汇水系统绿地雨洪调蓄研究
——以武汉港西汇水系统为例

叶 阳

裘鸿菲*

绿地雨洪调蓄研究已有20余年历史，通过相关组织推动和研究方法探讨，研究成果已被广泛应用于城市雨洪管理的政策制定、标准认证和收益分析中，取得了良好的环境、经济和社会效益[1-2]。Shuster等用对比实验得出了地块尺度绿地有一定调蓄雨水的能力[3]；Bhaskar等发现城市化过程使地块雨水径流量显著增加[4]；Nickel等研究了德国绿地雨水管理实践，强调灰色和绿色基础设施对雨水的调蓄作用[5]；Loperfido等认为雨水最佳管理实践(BMP)已被广泛应用于雨水调蓄，提出分散式绿地的调蓄作用是未来该领域的发展趋势[6]。美国在绿地雨洪调蓄研究中侧重通过构建数学模型与计算机模拟技术。2011年，美国实施了绿色雨水基础设施项目——费城“绿城清水计划”[7]，解决了城市化发展造成的溢流、洪涝灾害等问题。

国内绿地雨洪调蓄研究处于探索阶段，现有研究多关注于评估调蓄效果的框架准则，对实际项目定量研究的关注度较弱[8]，且多针对相对单一类型下垫面或某公园，或校园环境的局部区域，分析坡度、下垫面种类对地表产流的影响[9-10]。汇水系统是汇集、输送和排放等设施组成的城市独立雨水汇水区，包含完整的水文过程。研究绿地雨洪调蓄应跟踪从径流形成到地表下渗、溢流、管网传输及泵站抽排的全过程，需要汇水系统尺度的定量探讨，而现有研究较为缺乏。

本研究应用ArcGIS和EPA SWMM技术，实验性模拟武汉港西汇水系统的地表径流情况，得出适合武汉地区汇水系统尺度下的绿地雨洪调蓄能力，分析地块绿地率与单位面积径流量的相关性和汇水系统雨洪风险。旨在根据武汉地域特征和雨洪管理目标，建立完善绿地雨洪调蓄的研究方法与指标体系，讨论不同重现期下汇水系统的绿地利用与保护策略，为相关研究与实践提供借鉴。

1 研究准备

1.1 研究区域

港西汇水系统位于武汉市青山区西北部，面积10.75km2。该系统地势平坦，雨汛同期，径流流程长，外排泵站及河道规模受限，饱受外洪内涝双重压力，顽固渍水点有9个[11](图1)，属于城市排涝中高风险区。根据《武汉市城市总体规划(2010—2020年)》的用地类型和绿地服务功能，选取武汉港西汇水系统中教育科研、城市社区、公园绿地、商务办公和城市道路的95个地块，并进行地块类型、面积和特征宽度等基础数据的整理。

图1 港西汇水系统渍水区分布图

1.2 实地调查

地块特征调查在2018年9—11月开展，主要调查各地块粗糙系数、洼地蓄水、土壤条件和LID设施等情况。在各类型地块绿地中分别选2个地块的表土层，用环刀法测定样品的最大入渗率与饱和入渗率。各类地块调查结果与《武汉市海绵城市设计导则》(以下简称《导则》)中的指标进行校对后，用于绿地土壤层的参数设置(表1)。

图2 河网分布图

1.3 数据准备

准备建模需要的汇水系统DEM数据、遥感影像、管网和用地规划CAD文件，以及管网信息表。汇水区即汇水点的集水范围，划分子汇水区旨在将地表径流合理分配到排水管网节点，以期符合实际汇流情况[12]。利用ArcGIS对DEM进行水文分析和集成，得到平滑处理的河流网络(图2)，计算得到流域子集，形成汇水系统的汇水区(图3)。水文分析得到92个汇水区，根据汇水系统的道路、小区和管线等实际因素调整，共得95个子汇水区，其中最大面积为71.15hm2，最小面积为1.91hm2。通过判读，汇水系统根据透水性可分为林地、草地、建筑及广场、道路(图4)。通过ArcGIS中的空间分析等工具得到子汇水区不透水面积百分比及平均坡度。

图3 汇水区划分结果图

图4 汇水系统透水性分类图

2 模型模拟

2.1 研究方法

美国环保署开发的SWMM模型可以演算水流在汇水系统中的输移，模拟城市降雨径流情况。研究表明，SWMM模型可构建符合实际情况的出水口、泵站、节点和管线等，形成完整的城市水文过程[13-14]，比其他方法更适用于汇水系统尺度的研究。根据《导则》中对汇水系统径流系数和径流控制率的要求，选择武汉地区重现期为1、2(小重现期，下同)、5(中等重现期)和10年(大重现期)的降雨事件进行模型演算。

2.2 模型概化

武汉港西汇水系统由检查井、泵站、管道、出水口和调蓄池等组成。概化原则：1)只保留管径大于600mm的管道；2)2根及以上管段连接处和拐角大于60°的管线拐角处加设节点；3)泵站概化时增设蓄水池；4)子汇水区汇流到就近的管道节点和子汇水区。汇水系统概化后节点共173个，管网221个(图5)。由于汇水系统属于小流域，选用Horton模型为入渗模型，汇流模型选择Dynamic Wave，相关参数由调查结果、《导则》中指标和SWMM用户手册推荐值率定[15]。

2.3 降雨设计

通过合成芝加哥雨型，为SWMM水文模型提供降雨数据。根据《武汉市排水防涝系统规划设计标准》，雨峰系数取值为0.40，暴雨强度公式为：

据此设计不同重现期下的雨型如图6。

2.4 模拟思路

为讨论汇水系统内绿地(此时“绿地”泛指所有种植植物的下垫面)对地表径流的削减效果，实验组模拟时，将地块概化为无绿地的地块；对照组为现状情况。依据质量守恒法，采用流量验算与径流路径验算的连续性误差验证，结果表明模型误差属于合理范围，模拟结果合理可靠[16]。

2.5 雨洪风险评估

结合《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)、《导则》和实际排水状况，构建港西汇水系统雨洪风险评估体系(表2)[17]。

积水淹没水深通过库容曲线确定；雨洪风险等级由各地块的危险性因素、敏感性因素、易损性和防灾效益因素根据公式(2)确定。各地块的雨洪风险值根据大小划分为5级，等级越大表示内涝节点多、雨洪风险越严重。

式中，V为综合分值；Wi为因子i对应的权重；Di为评价单元对应因子i的评价因子分值。

表1 地块特征调查结果

表2 港西汇水系统雨洪风险评估表

3 结果分析

3.1 绿地雨洪调蓄指标

1)平均调蓄效率。

运行模型，得到不同重现期下汇水系统的地表径流情况。由图7、表3可以看出，在小重现期下，绿地对径流量削减和峰现时间(1：30前后5min)推迟的效果不佳，这主要是径流的峰值特征不明显所致，说明此时经绿地调蓄地表径流能维持在相对稳定的水平。中、大重现期下径流的峰值特征随重现期增大而显著增强，绿地对峰现时间的推迟效果达10min以上，其雨洪调蓄作用还体现在对径流量和峰值特征的削减，这表明绿地的雨洪调蓄作用具有稳定性和持续性，能显著缓解因瞬时径流过大造成的雨洪风险。

根据《导则》的径流系数要求，以二年一遇降雨为例，实验组(30.78mm)、对照组(26.43mm)模拟结果显示：绿地使港西汇水系统的地表径流减少了14.1%。整个汇水系统范围(有效绿地总量3.01km2)径流量减少了0.39×106m3，得出武汉港西汇水系统绿地在二年一遇的降雨条件下的平均调蓄效率(λ)为0.13m3/m2，该水平低于相关研究[15]中公园“生物滞留池”(0.17m3/m2)等的效率，可能是因为汇水系统的绿地渗透性低于公园绿地。

2)最低绿地率。

在二年一遇降雨条件下，各类用地径流系数控制标准为：城市社区、教育科研用地0.5；商业办公、城市道路0.6；公园绿地0.15。这里“绿地率”是指地块中种植植物的面积与地块面积的百分比。确定各类地块最低绿地率的方法是，用二分法每次调整一类地块的绿地率，并进行SWMM水文演算，考察该类地块能否达到《导则》中要求的径流系数，调整精度为1%。汇水系统最低绿地率由公式计算得出，因为绿地是通过地表渗透作用调蓄雨水的，绿地调蓄雨量取决于绿地面积和绿地调蓄效率。结合容积法[18]知：

式中，Vs为绿地调蓄雨量，m3；H为设计降雨量日值，m；φ为径流系数；F为汇水面积，m2；λ为绿地平均调蓄效率，m3/m2；g为最低绿地率；J为水力坡降，一般可取J＝1；K为土壤(原土)渗透系数，m/s，取各类绿地饱和导水率(表1)加权平均数；ts为降雨过程中的渗透历时，s，经验模型取2h；K×J×ts为常量，可设为k，经计算港西汇水系统取20.29。

联立(3)(4)得

公式(5)表明在降雨量和平均绿地调蓄效率一定时，汇水系统最低绿地率是由径流系数决定的。因而一方面在绿地系统规划时要充分考虑所在汇水系统的径流系数要求；另一方面在汇水系统设计时应评估绿地雨洪调蓄能力，不可只考虑管渠和高程等就制定过大径流系数任务，导致雨水超出地表绿地的调蓄能力范围，危害绿地系统。港西汇水系统的径流系数取0.3，现状条件下28%的绿地率不达标，由表4可知，这缘于现状城市社区、单位及商务类型地块的绿地率过低，在进行城市更新设计时应适当考虑增加这类地块的绿地面积，以达到汇水系统径流控制目标。

图5 汇水系统概化图

图6 不同重现期下的降雨过程线

3.2 绿地率与单位面积流量的关系

应用SPSS对不同重现期下对照组中各地块绿地率与单位面积流量的关系进行分析(图8)，结果表明随重现期增大，绿地率与单位面积流量的相关性先增强后减弱，与在公园尺度下得出的结论[9]有一定差异。

小重现期下，绿地率与单位面积流量存在一定线性函数关系(拟合度R2＝0.951～0.972)，表明绿地对小重现期下单位面积流量有一定影响，拟合度未达0.995可能是绿地应对小重现期降雨调蓄能力过剩引起的；中等重现期下，绿地率与单位面积流量呈强正相关(拟合度R2＝0.997)，绿地率是单位面积流量的决定性因素，建设绿地是应对中等重现期降雨的优先对策；大重现期下，绿地与单位面积流量的相关性一般(拟合度R2＝0.795)，此时绿地雨洪调蓄效果不尽人意，推测径流已超过绿地的调蓄能力范围，此时应当考虑将绿地溢流与城市水系、管渠系统对接，保护绿地。应对大重现期暴雨应考虑除建设绿地外的其他方式，需要进一步研究。

3.3 绿地对雨洪风险的控制

根据雨洪模拟结果，对照组内涝节点分布如图9所示，溢流深度、速度和时间见表5。依据雨洪风险等级，采用ArcGIS中Kriging Interpolation方法制作不同雨情下的实验组和对照组雨洪风险专题图(图10、11)，结果与《港西汇水系统渍水区分布图》(图1)验证吻合，有较强现实意义。

由图可知，各组随着设计暴雨重现期增大，汇水系统雨洪风险上升，雨洪风险等级3级以上的区域逐渐增多，且易涝区域主要集中于汇水系统的中部与东南部。从监督分类结果可知，该部分绿地率低、硬化面积多，不难推测绿地率低且中南部地势低等是造成高雨洪风险的主因；相反，北部地势较高且有公园、新式小区、校园，绿地面积大，因而雨洪风险等级小。风险等级为1和2级的区域范围比较固定，该区域有大型绿地，排水条件较好，证明绿地对周边地块径流削减作用显著。危害等级为4级的区域随着暴雨重现期延长而逐渐扩大，主要由3级区域演化而来，其原因是该区域绿地率较低，随着降雨强度增强，雨洪风险等级提高。

通过相同重现期下2组汇水系统雨洪风险分布图对比可知，在小重现期下，绿地对汇水系统雨洪风险的影响不大，可能由于小重现期下城市管渠能排放大部分雨水，发生溢流情况较少，而绿地作为地表的雨洪调蓄手段发挥的作用不显著；在中等重现期下，绿地能显著缓解汇水系统内部的雨洪风险，绿地率高的区域雨洪风险仍可维持在较低水平；在大重现期下，绿地雨洪调蓄的范围和能力明显下降，但大型绿地附近雨洪风险仍处于低水平，此时绿地对于汇水系统边界的雨洪风险也有较强的控制作用，能让内部雨水不以径流形式影响相邻汇水系统。这表明在汇水系统设计时应考虑系统内部和相邻系统的绿地率和绿地布局，以应对大重现期降雨。

图7 不同重现期下绿地的雨洪调蓄效果

图8 绿地率与单位面积流量的关系

图9 对照组内涝节点分布图

4 结论与讨论

1)汇水系统绿地雨洪调蓄指标。

汇水系统绿地调蓄效率体现绿地的雨洪调蓄效果，以二年一遇降雨条件下港西汇水系统为例，绿地平均调蓄效率为0.13m3/m2。各类地块及汇水系统有其完成雨洪调蓄任务的最低绿地率(18%～47%)，港西汇水系统中城市社区、商务办公地块绿地明显不足，汇水系统最低绿地率为36%。

图10 实验组汇水系统雨洪风险分布图

图11 对照组汇水系统雨洪风险分布图

2)雨洪状况下绿地的利用与保护。

小重现期下，绿地率与单位面积流量有一定相关性，此时汇水系统发生溢流少，虽然绿地能充分调蓄雨洪，但短时间内城市管渠系统也能完成排水任务，可加强重点部位的绿地建设以管控雨洪风险；中等重现期下，绿地率与单位面积流量呈强正相关，能明显缓解周边区域的雨洪风险、保护城市管渠，此时绿地的雨洪调蓄是卓有成效的，建设绿地是应对中等重现期雨洪的优先对策；大重现期下，绿地虽对重点部位(绿地率高的区域)及汇水系统边界的调蓄效果仍然明显，但绿地率与单位面积流量的相关性一般，且其雨洪调蓄的范围和能力明显下降。此时应考虑通过各类手段保护绿地，保证其受纳的雨水不超出环境容纳量。同时考虑除增加绿地面积外的雨洪调蓄措施，如构建具有较高雨水调蓄能力的植物群落、添加土壤改良剂，改进城市管渠和利用城市水系，对城市竖向高程的统一规划管理等。为降低城市雨洪风险、合理利用和保护绿地，可将大型绿地和分散性绿地结合布置，提高绿地对地表径流量的削减效果。

研究探讨了不同重现期下汇水系统的绿地雨洪调蓄效能，提出绿地雨洪调蓄指标和雨洪状况下绿地利用和保护策略，经验证符合实际情况。城市绿地尤其是公园绿地，首先具有休憩、娱乐等功能，同时也具有一定的雨洪调蓄能力。本研究讨论了不同重现期下汇水系统的绿地利用与保护策略，为相关研究与实践提供借鉴。关于雨洪状况下各类绿地的利用和保护的具体措施，有待进一步研究。

表3 实验结果对照表

表4 径流控制统计表

表5 对照组内涝节点统计表

注：文中图片均由作者绘制。