不同匯流關系LID降雨控制方式分析檢驗

申紅彬，徐宗學，張書函，李其軍

（1. 華北水利水電大學，河南鄭州 450045；2. 北京師范大學水科學研究院城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875；3. 北京市水科學技術研究院北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048）

1 研究背景

近些年來，受局地、區域以及全球尺度上高強度人類活動影響，天然水文過程發生了顯著變化。城市化地區作為環境變化的熱點區域，不透水地表面積比例的大幅增長是引發流域水文環境改變的重要因素［1］。有研究表明，不透水面積比例增加10%～100%，徑流將增加200%～500%，并且比例20%是徑流迅速增加的閾值；當不透水面積比例大于25%時，會導致地表水環境嚴重退化與毀壞［2-4］。

低影響開發（Low Impact Development，LID）是美國Maryland 州于1990 年代在最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）基礎上提出的一種新型雨水管理理念［5］。LID強調通過大量分散、小規模的源頭控制措施如綠色屋頂、植物蓄留池（雨水花園）、透水鋪裝、植被草溝和調蓄池等來實現對場地開發后新增不透水地表徑流增量的消納［6-10］，核心目標是維持開發前后降雨徑流水文特征不變，包括徑流總量、洪峰流量和峰現時間等。目前，LID已被明確作為我國海綿城市建設的重要基礎組成部分之一［11］。

對于LID如何實現徑流總量控制目標，我國住房與城鄉建設部2014年下發的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》（簡稱《指南》）提出“年徑流總量控制率”指標，2018年出版的國標《海綿城市建設評價標準》（簡稱《標準》）改為“雨水年徑流總量控制率”。其中，“徑流總量控制”概念在理論上存在一定的不足。對此，不論是《指南》還是《標準》實質上均采用降雨總量控制模式以實現徑流總量控制目標。另外，《指南》、《標準》中“年控制”概念主要定位為多年平均概念，而我國降雨年內分布不均、年際變幅很大，這給LID的效果監測評價帶來了困難，易出現豐水年監測效果偏低、枯水年監測效果偏高的情況［12］。不同于我國的降雨總量控制模式，美國《實施暴雨徑流控制導則》（簡稱《導則》）采用降雨場次控制模式。降雨總量控制與場次控制在統計方法上有所區別，兩者存在一定的對應關系。比較而言，降雨場次控制對于LID建設更具有實用意義與可操作性［13］。不少學者對這兩種降雨控制模式的區別進行了分析討論［14-15］。不過，不少研究實踐表明，不同LID單體設施均具有一定的蓄納能力和匯水服務范圍（0～40 hm2）［16］。在區域大尺度LID中，就需要綜合考慮采用多種LID單體設施的組合與配置，相互之間匯流關系復雜。對于不同匯流關系，LID降雨控制方式也會存在區別。目前，對該方面問題的研究討論還較少。

本文對于不同場次降雨下不同匯流關系LID降雨控制方式的區別進行分析比較，提出LID降雨控制方式的檢驗方法與流程，并以北京未來科技城為例，對其LID降雨控制方式進行分析檢驗。相關成果可以進一步深化人們對于LID降雨控制模式的認識。

2 不同匯流關系LID降雨控制方式理論分析

2.1 考慮匯流關系場次降雨綜合徑流系數計算方法徑流系數是反映流域降雨-徑流關系的一個重要指標。對于不同類型下墊面組合地表區域，我國市政《雨水控制與利用工程設計規范》（DB11/685-2013）提出其綜合徑流系數計算公式為：

式中：αc為綜合徑流系數；m為下墊面種類數；i為序號；αi為第i類下墊面徑流系數；Ai為第i類下墊面面積，km2；A為區域總面積，km2。

式（1）未考慮不同類型下墊面之間的匯流關系，而且對于不同類型下墊面徑流系數αi，規范取值是多年平均值，未具體針對不同場次降雨考慮徑流系數αi的變化。為此，針對場次降雨，并考慮匯流關系，通過對不同類型下墊面單元按匯流順序依次編號，可將式（1）進一步簡單改進表示為：

式中：Pi、Fi分別為不同類型下墊面單元降雨量和徑流損失量（包括蒸發、植被截流、地表填洼及土壤入滲等），mm；P為區域降雨量，mm；i為下墊面單元依匯流順序編號；m為下墊面單元個數。

對于某場具體降雨過程，應用式（2）計算應按匯流順序從區域最遠端匯流單元開始，計算降雨量與損失量的差值，如差值為負取為0，如差值為正則多出水量計入下一級匯流單元，依次計算疊加直至區域匯流總出口，最終得到區域綜合徑流系數。

2.2 不同匯流關系LID綜合徑流系數變化特征在區域大尺度LID中，不同類型地塊（小區、道路、綠地等）建設布局、下墊面種類等有所不同，宜選用不同的LID設施組合，并可依布置關系不同形成不同的匯流關系。以圖1中分析子流域為例，因集水井位置不同可以構成兩種匯流關系：（1）串聯關系。集水井位置位于J3位置，不透水路面S3降雨徑流經路牙開口匯入綠化帶G3，經綠化帶G3調蓄后再匯入集水井J3，S3與G3之間構成一種串聯關系；（2）并聯關系。集水井位置位于J′3位置，不透水路面S3降雨徑流經路牙開口直接匯入集水井J′3，G3降雨徑流匯入集水井J′3，兩者構成一種并聯關系，G3不對S3降雨徑流進行調蓄。

兩種匯流關系下，子流域綜合徑流系數變化規律將會明顯不同，計算示例見圖1。其中，對于S3與G3串聯情況，在雨強（0.4 mm/min）較小條件下，在G3超滲產流前一定初始時段內雨強小于G3土壤入滲能力，G3除自身下滲外還能夠蓄納上游S3匯入的徑流，因此初始一定時段內子流域綜合徑流系數為0。對于S3與G3并聯情況，G3不蓄納S3的降雨產流，在G3超滲產流前一定初始時段內G3徑流系數為0，S3不透水地表產生徑流，子流域綜合徑流系數為S3徑流系數與S3占子流域面積比例的乘積。因S3徑流系數符合不透水地表徑流系數變化特征，最大趨近值為1.0，故S3與G3并聯情況下在初始一定時段內綜合徑流系數以S3所占面積比例為最大趨近值。

圖1 區域LID復雜匯流關系及綜合徑流系數變化情況

2.3 不同匯流關系LID降雨控制方式分析探討我國《指南》、《標準》均采用降雨總量控制模式以實現徑流總量控制目標，設計降雨量是LID規模設計的重要參數。根據某區域多年日降雨量數據，統計小于某一閾值的降雨量占總降雨量的比率，該比率對應的降雨量即為設計降雨量［11，17］，并據此采用容積法等方法確定待建LID設施的規模。在區域降雨總量控制率、設計降雨量、LID設施容積一定的情況下，不同匯流關系分別對應不同的降雨控制方式，主要表現為圖2中降雨量柱狀圖陰影分割組成方式的不同。

圖2 不同匯流關系下降雨控制方式的差異

仍以圖1中分析子流域為例：（1）對于不透水地表與LID設施串聯情況，當降雨量（降雨體積）小于設計降雨量（LID設施容積）時，區域產流可完全被LID設施所蓄納，綜合徑流系數等于0，地表徑流不外排，可完全實現場次控制；當降雨量（降雨體積）大于設計降雨量（LID設施容積）時，區域產流不能完全被LID設施所蓄納，綜合徑流系數大于0，部分地表徑流溢排，可實現對于小于設計降雨量下的初期部分控制，且該部分控制雨量可完全包含初始徑流。（2）對于不透水地表與LID設施并聯情況，對于任意量級降雨量，均有部分地表徑流外排，綜合徑流系數大于0，降雨控制方式均為部分控制，且因不透水地表初始徑流外排，該部分控制雨量不能完全包含初始徑流。

比較上述兩種徑流控制方式：（1）從不同場次降雨控制總量來看，并聯關系下控制不外排的雨量略小于串聯關系下控制不外排的雨量。（2）從水質控制角度而言，串聯關系下小于設計降雨量的降雨會全部得到控制并經過處理再經滲流排入水體，超出的部分得不到有效處理而溢流排放，并會對已控高污染徑流（包含初始徑流）混摻稀釋而對水質處理效果產生影響。不過，相比并聯關系下不透水地表初始高污染徑流的直接排放，串聯關系的水質處理效果仍然相對較好。（3）從徑流過程峰值削減角度來說，串聯關系下不透水地表降雨徑流再經LID 設施調蓄能夠有效延遲峰現時間，并減小峰值流量。（4）從地下水涵養與河川基流補給角度來看，串聯關系下小于設計降雨量的降雨為場次控制，雨水完全入滲土壤可以更好涵養地下水并穩定補充河川基流，這與美國《導則》采用降雨場次控制模式出發點一致，即認為95%年降雨場次控制率對應的降雨總量最能代表自然條件下入滲的雨水總量［18］；相比之下，并聯關系下小于設計降雨量的降雨為部分控制，能夠入滲土壤補給地下水的雨水量相對減少，外排地表徑流匯入河川后又增大了徑流過程的不穩定性。（5）對于降雨場次控制模式，串聯關系是實現降雨場次控制的基礎。因此，對于區域LID 設施的布置，宜多采用串聯關系形式。

3 區域LID降雨控制方式的分析檢驗

3.1 LID降雨控制方式分析檢驗步驟監測是檢驗LID 設施雨水徑流控制效果的重要基礎，基于區域LID實施后的降雨徑流監測數據，LID降雨控制方式分析檢驗流程如圖3所示。

圖3 LID降雨控制方式分析檢驗流程

主要具體步驟為：（1）現場監測：對于LID實施后區域，制定合理監測方案、選擇監測儀器，對降雨徑流過程進行監測；（2）統計分析：基于降雨徑流監測數據，統計降雨徑流特征參數，包括：降雨量、徑流量、起止時間、最大雨強、洪峰流量、峰現時間、徑流系數等；（3）比較診斷：按監測場次降雨量大小依次排序，比較設計降雨量，判斷設計降雨量以下降雨是否符合場次控制，如有個別不符合分析相應原因（如對于滲透設施是否是雨強過大所致），如大多不符合則實地調研區域內是否有LID設施未能串聯的不透水地表區域；（4）模擬檢驗：結合LID設施未串聯不透水地表區域調研結果，模擬該不透水地表區域的降雨徑流過程，并與監測降雨徑流過程進行比較，如果相符則進一步印證了判斷、調研結果的合理性；（5）方案改進：基于檢驗判斷、調研結果，進一步提出改進的方案和措施。

3.2 未串聯不透水地表面積比例分析估算在區域LID降雨控制方式分析檢驗中，如已初步判別區域內存有LID 未串聯的不透水地表區域，不透水地表降雨徑流損失主要為地表填洼損失，可以采用Linsely公式計算［19］：

式中：Δ為地表填洼損失量，mm；Δmax為最大地表填洼損失量，mm；P為降雨量，mm；β為變化速率，β=1/Δmax。

對于降雨量（雨強）小于設計降雨量（雨強）的場次降雨，在LID容積蓄滿溢流前，區域綜合徑流系數變化規律可表示為：

式中：A′為區域內未串聯不透水面積，km2；A′/A為未串聯不透水面積比例值。

基于式（4），結合區域設計降雨量以下場次降雨綜合徑流系數實測值，通過擬合率定，可以初步估算相應未串聯不透水地表所占面積比例值A′/A。

4 區域LID降雨控制方式實例檢驗

4.1 北京未來科技城LID 概況北京未來科技城位于北京市昌平區東南部（圖4），是北京市經濟向京津冀輻射的重要發展節點。未來科技城于2009年陸續開工建設，一期規劃面積約10 km2。根據未來科技城土地利用控制性詳細規劃，開發建設后全區除水面外不透水面積比例將由21%增至45%，經式（1）估算，年均綜合徑流系數將由0.35增至0.59，為此需開展LID建設［20］。

圖4 北京未來科技城區域位置

未來科技城LID規劃設計主要參照《指南》。根據《指南》規定，新開發區域LID年徑流總量控制率應不低于85%，確定未來科技城年徑流總量控制率≥85%。采用降雨總量控制模式以實現徑流總量控制目標，根據北京市多年日降雨量數據，統計小于某一閾值的降雨量占總降雨量的比率，比率為0.85對應的設計降雨量為32.5 mm［20］。

未來科技城LID 采用了分區分塊的組合配置方案：（1）根據土地功能劃分分為2 類（雨水零排放區、雨水控制排放區）6個雨水利用子目標區域（北部雨水零排放區、濱河雨水零排放區、京承雨水零排放區，北部雨水控排區、東南雨水控排區、西南雨水控排區）；（2）根據土地利用類型分為3類地塊（開發建設地塊（包括居住用地、教育科研用地、市政用地等）、地塊周邊道路（包括主干路、次干路、支路等）、公共綠地），按地塊面積比例分解雨水控制利用目標；（3）分地塊選擇適宜LID設施組合（表1），分地塊開展雨水利用建設。

未來科技城LID匯流關系布設類似前文圖1。對于開發建設地塊，屋頂、道路、廣場等不透水地表降雨徑流均串聯匯入周邊下凹綠地、植物蓄留池（雨水花園）等，有些末端還設有雨水池等收集回用設施，嚴格限制雨水徑流外排，將雨水就地消納。對于地塊周邊道路，不透水路面降雨徑流多串聯匯入道路兩側下凹綠化帶內，通過下滲、滯蓄等措施減少道路雨水外排，削減污染負荷。對于公共綠地，不透水地表降雨徑流均串聯匯入周邊下凹綠地，地塊內部還建有增滲設施、雨水坑塘、雨水池等設施，在保證消納自身雨水的同時，還有能力調蓄下滲一部分外來徑流。

表1 北京未來科技城不同類型地塊LID設施配置組合

4.2 區域LID后降雨徑流監測為檢驗未來科技城LID雨水徑流控制效果，需開展降雨徑流監測工作。根據《未來科技城外部雨污水排除規劃》，北部雨水控排區（除東南小部分區域雨水單獨向東排入方氏渠外，絕大部分雨水經市政管網集中向南排入溫榆河，匯水面積約為230.97 hm2）與東南雨水控排區（雨水經市政管網向南排入魯疃西溝）分別構成相對獨立的排水區域，適宜選為監測區域。徑流監測位置選在排水區出口處（圖4位置M1、M2），儀器選用德國Hydro Vision公司生產的滿管/非滿管高精度多普勒超聲波流量計；降雨監測位置選在溫榆河南側“綠洲”辦公樓前（圖4位置O），儀器采用翻斗式雨量計。具體參見文獻［21］。

2015、2016年雨季分別對未來科技城降雨徑流過程進行了連續監測。表2、表3分別為北部雨水控排區（以下簡稱北區）2015年監測有效降雨徑流過程特征參數（降雨量、降雨起止時間、最大雨強、徑流量、徑流起止時間、洪峰流量、峰現時間、徑流系數等）統計情況。其中，降雨量介于4.6～32.7 mm之間，最大雨強介于0.04～1.34 mm/min之間，雨強、雨量均較小；綜合徑流系數介于0.02～0.09 之間，平均值約為0.05；地表徑流開始前初損量介于1.0～3.3 mm 之間，平均值約為2.0 mm 左右。

表2 北京未來科技城北區場次降雨徑流過程特征統計

表3 北京未來科技城北區場次降雨徑流系數統計

4.3 LID降雨控制方式分析檢驗

4.3.1 場次降雨控制方式分析判斷 對表2、表3中的監測場次降雨按降雨量從小到大依次排序，并與設計降雨量32.5 mm比較，如圖5所示。其中，補充編號8、9、10分別為2016.7.14（降雨量33.1 mm）、2016.6.12（降雨量35 mm）、2016.7.20（降雨量195 mm）場次降雨，具體可以參見文獻［21］。可以看出，除2016.7.20特大降雨外，其余9場降雨累計降雨量174.5 mm，控制不外排降雨量160.1 mm，降雨總量控制率達到91.7%，遠大于總量控制率為85%的目標。不過，2015年期間監測場次降雨量多小于設計降雨量（32.5 mm），并均有一定量的地表徑流外排，對小于設計降雨量的降雨均未能實現場次控制。對于2016.7.20大雨過程，綜合外排徑流系數隨時間發展情況如圖6所示。可以看出，當累計降雨量小于設計降雨量（32.5 mm）時，區域綜合徑流系數并不等于0，存在地表徑流外排的情況。綜合以上初步判斷，區域內應有部分不透水地表徑流未能串聯匯入LID設施。

根據北區2015年對不同場次降雨量、綜合徑流系數監測值，基于式（4），經擬合率定LID設施未串聯不透水地表所占面積比例值A′/A約為0.1，最大地表填洼損失量Δmax約為6.0 mm，約為平均初損量值（2.0 mm）的3倍，如圖7所示。可以看出，除2015.9.11（編號：5）場次降雨外，綜合徑流系數實測值與擬合值變化趨勢基本符合。這是由于綜合徑流系數不僅受到降雨量的影響，還受到雨強、相鄰場次降雨間隔時間等多種因素的影響。對于2015.9.11 場次降雨，降雨量為5.7 mm，與2015.9.22（編號：6）場次降雨量4.6 mm相差不大，不過前者距其上次降雨（2015.9.10）間隔時間較短（1 d10 h30 min），以致徑流系數明顯增大。

圖5 場次降雨徑流控制方式判別情況

圖6 2016.7.20大雨綜合徑流系數變化情況

通過對北區分地塊實地調研發現：建設地塊內不透水屋頂、路面降雨徑流均能串聯匯入周邊綠地加以消納；道路地塊內機動車不透水道路旁下凹綠化帶下凹深度多存在不足，集水井位置未按規劃位置布設（類似前文圖1中J3、J′3位置問題），導致不透水路面雨水直接排入市政管網（見圖8）。經對北區不同類型用地面積統計結果表明，道路地塊內不透水路面面積占北區全區面積的比例剛好約為0.1。因此，初步認為2015年北區小于設計降雨量的場次降雨徑流主要為道路地塊內的不透水路面產流。

圖7 綜合徑流系數隨降雨量變化情況

圖8 北區道路地塊路側下凹綠化帶調研情況

4.3.2 場次降雨徑流過程模擬驗證 為進一步驗證上述判斷，需單獨對北區不透水道路降雨徑流過程進行模擬，并與監測降雨徑流過程進行比較。本次模擬采用改進的基于路段水文響應單元離散的分布式單位線模型［22-26］：

式中：UHn為單位線縱坐標值；Δt為單位線計算時段；n為時段序號；m為路段水文響應單元個數；j為路段水文響應單元序號；Aj為j路段水文響應單元面積；為j路段水文響應單元匯至流域出口時間與計算時段比值取整數；qj（Δt，n）為j路段水文響應單元時段單位線；βj為j路段水文響應單元速率參數，βj=1/Kj，Kj為j路段水文響應單元線性水庫調蓄參數。

結合Nash瞬時單位線與等流時線理論［27］，線性水庫調蓄參數Kj等于坡面匯流時間Tj：

式中：Tj為j路段水文響應單元坡面匯流時間，s；Lj為j路段水文響應單元坡面長度，m；Vj為j路段水文響應單元坡面水流平均流速，m/s，可以采用Eagleson-Bras公式計算［28］：

式中：Bj為j路段水文響應單元坡面寬度，m；Jj為j路段水文響應單元坡面比降；nj為j路段水文響應單元坡面糙率；I為凈雨強度，cm/h。

北區道路地塊內不透水道路共計有8條：魯疃西路（北區）、神華規劃二路、神華規劃三路、神華規劃四路、神華規劃五路、北區一號路、北區二號路、溫榆河北濱河路。根據路網、排水管網、集水井分布情況，可以概化離散為28個匯水路段水文響應單元，并統計不同匯水路段相關地理特征參數（長度、面積等），見圖9。各匯水路段單元之間匯流關系相對復雜，匯流順序分別為：24-23-22-14-3-M1、25-22-14-3-M1、26-14-3-M1、21-14-3-M1、27-13-5-3-M1、20-13-5-3-M1、28-12-2-M1、19-12-2-M1、11-2-M1、10-9-7-1-M1、8-7-1-M1、4-1-M1、18-17-6-3-M1、15-6-3-M1、16-6-3-M1。

圖9 未來科技城北區道路匯水單元離散

圖10 未來科技城北區部分降雨徑流過程模擬

采用分布式單位線模型對北區不透水道路降雨徑流過程進行模擬，部分模擬結果如圖10 所示。在模擬過程中，對于不同匯流路段單元匯至出口斷面M1的時間tj，暫不考慮市政排水管道內流速分布的差異，基于監測峰現時間（相當于全流域匯流時間），依各匯流路段單元距出口斷面M1的距離按比例進行分配估算。從圖10可以看出：北區不透水道路降雨徑流模擬計算值與北區監測得到的降雨徑流實測值變化趨勢基本吻合。進一步驗證了2015年北區小于設計降雨量的場次降雨徑流主要為道路地塊內不透水路面產流。因此，后期應結合原串聯設計方案對不透水道路旁下凹綠化帶加以改造，具體為：加大下凹深度，將集水井位置重新布置，使得不透水道路降雨徑流經路牙開口排入下凹綠地，經調蓄后再進入集水井，以實現LID 設施（下凹綠化帶）對不透水路面降雨徑流的調蓄控制。

5 結論

通過理論分析與實際監測檢驗，對不同匯流關系LID降雨控制方式的區別進行了分析研究，提出了LID降雨控制方式的檢驗方法與流程，主要得出以下幾點結論：

（1）在區域LID中，LID設施與不透水地表之間依匯流方式的不同可以構成串聯、并聯兩種關系形式，并分別對應不同的降雨控制方式。對于小于設計降雨量的降雨，前者不透水地表產流完全被LID設施所蓄納，可以做到場次控制，后者不透水地表產流未經LID設施直接排出，僅能實現部分控制；對于大于設計降雨量的降雨，兩者均為部分控制。從不同場次降雨控制總量來看，前者略大于后者。從對地下水涵養、徑流水質改善和流量峰值削減角度而言，前者效果要優于后者。

（2）基于監測可以對區域LID雨水徑流控制效果與方式進行檢驗。檢驗不僅包括降雨總量控制率的統計，還需比較看小于設計降雨量的場次降雨能否做到場次控制，以分析判別降雨控制的方式。LID降雨控制方式分析檢驗的主要流程步驟包括：現場監測、統計分析、比較診斷、模擬檢驗與方案改進。

（3）以北京未來科技城為例，對其LID徑流控制效果與方式進行了分析檢驗。結果表明，監測期內除2016.7.20特大降雨外，9場降雨累計降雨量174.5 mm，控制不外排雨量160.1 mm，降雨總量控制率91.7%，達到總量控制率≥85%的目標，但對小于設計降雨量（32.5 mm）的單場降雨，均有一定量的地表徑流外排，未能實現場次控制。原因在于道路地塊內不透水機動車路面與兩側綠化帶因施工布置問題未能實現串聯，后期有待加以改進。