中小尺度下綠地格局的徑流控制分析*

劉 永 劉 暉

西安建筑科技大學建筑學院 西安 710055

隨著城市化的快速發展， 城水問題愈發顯著，區域濕地面積減少， 雨洪調蓄能力減弱[1-2]， 從20 世紀60 年代至今， 將城市雨洪管理與城市空間布局以及生態景觀系統相結合已成為城市發展的新趨勢并形成了諸多先進的雨洪管理理念[3-5]。城市中30%～40%的綠地率僅僅反映了綠地的占比， 而實際的城市生態績效并不與之匹配。 如何在復雜的城市空間中通過精準綠地布局來緩解城水問題， 已成為當下協調城市發展與改善生態環境的重要切入點。

在城市建設中， 綠地是協調城水關系的重要載體， 不同尺度下的景觀格局對生態過程的影響也不相同[6]， 該影響同樣體現在徑流調蓄功效上。在海綿城市建設過程中， 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行模擬分析。

如圖1 所示: 在常規式綠地分布模式中， 綠地依據建筑布局及用地性質的功能需求而定， 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； 在中心貫穿式綠地分布模式中， 場地中心設有綠地廊道， 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， 可節約部分敷設管渠的成本； 在離散式綠地分布模式中， 場地中設置不同級別的生態草溝， 依據地形連通形成不同級別的匯水途徑， 匯入周邊的環狀綠地廊道， 最終到達末端收集區域。 對附屬綠地的有效識別與利用， 將其有機地聯系可作為處理城市中分散的、 小范圍的雨水徑流調蓄場所， 這不僅可以實現對雨水的源頭控制， 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

通過對衛星地圖分析， 發現城市街區尺度建設地塊邊長普遍集中在80～180 m 范圍內， 其中80 m主要為老舊街區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際場地大小并在模擬過程中減小計算誤差的基礎上， 對比不同約束條件對徑流調蓄的貢獻， 選取100 m×100 m 作為樣方， 分別對不同綠地分布類型、 子匯水分區連通方式、 下墊面不透水連續程度及徑流入流順序4 類場地條件構建水文模型， 通過多組對照模擬分析以上條件對徑流的管控效能。

在排水分區管控單元下的 “源頭—過程—末端” 的體系下， 不同層級的海綿設施可在隸屬的匯水單元中相互聯系， 構成各自閉合的 “產匯消” 子體系。 相對于宏觀層面的地表徑流管控模式， 衍生出的 “產匯消” 子體系可以更系統地在場地、 街區等中小尺度下協調徑流管控， 而中小尺度下該體系的構建， 無論在雨水資源的高效在地性利用， 還是設計層面均具備較強的可操作性和可重復性[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) 對應街心公園的建設類型， 該模式綠地相對集中；模式2 (分散集中式) 對應居住區中心綠地的布局， 每個地塊中心設置綠地， 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 (規模為 100 m×100 m)， LID 設施設置于場地中心 (規模為20 m×20 m)。 模式2、 3 為四等分的子匯水分區 (規模為50 m×50 m)， 兩組模型中均設置面積相等的LID 設施 (規模為10 m×10 m)， 其中， 模式2 中的LID 設施設置于子匯水分區中心， 模式3 中LID 設施設置于子匯水分區邊緣， 模式4 中LID設施呈條帶狀分布于子匯水分區邊緣。

1.2.2 不同子匯水分區連通方式

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

圖3 不同子匯水分區連通方式模式

如圖3 所示: 模式5、 6 中子匯水分區規模為100 m×25 m， 呈長方形； 模式7、 8 中子匯水分區規模為50 m×50 m， 呈正方形； 4 種模式對應的LID 設施均設置在各子匯水分區中心。

1.2.3 下墊面連續程度及徑流入流順序

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

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

圖4 下墊面連續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， 相關學者在對該模型進行原理及實踐研究中， 對其在城市徑流模擬的適用性及準確性進行了驗證。 劉俊[9]利用連續方程與曼寧方程驗證了模型在城市防洪與排水規劃設計中的適用性； 蔡凌豪[10]認為SWMM 模型在中小尺度的水文模擬中具有更好的準確性； 陳鑫等[11]通過對鄭州市主城區暴雨徑流過程進行模擬， 驗證了SWMM 模型在城市內澇模擬中的適用性。 陳瓊[12]證明了基于 SWMM 模擬應用 LID 技術的實用性和可靠性。

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 中的敏感參數進行了率定， 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等因子對模擬結果的影響。 在SWMM 與LID 設施配置的研究中， 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施的徑流量及污染物削減的效果進行模擬研究， 證明了對LID 設施進行參數優化可提高其徑流管控效能。

1.4 模型參數選取及修正

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， 影響子匯水分區的劃分與模擬結果的準確性[25-26]。 目前有4 種關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， 該方法不需要相關經驗系數的修正， 可較為準確地反應特征寬度與地塊的關系， 同時減少因經驗系數取值不同而帶來的模擬結果誤差。 為了在模型中客觀反映子匯水分區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確的特征寬度。 對模式 1、 2、 3、 4 中子匯水分區匯流長度做如下修正 (圖5)。

圖5 模型參數示意

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

1.4.2 土壤及LID 設施參數調整

已有學者通過模型參數率定及場地監測的方法對研究區土壤特性進行研究[31]。 因此， 本研究地表產流模型選用 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分別取0.01、 0.1， 不透水和透水區的洼蓄量分別為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行模擬。 為減小變量造成的影響， 模型中的LID 設施均為Rain Garden， 蓄水深度取150 mm，植物覆蓋比取20%， 表面粗糙系數取0.1。

1.4.3 設計降雨雨型

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

2 結果與分析

2.1 設計降雨條件模擬結果

2.1.1 2 年一遇設計雨型下各排放口徑流排放

在2 年一遇設計雨型下對各組模式進行模擬，各排放口徑流排放量見表1。

表1 2 年一遇設計雨型下各排放口徑流排放量統計 m3·s-1

2.1.2 5 年一遇設計雨型下各排放口徑流排放

在5 年一遇設計雨型下對各組模式進行模擬，各排放口徑流排放量見表2。

表2 5 年一遇設計雨型下各排放口徑流排放量統計 m3·s-1

2.2 不同場地條件徑流調蓄效能分析

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于模式1； 同時， 模式2、 3在徑流總量控制上也優于模式1。 在5 年一遇降雨事件中， 模式2、 3 出現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 控制徑流量的表現相對較差。究其原因， 在該降雨強度條件下， 模式4 (分散條帶式) 綠地分布集中在匯水分區邊緣， 場地發生蓄滿產流， 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: 子匯水分區的并聯式出流模式導致徑流只通過各自所在匯水分區最終排放， 未能與周邊子匯水分區連通， 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串聯， 且漫流長度相對較長， 徑流在流經過程中可進行一定量的下滲， 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， 說明子匯水分區串聯的方式比并聯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的串聯，場地下游的子匯水分區需要接受上游分區排入的徑流， 所以場地徑流過程持續時間較長。

2.2.3 下墊面不透水連續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， 且隨降雨強度的增大， 該結論得到驗證。 連續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程度， 從而可較好地對徑流進行控制。

3 西安西咸新區白馬河公園設計及應用

3.1 項目概況

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

3.2 優化模式應用

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

圖6 方案總平面示意

圖7 項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； 通過模式9、 10 在徑流錯峰、削峰上的良好表現， 對該區域場地進行分散的“硬質-綠地-硬質-綠地” 模式優化； 場地北側硬質鋪裝較多， 是場地徑流的多發區域， 對該區域鋪地格局采取透水鋪裝和綠地間隔的布局模式，降低硬質鋪裝的連續程度， 進一步調控該區域徑流； 沿環形步道內側布置植被緩沖帶， 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， 最終通過植草溝匯入場地中心的生物滯留區域。

圖8 項目下墊面徑流組織剖面分析

3.3 優化模式模擬驗證

3.3.1 模式概化模擬對比

如圖9 所示， 場地產生徑流的主要區域為北側入口區域， 由于使用功能的需求， 需設置較大面積的集散場地， 依據串聯模式在徑流控制上的良好表現對北側與東北側主入口雨水花園進行內部串聯， 其南側鋪地采用綠地與硬質間隔的布局模式。 通過對場地各模式優化前后進行模擬對比發現， 在本項目中， 將雨水花園串聯和對綠地與硬質進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 (表3)。

圖9 優化模式概化模擬

表3 不同模式下排放口徑流統計 (m3·s-1)

3.3.2 項目整體模擬對比

以項目所在地年徑流總量控制率90%的設計降雨量 (24.1 mm) 作為模擬條件， 對場地進行SWMM 模擬計算。 從子匯水分區徑流量分布上看， 在9 ∶50， 未添加 LID 設施的場地有 5 個區域出現了徑流外排 (圖10A)， 在本研究相關結論的優化下， 協同LID 設施布置， 場地只有一個區域發生了徑流外排， 時間為 10 ∶00 (圖 10B)。 通過進一步分析發現， 兩個模型徑流結束時間分別為 10 ∶40 和 10 ∶15， 說明在豎向及綠地格局優化的協助下， 場地LID 設施的調蓄功效得到進一步加強。

圖10 LID 優化前后子匯水分區徑流概化模擬

4 結語

本研究提取分析的12 種綠地模式代表了城市建設的典型模式， 由于城市空間的多變性， 實際建設中的綠地模式更為復雜。 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化分配提供可能， 最終服務于生境空間的多樣性營造[33-34]。

研究表明， 在街區中小尺度下， 對于徑流調蓄的研究具有較強的可操作性與可復制性。 不同于規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同豎向、 地形、 下墊面分布等場地要素， 從設計層面精準應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生影響， 因此， 在具體設計中可結合場地條件對綠地分布類型、 子匯水分區連通方式及下墊面不透水連續程度進行細分與排布， 以獲取相應的徑流控制優化模式。