基于Win-TR55 的小區(qū)域低影響開(kāi)發(fā)水文效應(yīng)評(píng)估

梁昌梅，張 翔，吳鳳燕，劉路廣，黃 潔

（1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院 ，湖北省節(jié)約用水研究中心，湖北 武漢 430070； 2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 3. 武漢大學(xué) 海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著全球城市化進(jìn)程的推進(jìn)，道路、建筑物等不透水面積急劇增加，改變了原來(lái)的下墊面特征，嚴(yán)重影響了城市水循環(huán)機(jī)制，引發(fā)了一系列城市水文效應(yīng)，使得城市內(nèi)澇問(wèn)題日益凸顯［1，2］，因此，迫切需要研究城市化對(duì)的洪量、洪峰等因素的影響以及應(yīng)對(duì)措施。

國(guó)外對(duì)于城市暴雨徑流的控制提出多種解決策略，并逐漸形成多個(gè)系統(tǒng)解決方案，如英國(guó)“可持續(xù)排水系統(tǒng)”（SUDS）；澳大利亞“水敏感城市”（WSUD）；美國(guó)“最佳管理措施”（BMPS）、“低影響開(kāi)發(fā)”（LID）等，其中低影響開(kāi)發(fā)是一種從源頭控制理念出發(fā)，通過(guò)各種LID設(shè)施控制雨水，保證開(kāi)發(fā)前后水文特征不發(fā)生變化的一種方法，廣泛應(yīng)用于西方發(fā)達(dá)國(guó)家［3，4］。國(guó)內(nèi)借鑒LID 理念提出了建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，2020 年在十四五規(guī)劃中明確提出海綿城市建設(shè)繼續(xù)深入推進(jìn)，地級(jí)及其以上建成區(qū)的黑臭水體削減比例達(dá)96%。2021年3月1日起執(zhí)行的《中國(guó)人民共和國(guó)長(zhǎng)江保護(hù)法》中第六章綠色發(fā)展第六十八條明確規(guī)定長(zhǎng)江流域縣級(jí)以上地方人民政府應(yīng)當(dāng)加快建設(shè)雨水自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市。目前國(guó)內(nèi)LID 措施的設(shè)計(jì)仍然缺少必要的水文分析計(jì)算，特別是在城市設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水條件下的LID 設(shè)計(jì)研究較薄弱。

城市雨洪模型是用于評(píng)估低影響開(kāi)發(fā)水文效應(yīng)有效的工具之一。自20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始，國(guó)外就對(duì)城市雨洪模型進(jìn)行了大量研究且已取得了較大進(jìn)展，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的模型如Info Works CS、SUSTAIN、HSPF、SLAMM、SWMM 等［5-9］，其中SWMM 在我國(guó)應(yīng)用最為普遍［10-13］。國(guó)內(nèi)城市雨洪模型研究起步較晚，比較系統(tǒng)的研究在20 世紀(jì)80 年代后期，發(fā)展較為成熟的城市雨洪模型主要有：城市雨水管道計(jì)算模型（SSCM）、城市雨水徑流模型（CSYJM）等［14， 15］。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)這些城市雨洪模型雖然可以模擬出復(fù)雜的徑流過(guò)程，但均需要確定大量參數(shù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要求較高；且考慮下墊面情況不夠充分，大多模型只將其分為透水和不透水兩種類型。

Win-TR55 是小流域設(shè)計(jì)洪水模型，該模型的產(chǎn)流核心為SCS-CN 徑流曲線模型，其突出的特點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、所需要的參數(shù)較少，并綜合考慮了流域降水、土壤類型、下墊面類型、前期土壤濕潤(rùn)狀況與徑流之間的關(guān)系。目前對(duì)于該模型的研究主要集中于兩個(gè)方面：一、改進(jìn)SCS模型。學(xué)者們主要從兩個(gè)方面改進(jìn)SCS 模型，一種是修訂和優(yōu)化CN值，如李志梅［16］等人利用研究區(qū)長(zhǎng)期實(shí)際觀測(cè)降雨-徑流數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于降水量的CN值估算方法；MISHRA［17］等人提出了一個(gè)基于前5 日降雨和土壤濕度計(jì)算土壤潛在蓄水量的SCS-CN 模型，改善了CN值變化存在的跳躍性。另一種是改進(jìn)SCS 模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，如吳艾璞［18］等人通過(guò)考慮前期雨量和降雨歷時(shí)對(duì)SCS-CN 模型進(jìn)行改進(jìn)，并運(yùn)用至北京密云水庫(kù)；SING［19］等人通過(guò)考慮徑流系數(shù)和飽和程度的概念，改進(jìn)了SCS-CN 模型，提出了一種結(jié)構(gòu)化更加合理、穩(wěn)定性更強(qiáng)的MMSCS-CN 模型。二、地表徑流預(yù)測(cè)。馬麗君［20］等人基于SCS-CN 模型，充分考慮了鄭州市下墊面產(chǎn)流情況，研究分析了坡度、土壤、土地利用與徑流量之間的關(guān)系。欒承梅［21］等人運(yùn)用SCS 模型運(yùn)用至江蘇北部的小流域中，依據(jù)該模型對(duì)研究區(qū)的徑流模擬，為該地區(qū)的小流域洪水預(yù)報(bào)提供了依據(jù)。

考慮WinTR55模型的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，所需參數(shù)少并在降雨徑流關(guān)系上，充分考慮了流域下墊面的特點(diǎn)及人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，能針對(duì)未來(lái)土利用情況變化預(yù)估降雨徑流關(guān)系的可能變化等優(yōu)勢(shì)，將其運(yùn)用至城市小區(qū)域中的低影響開(kāi)發(fā)的水文效應(yīng)評(píng)估。以武漢市光谷九龍山生態(tài)園的低影響開(kāi)發(fā)為例，利用Win-TR55 模擬了研究區(qū)分別在現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和低影響開(kāi)發(fā)模式下，不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的設(shè)計(jì)洪峰、設(shè)計(jì)洪量以及相應(yīng)淹沒(méi)范圍的變化，評(píng)估低影響開(kāi)發(fā)在小區(qū)域上的水文效應(yīng)。

1 研究方法

通過(guò)對(duì)區(qū)域基礎(chǔ)資料的收集，得出不同開(kāi)發(fā)模式下的不同土地利用類型面積，利用WinTR55 推求研究區(qū)的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及低影響開(kāi)發(fā)后的三種模式在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程并利用體積法來(lái)確定其在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水下的淹沒(méi)范圍，為研究區(qū)的LID設(shè)施設(shè)計(jì)提供水文依據(jù)。

1.1 WinTR55模型簡(jiǎn)介

（1）產(chǎn)流過(guò)程。Win-TR55 的核心是SCS 水文模型，在降雨徑流關(guān)系上，其充分考慮了流域下墊面的特點(diǎn)，如土壤、坡度、植被、土地利用等；SCS 模型在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛［10］，產(chǎn)流參數(shù)只有一個(gè)CN值，CN值與流域的土壤性質(zhì)、土地利用類型、坡度、植被等因素有關(guān)。

SCS模型的產(chǎn)流公式為：

式中：Q為徑流量，mm；P為一次降雨總量，mm。由于初損值Ia（mm）不易求，認(rèn)為Ia與流域當(dāng)時(shí)可能滯留量S（mm）有關(guān)。

S值主要是通過(guò)無(wú)因次參數(shù)CN來(lái)確定。

（2）CN值的確定。徑流曲線數(shù)CN值是用于描述降雨徑流關(guān)系的重要參數(shù)，它是研究區(qū)下墊面綜合特征的量化描述，決定性因素主要包括土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、前期土壤濕度等。CN值越大，S越小，則產(chǎn)流量越大。CN值的確定方法主要有兩種：一種是查表法：依據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、土壤類型和質(zhì)地、前期影響雨量，利用美國(guó)國(guó)家工程手冊(cè)CN值查算表和研究區(qū)實(shí)際情況，確定出CN值。還有一種是反推法，基于研究區(qū)的降雨徑流實(shí)測(cè)資料，通過(guò)SCS產(chǎn)流公式反推CN值。

由于本次研究缺少可靠的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此采用查表法。首先通過(guò)獲取研究區(qū)內(nèi)不同下墊面類型、土壤類型圖層，然后通過(guò)查表法確定出相應(yīng)的CN值，最后采用加權(quán)平均法，計(jì)算出流域的整體CN值，具體計(jì)算如公式（4）所示。在低影響開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要改變下墊面類型和土壤參數(shù)，依據(jù)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況，得出相應(yīng)的CN值。

式中：CNi表示第i中下墊面類型所對(duì)應(yīng)的CN值；Ai為每種下墊面的面積；n為流域內(nèi)下墊面類型的種類數(shù)。

（3）匯流過(guò)程。WinTR55 的匯流過(guò)程采用了SCS 模型的匯流，利用一條統(tǒng)一的無(wú)因次單位線來(lái)計(jì)算流域的徑流過(guò)程。無(wú)因次單位線的縱坐標(biāo)為q/qp，橫坐標(biāo)為t/tp，其中，qp和tp分別為有因次單位線的洪峰流域（m3/s）和峰現(xiàn)歷時(shí)（h）。

洪峰流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如公式（5）所示：

式中：qp為凈雨量25.4 mm 時(shí)的單位線洪峰流量，m3/s；R為凈雨量，mm；A為流域面積，km2；tp為峰現(xiàn)時(shí)間，h。

tp與匯流時(shí)間tc關(guān)系為：

tc通過(guò)滯時(shí)L的關(guān)系求出：

式中：L為滯時(shí)（即由凈雨中心到洪峰出現(xiàn)時(shí)間的時(shí)距），h；tc為匯流時(shí)間，h；l為水流長(zhǎng)度，m；y為流域平均坡度，%；S是流域的最大可能滯留量，mm。

無(wú)因次單位線時(shí)段D，如式（8）所示：

依據(jù)流域自身特點(diǎn)，用qp和tp將無(wú)因次單位線轉(zhuǎn)化為有因次單位線，再利用產(chǎn)流公式得出每一個(gè)時(shí)段D內(nèi)的徑流量R，與單位線相乘，得出流域的出流過(guò)程。

1.2 體積法

對(duì)于研究區(qū)淹沒(méi)范圍的確定主要采用“體積法”。其基本思想是：根據(jù)洪水由高向低流動(dòng)的重力特性和地形起伏情況，用洪水水量與洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)總水量體積相等的原理來(lái)模擬洪水淹沒(méi)范圍。

針對(duì)研究區(qū)域洪水淹沒(méi)區(qū)A，考慮到洪水淹沒(méi)區(qū)的陸面高程Eg（x，y）的離散性，把整個(gè)洪水淹沒(méi)區(qū)A離散為一些小方塊，用插值的方法使每個(gè)方塊都有一個(gè)高程數(shù)據(jù)。

式中：Δδ為小方塊的面積；N為洪水淹沒(méi)區(qū)A所劃分的小方塊數(shù)；Eg（i）為第i個(gè)小方塊的高程；Ew為洪水水面高程［22］。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省武漢市東湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，北臨九龍湖水庫(kù)，東臨長(zhǎng)嶺山麓，占地面積約700畝。下墊面目前為原始地貌，主要有空閑地、灌木林地、坑塘水面和旱坡地，基地整體地勢(shì)平緩，成東側(cè)高，西側(cè)平緩、北側(cè)高而南側(cè)低平之勢(shì)，土壤質(zhì)地均一多為黏土，區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛。研究區(qū)的只有一個(gè)排水口，入水口主要是九龍水庫(kù)的泄洪渠，假定九龍水庫(kù)的泄洪量為定值，如圖1所示。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)，主要利用的設(shè)施有：綠色屋頂、透水鋪裝、植草溝、生物滯留池［13］等。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The location of the study area

2.2 數(shù) 據(jù)

主要收集了以下數(shù)據(jù)：現(xiàn)狀航拍圖（10 m×10 m）、CAD 地形數(shù)據(jù)、土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、研究區(qū)低影響開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、不同重現(xiàn)期的日降雨量及其時(shí)程分配。

不同重現(xiàn)期的日降雨量及時(shí)程分配主要依據(jù)《武漢市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》得出，如表1及圖2所示。

表1 不同重現(xiàn)期下日降雨量Tab.1 Daily rainfall of different return period

圖2 不同重現(xiàn)期下的降雨過(guò)程分配量Fig.2 The process of rainfall at different return period

3 研究結(jié)果

3.1 不同開(kāi)發(fā)模式下參數(shù)CN值的確定

根據(jù)研究區(qū)的航拍圖，低影響設(shè)計(jì)規(guī)劃以及傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖，得出研究區(qū)的土地利用類型如圖3、圖4 所示，其相應(yīng)的面積如表2、表3和表4所示。

表2 現(xiàn)狀各土地利用類型及面積Tab.2 Areas of the land use type at pre-development situation

表3 低影響開(kāi)發(fā)各土地利用類型及面積Tab.3 Areas of the land use type at LID development situation

表4 傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式下各土地利用類型及面積Tab.4 Areas of the land use type at traditional development situation

圖3 現(xiàn)狀的土地利用類型Fig.3 The land use type of pre-development situation

圖4 低影響開(kāi)發(fā)條件下土地利用類型Fig.4 The land use type of LID designs

根據(jù)上述在不同開(kāi)發(fā)模式下土地利用類型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)的地形、土壤滲透性特征，初損系數(shù)λ采用0.2，通過(guò)CN值查算表得出AMCⅡ（較濕潤(rùn)條件）得出現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及低影響開(kāi)發(fā)下SCS 模型的產(chǎn)流參數(shù)CN值分別為：82、88，低影響開(kāi)發(fā)主要是改變了下墊面特征和土壤特征，通過(guò)參考《海綿城市工藝標(biāo)準(zhǔn)》《海綿城市施工作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》中，表明透水鋪裝采用的砂黏性土層、綠色屋頂過(guò)濾層采用的是砂石，植草溝過(guò)濾層采用的10～30 cm 的碎石。雨水花園采用的是50～100 mm 的砂層，基于上述下墊面和土壤類型變化，查找CN參數(shù)表，具體見(jiàn)表5 所示，得出CN值為44。通過(guò)對(duì)比不同開(kāi)發(fā)模式下的CN值，可以看出傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)下的CN值最大，低影響開(kāi)發(fā)條件下的CN值最小，這主要是由于在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)條件下，不透水面積增加，主要包括不透水路面、普通屋頂以及停車場(chǎng)；而采用低影響開(kāi)發(fā)模式，將道路替換成透水路面，普通屋頂替換成綠色屋頂，停車場(chǎng)替換成生態(tài)停車場(chǎng)，改變了下墊面類型，增加了調(diào)蓄容積，相應(yīng)的CN值減小，產(chǎn)流量也減小。由于本研究區(qū)域沒(méi)有實(shí)測(cè)的降雨徑流數(shù)據(jù)，使得該模型不能進(jìn)行校準(zhǔn)CN值，所以模型模擬的結(jié)果應(yīng)該有偏差，后續(xù)應(yīng)持續(xù)開(kāi)展LID 設(shè)施的降雨產(chǎn)流實(shí)驗(yàn)，用于確定不同情況下的CN值。

表5 不同LID設(shè)施的CN取值Tab.5 CN values for different LID facilities

3.2 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)洪水過(guò)程推求

利用Win-TR55 模型推求不同開(kāi)發(fā)模式下1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、50 年一遇的設(shè)計(jì)暴雨對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)洪水過(guò)程模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of design flood process under different return periods

由WinTR55的推求結(jié)果可知，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)相較于現(xiàn)狀增加了洪峰及洪量，而低影響開(kāi)發(fā)相較于現(xiàn)狀有效的削弱了洪峰及洪量，具體結(jié)果見(jiàn)如表6、表7。低影響開(kāi)發(fā)之后，洪峰在1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、50 年一遇的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下，相較于現(xiàn)狀分別削減了94.14%、70.63%、60.64%、45.42%；洪量在1 年一遇、5 年一遇、10 年一遇以及50 年一遇的削減率分別是：96.74 %、81.58%、73.46%、61.13%；從上述結(jié)果分析可知，低影響開(kāi)發(fā)對(duì)于洪峰削減率以及洪量削減率均隨著雨強(qiáng)的增加，然而對(duì)于其控制作用逐漸減小。通過(guò)圖5 所示，在降雨初期，3 種開(kāi)發(fā)模式均未產(chǎn)流，然而隨著時(shí)間的推移，傳統(tǒng)模式最先產(chǎn)流，之后為現(xiàn)狀模式，最后為低影響開(kāi)發(fā)，該模式大大延長(zhǎng)了徑流產(chǎn)生的時(shí)間，這主要是由于低影響開(kāi)發(fā)模式下的下墊面減緩了徑流的輸移時(shí)間，增加了下滲，因此該模式的開(kāi)發(fā)對(duì)于城市內(nèi)澇的緩解具有十分重要的作用。

表6 低影響開(kāi)發(fā)峰值削減率Tab.6 Peak reduction rate at LID situation

表7 低影響開(kāi)發(fā)洪量削減率Tab.7 Flood reduction rate at LID situation

表8 低影響開(kāi)發(fā)淹沒(méi)范圍削減率Tab.8 The reduction rate of submerged range at LID situation

3.3 設(shè)計(jì)淹沒(méi)范圍的確定

根據(jù)上述模型推求的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，考慮九龍水庫(kù)的泄洪量，利用體積法對(duì)設(shè)計(jì)淹沒(méi)范圍進(jìn)行確定，得出結(jié)果圖6 所示。通過(guò)設(shè)計(jì)淹沒(méi)范圍面積的變化對(duì)比表明，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)相較于現(xiàn)狀增加了不透水面積導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍增加，而低影響開(kāi)發(fā)模式相較于現(xiàn)狀有效的削減了設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍。1年一遇、5年一遇、10 年一遇和50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍分別削減了74.35%、63.6%、51.14%、6.83%，隨著雨強(qiáng)增加，低影響開(kāi)發(fā)對(duì)于設(shè)計(jì)淹沒(méi)范圍的影響逐漸變小。

圖6 不同重現(xiàn)期下的淹沒(méi)范圍（單位：m）Fig.6 Submerged range at design storm under different return period

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合武漢九龍生態(tài)園實(shí)例，應(yīng)用Win-TR55 開(kāi)展了設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的研究，評(píng)估了不同下墊面條件，評(píng)估現(xiàn)狀、傳統(tǒng)和低影響開(kāi)發(fā)3 種模式的水文效應(yīng)。結(jié)果表明Win-TR55 模型對(duì)于我國(guó)區(qū)域LID 水文評(píng)估是適用的；低影響開(kāi)發(fā)相較于現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)對(duì)洪量、洪峰及設(shè)計(jì)淹沒(méi)范圍均起到削減作用，但是隨著雨強(qiáng)的增加，低影響開(kāi)發(fā)作用逐漸減小。在高強(qiáng)度降雨的條件下，地形地勢(shì)可能是洪水過(guò)程影響的主導(dǎo)因素，因此在小區(qū)域開(kāi)發(fā)過(guò)程中建議采用“綠色+灰色”基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的方式來(lái)應(yīng)對(duì)不同強(qiáng)度的降雨情景。研究成果可以為我國(guó)城市雨水管理和海綿城市建設(shè)提供指導(dǎo)意義。