海綿城市建設對流域海綿體生態水文過程的改善

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 華南農業大學資源環境學院,廣東省生態循環農業重點實驗室, 廣州 510642 2 深圳市北林苑景觀及建筑規劃設計院有限公司, 深圳 518055 3 廣東省城市生態空間可持續發展工程技術研究中心, 深圳 518055 4 深圳市羅湖區水務局水污染治理中心, 深圳 518003 5 云南大學生態與環境學院, 昆明 650091

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

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”系統解決城市水問題的新的城市建設模式[6],也是國內外城市水資源管理領域的研究熱點[7]。海綿城市建設的核心宗旨為通過改變城市土地利用/覆被形態,在屋面實施綠色屋頂、在地面實施下沉式綠地等多種生態基礎設施[8],干預水分在城市生態系統的局部運動過程,再通過水量水質變化反作用于城市生態系統,重塑城市生態水文過程[9]。不同功能海綿設施組合方案在實際應用中發揮的作用不盡相同,高強度降雨、持續降雨和短時強降雨下海綿設施依然有效[10]。土地利用改變確實可以促使局部水文過程及小氣候發生變化[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化蒸發過程影響城市水文循環[13]。但是海綿城市建設在流域海綿體生態水文過程中發揮的作用尚不清楚。

為了定量評價流域海綿體的生態水文過程,水文過程要素的在線監測是主要的技術手段之一。國外雨洪管理水文過程評估在近10年迅速發展為最前沿的研究議題[14]。國內海綿體水文過程評估還處于初始階段。國內海綿體水文過程評估對象主要為海綿體的排水分區、易澇點、典型項目和受納水體,監測水文要素為降水量、水量、水位、水質等,采取的技術手段主要包括模型模擬和監測[15—16]。監測比模型模擬更能反應實際水文要素變化過程,也是模型評估的重要補充。國內典型項目監測評價和監測體系構建得到了初步發展[6, 17]。但是缺乏流域尺度海綿體水文過程監測與評價研究。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,一部分水分下滲到土壤被植被截留和經過蒸騰作用蒸發,土壤中剩余的水分潛流進入地表水體或者下滲補充地下水[18]。當降水量超過城市蒸散和下滲能力時就會形成地表徑流,地表徑流量超過排水管網負荷時就會存在積水內澇現象[19]。基于流域尺度下滲量和蒸發量無法通過觀測獲得,本文以深圳市布吉河流域洪湖片區為例,通過雨季降水量、水量、水位、水質等生態水文過程要素在線連續監測來確定海綿城市建設是否改善洪湖片區生態水文過程,為相似流域生態水文過程重塑提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

圖1 洪湖片區海綿城市建設工程分布 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4個不同排水分區

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,流經羅湖區7.07 km。研究區洪湖片區位于布吉河流域中游,屬羅湖區高密度建成區,是深圳市最早的黃金珠寶產業集聚區。洪湖片區地勢東北高、西南低,土壤以花崗巖、砂頁巖發育而成的赤紅壤為主,總體雨水入滲能力較好。洪湖片區屬亞熱帶季風氣候,多年平均降水量為1975.2 mm,降雨量時空分布不均勻,呈現冬春少雨、夏秋多雨的變化規律,且多局地性強降雨,易受臺風、暴雨、洪澇侵襲。以沿城市雨水管網匯流路徑排入布吉河獨立排放口劃分排水分區,研究區域內有4個排水分區,分別標記為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城市,海綿城市建設逐步取得成效。海綿城市建設前洪湖片區作為典型高密度老舊城區,基礎設施薄弱,水體岸線硬化,內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A、B、C和D排水分區落實建筑小區、道路廣場和公園綠地源頭減排設施,完善片區雨污分流,布吉河沿線截污納管并且恢復生態岸線,末端強化洪湖滯洪區調蓄空間并且新建洪湖水質凈化廠,從中微觀層面干預水分在城市生態系統的局部運動過程。海綿城市建設后片區綜合水環境得到明顯提升,受納水體布吉河水質提升至IV類。洪湖片區內實施的海綿城市建設工程分布如圖1所示。

1.2 監測方案

表1 洪湖片區監測內容

圖2 洪湖片區監測位點分布Fig.2 Distribution of monitoring sites in Honghu AreaSS: 懸浮物Suspended solids

1.3 數據統計方法

深圳市暴雨強度總公式如式(1)所示。本文徑流總量和徑流總量控制率計算公式如式(2)和式(3)所示,數據的統計計算采用Excel和Origin軟件。采用Pearson相關系數分析排水分區面積、海綿面積(比例)、降雨量、降雨強度與地表徑流總量、峰值流量的相關性,顯著性水平設定為α=0.05,極顯著性水平設定為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 雨水井雷達流量計安裝示意圖Fig.3 Radar flowmeter installation diagram in rainwater well

式中,q為暴雨強度(L s-1hm-2),P為重現期(a),t是降雨歷時(min),A1是雨力參數,即假設重現期是1 a時的1 min設計降雨量(mm),取9.194 mm,C為雨力變動參數,無量綱,取0.460,b為降雨歷時修正參數,即對暴雨強度公式兩邊求對數后能使曲線化成直線所加的一個時間常數(min),取6.840,n是暴雨衰減指數,與重現期有關,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為排水分區或項目溢流流量(m3),Q2為排水分區溢流進洪湖滯洪區的總流量(m3),計算項目R時Q2為0。

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

2 結果與分析

2.1 研究區2020年雨季降雨特征

2.1.1雨季降雨特征

2020年洪湖片區全年降雨量為1328.1 mm,較羅湖區多年平均降雨量(1975.2 mm)低了647.1 mm,雨季降雨量降低是洪湖片區全年降雨量降低的主要原因。2020年洪湖片區雨季降雨量為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年洪湖片區月降雨量與月降雨日數顯著正相關(P<0.05),7月降雨日數僅為12d。降雨分布特征是影響雨季徑流產流過程的決定性因素。

2.1.2典型降雨場次

在2020年洪湖片區雨季降雨數據中篩選2場典型降雨作為降雨峰值強度的代表(圖5)。6月7日3:03—16:08時段降雨作為接近雨水管渠設計重現期(3年一遇)降雨的代表[21],降雨歷時785 min,總降雨量74.04 mm；9月15日12:08—17:28時段降雨作為接近內澇防治設計重現期(50年一遇)降雨的代表[22],降雨歷時315 min,總降雨量75.00 mm。6月7日降雨歷時較長,降雨強度較低；9月15日降雨歷時較短,降雨強度較高。降雨量、降雨強度和降雨持續時間等是評價短時強降水徑流產流過程的重要參數。

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

2.2 片區排放口流量監測結果評價

2.2.1排水分區徑流總量控制率

海綿城市建設后洪湖片區A、B、C和D區通過分別實施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),較海綿城市建設前減少雨季地表徑流40%(依據《深圳市海綿城市建設專項規劃及實施方案》布吉河片區的核算結果和規劃管控目標,洪湖片區徑流總量控制率本底值為57.2%)。排水分區面積、海綿面積(比例)與地表徑流總量相關性不顯著(P>0.05),海綿面積(比例)不能直接反映海綿城市建設對地表徑流的影響。洪湖片區屋面雨水通過綠色屋頂截留、雨水罐儲存,地面雨水經透水鋪裝、下沉式綠地、雨水花園和生態停車場等滲透,再經植草溝或線性排水溝傳輸進入地下管網,或通過雨水回用系統進一步處理后排放,結合雨污分流強化源頭減排功能。道路雨水經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。公園綠地雨水經生物滯留設施和透水鋪裝滲透后溢流排入地下管網。末端洪湖滯洪區屋面雨水經綠色屋頂截留,地面雨水經下沉式綠地和透水鋪裝滲透補充地下水,其余地表徑流經植草溝傳輸,雨水花園和生態駁岸滲滯后進入雨水濕地,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施和調蓄設施的耦合以增加蒸發量和蓄水量是削減洪湖片區地表徑流的關鍵。

表2 洪湖片區各排水分區雨季徑流總量控制率

圖6 透水鋪裝、雨水回用系統和植被緩沖帶(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排水分區削峰效果

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

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

2.2.3排水分區徑流污染控制效果

從表3可以看出,除了D區,排水分區面積越大,月降雨量越高,產生的地表徑流月均SS濃度越高,但排水分區面積、月降雨量與地表徑流月均SS濃度相關性不顯著(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。各排水分區地表徑流月均SS濃度低于16 mg/L,表明洪湖片區海綿設施發揮了作用,地表徑流得到有效控制。

表3 洪湖片區各排水分區月平均SS排放濃度

2.3 典型源頭減排項目監測結果評價

2.3.1典型項目徑流總量控制率

從表4可以看出,項目的地表徑流總量與徑流總量、項目面積均不相關(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,海綿城市建設后,學校產生的雨季徑流無外排,表明通過綠色屋頂截留屋面雨水、雨水回用設施調蓄地面雨水對控制學校地表徑流總量有效。道路產生的雨季徑流99%(5.50萬m3)以上得到控制,表明下沉式綠地、透水鋪裝和環保型雨水口在道路雨水下滲和延緩地表產流方面具有重要作用。社區公園產生的雨季徑流99%(0.78萬m3)以上得到控制,表明生物滯留設施和透水鋪裝的綜合運用對社區公園地表徑流產流過程有直接影響。以上結果表明海綿設施建設強化了典型項目下滲和調蓄功能,削減了地表徑流總量。

表4 洪湖片區典型項目徑流總量控制率

圖8 學校、道路和社區公園海綿城市建設效果圖Fig.8 Sponge city construction effect pictures of school, road and community park

2.3.2典型項目對降雨徑流的削峰效果

從圖9可以看出,峰值流量與項目面積無關,不同項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、低強度降雨下,學校不產流,道路流量峰值延時90 min,社區公園流量峰值與降雨強度峰值接近且顯著正相關(P<0.05),三者峰值流量削減率均高于97%,表明海綿城市建設后,學校削峰效果最明顯,道路有明顯的延鋒和削峰作用,公園綠地產生超滲產流,僅3%地表徑流進入管網。9月15日短歷時、高強度降雨下,三個項目均不產流,表明海綿城市建設后典型項目均有抵抗短時強降雨的能力。

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

2.3.3典型項目徑流污染控制效果

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

表5 洪湖片區典型項目月平均SS排放濃度

2.4 易澇點積水水位監測結果評價

從圖10可以看出,海綿城市建設后,在降雨接近雨水管渠設計重現期和內澇防治設計重現期下,洪湖片區3個易澇點積水水位均為0,表明降雨強度、降雨時長對洪湖片區3個易澇點無影響,易澇點附近地表徑流沒有超過排水管網負荷。整個雨季出現的最大積水水位僅為7.8 cm,并且在15min內退水,表明海綿城市建設后洪湖片區地表徑流得到有效控制,有效緩解了雨水管網負荷。

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

2.5 受納水體監測結果評價

2.5.1水體黑臭指標評價

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

2.5.2其他水質指標評價

從圖12可以看出,雨季布吉河(洪湖片區段)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,表明海綿城市建設后布吉河水質得到明顯提升。布吉河(洪湖片區段)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的重要因素。

圖12 2020年雨季布吉河(洪湖片區段)其他水質指標變化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的影響

表6 日降雨量與布吉河(洪湖片區段)水質指標相關系數

3 討論

與海綿城市建設在城市水資源管理領域中的廣泛影響和重要性相比,海綿城市建設如何調節流域尺度生態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的海綿城市建設為例,評估片區水文要素對透水面積變化的響應。本文通過2020年雨季降雨量、水量、水位和水質連續在線監測,發現中微觀尺度源頭減排設施和調蓄設施的耦合建設模式可以削減洪湖片區徑流總量、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地表徑流總量無直接影響,降雨強度顯著影響洪湖片區地表徑流峰值流量(P<0.05),日降雨量對布吉河水質影響極顯著(P<0.01)。這表明日間降雨分布特征對洪湖片區產生的地表徑流和匯入布吉河的河川徑流有直接影響,當時間尺度拉長為雨季時,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,氣候變化是導致暴雨徑流增加的主要因素[24]。海綿城市建設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增大趨勢,氣候變化帶來的強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,降雨日數最多的是7月[26]。海綿城市建設后,2020年洪湖片區年降雨量較深圳市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反而是雨季最少的,降雨時空分布特征發生變化。表明海綿城市建設改變了洪湖片區的生態水文過程,氣候變化不再是影響洪湖片區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。關于海綿城市建設如何影響洪湖片區降雨分配過程還需進一步探討。

洪湖片區通過28.3%(0.85 km2)海綿面積建設,通過提升透水面比例,以生物滯留設施和透水鋪裝等強化片區蒸發和下滲過程,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系。表明海綿面積(比例)不能完全體現洪湖片區土地利用/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。源頭減排設施、截污納管、末端蓄水池的結合使用可以分別削減徑流量35%—49%,4%—15%和3%—36%[27]。在排水分區尺度上,將30%的屋頂轉化為綠色屋頂,10%的綠地轉化為雨水花園,35%的路面轉化為透水路面,可將徑流控制率從59.9%提高到82.2%[28]。洪湖片區海綿城市建設可有效削減短時高強度、長時中強度降雨峰值。片區海綿城市建設可有效削減中低強度降雨峰值已經得到證實[29]。同一流域相鄰排水分區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]。基于海綿城市有效削減了洪湖片區地表徑流總量和徑流峰值,片區內3處易澇點整個雨季基本無積水,表明洪湖片區海綿設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要解決的核心問題之一。研究表明影響海綿城市內澇防治效果的決定性因素是海綿設施的生物物理參數[31]。在生態水文過程中,污染物伴隨水分運動發生遷移、轉化和沉降作用,海綿城市建設對洪湖片區水質影響還需進一步探討。

海綿城市建設對微觀尺度生態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目生態水文過程量化關系不明顯。學校、道路和社區公園利用綠色屋頂、透水鋪裝等強化下滲、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,與生物滯留設施結合可有效控制徑流總量[39]。這種組合方案在社區公園中應用效果更佳。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],結合環保型雨水口,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施是片區徑流控制開始的地方,也是海綿城市生態基礎設施網絡建設的重點。

4 結論

本研究證明海綿城市確實改善了洪湖片區生態水文過程,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系,但是氣候變化帶來的降水變化不再是影響洪湖片區地表徑流總量的主要因素,間接證明海綿城市建設引起的土地利用/覆被變化可能是影響洪湖片區地表徑流總量的主要因素。洪湖片區通過28.3%(0.85 km2)海綿面積建設,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)。本研究結果表明,海綿城市中微觀尺度源頭減排設施和調蓄設施的耦合建設模式是一種改善相似流域生態水文過程的有效途徑。