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  基于低影响开发措施的径流效应
——以邯郸市育德花园为例
杨荣榕
(贵阳市水文水资源局,贵州 贵阳 550001)
    摘要:以邯郸市的育德花园为研究对象,在验证SWMM模型在该区域适用性的基础上,模拟区域城市化前后以及透水性路面、绿色屋顶、蓄水箱、透水性路面+蓄水箱、透水性路面+绿色屋顶等五种低影响开发措施在单场降雨和连续降雨事件中的径流过程。结果表明:城市化过程使得起涨速率增加,洪峰时间提前,洪峰流量增高,径流系数随之增大。五种低影响开发措施在单场降雨和长期径流影响中都起到了降低洪峰流量,减少径流持续时间,延迟洪峰时间,缓解城市排水管道压力,其中组合措施优于单一措施。
关键词:SWMM模型;低影响开发措施;城市化;径流效应
    0 前言
    随着我国城市建设速度的加快,城区下垫面不透水面积比例不断增加,使得城市对雨水的调蓄能力减弱。由于雨水的下渗量减小,较大坡度和光滑的地表面又使得雨水的地表汇流时间减少,初始产流时间提前,洪峰流量和径流总量均显著增加,增加了城市排水管道的压力,使得城市地区洪涝灾害频发。城市经济生活的显著地位也使得洪灾造成的损失加剧,即使重现期小的洪水对城市造成的损失也很严重,即所谓的“小水大灾”现象。因此,如何解决当下城市化导致的洪涝灾害问题是关系到城市经济生活和发展的重要课题。
    低影响开发(Low Impact Development, LID)是以复制或恢复天然状态下的水文循环过程为目的,从源头进行开发,有效控制径流过程的一种新型雨水调控措施[1]。它具有持续性和低影响性等优点,目前在一些欧美国家得到广泛应用,并取得较好的调控效果。
    SWMM模型能够模拟生物滞留、透水性路面、渗透沟渠、蓄水箱、植被浅沟五种低影响开发调控。其中透水性路面[2]是把路面上不透水材料换成透水性好的材料,使得暴雨径流很快地入渗到下一层的土壤中,最适宜建造在交通量不大的地区,如停车场或人行道。绿色屋顶[3]是在不透水建筑的顶层覆盖一层植被,由植被层、介质层、过滤层等构成。绿色屋顶在减少径流过程的同时,还通过生物和覆盖物的作用移除降水中的污染物,还起到减少温室效应、为鸟类提供栖息的场所、美化城市环境等作用。蓄水箱是在降雨时收集屋顶的雨水,在晴天时能将雨水重新利用的容器,起到缓冲和调节的作用。
    1 资料与研究方法
    选取河北省邯郸市育德花园小区作为研究区域。在验证SWMM模型在该区域适用性的
基础上,通过恢复区域天然状况,定量评估了城市化对单场降雨和长序列降雨资料产生的径流效应。将设计的低影响开发措施模拟结果与小区现状相比,评估不同低影响开发措施的径流控制效果。
    1.1 研究区资料
    育德花园位于邯郸市邯山区的西南部,是一个集办公、商业、居住于一体的复合型院区,其布局图见图1。院区基本为长方形,中间为南北向水泥路面通道,路面下设有排水管道,最大管道直径0.40m,埋深1.45m。管道出口位于小区北门处,控制院内汇水总面积26569m2,占小区总面积的95.9%。育德花园院区内按土地利用类型,可分为楼房建筑、草坪绿化、渗水砖铺装、花砖铺装和块石铺装、混凝土硬化等六种形式。
    1.2 研究方法
    1.2.1 Nash-Sutcliffe效率系数
    采用Nash-Sutcliffe效率系数评价模拟数据是否接近实测数据。当NS效率系数大于0.7时就表示模拟数据和实测数据吻合程度很好[4]。NS系数越逼近1说明模拟值越接近实测值,模拟精度越高,NS系数的计算公式见式1,其中n为观测值或模拟值的次数。
                 (1)
图1 小区布局图
    1.2.2流量历时曲线
    流量历时曲线[5]用来表示某一流量产生的时间占流域内产流总时间的比例,它可以简单且全面的反映流域在整个研究时段中径流过程的变化情况。Clemens Herschel[6]于1880年首次提出流量历时曲线,从1950年开始,该方法广泛应用于水文模型模拟校正、水文特征分析、灌溉规划等水利计算中[7,8]
    1.3 SWMM模型构建
    a提取管网信息
    根据研究区域管道的长度、形状、管径、糙率,检查井的井底标高,检查井和管道的空间位置等将小区排水管网可简单归为8段管道 ,8个节点和1个出水口。
    b统计地表信息
    统计地表坡度、透水和不透水面积比例等地表信息。结合卫星地图,将研究区域的下垫面划分为透水性面积和不透水性面积两种,其中,不透水面积又分为普通屋顶、沥青道路,透水性面积主要是绿地和花园。透水面积为7321m2,不透水面积为19248m2,不透水面积的比例为72.4%。结合汇水情况,将小区概化为8块汇水区域。
    c降雨过程预设
    在模型的时间序列中输入降雨过程,选取单场降雨和长期降雨资料来分析其径流效应。
    1.4 参数率定及验证
    本文所选用的参数值主要参考SWMM模型用户手册的参考值及各位学者在应用中的实测值。径流过程以连续性方程和曼宁方程为基础,采用非线性水库方程模拟,主要参数包括地表坡度、透水面和不透水面的洼蓄量以及透水面、不透水面和管道的曼宁系数。下渗过程采用Horton下渗公式,主要参数包括最大入渗量、最小入渗量、入渗衰减系数等。
用于参数率定的降雨数据来自出水口安装的测速仪在汛期观测到的实测数据。选用2011年8月2日的实测降雨序列和径流序列来率定SWMM模型的参数,结果见表1。

表1  SWMM模型输入参数
参数 参数
透水地面的洼蓄量hp (mm) 5 透水地面曼宁系数n1 0.15
不透水地面的洼蓄量hq (mm) 3 不透水地面曼宁系数n2 0.011
最大入渗率fmax (mm/h) 76.2 管道曼宁系数n 0.012
最小入渗率fmin (mm/h) 3.81 入渗衰减系数k1/h 7
土壤由水分饱和到完全
干燥所需时间t (d)
2    
选取2011年7月29日实测降雨径流序列验证模型。结果显示,降雨的洪峰流量模拟值与实测值很接近,相对误差1.2%,洪峰时间误差为0 min,NS效率系数分别为0.9,这些结果均表明在邯郸市育德花园构建的SWMM模型是准确可靠的。
图2  2011年8月2日降雨径流的观测值和模拟值
 
表2  洪峰流量误差分析
降雨量(mm) 洪峰流量(m3/s) 洪峰误差(%) 洪峰出现时刻(min)
实测 模拟 实测 模拟
16.2 0.083 0.084 1.20 20 20
 
 
    2 研究结果
    2.1 城市化情景设计
    城市化过程使得城市区域土地的不透水面积增多,改变天然状态下的水文循环过程以及下游河道的生态环境。为反映城市化所带来的径流效应,将小区还原成天然状态。很多学者认为不透水系数为5%时为天然状态,将小区不透水系数改为5%,并对应改变其地表环境。

图3  2011年7月29日降雨径流的观测值和模拟值
从图4和表3可以看出,与城市化前相比,城市化后峰现时间提前7min,洪峰流量从0.06m3/s增至0.17m3/s,入渗量减少46mm,径流系数增加近4倍。由此可以看出,地表硬化以及建筑物的增多加大了区域不透水面积比例,进一步加快了地表汇流过程。
图4 城市化前后径流过程
    2.2 加入LID措施设计
    结合小区的下垫面情况,采用渗透地面、绿色屋顶以及蓄水箱及两种组合低影响开发措施,模拟典型的降雨过程,分析其径流过程。
研究区中适宜修建透水性路面的区域为花坛与建筑物之间的不透水地面。透水性路面所占区域总比例为8.4%。将研究区中的建筑物屋顶改造成绿色屋顶,所占区域总比例为16.1%。将研究区中的每一栋房屋均设置一个蓄水箱的蓄水层高度为2000mm。由于蓄水箱和绿色屋顶均是对建筑屋顶进行改造,透水性路面是对地表面进行改造,故所组合的措施为透水性路面+绿色屋顶、透水性路面+蓄水箱两种。
    五种措施在同一降水事件下的径流过程见图5和表3。从模拟结果来看,与城市化后相比:采用透水性路面使径流系数减少0.2,出口洪峰流量减少0.02 m3/s,峰现时间推迟5min。采用绿色屋顶使径流系数减少0.37,出口洪峰流量减少0.02 m3/s,峰现时间推迟1min。采用蓄水箱使径流系数增加0.01,出口洪峰流量减少0.02 m3/s,峰现时间推迟1min。采用蓄水箱+透水性路面组合使径流系数减少0.14,出口洪峰流量减少0.01 m3/s,峰现时间推迟160min。采用绿色屋顶+透水性路面组合使径流系数减少0.38,出口洪峰流量减少0.07 m3/s,峰现时间推迟6min。

图5 不同下垫面径流过程
从单一措施来看:透水性路面和绿色屋顶是通过透水面积,使降水转换为下渗量,径流系数减少。而蓄水箱是将降水再储蓄调节,并未减少径流系数,增加下渗量,通过改变径流过程来减少洪峰流量。在三种措施中,绿色屋顶的效果要优于其他两种,主要原因是绿色屋顶所改造的不透水面积最大,蓄水箱的改造效果最小。从组合措施来看:两种组合措施在对洪峰流量的控制明显优于单一措施。透水性路面+蓄水箱组合通过增加透水面积和储蓄调节,对推迟峰现时间作用最显著,但由于储蓄的雨水容量有限,遇到强降雨事件,对径流系数的控制能力较差。透水性路面+绿色屋顶组合一方面增加透水面积,另一方面绿色屋顶中的植物根系对雨水的控制,因此对径流控制效果最明显。
    由此可以看出,五种低影响开发措施有效的控制了径流过程,其中透水性路面+绿色屋顶组合与城市化前趋势最为接近,但与城市化前仍有差距。其主要原因是区域内能进行改造的面积较小,有一些硬化路面未能改造成透水性地面,透水性路面+绿色屋顶组合的改造面积占区域24.5%。

表3 不同下垫面模拟结果
情景 入渗量(mm) 径流量(mm) 径流系数 洪峰流量(m3/s)
城市化后 16.82 61.03 0.77 0.17
城市化前 63.09 15.74 0.20 0.06
透水路面 23.11 45.22 0.57 0.15
蓄水箱 15.59 61.58 0.78 0.15
绿色屋顶 29.49 31.7 0.40 0.15
透+绿 21.58 30.73 0.39 0.1
透+蓄 16.59 49.99 0.63 0.14
 
 
    2.3 流量历时曲线讨论
    为了能准确反映低影响开发措施对区域长期径流情况的影响,选取区域内连续十年汛期降雨事件作为研究区降雨数据,采用流量历时曲线进行评价,其中突出非零径流的特征,采用偏数据系列,将流量历时曲线时段流量的阈值设为0.01m3/s。
    从图6可以看出,各个低影响开发措施的流量历时曲线最大值均大于天然状态的流量历时曲线,小于城市化后的流量历时曲线,其中透水性路面+蓄水箱组合曲线最缓和,最大值为0.4 m3/s,是各个低影响开发措施中最小的。为了更加直观的进行比较,以区域的城市化现状为标准,曲线按照其径流所占总时间比例分段进行比较,本文按其占曲线的频率<0.2%、0.2%-1%、1%-10%、>10%等4个时段进行累加。

表4 不同下垫面的区域径流时段
低影响开发措施 区域径流位于该径流区间的时间(h) 总时间(h)
>0.52m3/s 0.52-0.22 m3/s 0.22-0.08 m3/s <0.08 m3/s
城市化后 1 4.5 53.5 548.3 607.3
透水性路面 0 5.8 33 334.5 373.3
透水性路面+绿色屋顶 0 7 32 362.3 401.3
透水性路面+蓄水箱 0 3 15.8 321 339.8
蓄水箱 0 5 30.8 356.5 392.3
绿色屋顶 0 4.3 13.3 337.8 355.4
天然状态 0 0 18.5 132.0 150.5
 
图6 不同下垫面流量历时曲线
从表4中可以看出,各个低影响开发措施的径流总时间约为城市化后的总时间的一半,其中透水性路面+蓄水箱组合的径流总时间最小。从各径流区间来看,各个低影响开发措施均使得径流量的最大值变小,没有出现城市化下的径流量最大值;在较大径流段,各个低影响开发措施与城市化后的径流量相差不大;在较小径流段,各个低影响开发措施径流量出现时间均小于城市化后的径流出现时间;在小径流段,各个低影响开发措施的径流出现时间明显小于城市化后的径流出现时间,这也说明低影响开发措施对于中小径流的控制更有效。
    3 结论
    针对城市化的径流效应,以邯郸市育德花园小区为研究对象建立SWMM模型,采用了五种低影响开发措施对区域进行改造,分析改造后的区域径流效应。分别采用单场降雨事件和长序列连续降雨数据进行分析得出以下结论:
    a从单场降雨来看,通过城市化前后径流模拟对比发现城市化使得洪峰流量增高,峰现时间提前,径流系数显著增大。而五种低影响开发措施有效的缓解了由城市化产生的径流效应,使得洪峰流量,径流系数等像天然状态靠近,其中透水性路面+绿色屋顶组合效果最明显。由此可得改变不透水面积比例能有效缓解城市化造成的径流效应。
    b通过对长序列降雨资料的模拟,以流量历时曲线为评价指标,发现五种低影响开发措施与城市化后相比,对长期径流过程的持续时间得到了显著减少,大约只占城市化后径流总时间的1/2,其中以对中小径流时间降低最有效。径流最大值均小于城市化后的最大值,曲线过程变平缓,这将会缓解城市化对城市排水管网和下游河道所造成的压力。通过低影响开发措施的改造,在一定程度上缓解由于城市化发展所导致的频繁发生、持续时间长的洪水,这对维持河道生态平衡起到一定的作用。
    c五种低影响开发措施在次洪与长期的降雨过程中均有效的改善由城市径流效应,但仍与城市化前的径流过程有差距,主要是由于所改造的不透水面积仍有限,在将来的研究中可将更多的不透水地面寻找合适的措施进行改造。
    参考文献:
    [1]     王建龙, 车伍, 易红星. 基于低影响开发的城市雨洪控制与利用方法[J]. 中国给水排水, 2009, 25(14): 6-9.
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    [4]     Jain Sharad K, Sudheer Kp. Fitting of hydrologic models: a close look at the Nash–Sutcliffe index[J]. Journal of hydrologic engineering, 2008, 13(10): 981-986
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    [6]     Foster H Alden. Duration curves[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1934, 99(1): 1213-1235.
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    [8]     孙照东, 郑建国, 李锐. 枯水径流特征在黄河流域水资源论证中的应用[J]. 人民黄河, 2008, 30(4): 36-37.
 
Urban runoff effect based on low impact development
Yang Rong-rong
(Guiyang Hydrology Bureau,Gui yang 550001;
Abstract: Yude garden is located in Handan city, regarded as the research object in the paper. We simulated the single runoff and long water runoff under pre-and post-development conditions and five LID control alternatives, which is based on the validation of SWMM model on the applicability in the area. Results show that, watershed peak flow and runoff coefficient increase significantly, and time of max occurrence becomes earlier after urbanization; five LIDs all decrease the watershed peak flow and time of runoff , delay the time of max occurrence , the combine LID are more effective than single LID.

Keywords: SWMM; Lid; urbanization; runoff effect
 
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