基于Infoworks ICM模型的典型海绵措施径流减控效果评估

李永坤，薛联青，邸苏闯，潘兴瑶，张书函，王丽晶

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048； 2.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

近年来海绵城市建设衍生出若干城市水文学问题，涉及海绵措施径流响应机理及效应研究[1-3]，首先是怎样定量海绵措施不同尺度下的减控效果，其次是如何确定建成区海绵措施建设标准，最终怎样促进区域小海绵与流域大海绵水系统的有机结合。综合评价雨洪利用工程布局及其优化组合模式对场次降雨和年降雨量的控制效果，成为海绵城市亟待研究的首要问题。2013年，北京市发布DB 11/685—2013《雨水控制与利用工程设计规范》[4]，规定新建项目按照统一标准配套建设雨洪利用工程，当新建工程硬化面积达到2 000 m2及以上时，每千平方米硬化面积应配套建设不小于30 m3的雨水调蓄池，绿地率建设工程下凹式绿地比例至少50%，公共停车场、人行道等透水铺装率不小于70%(以下简称为“3+5+7”海绵改造措施)。随着北京市入选第二批海绵试点城市，相继发布了《北京市海绵城市专项规划》[5]，将中心城区划分为308个雨水管控单元及31 018个地块单元，确定各管控单元的年径流总量控制率，以保障中心城区总体年径流总量控制率达到75%以上。

大量研究结果表明[6-8]海绵措施等外界胁迫条件下流域水文情势变异度影响分析主要采用数值模型及变化范围法。由于变化环境下城市流域历史径流监测序列不完整，或存在非一致性等问题，因此现状主要选用数值模型法。Omar[9]利用SWMM模型分析低影响措施在城市密集区域的雨水径流减控效果。陆小蕾等[10]基于SWMM模型研究，指出当下凹绿地深度达到5～10 cm能够有效削减雨水径流。陈韬等[11]以嘉兴市南湖区世合小镇为例，应用i-Tree模型评估了低影响开发措施水量水质控制效果。王文亮等[12]应用SWMM模型模拟雨水花园、植被浅沟和透水铺装3种措施对场地雨水径流的影响，结果表明场地LID措施可将峰值流量及年径流外排率恢复到开发前状态。上述海绵措施模拟模型研究，重点针对建筑小区或区域尺度，缺少流域尺度不同降雨下的径流控制效果的系统性研究，难以对流域整体新建及改建工程提供有效的指导意见。本文基于Infoworks ICM城市流域洪涝模型，利用流域出口水文监测断面实测降雨径流过程进行率定验证，通过情景构建定量评价流域“3+5+7”海绵措施对场次及年度降雨径流过程的综合影响。

1 研究区概况

马草河是北京市中心城区西南部的一条重要排洪河道，属于凉水河水系，是凉水河中心城区范围内的最大支流，西起京津铁路涵洞，在洋桥闸附近汇入凉水河干流，全长13 km，流域面积25.53 km2，流域下垫面高程介于36.88～54.72 m之间。研究区域范围内用地类型主要分为道路、普通房屋、裸土、河道面等13类，不透水面积比例为67%，根据不同下垫面类型雨量径流系数建议取值[4]，加权平均得出流域综合径流系数为0.67，城市流域特点显著。按照《北京市海绵城市专项规划》所提出的规划目标，研究区域涉及18个雨水管控单元，各管控单元年径流总量控制率目标值为71%～90%。马草河流域位置分布见图1。

图1 马草河流域位置和排水分区Fig.1 Location and drainage division of Macao River Basin

2 研 究 方 法

常用水文水力学模型主要包括Grid-XAJ-SATIN、LSX-HMS、Infoworks ICM、SWMM、MIKE等[8,13-14]，Infoworks ICM模型适用于城市流域雨水系统各种复杂水文水力学过程模拟，广泛应用于城市排水领域。模型集成了世界上多种产汇流模型，基于子集水区划分和不同产流特征表面进行降雨径流计算，采用圣维南方程组模拟明渠和管道水力学演进过程，采用Pressmann Slot方法模拟超负荷管道水力学演进过程[8]。Infoworks ICM模型可以模拟生物滞留槽、雨水花园、绿色屋顶等8类海绵措施的水文水质过程，能够与降雨径流、管网汇流、河道汇流以及地面漫流过程交互耦合，系统能模拟下垫面、排水管网系统与地表受纳水体之间的水文水力学效应。模型将透水铺装、下凹式绿地、雨水调蓄池概化为表层、填料层、蓄水层的3层竖向介质，各层之间通过雨水径流入渗过程实现水量传递，基于非线性水库法求解，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：i——降雨强度，mm/s；q0——表层入流速率，mm/s；e1、e2——表层、填料层蒸发量，mm/s；q1——表层入渗速率，mm/s；q3——暗管出流速率，mm/s；f1、f2、f3——表层、填料层及蓄水层入渗速率，mm/s；d1、d3——表层及蓄水层蓄水深度，mm；L2——填料层深度，mm；θ2——填料层体积含水率，%；Φ3——蓄水层孔隙率，%。

海绵措施表层主要接收直接降雨和不透水汇水区域的径流量，当表层蓄满后，雨水径流直接溢流外排，表层及填料层入渗采用Green-Ampt公式计算，表层入渗速率计算如下：

(4)

式中：K2s——土壤饱和水力传导度，mm/s；θs——土壤饱和含水量，%；θi——土壤初始含水量，%；Ψ2——土壤中湿润锋以上的吸水头，mm；F——单位面积累积入渗量，mm。

填料层承接表层入渗水量，填料层入渗速率计算式如下：

(5)

式中：HCO——入渗率衰减曲线常系数；θFC——土壤田间持水量，mm。

蓄水层水量来自填料层下渗，蓄水层可下渗至下层本地土壤层。当设置排水暗管时，蓄水层水量可通过排水暗管外排，排水暗管出流速率计算式如下：

q3=Chn

(6)

式中：C——排水系数，若该层下无排水管则C=0；h——排水暗管上方饱和介质厚度，mm；n——排水指数，当取值为0.5时相当于孔口出流。

3 模 型 构 建

Infoworks ICM模型构建包括子集水区产汇流、管网汇流和河道汇流。依据排水管网路由与雨水口的空间位置关系，综合建筑物、大范围绿地等下垫面类型，划分29个排水分区，其中建筑排水分区24个(平均面积104 hm2)，绿地排水分区5个(平均面积10 hm2)。结合检查井空间分布，通过泰森多边形法进一步划分子集水区，作为降雨径流的最小计算单元，最终将研究区划分为5 107个子集水区，平均面积0.510 hm2。依据不同土地类型渗透性能将径流表面概化为道路、屋顶、绿地及裸土4类，定量统计各子集水区4种径流表面的面积比例，建立产汇流模型。马草河流域排水分区分布见图1。

马草河流域排水管网包括分流制和合流制管线，在详细收集雨水和雨污合流管线勘测资料基础上，进行管网汇流路径、上下游管底高程拓扑检查，确保上下游管线连接关系、上下游底高程、坡度以及检查井地面高程、埋深等属性参数的合理性。研究区域共有5 102个检查井，5 110条排水管线，29个排水口，管线总长度129 km，管道形状多为圆管或方涵，管径分布在300～4 250 mm区间，管道糙率系数取0.013，建立管网汇流模型。管网汇流通过排水口排入河道，排水口是管网与河道的连接点。综合考虑河道勘测断面和出水口位置设置河道计算节点，河道糙率系数取0.03，建立河道汇流模型。

4 模型率定及验证

径流表面中道路、屋顶为不透水下垫面，选用固定径流系数法、SWMM汇流模型计算子集水区坡面产汇流过程，主要率定参数为径流系数、初损值及曼宁系数，绿地和裸土为透水下垫面，选用霍顿入渗法、SWMM汇流模型进行产汇流计算，率定参数包括初损值、初始入渗率、稳定入渗率、衰减系数及曼宁系数，参考规范标准、模型手册和相关文献确定各参数取值范围[4,8,15-17]。为率定模拟参数并验证模型的准确性，选取近年来影响较大的2016年7月20日和2018年7月16日两场典型降雨径流过程资料(以下简称2016年“7·20”和2018年“7·16”)，参数率定方法采用人工试错法，其中2016年“7·20”作为率定场次，2018年“7·16”作为验证场次。

研究系统收集两场典型场次中世界公园、玉泉营、新发地3个代表性雨量站实测降雨序列，以及洋桥闸实测流量序列，数据资料来源于北京市水文总站。通过雨量站点泰森多边形划分，空间插值提取各子集水区降雨过程输入模型，经分析河道涨水过程，将河道基流量2 m3/s作为边界条件，采用相对误差δ和Nash-Sutcliffe效率系数检验模拟精度。在率定期，2016年“7·20”马草河流域面平均降雨量301 mm，最大24 h降雨重现期大于20年一遇小于50年一遇，洋桥闸洪峰流量为92.95 m3/s，洪水重现期接近20年一遇，流域平均径流深为113.65 mm。模拟洪峰流量为84.25 m3/s，峰值相对误差为9%；峰现时间误差为40 min，小于许可误差(4 h)；模拟径流深为132.82 mm，径流深相对误差为17%；模拟洪水过程Nash-Sutcliffe效率系数为0.92。在验证期，2018年“7·16”流域面平均降雨量为120 mm，最大24 h降雨重现期大于1年一遇小于3年一遇，洋桥闸洪峰流量为19.29 m3/s，平均径流深为50.44 mm。模拟洪峰流量为20.93 m3/s，峰值相对误差为9%；峰现时间误差为1 h，小于许可误差4 h；模拟径流深为52.77 mm，径流深相对误差为5%；模拟洪水过程Nash-Sutcliffe效率系数为0.78。这2场洪水均存在涨水阶段模拟值偏低、退水阶段模拟值偏高的情况，在验证期洪水过程模拟精度有所降低，这可能与雨污合流管线截污改造、污水处理厂补给河道等人工调度措施有关，并不是自然降雨径流过程。总体来说，基于Infoworks ICM构建的马草河流域洪涝模型率定参数合理可靠，径流量、洪峰流量和流量过程模拟精度较高，可用于不同降雨情景下的模拟分析。模型参数率定结果见表1。率定及验证场次洋桥闸模拟结果见图2。

表1 Infoworks ICM模型参数率定结果

图2 场次降雨模拟结果Fig.2 Comparison between simulated results and measurements in the rainfall event

5 模拟情景设置

按照DB 11/685—2013《雨水控制与利用工程设计规范》[4]中海绵措施组合配套建设标准，研究流域道路面积为1 175 hm2，透水铺装面积为822 hm2；绿地面积为724 hm2，下凹式绿地面积为362 hm2；硬化面积为861 hm2，雨水调蓄池建设规模为20万 m3。综合考虑海绵措施建设规范，设置竖向规模参数[4]，透水铺装表层、填料层、蓄水层深度分别为80 mm、50 mm及200 mm，表层、填料层入渗率取值为100 mm/h及29.97 mm/h，蓄水层未设置暗管；下凹式绿地护坡、填料层、蓄水层深度分别为200 mm、300 mm、200 mm，填料层入渗率为29.97 mm/h；雨水调蓄池排水指数取0.5，调蓄池蓄满后经孔口出流外排，排水延时为24 h，即降雨结束后24 h调蓄池收集雨水外排。各类海绵措施模拟参数如表2所示。

表2 海绵措施模拟参数

收集研究区域3个雨量站点2012—2016年降雨历史序列，选取近年来降雨量强度偏大和量级偏多的2012年及2016年逐1 h降雨过程数据输入模型[19-20]，评价流域尺度实施海绵措施改造后年径流量的削减效果。

6 模拟结果分析

图3 研究区域海绵措施径流减控效果Fig.3 Runoff control effect of sponge measures at different return period rainfalls

1年一遇至50年一遇不同重现期模拟结果显示，马草河流域现状模拟径流总量区间范围为9.54～159.13 mm，径流系数为0.20～0.45，洪峰流量变化区间10.97～106.31 m3/s，洪峰滞时200～90 min，流域汇流时间约为180 min，现状流域产流量大、汇流速度快，符合城市流域产汇流特点。由图3可以看出，实施调蓄池、下凹式绿地和透水铺装海绵改造后，能够有效削减径流总量和峰值流量，径流量削减幅度为90.46%～38.88%，流域出口洋桥闸洪峰削减比例为93.25%～15.60%，峰现时间较现状滞后225～0 min，表明海绵组合措施能够对雨洪资源进行拦截及渗蓄，降低地面径流总量和坡面汇流时间，对各重现期设计降雨具有不同程度的削减效果。

由图4可知，研究区1年一遇最大雨强为19 mm/h，海绵措施径流量及峰值流量的削减效果达到90%以上，峰现时间延迟约225 min，主要由于降雨强度小于海绵措施入渗率，调蓄池空间相对较大，提高流域滞蓄能力，河道洪峰坦化作用显著。当暴雨重现期达到10年一遇后，最大雨强达到75 mm/h时，径流量削减效果趋于稳定。随着暴雨重现期继续增加，洪峰流量、峰现时间削减效果明显降低。50年一遇模拟结果图4所示，海绵措施改造后洪峰流量为89.73 m3/s，洪峰流量削减比例仅15.60%，峰现时间基本无延迟。综上所述，随着暴雨重现期增加，海绵措施对径流量与洪峰流量减控效果有所降低，海绵措施主要滞蓄10年一遇以下降雨径流过程。

图4 研究区域海绵措施径流减控效果Fig.4 Runoff control effect of sponge measures in the study area

对于年径流总量控制率，2012年研究区年降雨总量为820 mm，最大雨强为60 mm/h，降雨强度达到5年一遇，以局地雨强较大、连续型强降雨为主，模拟年径流量为217 mm，年径流系数为0.26；2016年降雨总量为623 mm，最大雨强为28 mm/h，降雨强度仅大于1年一遇小于3年一遇，全年以降雨强度较小、平稳型降雨为主，模拟年径流量为145 mm，年径流系数为0.23。基于子集水区模拟流量过程，通过Arcgis软件矢量要素Intersect空间分析工具，进行子集水区与管控单元相交分析，应用Spatial Join空间关联加权提取各管控单元年径流量和径流系数。据图5可知，2012年现状各管控单元年径流系数为0.21～0.35，其中14处地块未达到规划标准；2016年各管控单元年径流系数为0.18～0.28，共有6处地块未达到控制标准。

图5 现状年径流系数Fig.5 Current annual runoff coefficient

据图6可知，实施“3+5+7”海绵措施改造后：研究区域2012年模拟年径流量为139 mm，较现状年径流量削减36%，年径流总量控制率为83%，各管控单元控制率为82%～95%；2016年模拟年径流量为84 mm，较现状年径流量削减42%，年径流总量控制率达到87%，各管控单元控制率为86%～93%。实施海绵措施改造后2012年及2016年各地块均能够达到控制标准，现行雨水控制与利用工程设计规范能够有效促进海绵城市建设达标。

图6 海绵措施改造后年径流总量控制率Fig.6 Volume capture ratio of annual rainfall after implementation of sponge measures

7 结论与展望

a. 按照“3+5+7”建设比例进行海绵措施改造，能够有效削减场次径流量，1年一遇至50年一遇重现期下径流量削减比例为90.46%～38.88%，河道洪峰流量削减比例为93.25%～15.60%，峰现时间滞后225～0 min，海绵措施对低重现期降雨呈现较好的控制效果。随着场次降雨重现期的增加，径流量及洪峰流量削减比例有所降低，洪峰流量削减、峰现时间延迟效果降低显著。

b. 研究区域现状平均年径流系数为0.24，各管控单元年径流系数为0.18～0.35，平均10处地块未达到控制标准。实施海绵措施后流域年径流总量控制率达到85%，年径流量平均削减39%，各管控地块全部达到控制标准。实施“3+5+7”海绵措施后，能够有效减控年径流量，约束各管控地块达标排放，现行雨水控制与利用工程设计规范满足海绵城市建设要求。

本研究重点针对透水铺装、下凹式绿地、雨水调蓄池3类特定组合比例海绵措施的径流减控效果，未来可进一步研究不同海绵措施及其不同组合方式的水量水质减控效果，为促进海绵城市效果评估提供理论支撑。