基于SWMM模型的山坡型公园子汇水区地表产流特征

刘家琳 张建林 Liu Jialin Zhang Jianlin   2018-07-20 10:03:10

Analysis on Surface Runoff Characteristics of Subcatchment in Hillside Park Based on SWMM—A Case Study of Chongqing

摘 要:子汇水区是径流控制的结构单元,山地公园子汇水区产流特征的研究为山地海绵城市绿地空间水文特征的认知和径流管控策略构建提供依据。选取重庆主城区3例典型山坡型公园的28例子汇水区为研究对象,进行分类探讨,基于SWMM模型平台对各类子汇水区的产流量、径流系数、径流峰值进行分析。结果表明:中雨和大雨下,山坡场地型、山坡混合型、山坡绿地型子汇水区的单位面积产流量、综合径流系数、径流峰值呈递减趋势,大暴雨时山坡混合型与绿地型子汇水区的上述参数值无明显大小趋势;中雨和大雨下,不透水率是子汇水区单位面积流量、综合径流系数的决定性参数,大暴雨下子汇水区面积是总流量、径流峰值的重要参数;平坡、凹坡、凸坡地形的子汇水区的单位面积产流量、综合径流系数存在递减趋势;同一子汇水区若坡度增加,中雨和大雨下其产流特征几乎无变化,大暴雨下有显著上升趋势;大暴雨时坡面汇流宽度与总产流量、径流峰值呈较强正相关。

关 键 词:风景园林;城市山地公园;山坡型公园;地表产流特征;SWMM模型

文章编号:1000-6664(2018)06-0081-07

  中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2017-09-29

修回日期:2018-01-24

项目基金:国家自然科学基金青年项目“城市山地公园低影响开发系统布局构建研究——以‘海绵城市’建设试点城市重庆为例”(编号51708452)和重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目“山地海绵城市坡地开放空间低影响开发设计方法研究”(编号cstc2016jcyjA0391)共同资助

  通信作者(Author for correspondence) E-mail: zhangjianlin007@163.com

Abstract: The sub-catchment is structural unit for controlling the surface runoff. The study on surface runoff characteristics of subcatchment in urban mountain parks provides basis for the cognition of hydrological characteristics of green space in spongy mountain city and building strategy of runoff control. This paper takes 28 sub-catchment areas in 3 typical hillside parks as study subjects and discusses the classification of sub-catchment. The study analyzes on runoff flow, comprehensive runoff coefficient and peak runoff. The research results show that there is a decreasing trend in per unit area flow, runoff coefficient and peak runoff of site type, mixed type and green space type sub-catchment under 25mm and 50mm rain. There isn't decreasing trend between mixed type and green space type under 4 and 20 years rain. The impervious rate is the decisive parameter of per unit area flow and runoff coefficient under 25mm and 50mm rain. The sub-catchment area is the important parameter of total flow and peak runoff. There is a decreasing trend in per unit area flow, runoff coefficient of sub-catchment in flat slop, concave slope and convex slope. For the same sub-catchment, there is almost no change in runoff characteristics when the slop increases under 25mm and 50mm rain, but there is significant upward trend under 4 years and 20 years rain. There is a strong positive correlation between slope width and total flow, peak runoff under 4 years and 20 years rain.

Key words: landscape architecture; urban mountain park; hillside park; surface runoff characteristics; storm water management model

地表产流指降雨量扣除植物截留、下渗、填洼、蒸发等损失形成径流的过程[1]。产流特征主要涉及产流过程中的径流量、径流系数、径流峰值等情况,是城市雨洪管理的重要依据。子汇水区是径流汇流的基本单元[2],其产流特征的研究有利于对城市小流域水文过程的认知,为海绵城市开放空间策略构建提供依据。

重庆是典型的山地海绵城市建设试点地区,山地公园是重庆海绵城市实践的主要对象之一,其外排雨洪流量与暴雨水问题不容忽视。山地开放空间中城市广场建设用地相对有限,由此公园的坡顶、山腰、坡脚的平坡处常集中修建大规模铺装场地,统计多在0.5~3.5hm2不等,其发挥活动功能的同时带来下游暴雨水问题。其次山地公园地形地貌丰富且坡面占比大,主城区典型15例山地公园坡度统计显示,下垫面在15~20°以上坡面占比超过50%。地貌与坡度对产汇流有直接影响。因此,开展山地公园子汇水区产流特征的研究对于山地海绵城市绿地空间的营造策略具有重要意义。

目前,产流特征的研究方法主要为实地观测、人工模拟和模型模拟。实地观测与人工模拟多见于相对单一的下垫面或在可控监测条件下地表产流特征的对比研究[3-5]。模型模拟多用于城市区域复合下垫面的地表产流特征分析[6-8]。城市山地公园具有多样性复合的下垫面属性,便于采用模型模拟的研究方法。众多模型中,SWMM是目前应用最成熟的模拟平台[9]。国外学者应用SWMM对研究区地表产流进行模拟的结果得到了肯定和验证[10-12]。诸多学者证明了SWMM可以在国内城市有效进行雨洪过程模拟,且在小流域中具有良好的模拟精度与适用性[13-15]。此外,山地地貌条件下产流特征的研究主要针对相对单一的下垫面类型或某个山地公园、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[16-18],未涉及整体山地公园子汇水区产流特征的定量分析。

本文着眼于山地公园代表性基址山坡型公园。此类公园依托山顶与山脚之间的单侧坡面而建[19]。研究针对山坡型公园子汇水区,基于SWMM对其产流量、径流系数、径流峰值等特征进行分析,为山地公园水文过程的认知及地域条件下适宜应用的径流管控设施的筛选、布局与参数设置提供基础支撑与参考。

图1 山坡型公园子汇水区类型(林挽星、吴天歌绘)图2 研究对象汇水区域概化(林挽星、吴天歌绘)1 研究对象的选择

重庆主城区的山坡型公园规模在几公顷到几十公顷不等,涵盖凹坡、平坡、凸坡等多种地形条件,坡度跨度大,平均坡度以缓坡和较陡坡为主,洼地水体相对较少。在主城区选择了3例典型山坡型公园为对象,在园区规模、地形类型、坡度分布上具备代表性层级,特征如下:1)悦来公园,总面积67hm2,坡度在2%~24%,以微坡、缓坡为主,园中平坡、凹坡、凸坡分布较均匀,有洼地水体0.4hm2;2)半山公园,总面积11hm2,坡度在11%~42%,以缓坡、较陡坡为主,多平坡、凸坡,无洼地水体;3)华龙公园,总面积7hm2,坡度为12%~65%,以陡坡、较陡坡为主,多凸坡,无洼地水体。

2 子汇水区的划分原则与类型

依据子汇水区的定义、研究分析需求和水文模型构建的合理性,对公园进行子汇水区划分,原则如下:1)每个子汇水区的地表径流和排水系统在地形上只有一个汇流出口;2)以地形脊线、高程分界点、园路及排水管网等汇流分界要素作为子汇水区的划分边界;3)若子汇水区中有铺装场地(文中所指场地均不包括公园道路),通常包含1~2个完整的场地空间,依据具体的场地条件,其划分规模在几千平方米到几公顷不等;4)若汇水区中无场地,考虑到绿地产流相对较小,为便于产流特征的对比分析,其划分规模通常大于1hm2,范围在几公顷不等;5)同一子汇水区的坡度相对一致,应利于SWMM模型中子汇水区坡度和宽度的确定。按上述原则将研究对象共划分成28个子汇水区。

对子汇水区进行分类讨论。其下垫面组成类型、坡度、硬质不透水率、径流汇流出口等要素对径流管控策略有直接影响。基于以上特征差异将28例子汇水区分为三大类,即山坡绿地型、山坡场地型和山坡混合型。山坡绿地型的下垫面以绿地为主,无铺装场地,硬质不透水率小于21%,依据汇流出口在园路或水体可细分为两小类。山坡场地型和山坡混合型的下垫面均包含铺装场地,其中场地型子汇水区下垫面以铺装场地为主,硬质不透水率9 0 %以上,平均坡度小于8%,汇流出口在场地低点;混合型下垫面由场地、绿地、园路或水体构成,硬质不透水率小于6 0 %,平均坡度1 0 % ~ 3 8 %,依据汇流出口分别在场地、园路、水体可细分为三小类(图1)。本文针对三大类子汇水区(以下简称“绿地型”“场地型”和“混合型”)的地表径流特征进行分析。3 研究方法

3.1 实地调研勘测与实验测定

通过用地资料统计、实地勘测、实验测定等方法获得研究现状参数。调研前系统搜集整理公园的现状卫星图、地形图、种植图与排水管网布设资料,获得公园面积、坡度、高程、下垫面类型与规模,以及排水设施分布等特征。实地勘察在2017年5—7月开展,进一步明确现状用地及排水特征。为获取较准确的地表渗透性参数,对典型植被景观种植类型的下垫面土壤进行取样。在各公园中分别对纯地被、乔木与地被、灌木与地被、乔灌木与地被混合的4种种植类型的表土层取样,每个类型采集表土0~5、10~15、20~25cm3个土层的环刀样品,各公园分别采集4种典型植被类型的土壤样品12个。后期用环刀法测定样品的最大入渗率与饱和入渗率。每个植被类型的入渗率取该点3个土层测定值的平均数。实验最终得到各公园4种典型植被类型表层土壤的最大入渗率与饱和入渗率。

3.2 SWMM产流分析本土模型构建

3.2.1 研究对象汇水区域概化

利用SWMM模型平台,基于公园地形特征、排水设施分布进行汇水分区布局。按子汇水区划分原则,将3个公园的28例子汇水区在SWMM平台上进行划分界定,并依据现状资料布设汇流出口节点及排水系统,完成公园汇水区域概化(图2)。

3.2.2 SWMM参数设置

SWMM本土模型构建的关键需采集精度较高的现状水文水力参数,包括气候特征参数、水文参数和雨水管网参数等。通过获取准确的用地资料、实地勘测与实验测定以保障参数设置的准确性,其设定依据如下。

1)气候特征参数。

雨量站与蒸发常量依据重庆渝北气象站的气候数据设定。为了研究不同雨型条件下子汇水区的产流特征,雨量站选取本地中雨、大雨、4年一遇、20年一遇4种雨型降雨量集中的前2h数据。中雨和大雨分别采用典型25mm和50mm单次降雨数据。4年和20年一遇降雨采用近4年和20年最大降雨量前8场的平均数据,其中4年一遇总降雨量127mm,20年一遇总降雨量166mm,包含大暴雨和特大暴雨情况。蒸发常量取历年5—7月的平均蒸发量5.07mm/d。

2)子汇水区水文参数。

子汇水区面积由概化后的模型自动提取。其他参数采用模型计算实例提供的方法[20]。不透水率为硬质不透水场地(含水面)、建筑屋顶、道路的面积占子汇水区总面积的百分比,面积值依据公园竣工图纸在AutoCAD上测量获得。坡度由各类下垫面的坡度进行面积加权法计算得到,即S=(∑Sj Aj)/As,其中Sj为各类下垫面的坡度,Aj为各类下垫面的面积,As为子汇水区的总面积。汇流宽度公式为W =As/L,L为汇流长度,是径流穿越子汇水区的最长汇流路径,该长度由各类下垫面的汇流长度进行面积加权计算得到,即L=(∑Lj Aj)/As,Lj为各下垫面的汇流长度,Aj和As与坡度计算公式中的指代相同。子汇水区下渗模型选择Horton模型,其衰减系数采用模型推荐取值。各公园子汇水区最大入渗率与饱和入渗率由实验测定的4种典型种植类型的表土入渗率进行面积加权法计算。子汇水区最大入渗率计算公式为R=(∑Rp Ap)/Ag,Rp为子汇水区中每种种植类型的最大入渗率,Ap为每种种植类型的面积,Ag为种植绿地的总面积。饱和入渗率计算方法同上。需要指出,公园表土受植被根系、砾石含量、施工土壤回填等影响使得入渗率较大,与理论值存在差异,本文采用测定值作为参数设定依据。此外,不透水区的曼宁系数与洼地储蓄参数均采用模型推荐值。透水区曼宁系数与洼地储蓄值选择相应下垫面类型的模型推荐值,再按现状进行面积加权计算得到。子汇水区水文参数见表1。

3)雨水管网参数。

雨水管网系统布局长度、高程与断面参数按公园排水施工图设置。

3.2.3 模拟结果校正

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来验证模拟结果的合理性。4种雨型下,模型显示悦来公园和半山公园的流量与路径验算连续性误差均控制在±1%以内,华龙公园的流量验算连续性误差在±0.5%以内,径流路径验算误差在±4%以内,属于误差合理范围,表明模拟结果较为合理[21]。

3.3 数据处理

应用SPSS 20.0软件对子汇水区关键水文参数、产流模拟结果进行统计分析。针对不同类型子汇水区的产流特征、子汇水区关键因子与产流特征的相关性程度进行分析。

图3 子汇水区单位面积流量比较

图4 子汇水区综合径流系数比较

图5 子汇水区径流峰值比较4 结果与分析

4.1 不同类型子汇水区产流特征比较分析

模拟得出不同类型子汇水区的产流统计参数(表2)。研究显示,排出极值样本,各类子汇水区的单位面积产流量、综合径流系数、径流峰值在中雨和大雨雨型下有明显强弱特征关系,暴雨下其强弱特征差异减弱。

4.1.1 地表产流量特征比较

不同雨型条件下对子汇水区产流量进行对比(图3),利于判定不同雨型下实施径流管控的主要对象。中雨和大雨下,场地型、混合型、绿地型子汇水区的单位面积产流量呈递减趋势。所有样本中绿地型的总面积占40%,总流量仅占总样本的16%,混合型的总面积占55%,总流量占63%,场地型的总面积仅占5%,总流量为21%。表明中雨和大雨下,混合型和场地型子汇水区是地表产流量显著的对象,是雨洪管理的重点类型,而绿地型的流量相对易于控制。

4年和20年暴雨下,场地型样本的单位面积流量最大,而绿地型与混合型之间无明显的产流强弱特征。4年与20年暴雨条件对比下,绿地型的总流量占比由27%增加至33%,混合型的总流量占比由59%降低为57%,场地型的占比由14%降低至10%。针对总流量的控制,暴雨下混合型与绿地型子汇水区成为径流管控的主要对象。

4.1.2 综合径流系数特征比较

不同雨型条件下对子汇水区的综合径流系数进行对比(图4),显示出各类子汇水区下垫面对暴雨水的截留作用。中雨和大雨下,同一子汇水区的综合径流系数相对恒定,说明此时绿地地表径流基本下渗。场地型、混合型、绿地型子汇水区的径流系数呈现由高到低的变化特征。表明中雨和大雨下,3类子汇水区对暴雨水的截留作用随着场地占比的减少而增强。

4年和20年暴雨下,场地型样本的综合径流系数最大,绿地型与混合型的参数之间无明显高低特征。由中雨到20年暴雨,绿地型的综合径流系数从0.000~0.201增加到0.215~0.438,而混合型的径流系数从0.086~0.580增加到0.209~0.709,2类子汇水区下垫面要素对暴雨水截留的强弱差异减弱。

4.1.3 径流峰值特征比较

不同雨型条件下对子汇水区的径流过程峰值进行对比(图5),显示出各类子汇水区产流的瞬时流量和发生径流峰值的时间。中雨和大雨下,场地型、混合型、绿地型子汇水区的径流峰值存在由强到弱的趋势,产生径流峰值的时间均在前0.5h内,径流峰值出现后瞬时产流量逐渐减弱。

4年一遇暴雨下,场地型子汇水区的径流峰值最大,峰值时间出现在前0.5h。混合型和绿地型的径流峰值无明显强弱特征,峰值时间出现在降雨前0.5h或1h至随后10min内,呈现出明显的2个峰值点。20年暴雨下,3类子汇水区的径流峰值差异明显减弱,最大峰值出现在混合型子汇水区中,此时混合型多呈现前后2个峰值点,绿地型的峰值点则多在降雨1h后。

图6 不透水率与单位面积流量的变化关系

图7 不透水率与综合径流系数的变化关系4.2 子汇水区关键因子与产流特征的相关性分析

通过数据处理得到子汇水区关键因子与产流统计参数的相关性。分析表明不同产流参数的显著相关因子存在差异,不同雨型对各因子的相关性程度影响较大。

4.2.1 不透水率和面积的影响

中雨和大雨下,不透水率与单位面积流量呈极强正相关,两者存在显著线性函数关系,中雨下为Y =225.600X +0.160(拟合度R2=0.991),大雨下为Y=472.917X+1.364(拟合度R2=0.997)(图6)。此时不透水率与综合径流系数也呈极强正相关,中雨下两者线性函数关系为Y=0.923X+0.006(拟合度R2=0.999),大雨下为Y=0.957X+0.005(拟合度R2=0.999)(图7)。4年和20年一遇降雨下,不透水率与上述产流特征的正相关性与线性拟合度逐渐降低。表明中雨和大雨下,不透水率是影响单位面积流量强弱、综合径流系数大小的决定性因素,随着雨型的增加不透水率对2个参数的影响减弱。此外,中雨和大雨下不透水率与径流峰值呈中度正相关性,而大暴雨下两者无相关性。

4年和20年一遇降雨下,子汇水区面积与总流量、径流峰值存在强正相关,随雨型增加相关系数增强,20年一遇降雨下呈现出线性关系趋势,拟合度R2分别为0.888与0.806。说明大暴雨下面积参数是影响总流量大小、径流峰值强弱的关键因子。中雨和大雨条件下,其相关性较弱。

4.2.2 地形和坡度的影响

不同地形条件的子汇水区的产流特征的差异较大。地形条件对子汇水区的不透水率产生直接影响,进而影响其产流特征。平坡、凹坡、凸坡地形条件下的单位面积流量、综合径流系数均存在递减趋势。但从中雨到暴雨,地形变化对上述产流特征的影响减弱。

子汇水区参数的综合作用下,坡度与单位面积流量、综合径流系数、径流峰值呈中度负相关。原因在于实际情况下坡度越大的子汇水区的不透水率往往越低,直接影响到产流特征与坡度的相关性。当同一子汇水区的其他参数恒定不变时,若绿地坡度增加20%,中雨和大雨下的总流量、综合径流系数、径流峰值几乎无变化,而在4年和20年大暴雨下产流特征随坡度的增加有显著上升趋势,子汇水区总流量平均增加1.3%和1.2%,综合径流系数平均增加1.6%与3.0%,径流峰值平均增加4.3%和3.1%。

4.2.3 坡面汇流宽度的影响

4年和20年一遇降雨下,子汇水区坡面汇流宽度与总流量、径流峰值呈较强正相关,中雨和大雨雨型下相关性减弱。山坡型公园受到园路布局的影响,在山腰和坡脚处易形成狭长形的汇水区坡面,汇流长度相对较短,汇流宽度较宽。大暴雨下,汇流宽度越宽的子汇水区其总流量和径流峰值有增加趋势。

5 结论与讨论

子汇水区是山坡型公园径流源头控制的结构单元,在整体策略上若能将若干子汇水区由雨洪输出的“排水节点”巧妙转化为雨洪利用、滞留渗透的“受纳节点”,可大幅减少外排流量,丰富山地公园景观与生态效益的多样性[22]。控制策略上应考虑到不同雨型条件下子汇水区产流特征的差异,制定针对性的径流管控措施。

不同雨型下的产流特征比较发现,中雨和大雨下场地型、混合型、绿地型子汇水区的单位面积产流量、综合径流系数、径流峰值存在递减趋势。4年和20年一遇暴雨下,混合型和绿地型的产流特征无明显强弱关系。针对径流总量的控制,中雨和大雨时以场地型和混合型子汇水区的径流管控为主,大暴雨时以绿地型和混合型为主。

子汇水区关键因子与产流特征的相关性分析表明:1)中雨和大雨下,不透水率与单位面积流量、综合径流系数呈极强正相关,存在显著线性函数关系,此时不透水率是上述产流特征的决定性参数。大暴雨时,子汇水区面积成为影响总流量大小、径流峰值强弱的重要参数;2)平坡、凹坡、凸坡条件下的子汇水区单位面积产流量、综合径流系数存在递减趋势,随着雨型的增大,其产流特征差异减弱;3)对同一子汇水区而言,若坡度增加而其他参数恒定时,中雨和大雨下子汇水区的总流量、径流峰值、综合径流系数几乎无变化,在大暴雨下产流特征随坡度的增加有显著上升趋势。4)公园山腰和坡脚处易形成汇流路径短、汇流宽度较宽的狭长形汇水区,大暴雨时坡面汇流宽度与子汇水区的总产流量、径流峰值呈较强正相关,中雨和大雨下其相关性较弱。

注:文中图片除注明外,均由作者绘制。

致谢:感谢西南大学园林景观规划设计研究院、重庆市风景园林规划研究院为本研究提供了相应公园的图纸资料;感谢西南大学资源环境学院何丙辉教授团队为本研究进行了土壤样品渗透率测定。

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[22]刘家琳,张建林.波特兰雨洪管理景观基础设施实践调查研究[J].中国园林,2015,31(8):94-99. (编辑/金花)

作者简介:

刘家琳

1986年生/女/重庆人/西南大学园艺园林学院讲师/研究方向为风景园林雨洪管理设计与理论(重庆 400715)

张建林

1965年生/男/四川人/西南大学园艺园林学院副教授,硕士生导师/研究方向为山地风景园林规划设计理论与实践(重庆 400715)

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