植草沟典型构建因子对降雨径流调控及其敏感性分析

魏宇聪，邱 慧，b，何严松，党慧馨，夏梦姿

（中南林业科技大学，a. 风景园林学院；b. 湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

当前城市水环境现状严峻，中央提出了大力建设海绵城市的要求[1]。我国尚处于海绵城市建设初级阶段，其核心的低影响开发（Low Impact Development，LID）理念、技术及措施多为学习借鉴国外经验，缺乏LID 设施构造方式与降雨径流之间内在联系的研究，也使得很多LID 设施工程花费巨大，却难以实现降雨径流控制的预期目标，引发不同程度的质疑[2]。植草沟作为最为常用的LID 设施，具有消减降雨径流和净化水质的功能，多修建于道路、广场、停车场等不透水面的周边[3-4]。不同构造的植草沟在降雨径流调控、建设成本和使用条件等方面存在一定的差异[5-6]，但我国各地的海绵城市设计指南中对植草沟构造尺寸和建设材料等均只给予了相似的指导性意见，且多为定性建议，缺乏与之相关的定量的降雨径流消减数据支撑[7-8]。因此，在海绵城市建设中为保障植草沟的有效规划和建设，定量分析植草沟典型构建因子对降雨径流消减的影响和敏感程度十分重要。典型构建因子中敏感性因子的识别也是植草沟从规划设计到建造成本优化与改进的重要科学依据。

植草沟对降雨径流的调控主要通过雨水下渗、滞留来延长雨水的水力停留时间，涉及的典型构造因子包括植草沟蓄水深度、植被覆盖率、坡度和边坡比等[10]。近年来，针对植草沟降雨径流调控效果的研究主要通过实地观测和模型模拟。Davis 等[11]监测了52 场暴雨下美国马里兰州公路旁植草沟对径流消减和水质改善的情况，郭凤等[12]和黄俊杰等[13]分别对北京和合肥等地道路旁植草沟地表径流的调控效果进行了观测，发现植草沟能有效延迟暴雨洪峰到来时间，但其对径流的调控效果受降雨特征（降雨强度、降雨历时、降水量）、植被条件（植物种类、植被覆盖度）、植草沟坡度和土壤基质条件等因素的影响。张炜等[14]通过模拟实验发现改变植草沟断面构造尺寸可以促进植草沟雨水径流错峰效果，提升植草沟雨水径流流量控制能力。与城市雨洪相关的模型约有40 种，但目前只有SWMM 和Mike-Urban 等少量模型能搭载LID 模块，动态模拟场地开发前后的降雨径流过程[15]。SWMM 模型涵盖了包括植草沟、生物滞留池、绿色屋顶等8 种LID 措施的子模块，因其操作简便、模拟准确性高等优点而被广泛应用[16]。张曼等[17-18]运用SWMM 软件对植草沟等LID 设施的径流调控效果进行了模拟。而对植草沟雨洪调控敏感性研究则多集中于定性或定量评估模型参数对模拟结果的影响，确定模型参数的重要程度，识别不敏感参数，减少模型率定的工作量和提高准确率，采用的方法有Glue 法、EFAST 算法、Stepwise 算法、OAT 法和Morris 分类筛选法等[19-21]，涉及的因子主要包括汇水区相关参数、地表透水性能相关参数、降雨径流下渗相关参数、输移过程相关参数和污染物累积与冲刷相关参数等。

基于此，已有研究主要集中于单一结构植草沟径流调控绩效评价以及模型参数的敏感性分析，忽视了植草沟典型构建因子变化对降雨径流调控的影响，并且缺乏针对植草沟各构建因子径流调控效果及参数敏感性的精细化研究[22-24]。因此，本研究在植草沟典型构建因子多情景SWMM 模拟的基础上，分析不同构造因子参数对径流调控效果的影响，并选取对全局分析有较好效果的修正了的Morris 法对植草沟构建因子的敏感性进行研究[25-26]，结果将有助于明确植草沟不同构建情景下的雨洪调控效果及其构造因子参数敏感性，为植草沟的规划、设计、成本与施工的优化提供理论支持和科学依据。

1 模型与方法

1.1 SWMM 模型与植草沟设计

SWMM 模型是美国环境保护署基于水文学、水动力学开发的一个降雨径流模拟模型，广泛运用于植草沟的运行效果模拟。根据《长沙低影响开发雨水控制利用系统设计技术导则》内推荐参数和实际项目验证，植草沟适宜服务的汇水区面积一般为其自身面积的5 倍。在SWMM 模型中，建立一个面积为250 m2（50 m×50 m）的子汇水区1，作为植草沟处理地表径流的区域；再建立一个面积为50 m2（2 m×25 m）的子汇水区2，子汇水区1 的径流将流向子汇水区2，子汇水区2 连接雨水口，SWMM 模型其他初始参数见表1。子汇水区2 作为植草沟集水区，在集水区2 添加LID控制单元植草沟，并对植草沟表层蓄水深度、植被覆盖率、坡度和边坡比4 个构造因子进行初始值的设定（图1 ～2）。

表1 SWMM 模型初始参数取值Table 1 The initial parameters of SWMM model

图1 SWMM 模型构建示意Fig. 1 The schematic diagram of SWMM model

图2 植草沟初始参数设计Fig. 2 Initial parameters of vegetative swale

1.2 降雨强度计算与雨型设计

SWMM 模型中降雨时间序列的雨强数据根据《长沙低影响开发雨水控制利用系统设计技术导则》中长沙降雨强度公式计算获得，计算公式为：

当0.25 a ≤P≤10 a 时：

公式（1）～（2）中：q为降雨强度，L/(s·104m2)；t为降雨历时，min；P为降雨重现期。

分别对降雨重现期P为1 a 和2 a、历时t为60 min 的降雨事件进行模拟，即P=1 a 时，降雨强度为136.069 6 L/(s·104m2)；P=2 a 时，降雨强度为158.598 2L/(s·104m2)。雨型根据芝加哥雨型模拟器模拟获得，详见图3 ～4，用于不同情境中对各构造因子参数进行模拟运算。

图3 P=1 a 时雨型Fig. 3 P=1 a rain type

图4 P=2 a 时雨型Fig. 4 P=2 a rain type

1.3 不同构造因子情景下植草沟径流调控效果分析

不同构造情景下的植草沟径流调控效果通过径流滞蓄率、峰值消减率和洪峰推迟时间来评判，其计算方法如公式（3）～（5）：

1.4 植草沟构造因子径流调控敏感性分析

为了分析植草沟构造因子变化对降雨径流影响的敏感性，采用修正了的Morris 检验法[17]对植草沟表层蓄水深度、植被覆盖率、坡度和边坡比等4 个构造因子不同情境下的雨洪消减效果进行敏感性分析。敏感性分析以植草沟构造因子初始值为基础，然后按照10%的固定步长依次对植草沟各构造参数进行正负扰动变化，再根据SWMM模拟的降雨径流消减情况进行LID 设施的构建因子敏感性（SN）进行分析和排序，公式如下：

式（6）中：Yi为模型第i次运行的输出值；Y(i+1)为模型第i+1 次运行的输出值；Y0则为默认参数下模型运行的输出值；Ri为第i次模型的参数相较于默认参数值变化的百分率；R(i+1)为第i+1 次模型的参数相较于默认参数值变化的百分率；n为模型运行的次数。根据已有研究分析，将参数敏感值分为4 类：当|SN|＞1 时，为高敏感参数；当0.2 ＜|SN|≤1 时，为敏感参数；当0.05 ＜|SN|≤0.2 时，为中敏感参数；当0 ≤|SN|≤0.05 时，为不敏感参数。

2 结果与分析

2.1 植草沟不同构造情景对降雨径流的影响

选取植草沟典型构造参数作为初始值，10%作为参数的固定变化步长，每个构造因子参数按基础数值分别正负变化3 次，其他构造因子数值保持不变，应用SWMM 模型模拟径流变化情况，再通过径流滞蓄率、峰值消减率、洪峰推迟时间的比较分析不同构造情景下的植草沟径流调控效果。

2.1.1 护坡高度变化下的径流减

在植草沟护坡高度初始值150 mm 的基础上，在其他构造参数不变的情况下，护坡高度根据10%的步长变化分别为105、120、135、150、165、180、195 mm，在重现期P=1 a 时，径流控制率分别为51.24%、53.30%、55.65%、58.22%、60.96%、63.80%、66.70%， 径 流 峰 值 消 减 为56.70%、57.84%、59.18%、60.72%、62.47%、64.33%、66.29%。在重现期P=2 a 时，径流控制率 分 别 为29.32%、30.01%、30.81%、31.07%、31.49%、32.03%、32.62%，径流峰值变化均为10.32%。在重现期P=1 a 时，洪峰推迟时间为240、240、360、360、360、360、360 s。P=2 a 时，洪峰推迟时间没有变化。在下渗能力、植草沟面宽和坡度相同的条件下，护坡高度越高，沟内蓄水增加，径流调控效果提升。然而，随着入流重现期的增加，进入植草沟的水量大幅增加，植草沟的径流控制效果变得不明显（图5）。

图5 植草沟护坡高度对径流调控的影响Fig. 5 The effect of the berm height of vegetative swale on runoff regulation

2.1.2 植被覆盖率变化下的径流消减

植被覆盖率的初始值为0.5，在其他构造参数不变的情况下，根据10%的变化步长分别取值0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65 进行模拟，在重现期P=1 年时，随着植被覆盖率的增加植草沟的径流控制效果均逐渐增加，径流控制率分别为53.49%、54.85%、56.40%、58.22%、60.35%、62.88%、65.92%， 径 流 峰 值 变 化 为52.99%、55.26%、57.73%、60.72%、63.81%、67.32%、71.03%，洪峰推迟时间分别为300、300、300、360、360、420、480 s。 在 重 现 期P=2 a 时，径流控制率分别为27.59%、29.00%、29.93%、31.07%、32.37%、33.79%、35.15%，径流峰值变化为2.99%、0.03%、10.32%、10.32%、10.32%、10.32%、10.32%，洪峰推迟时间为0 s。当重现期P=1 a 时，植被覆盖率的提高对径流滞蓄和洪峰消减能力提升明显（图6）。

图6 植草沟植被覆盖率对径流调控的影响Fig. 6 The effect of the vegetation ratio of vegetative swale on runoff regulation

2.1.3 坡度变化下的径流消减

在基础值为2.0%的情况下，根据10%的变化步长分别取值1.4%、1.6%、1.8%、2.0%、2.2%、2.4%、2.6%，在重现期P=1 a 时降雨事件下，径流控制率分别为60.40%、59.56%、58.84%、58.22%、57.65%、57.15%、56.70%，径流峰值变化为63.92%、62.68%、61.65%、60.72%、59.90%、59.07%、58.35%，洪峰推迟时间为360、360、420、360、240、240、240 s。在重现期P=2 a 时，径流控制率分别为32.38%、31.70%、31.63%、31.07%、30.55%、30.10%、30.27%，径流峰值变化均为10.32%，洪峰推迟时间为0 s。在同等构造条件下，坡度越大，水流在沟底流速越大，下渗时间越短，径流控制效果越不明显（图7）。

图7 植草沟坡度对径流调控的影响Fig. 7 The effect of the surface slop of vegetative swale on runoff regulation

2.1.4 边坡比变化下的径流消减

在基础值为3.0∶1 的情况下，根据10%的变化步长分别取值2.1∶1、2.4∶1、2.7∶1、3.0∶1、3.3∶1、3.6∶1、3.9∶1，在重现期P=1 a 时降雨事件下，径流控制率分别为63.86%、61.71%、59.82%、58.22%、56.96%、56.08%、55.58%，径流峰值变化为63.61%、62.37%、61.34%、60.72%、60.31%、60.21%、60.31%，洪峰推迟时间 为360、360、360、360、360、240、240 s。在重现期P=2 a 时，径流控制率分别为31.23%、31.33%、31.48%、31.07%、30.82%、31.16%、31.08%，径流峰值变化均为10.32%，洪峰推迟时间为0 s。在同等构造条件下，边坡比越大，植草沟截面积越小，径流滞蓄效果越不明显（图8）。

图8 植草沟边坡比对径流调控的影响Fig. 8 The effect of the side slop of vegetative swale on runoff regulation

2.2 植草沟构建因子对径流调控的敏感性分析

在植草沟不同情境构造因子SWMM 模拟结果的基础上，对两种降雨情况下的植草沟各构造参数对径流消减和洪峰消减的敏感性进行计算及排序。

2.2.1 植草沟构造因子对径流消减的敏感性分析

对于径流的消减，不同构造因子的敏感度不同，同时，对于不同的降雨重现期，植草沟构造因子的敏感度也不同（表2）。

表2 植草沟构造因子对径流消减的敏感性分析Table 2 The sensitivity analysis of the construction parameters of vegetative swale on runoff reduction

1）重现期P=1 a 时降雨事件中，护坡高度、植被覆盖率和边坡比为敏感参数，坡度为中敏感参数，敏感度排序为护坡高度＞边坡比＞植被覆盖率＞坡度。

2）重现期P=2 a 时降雨事件中，护坡高度为敏感参数，植被覆盖率和坡度为中敏感参数，边坡地比为不敏感参数，敏感度排序为护坡高度＞植被覆盖率＞坡度＞边坡比。

植草沟的4 个典型构造因子在2 次不同降雨强度的事件下，护坡高度始终为敏感参数且敏感度是4 种构造参数中最高的，其原因可能是在植草沟长度、顶宽和边坡比不变的情况下，护坡高度的改变直接影响了植草沟的截面构造，影响植草沟的滞蓄容量大小。同样是影响植草沟截面构造的参数，边坡比的敏感度在两种不同降雨强度下差异较大，在P=1 a 时为敏感参数且敏感度仅次于护坡高度，而在P=2 a 时则降为不敏感参数且数值变化幅度较大；植被覆盖率在P=1 a 和P=2 a 时均为中敏感参数。坡度在P=1 a 与P=2 a 时对于径流变化均为不敏感参数。

2.2.2 植草沟构造因子对洪峰消减的敏感性分析

对于洪峰流量的消减，不同构造因子的敏感度不同。同时，对于不同的降雨重现期，植草沟构造因子的敏感度也不同（表3）。

表3 植草沟构造因子对洪峰消减的敏感性分析Table 3 The sensitivity analysis of the construction parameters of vegetative swale on flood peak reduction

1）重现期P=1 a 时降雨事件中，护坡高度、植被覆盖率和坡度均为敏感参数，边坡比为中敏感参数，敏感度排序为植被覆盖率＞护坡高度＞坡度＞边坡比。

2）重现期P=2 a 时降雨事件中，植被覆盖率为敏感参数，护坡高度、坡度和边坡比为不敏感参数，敏感度排序为植被覆盖率＞边坡比=坡度=护坡高度。

在降雨强度低时，植草沟的4 个典型构造因子对洪峰消减的敏感性均较高，但在高降雨强度时，除了植被覆盖率依旧敏感度高，其他3 个构造因子参数均为不敏感参数。其原因可能是因为植草沟中的植物在径流流经的过程中起到了阻拦的效果。

3 结论与讨论

3.1 结 论

1）降雨强度低时植草沟的调控水量的功能明显，植草沟可以有效地消减径流总量和洪峰流量。植草沟在1 年重现期的降雨事件中具有较好的径流和洪峰消减效果，平均可以达到60%以上，但在2 年期降雨重现期条件下，径流和洪峰消减效果大大降低，只有30%左右。随着重现期的增大，植草沟的径流控制、峰值消减能力降低，充分说明植草沟对低强度降雨的滞蓄较好，不可盲目夸大其径流调控效果。4 个典型构造因子中，坡度与边坡比的参数变化与植草沟径流消减呈负相关；护坡高度与植被覆盖率的参数变化则与植草沟的径流和洪峰流量消减呈正相关。1 年期降雨重现期时，护坡高度从105 ～195 mm 变化时，径流控制率提升了15.46%，峰值消减效果提升了9.59%；植被覆盖率从35%～65%变化时，径流滞蓄率提高了12%，当植被覆盖率大于50%时，洪峰消减率和洪峰推迟时间大幅提高；坡度从1.4%～2.6%变化时，径流滞蓄率降低了3.7%，峰值消减效果降低了5.57%；边坡比从2∶1 ～4∶1 变化时，径流控制率降低了8.28%，3∶1 时趋于稳定，峰值消减效果则降低了3.3%。因此，在实际工程中，在植草沟面宽一定的情况下，考虑到植草沟的断面面积越大，对径流的调控效果越好，植草沟深度不宜过浅，植草沟的坡度和边坡比应尽量较缓，同时植被覆盖率应大于50%，这样可以保证雨水径流以较浅的深度和较低流速在植草沟内流动，增强植草沟的滞蓄能力。

2）通过修正的Morris 敏感性分析，从径流消减和峰值流量消减两方面得到不同植草沟典型构造参数对应的敏感性指数。在1 年期降雨强度下，影响植草沟横截面尺度的构造因子如护坡高度和边坡比对径流流量的消减均为敏感因子，是影响植草沟滞蓄能力的敏感构造参数，虽然随着降雨强度的增加敏感性会降低，但效果依然较为明显。而植草沟坡度和植被覆盖率这两种不影响植草沟截面构造的参数，其参数变化对径流调控的效果影响不敏感。然而，在洪峰流量的消减过程中，由于植草沟中的植物会对水流起到阻碍作用，植被覆盖率表现为敏感参数，表明植物对洪峰流量的消减非常重要。在植草沟设计和建设中，护坡高度、边坡比和植物覆盖率对径流滞蓄效果表现出较高的关联性，不能简单复制方案图集，避免规划设计与实际效果不符。

3.2 讨 论

随着我国城市化进程的加快，城市雨洪的控制与利用有利于城市环境的可持续发展。然而当前各地的海绵城市建设技术导则中对植草沟以定性描述居多，难以有效指导建设。为了定量分析植草沟典型构造因子对其水文性能的影响，优化设计参数取值，本研究通过SWMM 模型分析了不同构造情景下的植草沟对降雨径流滞蓄和洪峰消减效果，发现植草沟在不同强度的降雨中起着不同的作用，降雨强度较小时植草沟以下渗作用为主，降雨强度较大时以传输径流为主。通过敏感性分析可得植草沟典型构建因子中植被覆盖率主要影响洪峰延迟，护坡高度、坡度和边坡比主要影响滞蓄效果。植草沟的截面积大小是滞蓄能力的重要指标，受典型构造因子的影响，建议优化设计参数为：在保证植草沟内径流流动的基础上（坡度大于0.5%），坡度取值宜缓；考虑到水流冲击影响边坡稳定，边坡比至少3∶1 会有较好的效果；植被覆盖率应大于50%以上，在植草沟建成后的运行过程中，要注重植物的养护，当植被覆盖率低于50%时，应及时补种，保证植草沟的滞蓄能力。本研究还存在一些不足，例如研究中重点分析了植草沟典型构造因子在1 年和2 年重现期降雨条件下的径流和洪峰变化情况，未分析更多降雨重现期对典型构造参数敏感性的影响，同时也未考虑各典型构造参数之间是否存在互相影响以及多种参数同时变化时是否会产生不同的结果等，未来将继续开展研究。