海綿城市建設(shè)對流域海綿體生態(tài)水文過程的改善

李國婉, 夏 兵, 隋己元, 王耀建, 楊海軍,5, 楊慧琛, 王燕華, 黎華壽

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 2 深圳市北林苑景觀及建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 深圳 518055 3 廣東省城市生態(tài)空間可持續(xù)發(fā)展工程技術(shù)研究中心, 深圳 518055 4 深圳市羅湖區(qū)水務(wù)局水污染治理中心, 深圳 518003 5 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650091

流域水循環(huán)改變是城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)的內(nèi)在原因。全球主要流域水循環(huán)正在因氣候變化、水資源管理方式和土地利用改變而發(fā)生變化[1]。高速城鎮(zhèn)化驅(qū)動的土地利用/覆被變化改變了流域水文過程與生態(tài)過程的互饋關(guān)系,流域降雨、蒸發(fā)、徑流等水分運(yùn)動過程,非點(diǎn)源污染物遷移過程和植被對水分行為的影響發(fā)生變化[2]。城市不透水地面比例增加導(dǎo)致地表徑流總量、峰值流量和徑流污染增加,生態(tài)用地產(chǎn)水量下降[3—4]。高速城鎮(zhèn)化顯著縮短了洪峰滯后時(shí)間、升高了洪峰峰值、改變了洪峰發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)[5]。因此,需要新的城市建設(shè)模式來改善流域生態(tài)水文過程。

海綿城市是我國提出的一種通過“自然積存、自然滲透、自然凈化”系統(tǒng)解決城市水問題的新的城市建設(shè)模式[6],也是國內(nèi)外城市水資源管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7]。海綿城市建設(shè)的核心宗旨為通過改變城市土地利用/覆被形態(tài),在屋面實(shí)施綠色屋頂、在地面實(shí)施下沉式綠地等多種生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施[8],干預(yù)水分在城市生態(tài)系統(tǒng)的局部運(yùn)動過程,再通過水量水質(zhì)變化反作用于城市生態(tài)系統(tǒng),重塑城市生態(tài)水文過程[9]。不同功能海綿設(shè)施組合方案在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮的作用不盡相同,高強(qiáng)度降雨、持續(xù)降雨和短時(shí)強(qiáng)降雨下海綿設(shè)施依然有效[10]。土地利用改變確實(shí)可以促使局部水文過程及小氣候發(fā)生變化[11—12]。并且植被可以在流域尺度上通過再分配降雨過程和強(qiáng)化蒸發(fā)過程影響城市水文循環(huán)[13]。但是海綿城市建設(shè)在流域海綿體生態(tài)水文過程中發(fā)揮的作用尚不清楚。

為了定量評價(jià)流域海綿體的生態(tài)水文過程,水文過程要素的在線監(jiān)測是主要的技術(shù)手段之一。國外雨洪管理水文過程評估在近10年迅速發(fā)展為最前沿的研究議題[14]。國內(nèi)海綿體水文過程評估還處于初始階段。國內(nèi)海綿體水文過程評估對象主要為海綿體的排水分區(qū)、易澇點(diǎn)、典型項(xiàng)目和受納水體,監(jiān)測水文要素為降水量、水量、水位、水質(zhì)等,采取的技術(shù)手段主要包括模型模擬和監(jiān)測[15—16]。監(jiān)測比模型模擬更能反應(yīng)實(shí)際水文要素變化過程,也是模型評估的重要補(bǔ)充。國內(nèi)典型項(xiàng)目監(jiān)測評價(jià)和監(jiān)測體系構(gòu)建得到了初步發(fā)展[6, 17]。但是缺乏流域尺度海綿體水文過程監(jiān)測與評價(jià)研究。大氣中的水汽冷卻后以雨、雪等形式降落到屋面、地面、綠地等下墊面,一部分水分直接蒸發(fā),一部分水分下滲到土壤被植被截留和經(jīng)過蒸騰作用蒸發(fā),土壤中剩余的水分潛流進(jìn)入地表水體或者下滲補(bǔ)充地下水[18]。當(dāng)降水量超過城市蒸散和下滲能力時(shí)就會形成地表徑流,地表徑流量超過排水管網(wǎng)負(fù)荷時(shí)就會存在積水內(nèi)澇現(xiàn)象[19]?；诹饔虺叨认聺B量和蒸發(fā)量無法通過觀測獲得,本文以深圳市布吉河流域洪湖片區(qū)為例,通過雨季降水量、水量、水位、水質(zhì)等生態(tài)水文過程要素在線連續(xù)監(jiān)測來確定海綿城市建設(shè)是否改善洪湖片區(qū)生態(tài)水文過程,為相似流域生態(tài)水文過程重塑提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 洪湖片區(qū)海綿城市建設(shè)工程分布 Fig.1 Distribution of sponge city construction projects in Honghu Area 圖中A、B、C和D分別代表洪湖片區(qū)4個(gè)不同排水分區(qū)

布吉河流域是深圳河流域一級支流,位于深圳市域中部,全長15.78 km,流經(jīng)羅湖區(qū)7.07 km。研究區(qū)洪湖片區(qū)位于布吉河流域中游,屬羅湖區(qū)高密度建成區(qū),是深圳市最早的黃金珠寶產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。洪湖片區(qū)地勢東北高、西南低,土壤以花崗巖、砂頁巖發(fā)育而成的赤紅壤為主,總體雨水入滲能力較好。洪湖片區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均降水量為1975.2 mm,降雨量時(shí)空分布不均勻,呈現(xiàn)冬春少雨、夏秋多雨的變化規(guī)律,且多局地性強(qiáng)降雨,易受臺風(fēng)、暴雨、洪澇侵襲。以沿城市雨水管網(wǎng)匯流路徑排入布吉河獨(dú)立排放口劃分排水分區(qū),研究區(qū)域內(nèi)有4個(gè)排水分區(qū),分別標(biāo)記為A、B、C和D,如圖1所示。

2016年深圳市入選第二批海綿城市國家試點(diǎn)城市,海綿城市建設(shè)逐步取得成效。海綿城市建設(shè)前洪湖片區(qū)作為典型高密度老舊城區(qū),基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,水體岸線硬化,內(nèi)澇積水以及下游水體黑臭問題突出,改造空間有限。2016—2020年間,在洪湖片區(qū)A、B、C和D排水分區(qū)落實(shí)建筑小區(qū)、道路廣場和公園綠地源頭減排設(shè)施,完善片區(qū)雨污分流,布吉河沿線截污納管并且恢復(fù)生態(tài)岸線,末端強(qiáng)化洪湖滯洪區(qū)調(diào)蓄空間并且新建洪湖水質(zhì)凈化廠,從中微觀層面干預(yù)水分在城市生態(tài)系統(tǒng)的局部運(yùn)動過程。海綿城市建設(shè)后片區(qū)綜合水環(huán)境得到明顯提升,受納水體布吉河水質(zhì)提升至IV類。洪湖片區(qū)內(nèi)實(shí)施的海綿城市建設(shè)工程分布如圖1所示。

1.2 監(jiān)測方案

表1 洪湖片區(qū)監(jiān)測內(nèi)容

圖2 洪湖片區(qū)監(jiān)測位點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of monitoring sites in Honghu AreaSS: 懸浮物Suspended solids

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

深圳市暴雨強(qiáng)度總公式如式(1)所示。本文徑流總量和徑流總量控制率計(jì)算公式如式(2)和式(3)所示,數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算采用Excel和Origin軟件。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析排水分區(qū)面積、海綿面積(比例)、降雨量、降雨強(qiáng)度與地表徑流總量、峰值流量的相關(guān)性,顯著性水平設(shè)定為α=0.05,極顯著性水平設(shè)定為α=0.01。

q=167A1(1+ClgP)/(t+b)n

(1)

Q=100×P×S

(2)

R=100%×(Q-(Q1+Q2))/Q

(3)

圖3 雨水井雷達(dá)流量計(jì)安裝示意圖Fig.3 Radar flowmeter installation diagram in rainwater well

式中,q為暴雨強(qiáng)度(L s-1hm-2),P為重現(xiàn)期(a),t是降雨歷時(shí)(min),A1是雨力參數(shù),即假設(shè)重現(xiàn)期是1 a時(shí)的1 min設(shè)計(jì)降雨量(mm),取9.194 mm,C為雨力變動參數(shù),無量綱,取0.460,b為降雨歷時(shí)修正參數(shù),即對暴雨強(qiáng)度公式兩邊求對數(shù)后能使曲線化成直線所加的一個(gè)時(shí)間常數(shù)(min),取6.840,n是暴雨衰減指數(shù),與重現(xiàn)期有關(guān),無量綱,取0.555,Q為徑流總量(m3),p為總降雨量(mm),S為匯水面積(km2),R為徑流總量控制率(%),Q1為排水分區(qū)或項(xiàng)目溢流流量(m3),Q2為排水分區(qū)溢流進(jìn)洪湖滯洪區(qū)的總流量(m3),計(jì)算項(xiàng)目R時(shí)Q2為0。

圖4 2020年雨季洪湖片區(qū)日降雨量Fig.4 Daily rainfall of Honghu Area in rainy season of 2020

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)2020年雨季降雨特征

2.1.1雨季降雨特征

2020年洪湖片區(qū)全年降雨量為1328.1 mm,較羅湖區(qū)多年平均降雨量(1975.2 mm)低了647.1 mm,雨季降雨量降低是洪湖片區(qū)全年降雨量降低的主要原因。2020年洪湖片區(qū)雨季降雨量為852.6 mm(64.2%),逐月降水分布極不均衡(圖4)。6、7、8和9月降雨量分別為162.9 mm、57.4 mm、318.9 mm和313.4 mm,以7月降雨量最少。2020年洪湖片區(qū)月降雨量與月降雨日數(shù)顯著正相關(guān)(P<0.05),7月降雨日數(shù)僅為12d。降雨分布特征是影響雨季徑流產(chǎn)流過程的決定性因素。

2.1.2典型降雨場次

在2020年洪湖片區(qū)雨季降雨數(shù)據(jù)中篩選2場典型降雨作為降雨峰值強(qiáng)度的代表(圖5)。6月7日3:03—16:08時(shí)段降雨作為接近雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(3年一遇)降雨的代表[21],降雨歷時(shí)785 min,總降雨量74.04 mm；9月15日12:08—17:28時(shí)段降雨作為接近內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(50年一遇)降雨的代表[22],降雨歷時(shí)315 min,總降雨量75.00 mm。6月7日降雨歷時(shí)較長,降雨強(qiáng)度較低；9月15日降雨歷時(shí)較短,降雨強(qiáng)度較高。降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間等是評價(jià)短時(shí)強(qiáng)降水徑流產(chǎn)流過程的重要參數(shù)。

圖5 2場典型降雨歷時(shí)曲線Fig.5 Two typical rainfall duration curves

2.2 片區(qū)排放口流量監(jiān)測結(jié)果評價(jià)

2.2.1排水分區(qū)徑流總量控制率

海綿城市建設(shè)后洪湖片區(qū)A、B、C和D區(qū)通過分別實(shí)施18.5%(9.26 hm2)、28.8%(46.11 hm2)、17.2%(5.00 hm2)和40.4%(24.63 hm2)(部分海綿設(shè)施如圖6所示),共削減97.2%的地表徑流總量(表2),較海綿城市建設(shè)前減少雨季地表徑流40%(依據(jù)《深圳市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃及實(shí)施方案》布吉河片區(qū)的核算結(jié)果和規(guī)劃管控目標(biāo),洪湖片區(qū)徑流總量控制率本底值為57.2%)。排水分區(qū)面積、海綿面積(比例)與地表徑流總量相關(guān)性不顯著(P>0.05),海綿面積(比例)不能直接反映海綿城市建設(shè)對地表徑流的影響。洪湖片區(qū)屋面雨水通過綠色屋頂截留、雨水罐儲存,地面雨水經(jīng)透水鋪裝、下沉式綠地、雨水花園和生態(tài)停車場等滲透,再經(jīng)植草溝或線性排水溝傳輸進(jìn)入地下管網(wǎng),或通過雨水回用系統(tǒng)進(jìn)一步處理后排放,結(jié)合雨污分流強(qiáng)化源頭減排功能。道路雨水經(jīng)透水鋪裝或下沉式綠地滲透、植草溝或線性排水溝傳輸排入地下管網(wǎng)。公園綠地雨水經(jīng)生物滯留設(shè)施和透水鋪裝滲透后溢流排入地下管網(wǎng)。末端洪湖滯洪區(qū)屋面雨水經(jīng)綠色屋頂截留,地面雨水經(jīng)下沉式綠地和透水鋪裝滲透補(bǔ)充地下水,其余地表徑流經(jīng)植草溝傳輸,雨水花園和生態(tài)駁岸滲滯后進(jìn)入雨水濕地,凈化后再利用或者儲存于湖體,溢流部分排入布吉河。表明中微觀尺度上通過源頭減排設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施的耦合以增加蒸發(fā)量和蓄水量是削減洪湖片區(qū)地表徑流的關(guān)鍵。

表2 洪湖片區(qū)各排水分區(qū)雨季徑流總量控制率

圖6 透水鋪裝、雨水回用系統(tǒng)和植被緩沖帶(布吉河)效果圖Fig.6 Effect pictures of permeable pavement, rainwater reuse system and vegetation buffer strips (Buji River)

2.2.2排水分區(qū)削峰效果

從圖7可以看出,排水分區(qū)面積越大,峰值流量越高,表明下墊面是影響峰值流量的關(guān)鍵因素之一。6月7日降雨歷時(shí)較長,降雨強(qiáng)度較低,降雨強(qiáng)度峰值與流量峰值發(fā)生時(shí)間接近,流量峰值較高,降雨強(qiáng)度與各區(qū)峰值流量顯著正相關(guān)(P<0.05),表明降雨強(qiáng)度過大導(dǎo)致雨水在下墊面發(fā)生部分下滲,但是還未下滲蓄滿就形成了地表徑流,發(fā)生了超滲產(chǎn)流。9月15日降雨歷時(shí)較短,降雨強(qiáng)度較高,流量峰值較低,降雨強(qiáng)度與A區(qū)和B區(qū)峰值流量顯著正相關(guān)(P<0.05),但是與C區(qū)峰值流量相關(guān)性不顯著(P>0.05),表明降雨強(qiáng)度過大導(dǎo)致雨水幾乎未經(jīng)下滲就形成了地表徑流。2場降雨A、B和C區(qū)削減的徑流總量(98.2%)相近,均接近4 萬m3、12萬m3和2萬m3,表明降雨強(qiáng)度超過洪湖片區(qū)雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期后,下墊面的下滲量接近恒定且不受降雨強(qiáng)度影響,產(chǎn)生的地表徑流量與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)。

圖7 2場典型降雨下洪湖片區(qū)各排水分區(qū)峰值流量Fig.7 Peak flow of each catchment area in Honghu Area during the two typical rainfall

2.2.3排水分區(qū)徑流污染控制效果

從表3可以看出,除了D區(qū),排水分區(qū)面積越大,月降雨量越高,產(chǎn)生的地表徑流月均SS濃度越高,但排水分區(qū)面積、月降雨量與地表徑流月均SS濃度相關(guān)性不顯著(P>0.05),表明降雨量、下墊面面積對地表徑流污染無直接影響,降雨沖刷下墊面產(chǎn)生的徑流污染才可能是地表徑流污染的主要來源。各排水分區(qū)地表徑流月均SS濃度低于16 mg/L,表明洪湖片區(qū)海綿設(shè)施發(fā)揮了作用,地表徑流得到有效控制。

表3 洪湖片區(qū)各排水分區(qū)月平均SS排放濃度

2.3 典型源頭減排項(xiàng)目監(jiān)測結(jié)果評價(jià)

2.3.1典型項(xiàng)目徑流總量控制率

從表4可以看出,項(xiàng)目的地表徑流總量與徑流總量、項(xiàng)目面積均不相關(guān)(P>0.05),表明下墊面對微觀尺度地表徑流總量無直接影響。從圖8可以看出,海綿城市建設(shè)后,學(xué)校產(chǎn)生的雨季徑流無外排,表明通過綠色屋頂截留屋面雨水、雨水回用設(shè)施調(diào)蓄地面雨水對控制學(xué)校地表徑流總量有效。道路產(chǎn)生的雨季徑流99%(5.50萬m3)以上得到控制,表明下沉式綠地、透水鋪裝和環(huán)保型雨水口在道路雨水下滲和延緩地表產(chǎn)流方面具有重要作用。社區(qū)公園產(chǎn)生的雨季徑流99%(0.78萬m3)以上得到控制,表明生物滯留設(shè)施和透水鋪裝的綜合運(yùn)用對社區(qū)公園地表徑流產(chǎn)流過程有直接影響。以上結(jié)果表明海綿設(shè)施建設(shè)強(qiáng)化了典型項(xiàng)目下滲和調(diào)蓄功能,削減了地表徑流總量。

表4 洪湖片區(qū)典型項(xiàng)目徑流總量控制率

圖8 學(xué)校、道路和社區(qū)公園海綿城市建設(shè)效果圖Fig.8 Sponge city construction effect pictures of school, road and community park

2.3.2典型項(xiàng)目對降雨徑流的削峰效果

從圖9可以看出,峰值流量與項(xiàng)目面積無關(guān),不同項(xiàng)目峰值流量存在較大差異,表明微觀尺度下墊面不是影響峰值流量的直接因素。6月7日長歷時(shí)、低強(qiáng)度降雨下,學(xué)校不產(chǎn)流,道路流量峰值延時(shí)90 min,社區(qū)公園流量峰值與降雨強(qiáng)度峰值接近且顯著正相關(guān)(P<0.05),三者峰值流量削減率均高于97%,表明海綿城市建設(shè)后,學(xué)校削峰效果最明顯,道路有明顯的延鋒和削峰作用,公園綠地產(chǎn)生超滲產(chǎn)流,僅3%地表徑流進(jìn)入管網(wǎng)。9月15日短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨下,三個(gè)項(xiàng)目均不產(chǎn)流,表明海綿城市建設(shè)后典型項(xiàng)目均有抵抗短時(shí)強(qiáng)降雨的能力。

圖9 2場典型降雨下洪湖片區(qū)典型項(xiàng)目峰值流量Fig.9 Peak flow of typical projects in Honghu Area during the two typical rainfall

2.3.3典型項(xiàng)目徑流污染控制效果

從表5可以看出,項(xiàng)目產(chǎn)生的地表徑流月均SS濃度與月降雨量、項(xiàng)目面積相關(guān)性不顯著(P>0.05),表明降雨量、下墊面面積對項(xiàng)目產(chǎn)生的地表徑流污染無直接影響。各項(xiàng)目排泄SS月平均濃度低于15 mg/L,表明各項(xiàng)目建設(shè)的海綿設(shè)施在徑流污染控制方面發(fā)揮了作用,地表徑流從源頭得到有效控制。

表5 洪湖片區(qū)典型項(xiàng)目月平均SS排放濃度

2.4 易澇點(diǎn)積水水位監(jiān)測結(jié)果評價(jià)

從圖10可以看出,海綿城市建設(shè)后,在降雨接近雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下,洪湖片區(qū)3個(gè)易澇點(diǎn)積水水位均為0,表明降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長對洪湖片區(qū)3個(gè)易澇點(diǎn)無影響,易澇點(diǎn)附近地表徑流沒有超過排水管網(wǎng)負(fù)荷。整個(gè)雨季出現(xiàn)的最大積水水位僅為7.8 cm,并且在15min內(nèi)退水,表明海綿城市建設(shè)后洪湖片區(qū)地表徑流得到有效控制,有效緩解了雨水管網(wǎng)負(fù)荷。

圖10 2場典型降雨下洪湖片區(qū)易澇點(diǎn)積水水位Fig.10 Water level of waterlogging points in Honghu Area during the two typical rainfall

2.5 受納水體監(jiān)測結(jié)果評價(jià)

2.5.1水體黑臭指標(biāo)評價(jià)

圖11 2020年雨季布吉河(洪湖片區(qū)段)黑臭指標(biāo)變化 Fig.11 Change of black odor indices of Buji River (Honghu Area) in rainy season of 2020

2.5.2其他水質(zhì)指標(biāo)評價(jià)

從圖12可以看出,雨季布吉河(洪湖片區(qū)段)COD平均濃度低于20 mg/L(地表水III類),TP低于0.3 mg/L(地表水IV類)[20],SS濃度低于25 mg/L,pH在6—9之間,表明海綿城市建設(shè)后布吉河水質(zhì)得到明顯提升。布吉河(洪湖片區(qū)段)6月和7月COD濃度基本保持在20 mg/L以下,8月和9月COD濃度波動較大,以B區(qū)在8月26日雨水徑流排放引起的BJ- 3斷面COD濃度波動最明顯,8月26日降雨25.8 mm,表明降雨是影響布吉河水質(zhì)的重要因素。

圖12 2020年雨季布吉河(洪湖片區(qū)段)其他水質(zhì)指標(biāo)變化Fig.12 Change of Other indices of Buji River (Honghu Area) in rainy season of 2020

2.5.3降雨對受納水體水質(zhì)的影響

表6 日降雨量與布吉河(洪湖片區(qū)段)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

3 討論

與海綿城市建設(shè)在城市水資源管理領(lǐng)域中的廣泛影響和重要性相比,海綿城市建設(shè)如何調(diào)節(jié)流域尺度生態(tài)水文要素變化仍是未知的。本文以深圳市布吉河流域洪湖片區(qū)的海綿城市建設(shè)為例,評估片區(qū)水文要素對透水面積變化的響應(yīng)。本文通過2020年雨季降雨量、水量、水位和水質(zhì)連續(xù)在線監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)中微觀尺度源頭減排設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施的耦合建設(shè)模式可以削減洪湖片區(qū)徑流總量、峰值流量、積水水位和徑流污染,是一種改善相似流域生態(tài)水文過程的有效途徑。

在中觀尺度上,雨季降雨量對洪湖片區(qū)地表徑流總量無直接影響,降雨強(qiáng)度顯著影響洪湖片區(qū)地表徑流峰值流量(P<0.05),日降雨量對布吉河水質(zhì)影響極顯著(P<0.01)。這表明日間降雨分布特征對洪湖片區(qū)產(chǎn)生的地表徑流和匯入布吉河的河川徑流有直接影響,當(dāng)時(shí)間尺度拉長為雨季時(shí),降雨不再是影響徑流的最直接因素。降水作為流域水文過程的匯,與城市化相比,氣候變化是導(dǎo)致暴雨徑流增加的主要因素[24]。海綿城市建設(shè)前降水是影響深圳河流域年徑流總量的最主要因素,年徑流總量整體呈現(xiàn)增大趨勢,氣候變化帶來的強(qiáng)降雨弱化了土地利用改變對徑流量的影響[25]。深圳2008—2017年降雨量年際變化趨勢不明顯,年均降雨量為1863.9 mm,降雨量最多的是6月,降雨日數(shù)最多的是7月[26]。海綿城市建設(shè)后,2020年洪湖片區(qū)年降雨量較深圳市2008—2017年年平均降雨量降低了535.8 mm,7月降雨量和降雨日數(shù)反而是雨季最少的,降雨時(shí)空分布特征發(fā)生變化。表明海綿城市建設(shè)改變了洪湖片區(qū)的生態(tài)水文過程,氣候變化不再是影響洪湖片區(qū)雨季地表徑流總量的主要因素,僅是影響日間地表徑流量的主要因素。關(guān)于海綿城市建設(shè)如何影響洪湖片區(qū)降雨分配過程還需進(jìn)一步探討。

洪湖片區(qū)通過28.3%(0.85 km2)海綿面積建設(shè),通過提升透水面比例,以生物滯留設(shè)施和透水鋪裝等強(qiáng)化片區(qū)蒸發(fā)和下滲過程,減少雨季徑流97.2%(248.72萬m3),削減典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易澇點(diǎn)積水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川徑流(布吉河),海綿面積(比例)和地表徑流量削減無直接量化關(guān)系。表明海綿面積(比例)不能完全體現(xiàn)洪湖片區(qū)土地利用/覆被變化,截污納管、雨污分流、末端蓄水池對徑流深度的綜合影響不容忽視。源頭減排設(shè)施、截污納管、末端蓄水池的結(jié)合使用可以分別削減徑流量35%—49%,4%—15%和3%—36%[27]。在排水分區(qū)尺度上,將30%的屋頂轉(zhuǎn)化為綠色屋頂,10%的綠地轉(zhuǎn)化為雨水花園,35%的路面轉(zhuǎn)化為透水路面,可將徑流控制率從59.9%提高到82.2%[28]。洪湖片區(qū)海綿城市建設(shè)可有效削減短時(shí)高強(qiáng)度、長時(shí)中強(qiáng)度降雨峰值。片區(qū)海綿城市建設(shè)可有效削減中低強(qiáng)度降雨峰值已經(jīng)得到證實(shí)[29]。同一流域相鄰排水分區(qū)徑流峰值差異主要來源于地形影響,并且影響的重要性從基流到暴雨流逐漸增加[30]?；诤＞d城市有效削減了洪湖片區(qū)地表徑流總量和徑流峰值,片區(qū)內(nèi)3處易澇點(diǎn)整個(gè)雨季基本無積水,表明洪湖片區(qū)海綿設(shè)施的組成和空間格局利于地表徑流滲滯和傳輸,明顯減少了地表徑流在低洼處的蓄積,這也是海綿城市建設(shè)要解決的核心問題之一。研究表明影響海綿城市內(nèi)澇防治效果的決定性因素是海綿設(shè)施的生物物理參數(shù)[31]。在生態(tài)水文過程中,污染物伴隨水分運(yùn)動發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化和沉降作用,海綿城市建設(shè)對洪湖片區(qū)水質(zhì)影響還需進(jìn)一步探討。

海綿城市建設(shè)對微觀尺度生態(tài)水文過程的影響與中觀尺度存在差異,降雨量等因素與典型項(xiàng)目生態(tài)水文過程量化關(guān)系不明顯。學(xué)校、道路和社區(qū)公園利用綠色屋頂、透水鋪裝等強(qiáng)化下滲、蒸散,可削減雨季徑流99.0%以上、削減峰值流量97.0%以上,控制SS月均濃度低于17.10 mg/L。綠色屋頂在削減徑流方面功能突出,可滯留雨水30.0 min增加到113.3 min[36]。綠色屋頂可以削減90%以上的SS[37],蓄水池可削減92%以上的峰值流量[38],綠色屋頂和雨水回用設(shè)施(含蓄水池)組合使用可高校削減雨季徑流總量。透水鋪裝對徑流總量有顯著影響,與生物滯留設(shè)施結(jié)合可有效控制徑流總量[39]。這種組合方案在社區(qū)公園中應(yīng)用效果更佳。透水鋪裝和下沉式綠地組合使用可削減80%以上道路徑流總量[40],結(jié)合環(huán)保型雨水口,可將道路雨季徑流總量削減率提升至99.9%。綜上可見源頭減排設(shè)施是片區(qū)徑流控制開始的地方,也是海綿城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

本研究證明海綿城市確實(shí)改善了洪湖片區(qū)生態(tài)水文過程,在削減徑流總量、峰值流量、積水水位和徑流污染方面發(fā)揮了一定作用。雖然海綿面積(比例)和地表徑流量削減無直接量化關(guān)系,但是氣候變化帶來的降水變化不再是影響洪湖片區(qū)地表徑流總量的主要因素,間接證明海綿城市建設(shè)引起的土地利用/覆被變化可能是影響洪湖片區(qū)地表徑流總量的主要因素。洪湖片區(qū)通過28.3%(0.85 km2)海綿面積建設(shè),減少雨季徑流97.2%,削減典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易澇點(diǎn)積水水位至7.8 cm以下,僅2.8%形成河川徑流(布吉河)。本研究結(jié)果表明,海綿城市中微觀尺度源頭減排設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施的耦合建設(shè)模式是一種改善相似流域生態(tài)水文過程的有效途徑。