低影響開發徑流特性研究
——以重慶悅來為例

王應剛,李 霞,羅小玲

(1. 重慶市水利電力建筑勘測設計研究院,重慶 401120；2.重慶交通大學，重慶 400060；3. 重慶市南岸區農業農村委員會,重慶 400000)

目前，國內大多數管理機構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給量降低，對水體生態平衡帶來沖擊，還會造成大量水資源浪費，地面污染物排入江河水體，為收納水土帶來嚴重的環境負擔。因此，國內海綿城市建設出現的新型雨洪管理理念LID(CLow Impact Development)低影響開發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雨水管理、排水系統設計評估和低影響發展模擬分析以及中國海綿城市建設中最廣泛使用的工具。文章運用SWMM一維水動力模型，得到了海綿城市設施前后悅來張家溪河道徑流的變化，對徑流特性進行了分析。

1 模型與模擬方法

1.1 模型簡介

雨水管理模型可動態模擬降水—徑流過程，通過布設管渠、蓄水池、排水口等設施，并率定研究流域集雨面積和下墊面屬性參數，模擬系統中匯水情況的動態軌跡[3]。王文亮等[4]運用SWMM模型校核了傳統管線，評價了研究區域場地徑流特性，發現LID設施對徑流和污染物的削減效果較為顯著。張雙雙等[5]將SWMM模型應用于常州某區域，在重現期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，發現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用范圍。劉興坡等[8]分析了我國管網水文數據以及河道現狀，應用SWMM模型提出了徑流參數校準的方法，提高了模型模擬精度。2016年，方芃等[9]建立了城市內澇模型，結合了SWMM模型對某城鎮河道水系承載能力進行了論證。安志鵬[10]通過SWMM模型研究研究了雨水系統和天然河道相互作用下的優化運行，使城市排水管網的發展更具有持續性。劉蒙泰等[11]運用PCSWMM模型有效分析了工程措施造成水量縮減致水環境的影響程度。蘇波等[12]利用SWMM模型研究了不同重現期下徑流調節對于雨洪管理模型的響應程度。

1.2 模型建立

1.2.1研究區域概化

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

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

圖1 悅來地區SWMM模型子匯水區分布示意

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

圖2 悅來地區SWMM模型管網分布示意

1.2.2模型參數確定

在建立悅來地區子匯水區基礎數據模型后，通過測量和分析能獲得各子匯水區的面積，特征寬度和平均坡度，這些都是相對確定的，不會隨著模型的標定和校準而改變。對于有無洼地蓄水的子匯水區，不透水率，糙率等參數都不能直接得到。為了避免較大的誤差，有必要利用實測數據對經驗方法得到的值進行識別和校正。

利用ArcGIS數字測量工具獲得了研究區子匯水區產流面積和平均坡度，但悅來地區開發非常密集，坡度變化很大，因此，ArcGIS的計算結果與實際數據不同，需結合現狀道路地形標高和管網排水坡度進行修正。

不透水率指匯水區不透水面積占總面積的百分比，根據《重慶市兩江新區悅來新城海綿城市建設總體規劃》規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模型參數率定與校驗

文章采用納什效率系數RNS、洪峰流量相對誤差REP以及峰現時間誤差AET3個指標衡量模型模擬精度。《水文情報預報規范》(GB/T 22482—2008)規定其納西效率系數要求為50%≤RNS<70%，洪峰流量相對誤差REP<20%，峰現時間誤差AET以預報根據時間至實測洪峰出現時間之間時距的30%作為許可誤差。計算方法如下:

(1)

式中：

N——實測流量數據個數；

(2)

式中：

(3)

式中：

根據悅來新城實測降雨徑流資料，采用2019年3月22日實測降雨資料進行標定，徑流監測采用JL405站監測資料。經過反復的參數調整和試算，徑流量的模擬值與實測值的納西效率系數值RNS為59%，大于50%。洪峰流量相對誤差REP為0.2%，小于20%；峰現時間誤差AET為0.25 h，滿足精度要求。率定后徑流實測值與模擬值過程線(如圖3所示)。

圖3 20190322實測—模擬徑流對比示意

對參數進行調試優化，使模擬徑流更符合實測徑流數據，提高模型在此次模擬的精確度。參數率定后取值見表1。

表1 參數率定后參數取值

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

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

圖4 20190323實測—模擬徑流對比示意

圖5 20190330實測—模擬徑流對比示意

根據上述分析表明，基于實測數據率定后的模擬結果符合研究區徑流的產生和收集規律，具有良好的穩定性和適用性。率定后的模型參數可用于整個研究區域，以模擬不同降雨情景下研究區域的徑流過程。

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:連續性方程和動量方程。由子匯水區收集的雨水最終排入網絡，通過求解動態波動方程或其簡化形式計算網絡中的水流路徑。一維水動力模型的連續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；

R——水力半徑，m；

V——平均流速，m/s。

根據水平衡原理，SWMM節點方程由式(7)給出：

(7)

式中：

H——節點水位，m；

Q——管道流入流量，m3/s；

Ask——節點面積，m2

2.2 悅來張家溪天然流域徑流分析

研究區域將芝加哥暴雨過程法和重慶市主城區暴雨強度公式結合根據不同重現期推求設計洪水，設計歷時120 min，雨峰系數為0.17。

為分析海綿設施前后悅來張家溪河道徑流的變化，首先對張家溪開發前天然河道的徑流進行模擬，分析其徑流特征。選取重現期P分別為1 a、5 a、20 a、50 a、100 a時的設計降雨條件，各重現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，之后緩慢退去，洪水在達到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型，洪水陡漲緩降。隨著重現期的增加，退水逐漸變陡。主要原因是流域地處山區，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，可以起到一定的調洪調蓄作用，故退水呈現出相對緩慢的趨勢。但隨著重現期和降雨的增加，其調節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城市開發徑流分析

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

圖7 張家溪流域傳統城市開發徑流過程示意

傳統城市開發模式下，張家溪河道徑流過程整體呈現為尖瘦型，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，傳統開發模式下洪水洪峰增加明顯。主要原因是傳統開發模式下，下墊面性質發生了較大變化，不透水區域大面積增加，水源涵養能力降低，產流量增加。

2.4 悅來張家溪流域低影響開發模式徑流分析

常見的LID設施按功能分為四大類，分別為滲透技術類、調蓄技術類、傳輸技術類、凈化技術類。悅來新城采用LID措施為：生物滯留設施+雨水桶+透水鋪裝+綠色屋頂+調蓄設施。海綿建設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徑流過程示意

可以看出各暴雨重現期下，海綿建設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。主要原因是因為流域位于山區，匯水面以及河道坡度大，匯流時間短，洪水調節能力低，所以洪水陡漲；又因為海綿設施具有一定調蓄作用，故退水較緩，但隨著重現期增加，退水逐漸變陡，其原因是隨著重現期增加，降雨量增加，海綿設施的調蓄能力起的作用越來越小。

3 張家溪流域本底、海綿設施前后徑流對比分析

根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2016)，本研究運用SWMM模型計算研究區域在重現期P分別為1 a、5 a、20 a、50 a、100 a時的設計降雨條件下，直觀地表現LID實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。

在原始天然區域進行城市開發，對當地徑流影響是巨大的：P=1 a時，與其天然流域相比，低影響開發建設該區域后，洪峰流量增加95%，徑流總量增加98%，傳統城市建設該區域后，洪峰流量會增加225%，徑流總量增加187%。當重現期增加時，低影響開發和傳統城市開發后的徑流增長在逐漸降低，到P=100 a時，低影響開發建設區域洪峰流量幾乎不變，徑流總量僅增加4%，傳統城市建設該區域后，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現洪峰歷時變化不大，各重現期基本保持一致。

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

(8)

式中:

P—單位時間內的降雨量，mm；

K—土壤飽和系數；

dP—單位時間內的降雨量，mm；

dR—單位時間內產生的徑流量，mm。

圖9 1年一遇設計暴雨對比分析示意

圖10 5年一遇設計暴雨對比分析示意

圖11 20年一遇設計暴雨對比分析示意

圖12 50年一遇設計暴雨對比分析示意

圖13 100年一遇設計暴雨對比分析示意

計算124子匯水區得到徑流系數(見表2、表3)，由于子匯水區較多，數據選取Z1～Z10列出，對124個子匯水區做徑流分析，由于暴雨重現期增大，地面下滲能力嚴重滯后于降水量，因此,徑流系數隨重現期增大而增大，而悅來城區低影響開發后，徑流系數相較于傳統城市開發的徑流系數有所下降，尤其在暴雨重現期短的降雨下，但在暴雨重現期50 a、100 a的情形下減低幅度極低。

表2 低影響開發Z1～Z10子匯水區域徑流模擬成果

表3 傳統城市開發Z1～Z10子匯水區域徑流模擬成果

另一方面,不同重現期低影響開發設施的建設都能一定程度的削減洪峰流量和洪水總量，但從整體出發，隨著設計暴雨重現期的不斷增加，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 不同重現期削減率對比示意

4 結語

1) 通過分析可見重現期越短，城市建設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較小，但由于人為開發，破壞了原始下墊面，使透水域變為不透水域。

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