中小尺度下綠地格局的徑流控制分析*

劉 永 劉 暉

西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院 西安 710055

隨著城市化的快速發(fā)展， 城水問題愈發(fā)顯著，區(qū)域濕地面積減少， 雨洪調(diào)蓄能力減弱[1-2]， 從20 世紀(jì)60 年代至今， 將城市雨洪管理與城市空間布局以及生態(tài)景觀系統(tǒng)相結(jié)合已成為城市發(fā)展的新趨勢并形成了諸多先進(jìn)的雨洪管理理念[3-5]。城市中30%～40%的綠地率僅僅反映了綠地的占比， 而實(shí)際的城市生態(tài)績效并不與之匹配。 如何在復(fù)雜的城市空間中通過精準(zhǔn)綠地布局來緩解城水問題， 已成為當(dāng)下協(xié)調(diào)城市發(fā)展與改善生態(tài)環(huán)境的重要切入點(diǎn)。

在城市建設(shè)中， 綠地是協(xié)調(diào)城水關(guān)系的重要載體， 不同尺度下的景觀格局對生態(tài)過程的影響也不相同[6]， 該影響同樣體現(xiàn)在徑流調(diào)蓄功效上。在海綿城市建設(shè)過程中， 地形與綠地格局是影響場地徑流情況的重要因子。 本文在相同研究尺度下， 對常規(guī)式綠地分布、 中心貫穿式綠地分布、離散式綠地分布3 類典型的綠地布局模式進(jìn)行模擬分析。

如圖1 所示: 在常規(guī)式綠地分布模式中， 綠地依據(jù)建筑布局及用地性質(zhì)的功能需求而定， 場地在雨水排放過程中， 過多依靠管渠直接排放的方式造成大量的雨水資源浪費(fèi)； 在中心貫穿式綠地分布模式中， 場地中心設(shè)有綠地廊道， 通過周邊地塊匯水， 在雨水排放過程中， 中心綠廊可集中收水、 排水， 可節(jié)約部分敷設(shè)管渠的成本； 在離散式綠地分布模式中， 場地中設(shè)置不同級別的生態(tài)草溝， 依據(jù)地形連通形成不同級別的匯水途徑， 匯入周邊的環(huán)狀綠地廊道， 最終到達(dá)末端收集區(qū)域。 對附屬綠地的有效識別與利用， 將其有機(jī)地聯(lián)系可作為處理城市中分散的、 小范圍的雨水徑流調(diào)蓄場所， 這不僅可以實(shí)現(xiàn)對雨水的源頭控制， 而且有利于雨水的在地性收集利用[7]。

圖1 城市典型綠地布局模式示意

1 研究方法

1.1 研究尺度及樣方選取

通過對衛(wèi)星地圖分析， 發(fā)現(xiàn)城市街區(qū)尺度建設(shè)地塊邊長普遍集中在80～180 m 范圍內(nèi)， 其中80 m主要為老舊街區(qū)和其他邊界不是非常明顯的場地，而新建場地邊長多在100 m 左右。 為了在盡可能接近實(shí)際場地大小并在模擬過程中減小計算誤差的基礎(chǔ)上， 對比不同約束條件對徑流調(diào)蓄的貢獻(xiàn)， 選取100 m×100 m 作為樣方， 分別對不同綠地分布類型、 子匯水分區(qū)連通方式、 下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序4 類場地條件構(gòu)建水文模型， 通過多組對照模擬分析以上條件對徑流的管控效能。

在排水分區(qū)管控單元下的 “源頭—過程—末端” 的體系下， 不同層級的海綿設(shè)施可在隸屬的匯水單元中相互聯(lián)系， 構(gòu)成各自閉合的 “產(chǎn)匯消” 子體系。 相對于宏觀層面的地表徑流管控模式， 衍生出的 “產(chǎn)匯消” 子體系可以更系統(tǒng)地在場地、 街區(qū)等中小尺度下協(xié)調(diào)徑流管控， 而中小尺度下該體系的構(gòu)建， 無論在雨水資源的高效在地性利用， 還是設(shè)計層面均具備較強(qiáng)的可操作性和可重復(fù)性[8]。

1.2 綠地布局模式提取

1.2.1 不同綠地分布類型

在相同綠地率的前提下， 對綠地分布類型劃分為4 種模式 (圖2): 模式1 (中心集中式) 對應(yīng)街心公園的建設(shè)類型， 該模式綠地相對集中；模式2 (分散集中式) 對應(yīng)居住區(qū)中心綠地的布局， 每個地塊中心設(shè)置綠地， 對比中心集中式綠地， 該模式相對分散； 模式3 (分散邊緣式) 在地塊劃分上與分散集中式類似， 不同的是綠地分布于邊緣； 模式4 (分散條帶式) 中， 綠地呈條帶形分布于場地邊緣。

圖2 不同綠地分布類型模式

模式1 未劃分匯水分區(qū) (規(guī)模為 100 m×100 m)， LID 設(shè)施設(shè)置于場地中心 (規(guī)模為20 m×20 m)。 模式2、 3 為四等分的子匯水分區(qū) (規(guī)模為50 m×50 m)， 兩組模型中均設(shè)置面積相等的LID 設(shè)施 (規(guī)模為10 m×10 m)， 其中， 模式2 中的LID 設(shè)施設(shè)置于子匯水分區(qū)中心， 模式3 中LID 設(shè)施設(shè)置于子匯水分區(qū)邊緣， 模式4 中LID設(shè)施呈條帶狀分布于子匯水分區(qū)邊緣。

1.2.2 不同子匯水分區(qū)連通方式

子匯水分區(qū)的連通方式在一定程度上影響樣方內(nèi)的徑流調(diào)蓄能力。 研究以子匯水分區(qū)串、并聯(lián)及分區(qū)形狀作為變量，概化形成4 種典型模式(圖3)。

圖3 不同子匯水分區(qū)連通方式模式

如圖3 所示: 模式5、 6 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×25 m， 呈長方形； 模式7、 8 中子匯水分區(qū)規(guī)模為50 m×50 m， 呈正方形； 4 種模式對應(yīng)的LID 設(shè)施均設(shè)置在各子匯水分區(qū)中心。

1.2.3 下墊面連續(xù)程度及徑流入流順序

下墊面的連續(xù)程度可直接影響徑流的強(qiáng)度。在相同的綠地規(guī)模下， 連續(xù)性較強(qiáng)的硬質(zhì)鋪裝會帶來短時強(qiáng)徑流， 相反地， 連續(xù)性較強(qiáng)的綠地會對徑流進(jìn)行有效地削峰與錯峰。 對下墊面連續(xù)性進(jìn)行概化分類， 形成4 種典型模式 (圖4)。

如圖4 所示: 模式9、 10 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×25 m， 模式9 中徑流入流順序自上而下為 “硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)-綠地”， 模式10 中自上而下為 “綠地-硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)”； 模式 11、 12 中子匯水分區(qū)規(guī)模為100 m×50 m， 模式11 中徑流入流順序自上而下為 “硬質(zhì)-綠地”， 模式12 中自上而下為 “綠地-硬質(zhì)”。

圖4 下墊面連續(xù)程度及徑流入流順序模式

1.3 模擬工具選取

研究采用 Storm Water Management Model(SWMM) 作為模擬工具， 相關(guān)學(xué)者在對該模型進(jìn)行原理及實(shí)踐研究中， 對其在城市徑流模擬的適用性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 劉俊[9]利用連續(xù)方程與曼寧方程驗(yàn)證了模型在城市防洪與排水規(guī)劃設(shè)計中的適用性； 蔡凌豪[10]認(rèn)為SWMM 模型在中小尺度的水文模擬中具有更好的準(zhǔn)確性； 陳鑫等[11]通過對鄭州市主城區(qū)暴雨徑流過程進(jìn)行模擬， 驗(yàn)證了SWMM 模型在城市內(nèi)澇模擬中的適用性。 陳瓊[12]證明了基于 SWMM 模擬應(yīng)用 LID 技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。

趙冬泉等[13]、 劉興坡等[14]、 董欣等[15]、 王浩昌等[16]、 陳曉燕等[17]對SWMM 中的敏感參數(shù)進(jìn)行了率定， 并提出包括非滲透面積比例、 地表滲透能力、 特征寬度與下滲參數(shù)等因子對模擬結(jié)果的影響。 在SWMM 與LID 設(shè)施配置的研究中， 李家科等[18]、 張勝杰[19]、 馬箐等[20]、 李霞等[21]、 蔣春博等[22]分別對幾種低影響設(shè)施的徑流量及污染物削減的效果進(jìn)行模擬研究， 證明了對LID 設(shè)施進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化可提高其徑流管控效能。

1.4 模型參數(shù)選取及修正

1.4.1 特征寬度修正

在SWMM 模型中， 特征寬度 (Width) 由子匯水面積除以平均最大地表匯流長度給出[23-24，27]， 特征寬度具有較高的敏感性， 影響子匯水分區(qū)的劃分與模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[25-26]。 目前有4 種關(guān)于特征寬度的計算方法[28-30]， 本文選“面積/匯流長度” 的方法， 由于模式中地塊為矩形， 該方法不需要相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的修正， 可較為準(zhǔn)確地反應(yīng)特征寬度與地塊的關(guān)系， 同時減少因經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值不同而帶來的模擬結(jié)果誤差。 為了在模型中客觀反映子匯水分區(qū)中綠地的分布位置及類型， 需要通過修正匯流長度的方式獲取準(zhǔn)確的特征寬度。 對模式 1、 2、 3、 4 中子匯水分區(qū)匯流長度做如下修正 (圖5)。

圖5 模型參數(shù)示意

式 (1) 至式 (4) 中:LN為不同子匯水分區(qū)的徑流匯流長度 (m)；L為地塊邊長 (m)；L′為 LID 設(shè)施的邊長 (m)。 式 (1) 至式 (4)分別對應(yīng)模式1 至模式4 中的徑流匯流長度， 通過子匯水分區(qū)面積與匯流長度的比值確定其特征寬度。 后文各組模式根據(jù)以上方法確定特征寬度。

1.4.2 土壤及LID 設(shè)施參數(shù)調(diào)整

已有學(xué)者通過模型參數(shù)率定及場地監(jiān)測的方法對研究區(qū)土壤特性進(jìn)行研究[31]。 因此， 本研究地表產(chǎn)流模型選用 Horton 入滲模型， 土壤的最大、 最小入滲速率分別限定在0.254 m·h-1和0.010 m·h-1， 霍頓曲線下滲衰減常數(shù)取3 h-1，土壤完全排干時間為7 d， 不透水性地表和透水性地表的曼寧系數(shù)分別取0.01、 0.1， 不透水和透水區(qū)的洼蓄量分別為2 mm 和4 mm， 坡度取5‰，子匯水演算方式為OUTLET， 水力模塊采用動力波進(jìn)行模擬。 為減小變量造成的影響， 模型中的LID 設(shè)施均為Rain Garden， 蓄水深度取150 mm，植物覆蓋比取20%， 表面粗糙系數(shù)取0.1。

1.4.3 設(shè)計降雨雨型

式(5)中:q為暴雨強(qiáng)度，單位為L·(s·hm2)-1；C為雨量變動參數(shù)， 研究區(qū)為2.297；P為重現(xiàn)期(年)；t為降雨歷時 (min)；A為地方修正系數(shù)，研究區(qū)為6 789.002；b為時間參數(shù)， 研究區(qū)為30.251；n為衰減指數(shù)， 研究區(qū)為 1.141。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計降雨條件模擬結(jié)果

2.1.1 2 年一遇設(shè)計雨型下各排放口徑流排放

在2 年一遇設(shè)計雨型下對各組模式進(jìn)行模擬，各排放口徑流排放量見表1。

表1 2 年一遇設(shè)計雨型下各排放口徑流排放量統(tǒng)計 m3·s-1

2.1.2 5 年一遇設(shè)計雨型下各排放口徑流排放

在5 年一遇設(shè)計雨型下對各組模式進(jìn)行模擬，各排放口徑流排放量見表2。

表2 5 年一遇設(shè)計雨型下各排放口徑流排放量統(tǒng)計 m3·s-1

2.2 不同場地條件徑流調(diào)蓄效能分析

2.2.1 綠地分布類型

在2 年一遇降雨事件中， 模式1 與模式2、 3同時出現(xiàn)徑流峰值， 但在徑流削減率上， 模式2、3 比模式1 高11.1%， 且比模式1 徑流結(jié)束時間提前0.5 h， 即模式2、 3 中的綠地布局模式在徑流削峰與錯峰上均優(yōu)于模式1； 同時， 模式2、 3在徑流總量控制上也優(yōu)于模式1。 在5 年一遇降雨事件中， 模式2、 3 出現(xiàn)徑流的時間晚于模式1， 徑流削減率比模式1 高7.7%， 徑流總量控制優(yōu)于模式1。 值得注意的是， 在2 年及5 年一遇的降雨條件下， 模式4 控制徑流量的表現(xiàn)相對較差。究其原因， 在該降雨強(qiáng)度條件下， 模式4 (分散條帶式) 綠地分布集中在匯水分區(qū)邊緣， 場地發(fā)生蓄滿產(chǎn)流， 而模式4 中匯流長度最短， 所以徑流量較大。

2.2.2 子匯水分區(qū)連通方式

在2 年一遇降雨事件中， 模式6 徑流峰值最大。 究其原因: 子匯水分區(qū)的并聯(lián)式出流模式導(dǎo)致徑流只通過各自所在匯水分區(qū)最終排放， 未能與周邊子匯水分區(qū)連通， 所以在徑流峰值的削減上劣于模式 6、 7、 8。 模式 7 由于將各子匯水分區(qū)串聯(lián)， 且漫流長度相對較長， 徑流在流經(jīng)過程中可進(jìn)行一定量的下滲， 所以在錯峰與削峰上效果較好。 在5 年一遇降雨事件中， 模式6 在徑流峰值的削減上劣于模式7、 8， 而模式7 在徑流的錯峰與削峰能力上最好。 隨著降雨強(qiáng)度的增大，模式8 對場地徑流總量的控制能力有所降低， 說明子匯水分區(qū)串聯(lián)的方式比并聯(lián)方式更能有效控制場地徑流。 需要注意的是， 模式7 雖然有較好的徑流控制能力， 但由于各子匯水分區(qū)的串聯(lián)，場地下游的子匯水分區(qū)需要接受上游分區(qū)排入的徑流， 所以場地徑流過程持續(xù)時間較長。

2.2.3 下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序

在2 年及 5 年一遇降雨事件中， 模式 9、 10在徑流的錯峰與削峰上比模式11、 12 效果好， 且隨降雨強(qiáng)度的增大， 該結(jié)論得到驗(yàn)證。 連續(xù)性較高的不透水下墊面缺乏天然地面所具有的土壤和植被對徑流的吸收滯納能力[32]， 相較于集中式的綠地， 分散的綠地布局降低了不透水下墊面的連續(xù)程度， 從而可較好地對徑流進(jìn)行控制。

3 西安西咸新區(qū)白馬河公園設(shè)計及應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于陜西省西安市西咸新區(qū)灃西新城東部，東臨白馬河路， 北靠永灃路， 隸屬西咸新區(qū)灃西新城海綿示范區(qū)。 規(guī)劃總用地面積3.43 hm2， 東西長約240 m， 南北長約156 m， 屬于灃西新城北片區(qū)唯一一塊公園綠地， 對城市建設(shè)具有重要作用。

3.2 優(yōu)化模式應(yīng)用

如圖6 所示， 場地中心地勢較低， 形成大型下凹空間， 公園在海綿設(shè)施調(diào)蓄達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上仍有438.25 m3的調(diào)蓄富余量， 可收集公園南側(cè)及西側(cè)地塊的部分雨水。 在綠地分布類型上， 在每個子匯水分區(qū)內(nèi)部均設(shè)置對應(yīng)規(guī)模的調(diào)蓄空間進(jìn)行徑流消解， 相對分散的調(diào)蓄型綠地分布能確保在分區(qū)內(nèi)部控制自身徑流。 在子匯水分區(qū)連通方式上: 首先， 各個分區(qū)盡可能串聯(lián)， 以提高分區(qū)間的聯(lián)合消解功效； 其次， 場地北部設(shè)置雨水花園，在對該區(qū)域徑流進(jìn)行收集的同時， 對各設(shè)施進(jìn)行串聯(lián)， 將其調(diào)蓄功效最大化 (圖7)。 在下墊面不透水連續(xù)程度及徑流入流順序上， 對場地需設(shè)置硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域， 通過間隔設(shè)置綠地的方式， 減小硬質(zhì)下墊面的連續(xù)程度， 在徑流量與徑流強(qiáng)度上對雨水進(jìn)行控制。

圖6 方案總平面示意

圖7 項(xiàng)目下墊面格局分層解析

如圖8 所示: 場地北部有大面積硬質(zhì)鋪裝，方案采用透水鋪裝， 滿足游園路徑的前提下降低下墊面徑流系數(shù)； 通過模式9、 10 在徑流錯峰、削峰上的良好表現(xiàn)， 對該區(qū)域場地進(jìn)行分散的“硬質(zhì)-綠地-硬質(zhì)-綠地” 模式優(yōu)化； 場地北側(cè)硬質(zhì)鋪裝較多， 是場地徑流的多發(fā)區(qū)域， 對該區(qū)域鋪地格局采取透水鋪裝和綠地間隔的布局模式，降低硬質(zhì)鋪裝的連續(xù)程度， 進(jìn)一步調(diào)控該區(qū)域徑流； 沿環(huán)形步道內(nèi)側(cè)布置植被緩沖帶， 對徑流做短暫滯留， 降低徑流對下游植被沖刷的同時凈化水質(zhì)， 最終通過植草溝匯入場地中心的生物滯留區(qū)域。

圖8 項(xiàng)目下墊面徑流組織剖面分析

3.3 優(yōu)化模式模擬驗(yàn)證

3.3.1 模式概化模擬對比

如圖9 所示， 場地產(chǎn)生徑流的主要區(qū)域?yàn)楸眰?cè)入口區(qū)域， 由于使用功能的需求， 需設(shè)置較大面積的集散場地， 依據(jù)串聯(lián)模式在徑流控制上的良好表現(xiàn)對北側(cè)與東北側(cè)主入口雨水花園進(jìn)行內(nèi)部串聯(lián)， 其南側(cè)鋪地采用綠地與硬質(zhì)間隔的布局模式。 通過對場地各模式優(yōu)化前后進(jìn)行模擬對比發(fā)現(xiàn)， 在本項(xiàng)目中， 將雨水花園串聯(lián)和對綠地與硬質(zhì)進(jìn)行間隔分散間隔的布局模式， 在徑流控制率上有較好的表現(xiàn) (表3)。

圖9 優(yōu)化模式概化模擬

表3 不同模式下排放口徑流統(tǒng)計 (m3·s-1)

3.3.2 項(xiàng)目整體模擬對比

以項(xiàng)目所在地年徑流總量控制率90%的設(shè)計降雨量 (24.1 mm) 作為模擬條件， 對場地進(jìn)行SWMM 模擬計算。 從子匯水分區(qū)徑流量分布上看， 在9 ∶50， 未添加 LID 設(shè)施的場地有 5 個區(qū)域出現(xiàn)了徑流外排 (圖10A)， 在本研究相關(guān)結(jié)論的優(yōu)化下， 協(xié)同LID 設(shè)施布置， 場地只有一個區(qū)域發(fā)生了徑流外排， 時間為 10 ∶00 (圖 10B)。 通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)， 兩個模型徑流結(jié)束時間分別為 10 ∶40 和 10 ∶15， 說明在豎向及綠地格局優(yōu)化的協(xié)助下， 場地LID 設(shè)施的調(diào)蓄功效得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖10 LID 優(yōu)化前后子匯水分區(qū)徑流概化模擬

4 結(jié)語

本研究提取分析的12 種綠地模式代表了城市建設(shè)的典型模式， 由于城市空間的多變性， 實(shí)際建設(shè)中的綠地模式更為復(fù)雜。 在不影響場地使用功能的前提下對外排徑流的有效管控可為場地水量的優(yōu)化分配提供可能， 最終服務(wù)于生境空間的多樣性營造[33-34]。

研究表明， 在街區(qū)中小尺度下， 對于徑流調(diào)蓄的研究具有較強(qiáng)的可操作性與可復(fù)制性。 不同于規(guī)劃層面大尺度的研究范式， 中小尺度的研究范圍界定可更好地協(xié)同豎向、 地形、 下墊面分布等場地要素， 從設(shè)計層面精準(zhǔn)應(yīng)對徑流管控與綠地格局之間的水綠失衡問題。 本研究提出的12 種典型綠地格局模式均在不同程度上對徑流控制能力產(chǎn)生影響， 因此， 在具體設(shè)計中可結(jié)合場地條件對綠地分布類型、 子匯水分區(qū)連通方式及下墊面不透水連續(xù)程度進(jìn)行細(xì)分與排布， 以獲取相應(yīng)的徑流控制優(yōu)化模式。