城市山体公园分级调控策略水文效益研究

侯庆贺 成玉宁 袁旸洋

城市山体公园是在城市建设范围内依托原状山体景观建立的城市公园[1]。作为城市建成环境重要的自然资源和城市绿地系统的重要组成部分，城市山体因其自身复杂的地形、水文和景观特征，一直是城市防洪排涝、生态修复和景观规划研究的重点内容。不同于平地公园，受地形坡度、局地气候、土壤植被、水利工程措施等因素的影响，山体公园水文特征通常表现为高流量、低入渗和较短的汇流时间，易形成局部积涝[2-3]。加之长期以来，山体雨洪管控通常采取灰色快排式工程措施[4]，一定程度上改变和弱化了山体自然的水文过程，加剧了下游建成区的防洪和排涝压力。

山体水文生态调控是保持水土和实现雨水管控、利用的根本方法和发展方向[5]，强调生态过程与水文过程的相互作用和双向调节机制[6]，遵从自然水文过程，利用生态化的水文调控措施，实现对雨水径流的调配和控制。随着海绵城市建设理念与低影响开发(LID)设计方法的推广[7-8]，越来越多的山体公园被赋予了生态海绵的功能[2]，在保证山体下游防洪排涝安全的前提下，需综合考虑山体雨洪控制、雨水利用和景观游憩等多方面内容。生态化的水文调控方法和低影响开发的海绵措施开始广泛应用于山地海绵城市规划设计[9]、山体防洪设计[10]、山体公园雨水调控[11]及水景观规划设计[12]等领域。风景园林学科在传承古典园林理水智慧[13]的同时，不断吸收、融合生态化的水文调控方法[14]和国内外先进的可持续雨洪管理理念[15]，在山体公园水文调控的研究与实践中形成了山体公园拟自然理水[16]、山体海绵公园[17]，以及山体公园水景观营造[12]的设计方法和思路。但大多数研究局限于对山体公园水文调控设计方法与技术的探讨，少有研究对山体水文调控方法和措施的水文效益进行评估。

目前已有大量的研究表明[18-20]，LID海绵设施等生态水文调控措施能够有效促进雨水径流就地消纳，在径流总量控制、错峰调节尖峰径流及径流污染控制等方面具有积极的水文效益。其中一个关键的问题是LID设施的配置和位置对水文性能的影响[21]，相关研究[22-24]表明，分布式和小规模的LID设施可以有效减少和延缓峰值径流，而集中式和大规模的LID设施在控制总出流量方面起着关键作用。但现阶段研究对象主要集中于城市街区、居住区或公园绿地，对地形和水文特征较复杂的城市山体公园的研究相对较少。另外，对于设计降水情景的设置，国内外相关研究更多集中在对不同重现期场降水情景的水文性能评估[25]；海绵城市的相关研究则更多偏向于对年径流总量控制率等指标的测算，缺少对长周期和连续降水情景的分析与评估。

基于以上原因，本研究在山体公园水文分区分级调控设计方法[16]的基础上，结合南京市官窑山公园规划设计实践，提出了山体公园水文分级调控策略和水文效益评估方法。通过构建SWMM水文模型，模拟不同策略在应对不同重现期场降水和典型年降水情景下的水文性能，综合评估分级调控策略在山体海绵公园实践中的有效性和综合效益，以期为相关研究与实践提供设计参考和研究思路。

1 方法与材料

本研究基于官窑山公园规划设计实践，首先制定了4种山体公园水文分级调控策略(S1～S4)和1种传统的排水设计策略(BS)，以及不同重现期下2h和6h降雨历时对应的24种场降水情景和6种典型年(2015—2020年)降水情景。通过建立SWMM模型，选取出流总量削减率、尖峰流量削减率，以及尖峰汇流时间延迟率作为场降水情景综合水文效益评估指标，选取年降水总量控制率和提升效益作为典型年降水情景水文效益评估指标，模拟不同降水情景下4种分级调控策略相较于传统策略的水文性能，综合评估官窑山公园分级调控策略水文效益。技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线

1.1 研究区概况

本研究在以往研究的基础上[16]，结合南京市官窑山、李家山公园规划设计实践，选取汇水区较为独立的官窑山公园作为研究案例，进一步探究不同调控策略的水文性能。官窑山公园位于南京市栖霞区，西邻栖霞山，南近长江，总面积7.4万m2。官窑山整体为自然山林状态，用地类型主要包括林地、草地和少量的裸地和池塘。山体中间高、四周低，最大高程为45.23m。坡度主要集中在30%以下，局部山坡因挖方坡度较大，地形特征如图2-1所示。根据上位规划，官窑山将被打造为集生态保护、休闲游憩于一体的山体公园，服务周边居住区。本研究基于官窑山数字高程模型(DEM)和Arcmap10.2中的水文分析工具，将官窑山公园首先划分为4个汇水分区。为了避免景观规划设计和分级调控措施对地表水文特征一致性的影响[26-27]，根据设计高程、分级调控措施、道路和步道，以及排水等设施的空间分布，进一步将官窑山公园细分为8个子汇水区(C1-1～C4-2)(图2-2)。

图2 官窑山公园区位及其基本特征(2-1 高程；2-2 汇水区)

1.2 水文分级调控设计策略

水文分级调控策略包括源头就地消纳、中端多级调节和末端滞蓄利用3个层级内容(图3)。高地产流区是地表径流的开端，地高坡陡，用地条件有限，应避免大规模的建设活动，保护原有植被并修复裸露的坡地，从而促进雨水径流的截留、入渗和就地消纳。中端径流过境的坡面汇流区径流丰富且随地势和雨强逐增，强降雨时会造成下游排水压力增加，局部存在水土流失的现象。因此，该区域宜采用多层级的径流组织与调配措施，错峰调节山体的瞬时径流，缓解下游排水压力，保持水土。末端径流汇集的区域主要集中于汇水区下游的谷地和低地，与城市建成区接壤，易发生积涝和山洪。该区域可设置相对集中的永久性或季节性调蓄设施，与城市建成区接壤区域须设置线性或环状的截洪措施，在调节和控制上游雨水径流的同时，营造宜人的山体水景观，保障公园和周边建设用地的防洪排涝安全。

图3 山体公园水文分级调控策略示意

本研究在官窑山公园设计实践过程中，基于分级调控设计方法[16]，提供了4种不同的水文分级调控策略(S1：末端截流和调蓄策略；S2：分级截流和末端调蓄策略；S3和S4：分级截流和分级调蓄策略)和1种传统设计的基准策略(BS：末端截流排水策略)。如图4所示，策略S1设置了末端截流沟(长1 020m，深600mm)和永久性调蓄湿地P(1 000m2，平均深度1 000mm)，与其他3种分级调控方案形成对照。S2在S1的基础上沿山体中部人行步道增加了生态植草沟(长580m，深250mm)，用以比较分级截流设施的水文性能。S3在S2的基础上，将湿地P按汇水区面积拆分为P1(400m2，平均深度1 000mm)和P2(600m2，平均深度1 000mm)并分级设置，用以比较相同调蓄容积情况下分级调蓄措施的水文性能。S4则是在S2的基础上分级设置了与S3中P2相同容积的分级调蓄湿地，用以对比增加调蓄容积所引起的水文性能变化。

图4 官窑山公园水文分级调控策略(图4-1～4-4分别对应分级调控策略S1～S4)

1.3 设计降水情景的设置

南京属亚热带季风气候，降雨时空分布不均。为了充分验证水文分级调控设计策略的有效性，采用了不同重现期(2、5、10、20、50、100年)和持续时间(2、6h)的场降水情景(图5)及典型年(2015—2020年)降水情景(图6)作为本次水文性能评估的设计降水情景。不同重现期场降水采用芝加哥雨型模型[28]生成，基于不同重现期南京市暴雨公式参数，结合雨峰系数推求得到设计降水过程，以反映各时段降水强度[29]。典型年降水采用2015—2020年南京市雨量站监测数据，其中38.8mm为南京市年降水总量控制率85%对应的设计降雨量。经统计分析，2015—2020年平均降水量为1 431.78mm，平均降水次数为123次，其中，小于38.8mm的平均降水次数为115次，占总次数的93.63%；平均每年5次暴雨事件(大于50mm/24h)、69次连续降水事件。由此可见，2015—2020年绝大部分降水事件小于南京市85%控制率对应的设计降水量，但降水频次和暴雨/连续降水事件频次存在较大差异。按照85%控制率对应的38.8mm计算的2015—2020年平均降水总量控制率仅为81.07%，这主要由于不同年份的降水量、雨强和频次存在较大差异。

图5 南京市设计降水强度曲线(5-1 2h降水历时；5-2 6h降水历时)

图6 南京市2015—2020年降水量分布

1.4 水文模型构建

现阶段EPA SWMM已广泛应用于低影响开发及海绵城市相关的分析、规划与设计[30-31]，其中模型构建的关键在于输入参数的完整性和精度。本研究大部分用于定义地表和排水网络特征的参数来自现有的CAD和GIS数据，其余参数则由地表类型和子集水区属性决定，包括透水表面和不透水表面的洼地存储，以及透水表面、不透水表面、管道、草地洼地和生态截流渠道的地表流曼宁系数。此外，采用Horton方法[32]模拟入渗，采用非线性水库方程模拟地表径流，采用Saint-Venant方程模拟渠道和管道流。模型中的主要参数首先根据SWMM 5.0手册[33]进行设置；然后根据南京地区相关研究报告[34-36]中的参数进行调整；最后通过对比子汇水区径流系数，对模型参数进行调整校正，得到最终参数设置。

本研究涉及的水文分级调控措施主要包括截流设施(生态截流沟和生态植草沟)和调蓄设施(季节性湿地)2类LID设施，设施长度、深度、面积和位置信息在2.2小节中已详细说明，设施的设计参数根据《低影响开发海绵城市建设指南》[37]、SWMM手册[33]中推荐的LID参数阈值及相关参考文献[36]设置，并根据项目设计过程的实际情况进行调整。

1.5 水文效益评估指标

水文分级调控策略S1～S4的水文效益评估以策略BS为基准，通过模拟和计算水文性能指标进行分析和评估。针对山体公园的特殊性，选定出流总量(RVol)、尖峰流量削减率(RQ)和尖峰汇流时间延迟率(RTc)作为场降水情景下的水文性能评估指标[38]，综合评估不同调控策略的综合水文效益(RCHP)；选定年降水总量控制率(RVCA)、年降水总量控制提升效益(RVC)作为典型年降水情景下的水文效益评估指标。

RVol、RQ和RTc分别为分级调控策略与基准策略BS出流总量、尖峰径流量的削减比值和汇流时间的延迟比值(式1～3)。RCHP为以上3个指标的平均值，以体现策略S1～S4以BS为基准的综合水文效益(式4)。

式中，VolBS、QBS和TBS分别为基准策略BS的总出流量、尖峰径流量和汇流时间；Voli、Qi和Ti分别为策略i的总出流量、尖峰径流量和汇流时间，i=S1、S2、S3、S4。

RVCA为累计全年控制雨量与全年总降雨量的比值，表现为不同策略在典型年降水情景下的降水总量控制率(式5)。RVC为分级调控策略与基准策略BS的年降水总量控制率的提升比值，表现为策略S1～S4以BS为基准的RVCA的提升效益(式6)。

式中，VD(j)为第j年雨水出流量；VT(j)为第j年总降水量，j=2015、2016、2017、2018、2019、2020年；RVCA(BS)为基准策略BS的年降水总量控制率；RVCA(i)为策略i的年降水总量控制率，i=S1、S2、S3、S4。

2 结果与讨论

2.1 场降水情景下水文分级调控效益

图7～9分别反映了策略S1～S4在不同重现期2h和6h场降水情景下的RVol、RQ和RTc的变化情况。总体而言，增加分级截流或分级调蓄措施均能够较好地提升水文性能，总体表现为S4＞S3＞S2＞S1。不同重现期条件下，分级调控策略在2～5年一遇中小强度降水下的水文性能表现较好，随着重现期的增加水文性能趋于平缓，最终表现为明显的边际效应，这与以往的研究结果一致[38-39]。不同降水延时条件下，策略S1～S4在2h降水事件的RVol、RQ和RTc均优于6h降水事件，其中在尖峰汇流时间延迟方面的差异最大。这主要是受降水总量和降水峰值时间的影响，也从另一个角度说明了分级调控策略在应对中小强度短历时降水时的水文性能优于强降水长历时降水情景。

图7 场降水情景下策略S1～S4的出流总量削减率(7-1 2h降水历时；7-2 6h降水历时)

出流总量的削减主要表现为对雨水径流的就地消纳和控制。如图7所示，策略S1～S4的RVol在2～5年一遇情景下能够保持较高的削减率(62%～100%)，并随着重现期的增加而降低并趋于平缓。其中，S4能够显著提升出流总量的控制效果；S3与S2几乎持平且高于S1。调蓄容积一定的情况下，S3虽略高于S2，但S2相较于S1的提升效果(5%～14%)显著高于S3相较于S2的提升效果(1%～2%)，即分级截流设施的提升效益优于分级调蓄设施(S2-S1＞S3-S2)。这说明出流总量的削减主要受到调蓄容积的影响。调蓄容积有限的情况下，增加分级截流设施也能有效削减径流总量。

尖峰流量的削减主要表现为对径流流量和流速的控制。如图8所示，与RVol表现一致，RQ在2～5年一遇降水情景下能够保持较高的削减率。其中，S4能够非常显著地提升尖峰流量的削减效果。调蓄容积一定的情况下，S2和S3对于尖峰流量的削减表现与S1相近，虽然提升效果有限，但分散的截流和调蓄设施均表现出一定的积极作用，这与平地LID水文性能表现一致[22-24]。

图8 场降水情景下策略S1～S4的尖峰流量削减率(8-1 2h降水历时；8-2 6h降水历时)

尖峰汇流时间的延迟主要表现为推迟径流达峰所需时间。如图9所示，策略S1～S4在2h降水历时下的RTc显著优于6h，这与RVol和RQ的结果差异显著。受降水历时和峰值时间的影响，6h历时下的延时效率明显降低。S4在2h和6h均能够保持明显的优势，而调蓄容积一定的情况下，S2和S3相较于S1在2h历时下的延迟作用更为有效，长历时、高强度的降水使得土壤饱和、调蓄设施满载，分级调控措施的延时作用被削弱。

图9 场降水情景下策略S1～S4尖峰汇流时间延迟率(9-1 2h降水历时；9-2 6h降水历时)

为了避免单一指标的不确定性，本研究将RVol、RQ和RTc整合为综合水文效益指标RCHP。如图10所示，RCHP集中表现了RVol、RQ和RTc三者特征。首先，针对高强度降水情景表现出的水文效益的边际效应，不建议该实践设定过高的控制目标，应充分发挥其在2～10年一遇高频次降水事件的高效表现；其次，S4对于提升山体公园总体的水文性能表现突出，可优先选择。而在调蓄容积有限的条件下，策略S2和S3对于不同水文性能指标的积极作用不容忽视。由图7～10可知，分级设置截流设施除了截流作用，一定程度上还能够错峰调节和滞流山体雨水径流，补充有限的调蓄空间；而总量一定的情况下，分级设置调蓄措施对于提升山体径流总量的控制十分有限，但对于错峰调蓄和尖峰延迟的作用较分级截流设施突出。此外，S1～S4在2h降水历时的各水文性能指标和综合水文效益均优于6h情景，表明分级调控设施在短历时降水情景下更具优势。同时说明此类研究与实践应重视不同重现期、降水历时和连续降水事件对水文性能的影响。

图10 场降水情景下策略S1～S4综合水文效益(10-1 2h降水历时；10-2 6h降水历时)

2.2 典型年降水情景下水文分级调控效益

2015—2020 年降水情景下，各年份及年平均RVCA总体均随着分级调控策略的提升呈现上升态势(图11)。S1～S4的年平均RVCA维持在81.13%～84.97%(图11-2)，其中S4表现最佳，而S2与S3几乎持平，这与场降水情境下的结果相似。由于不同年份降水量、雨强、持续时间等特征的较大差异，S1～S4在不同年份的控制率表现也不尽相同(图11-1)。结合图6、11可知，由于2015年存在频繁的强降水事件，S1～S4的控制率均表现不佳(63.97%～68.91%)；2019年降水总量最少，99%的降水小于38.8mm，相应的4种方案的RVCA均表现极好(98.30%～98.82%)；而极端降水事件和频繁的连续降水事件可能会限制分级调控策略对RVCA的提升，从2017和2018年的走势来看，S1～S4的控制率几乎持平(78.25%～81.21%)。总体来说，2015—2020年，分级调控策略对于以中小强度降水为主的年份(2016、2019、2020年)的控制率较好，且随着分级调控措施的增加呈现明显的逐增趋势；而对于连续强降水事件频繁或存在极端强降水的年份(2015、2017、2018年)，控制效果明显不如其他年份。受连续降水事件的影响，分级调控设施未能充分发挥其错峰截流和调蓄的作用。而极端降水事件的影响一定程度上反映了其在场降水情境下应对高重现期降水的边际效应。

图11 2015—2020年策略BS、S1～S4年降水总量控制率(11-1 不同年份控制率变化；11-2 不同策略控制率分布)

RVC为策略S1～S4以BS为基准的年降水总量控制率提升效益。如图12所示，2015—2020年各年份及年平均RVC均随着分级调控设施的增设而逐增。2018和2019年的提升效益较低，主要是因为2018年频繁的连续降水事件的影响；而2019年则是因为降水量普遍较小，提升空间有限。2017年由于存在单次近250mm的极端降水事件，造成S1～S4的提升效益十分相近。以上表现从另一角度反映了2017—2019年S1～S4的RVCA几乎持平的原因。调蓄容积一定的情况下，S2和S3在RVC的表现与RVCA一致(图11-2、12-2)；而S2相对于S1的提升效益(S2-S1)明显高于S3相对于S2(S3-S2)。从分级调控设施对控制率的提升角度解读，调蓄容积一定的情况下，分级截流设施对于控制率的提升效果优于分级调蓄设施，这也与场降水水文效益结果一致。

图12 2015—2020年策略S1～S4年降水总量控制提升效益(12-1 不同年份控制效益变化；12-2 不同策略控制效益分布)

3 结论

本研究以南京市官窑山公园为研究对象，构建了山体公园水文分级调控策略和水文效益评估方法，评估了4种分级调控策略在不同场降水和典型年降水情景下的水文效益。研究结果证实了分级调控策略在官窑山公园的积极水文效益，主要研究结论如下。

1)场降水和典型年降水情境下，官窑山公园各水文效益指标均随着分级调控策略的提升而提升。其中，分级截流和调蓄策略(S4)的水文效益表现最佳，可优先选择增加分级调控容积；调蓄容积一定的情况下，分级截流策略(S2)和分级调蓄策略(S3)在场降水和年降水情境下表现相近，但综合考虑分级截流设施(S2-S1)较分级调蓄设施(S3-S2)显著的提升效果，建议在调蓄容积有限的条件下优先分级设置截流设施。鉴于本个案研究结论并不一定适用于不同尺度的山体，相关研究需根据研究尺度和地域性降水特征做进一步研究。

2)场降水情景下，各水文效益指标均随着雨强的增加而降低，S1～S4在应对高强度降水时均存在明显的边际效应。结合以往研究[38-39]，以及本研究典型年降水情景下极端暴雨和连续降水事件对年降水总量控制率的消极影响，建议此类研究与实践尽可能多关注占全年降水次数约80%～90%的中小强度降水事件，同时也要加强连续降水事件对水文效益的影响研究。

3)典型年降水情景下，各年份及年平均径流总量控制率和提升效益均随着分级调控设施的增设而提升。但由于各年份降水分布和降水量的差异，尤其是极端暴雨和连续降水事件频发的年份，年径流总量控制率表现与设计的理想情况出入较大，控制率明显达不到设计标准。这种情况在LID和海绵城市设计实践中同样存在。因此建议类似的研究与设计实践充分考虑地域性年降水特征的差异性，将典型年降水情景作为水文效益分析和评估的重要指标之一。

“水”之于城市山体公园在生态、游憩、美观及社会经济等方面具有长效的综合效益，需综合考虑水文效益、景观效益和社会经济效益多方面内容，这也是后续需要继续深入研究的内容。本研究结合官窑山公园设计实践提出的水文分级调控策略，在方案模拟和项目实践过程中均取得了良好的水文效益，较好地补充了传统灰色工程措施生态性和美观性的不足，从风景园林学科视角实现了山体公园水安全防护、雨水控制利用、水景观营造等多目标的规划设计研究与实践，以期为城市山体海绵公园、山坡地雨洪调控等类似的规划设计实践提供参考与决策依据。

注：文中图片均由作者绘制或拍摄。