)證

依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果的吻合程度，不斷優(yōu)化調(diào)整種植土層和填料層對(duì)應(yīng)的θr、θs、α、n、Ks等模型水力特征參數(shù)，參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表1。將參數(shù)率定結(jié)果代入模型，利用剩余6組試驗(yàn)驗(yàn)證模型可靠性，率定期與驗(yàn)證期模型模擬評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，模型RMSE為0.038～0.134，RE為-2.28%～7.59%，NSE為0.849～0.999，R2為0.894～0.999，表明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，模型模擬結(jié)果可靠。

表1 模型參數(shù)率定結(jié)果

表2 模型評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 雨水徑流水文調(diào)控效能

運(yùn)用驗(yàn)證后的HYDRUS-1D模型，模擬生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控效能。選取產(chǎn)流延遲時(shí)間t1、峰現(xiàn)延遲時(shí)間t2、徑流總量削減率E1和徑流峰值削減率E2作為生物滯留設(shè)施雨水徑流水文調(diào)控效能的評(píng)判指標(biāo)。僅以重現(xiàn)期0.5 a和降雨時(shí)長(zhǎng)60 min作為降雨條件，以匯流比10∶1、蓄水層高度10 cm和初始含水率20%的生物滯留設(shè)施為例，其設(shè)施徑流水文調(diào)控過(guò)程如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，在雨水進(jìn)入生物滯留設(shè)施初期，雨水流量較小，設(shè)施蓄水層可以蓄存一部分雨水，同時(shí)通過(guò)基質(zhì)的入滲未產(chǎn)生溢流；當(dāng)蓄水達(dá)到一定高度后，通過(guò)溢流口排出，溢流出水時(shí)間即為t1；隨后溢流流量快速增加，達(dá)到峰值后呈緩慢減小趨勢(shì)，進(jìn)水流量峰值時(shí)間與溢流量峰值時(shí)間差值即為t2；累積進(jìn)水體積隨著雨水徑流的變化緩慢增加，在進(jìn)水流量到達(dá)峰值時(shí)快速上升，然后隨著進(jìn)水流量的減小緩慢增大，溢流出水伊始累積溢流體積上升速度較快，而后逐漸趨于緩慢，累積進(jìn)水與溢流體積差值表示徑流總量削減量，其與累積進(jìn)水體積的比值為E1；進(jìn)水峰值流量與溢流峰值流量的差值為徑流峰值削減量，其與進(jìn)水峰值流量的比值為E2。

圖3 生物滯留設(shè)施水文調(diào)控過(guò)程

2.3 影響因素

2.3.1水力負(fù)荷

降雨重現(xiàn)期P、降雨時(shí)長(zhǎng)Td及匯流比i是影響進(jìn)水負(fù)荷的重要因素，通過(guò)模擬芝加哥雨型，根據(jù)3種影響因素設(shè)置10種模擬情景進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比分析不同條件下生物滯留設(shè)施水文調(diào)控過(guò)程，結(jié)果如表3所示。

a.降雨重現(xiàn)期。根據(jù)表3對(duì)比情景1、情景2、情景3及情景4可知，在Td、i一致的情況下，分析生物滯留設(shè)施水文調(diào)控效果，隨著P不斷增加，t1、t2、E1和E2均逐漸減小。與P為0.5 a相比，生物滯留設(shè)施在P為5 a條件下，t1和t2分別減少9 min和2 min、E1和E2分別降低28.48%和34.22%。這是由于隨著重現(xiàn)期的增加，生物滯留設(shè)施瞬時(shí)進(jìn)水量大于等于填料滲透量的臨界點(diǎn)前移，其產(chǎn)流時(shí)間和峰現(xiàn)時(shí)間隨之提前，進(jìn)水不能及時(shí)下滲的降雨時(shí)段延長(zhǎng)，溢流量也逐漸增大。Meng等[9]在對(duì)生物滯留設(shè)施的產(chǎn)流模擬中，設(shè)置了不同重現(xiàn)期下24 h降水量，徑流削減率從90.7%下降至25.8%，可見(jiàn)隨著重現(xiàn)期的增加生物滯留設(shè)施對(duì)于雨水徑流總量削減率不斷下降。P≤1 a時(shí)，生物滯留設(shè)施的雨水徑流峰值削減作用較為明顯；P>1 a時(shí)，E2則由12.72%迅速下降至2.60%后又緩慢下降至2.00%，表明生物滯留設(shè)施對(duì)P>1 a的降雨徑流峰值削減能力較差，且重現(xiàn)期越大，生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流峰值調(diào)控效果差異越小。

表3 不同情景水文調(diào)控模擬結(jié)果

b.降雨時(shí)長(zhǎng)。對(duì)比情景1、情景5、情景6及情景7可知，Td取30～180 min之間時(shí)，生物滯留設(shè)施雨水徑流的t1、t2分別為15～65 min、0～5 min，E1、E2分別為37.94%～70.24%、2.72%～57.37%。隨著Td的增加，生物滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流調(diào)控效果的影響逐漸減小，當(dāng)Td>120 min時(shí)其影響可忽略不計(jì)。這是由于隨著Td增加，進(jìn)水總量不斷增大，而生物滯留設(shè)施填料層存在一個(gè)飽和含水率狀態(tài)，一旦填料層達(dá)到飽和含水率，生物滯留設(shè)施進(jìn)水將處于穩(wěn)定入滲狀態(tài)，其滲透能力不再隨Td的延長(zhǎng)而改變，進(jìn)水量越大，其溢流量也相應(yīng)增加。

c.匯流比。i是指生物滯留設(shè)施表面積與整個(gè)匯水面積的比值，是生物滯留設(shè)施主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。對(duì)比情景1、情景8、情景9及情景10可知，在i為5∶1～20∶1時(shí)，i=20∶1的生物滯留設(shè)施相較于i=5∶1的情況，其E1、E2分別降低73.89%、97.90%，t1、t2分別減少42 min、35 min，E1、E2、t1、t2隨著i的增加先快速下降；當(dāng)i>10∶1后，其下降趨勢(shì)趨于平緩。由于進(jìn)水量的變化并不會(huì)影響土壤填料的下滲速率，整體上隨著i的增加，進(jìn)水流量不斷增大，設(shè)施對(duì)于徑流的調(diào)控能力呈下降趨勢(shì)。

2.3.2蓄水層高度

初始含水率m0=20%的生物滯留設(shè)施在P=0.5 a、Td=60 min、i=10∶1情況下，對(duì)不同蓄水層高度H的生物滯留設(shè)施進(jìn)行產(chǎn)流模擬分析，選取H分別為0 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm，不同蓄水層高度生物滯留設(shè)施水文調(diào)控效應(yīng)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)進(jìn)水流量一致時(shí)，隨著H的增大，溢流量大大減少，并有溢流延遲現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)H由0 cm變化至25 cm時(shí)，生物滯留設(shè)施的E1、E2分別為13.84%～100%、3.26%～100%，t1、t2分別為2.25～60 min、0～36 min。H為25 cm的生物滯留設(shè)施相較于H為0 cm的設(shè)施，E1、E2分別提升了86.16%、96.74%，t1、t2分別提升了57.8 min、36.0 min。并隨著H的不斷增加，E1、E2、t1、t2呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。蓄水層高度越高，設(shè)施對(duì)于徑流的調(diào)控效益越顯著，與涂安國(guó)等[22]的研究結(jié)果類(lèi)似。這是由于雨水徑流進(jìn)入生物滯留設(shè)施以后，一部分通過(guò)填料層下滲，另一部分蓄存在設(shè)施蓄水層內(nèi)，當(dāng)蓄存雨水超過(guò)蓄水層高度后，以溢流形式排出形成雨水徑流。蓄水層高度越高，設(shè)施能夠蓄積的雨水徑流越多，對(duì)于雨水徑流的調(diào)蓄能力越大。此外，雖然增大蓄水層高度可以顯著地提高雨水徑流調(diào)控能力，但也會(huì)使得積水時(shí)間大大延長(zhǎng)，影響設(shè)施中植物的生長(zhǎng)且導(dǎo)致蚊蠅滋生破壞環(huán)境，因此，設(shè)計(jì)生物滯留設(shè)施蓄水層高度時(shí)，需綜合考慮多方面因素限制以使效益最大化。

(a)削減率

(b)延遲時(shí)間

2.3.3初始含水率

m0與前期干旱天數(shù)相關(guān)，前期干旱天數(shù)增加導(dǎo)致土壤水分通過(guò)蒸發(fā)不斷減少。分別對(duì)H=10 cm的生物滯留設(shè)施在P=0.5 a、Td=60 min、i=10∶1情況下，不同m0的生物滯留設(shè)施進(jìn)行產(chǎn)流模擬分析，選取m0分別為15%、20%、25%、30%，生物滯留設(shè)施水文調(diào)控效應(yīng)如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)m0由15%變化至30%時(shí)，生物滯留設(shè)施E1、E2分別為49.32%～54.11%、22.84%～45.37%，t1、t2分別為24.1～25.0 min、1.0～2.5 min。隨著生物滯留設(shè)施m0的不斷增加，E1變化不大，而E2變化較為明顯，當(dāng)m0>25%后峰值削減率出現(xiàn)拐點(diǎn)，整體呈先快后慢的下降趨勢(shì)；t1、t2，整體變化趨勢(shì)不大。相同降雨條件下，m0越低，生物滯留設(shè)施對(duì)于雨水徑流的調(diào)控效應(yīng)越好，與郭瀛莉等[23]通過(guò)分析土壤前期含水率對(duì)下凹式綠地徑流調(diào)控效應(yīng)的影響得到的結(jié)論基本一致。這是因?yàn)橥寥狼捌诤枯^低時(shí)，土壤顆粒間的結(jié)合力很小，貯存雨水徑流的有效孔隙體積變大，提高了土壤的入滲能力，導(dǎo)致穩(wěn)定入滲階段所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，從而減少地表徑流，達(dá)到調(diào)控徑流的作用。

(a)削減率

(b)延遲時(shí)間

3 結(jié) 論

a.利用實(shí)測(cè)生物滯留設(shè)施物模試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定HYDRUS-1D模型參數(shù)，RMSE為0.038～0.134，RE為-2.28%～7.59%，NSE為0.849～0.999，R2為0.894～0.999，驗(yàn)證了模型的可靠性，可以用于分析生物滯留設(shè)施雨水徑流水文效應(yīng)。

b.水力負(fù)荷的變化對(duì)生物滯留設(shè)施水文調(diào)控起著重要的作用，降雨重現(xiàn)期從0.5 a變至5 a，徑流總量和峰值削減率及產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時(shí)間分別降低28.48%、34.22%、9 min、2 min；降雨時(shí)長(zhǎng)從30 min變至180 min，徑流總量和峰值削減率分別降低32.30%和54.65%，產(chǎn)流延遲時(shí)間增加50 min，峰現(xiàn)延遲時(shí)間減少5min；隨著匯流比的增加，設(shè)施徑流總量和峰值削減率及產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時(shí)間先快速下降，當(dāng)匯流比大于10∶1后，其下降趨勢(shì)趨于平緩，整體上分別降低73.89%、97.90%、42 min、35 min。

c.蓄水層高度的增加顯著提升了生物滯留設(shè)施水文調(diào)控效能，蓄水層高由0 cm增加到25 cm時(shí)，徑流總量和峰值削減率及產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時(shí)間分別提升了86.16%、96.74%、57.8 min、36.0 min，并且呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)；初始含水率從15%增加到30%時(shí)，其徑流總量和峰值削減率分別降低4.79%和22.53%，當(dāng)初始含水率大于25%后峰值削減率出現(xiàn)拐點(diǎn)，整體下降趨勢(shì)先快后慢，產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時(shí)間分別降低0.9 min和1.5 min，整體變化趨勢(shì)不大。