中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300074
摘要：本项目基于海绵城市理念，基于地形、土壤分布、植被分布、降雨等数据，构建分布式水文模型，综合考虑冠层截留、地表水、土壤水等过程，评估低影响雨洪管理措施对城市内涝及地下水影响情况并提出决策建议。
关键词：分布式水文模型；海绵城市；低影响开发
Numerical simulation of rain-flood control strategy focusing on low impact development based on distributed hydrological model
XIAO Xiangzhong
North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，300074，China
Abstract：Based on the concept of sponge city，this project builds a distributed hydrological model based on the data of terrain，soil distribution，vegetation distribution and rainfall，comprehensively considers the processes of canopy interception，surface water and soil water，evaluates the impact of low-impact stormwater management measures on urban waterlogging and groundwater，and proposes decision-making Suggestions.
Keywords：Distributed hydrological model；Sponge city；Low Impact Development
海绵城市指在城市开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。可以看出，海绵城市是一种基于雨洪管理理念的可持续城市建设模式。
本文基于完整的水文循环过程，，将海绵城市数值模拟纳入到分布式水文模型的范畴，拓展海绵城市的研究方法和尺度，使其更具综合性，为海绵城市建设提供决策支持。
1 研究必要性
1.1 研究背景
在雨洪管理体系不断发展的近几十年，国内外学者也在不断探寻合理描述雨洪过程的雨洪模拟模型。目前常用的雨洪模拟模型有SUSTAIN、SWMM、MIKE FLOOD、Infoworks ICM、PCSWMM等，但是这些模型多为集总式水文模型或半分布式水文模型，基于完全的分布式水文模型的海绵城市数值模拟研究较少；未能覆盖整个水文循环过程，如对冠层截留、土壤水、地下水等水文过程的简化较严重；关于海绵城市中雨水入渗后对地下水渗流及流场变化的研究较少；存在“碎片化”的问题，割裂了完整的水文循环过程，未能用全局的综合的视角研究海绵城市的水文过程。
1.2 国内外研究概况
近年来，国内主要采用SWMM 模拟低影响开发设施的研究，其水文模型机理为半分布式水文模型。如王雯雯的《基于SWMM 的低冲击开发模式水文效应模拟评估》，选择深圳光明新区作为研究对象，构建了研究区的SMWW 模型，以测试各类LID单元和组合在不同空间布局下的水文效应和雨洪控制效果，最终得出最优化配置，并评估其经济性。李家科、张胜杰、马箐、李霞等分别对低影响调控措施的效果模拟研究，取得了一定的成果。
丹麦、法国及英国科学家联合提出的分布式水文模型Systeme Hydrologique Europeen（简称 SHE），该模型参数均有一定物理意义，且可以通过流域特征确定，并考虑了地下径流、蒸散发、地表径流等水文过程，在许多地区得到了应用和验证。SWAT 模型是 1995 年由美国农业部研发，具有很强的物理基础，近年来，在我国取得了广泛的应用（王中根等 2003）。
而应用完全分布式水文模型研究海绵城市的水文循环过程，目前文献较少。
1.3 研究内容
本研究基于地形、土壤分布、植被分布、降雨等数据，构建分布式水文模型，综合考虑冠层截留、地表水、土壤水和地下水等过程，并进行校准和验证。评估低影响雨洪管理措施对城市内涝影响情况并提出决策建议。指导海绵城市的问题诊断顶层设计总体规划和各种实施效果的评估。
2 模型机理
分布式水文模型包括融雪、坡面流和河道流、不饱和带、饱和带、截留和蒸发、含水层和河道的水量交换等六个描述产汇流模块，每一模块描述相对应流域水文循环中的主要物理过程，所有模块耦合在一起则描述了整个流域水文循环过程。在每一独立过程的子模块中，分别采用有效且稳健的有限差分数值解法来求解描述水流运动的偏微分方程。
2.1 截留和蒸散发模型
实际蒸散发量包括植物蒸腾量、土壤蒸发量和水面蒸发量。通常截留和蒸散发应用Kristensen-Jensen模型计算。
冠层截留蓄水容量的计算公式：
式中
是冠层截留指数（mm），LAI是叶片面积指数。冠层表明的蒸发量：
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其中
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是冠层表面的蒸发量，
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是模拟的时间步长。
2.2 坡面漫流模型
坡面水流运动的模拟是通过求解两个互相垂直的水平方向上的连续方程和动量守恒方程（即圣维南方程组）来完成的，其中动量方程由扩散波来近似模拟。
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式中：是局部地面水深（m）；
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是空间坐标；t是时间（s）；u，v是地表径流流速（m/s）；q是水平方向单位面积入流的源汇项；
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是
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和
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方向上的地面坡降；
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是
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和
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方向上的摩阻坡降。
2.3 非饱和带流模型
非饱和带指地表以下至地下水位以上的不饱和土壤层，特点是由蒸发消耗水量或降雨下渗补给水量而引起的土壤含水量的周期性波动。重力在水分渗漏中起主要作用，不饱和水流只考虑其垂向运动，一维垂向非饱和土壤水流运动时采用Richards方程：
式中：
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是土水势水头（m）；t是时间（s）；z是垂向空间坐标（m）；C是土壤蓄水容量（m-1）；
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是水力传导率（m/s）；
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是土壤含水量；
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是源漏项（s-1）。
3 模型研究
3.1 项目背景
项目区位于天津市北辰区大张庄安置区，京津塘高速公路以东、外环线东北部调整线东线以西、外环线调整线北线以南、津榆公路和规划新淀北道以北约426公顷范围内，其中还迁区占地约109公顷，平衡用地约317公顷，地铁10号线贯穿其中。
项目区属于第二批天津市海绵城市试点。
图1
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项目区域位置及下垫面示意图
项目现场场地平整，四周环路。相对设计高程为0m。海绵城市设施有下沉绿地和透水铺装，其中下沉绿地的平均深度为10cm，整个项目场地南高北低，LID设施由溢流管进入雨水管网。
项目区多年年平均降水量为600毫米左右。年降水量主要集中在7～9月份，占全年降水量的70%～80%，年高水位期出现在8～9月份，年最低水位期出现在4～6月份，年水位变幅值为0.5～1.0米。
勘察期间，本场地潜水地下水初见水位埋深为2.2～2.5米，相应大沽高程1.20米左右。稳定水位埋深为1.7～1.9米，相应大沽高程1.60～1.80米左右。抗浮水位可按设计室外地坪往下0.5米考虑。
3.2 模型建立
1）坡面流模型
通常地表曼宁系数决定了坡面流汇流情况。将研究区域曼宁系数进行分区，根据《两江新区海绵城市建设模型应用技术导则（试行）》，设置不同下垫面曼宁系数如下：
建筑及沥青道路：66.67，绿地（含下沉绿地）：28.57，透水铺装：25
曼宁系数分区图如下：
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图2 曼宁系数分区示意图
在坡面流计算中，本项目设置启动水位为1mm，此时才能形成地面水流。
设置地面初始水深为0m。
2）非饱和带流模型
下垫面土壤属性概化如下：
绿地（不含下沉绿地）：从地面至地下水水位，渗透系数为5e-006；
建筑：从屋顶至地面以下1m，完全不透水，渗透系数为0. 从地面以下1m至地下水水位，渗透系数为为5e-006；
沥青道路：从路面至地面以下1m，完全不透水，渗透系数为0. 从地面以下1m至地下水水位，渗透系数为为5e-006；
海绵设施（包含透水铺装和下沉绿地）：从地面至地面以下1m，渗透系数为0.0002. 从地面以下1m至地下水水位，渗透系数为为5e-006；
土壤持水曲线和特性曲线源于软件内置数据库。
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图3 土壤属性垂向分布示意图
本项目中，下边界条件为地下水水位，研究区域内，地下水水位空间一致，根据地勘数据，地下水水位埋深为2.3m。
4 结论
运行模型并调整参数，统计在有无LID措施的工况下，坡面流模拟结果中地面淹没深度最大值，可得模拟结果如下：
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图4 无LID措施时坡面流地面淹没深度最大值分布图
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图5 有LID措施时坡面流地面淹没深度最大值分布图
由以上两图可见，设置LID措施以后，地面淹没深度和淹没范围明显减少，内涝风险明显减弱。设置LID措施后，雨水主要集中在LID下凹部位，水深较少且可控。
提取包气带的下渗量如下，可得，在LID区域，下渗速率较快，而透水路面，下渗几乎可以忽略不计。
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图6 非饱和带带的渗量统计图
综上所述，海绵城市建设中“渗、滞、蓄、净”四方面与地质条件的响应较为明显，应根据地质条件的不同，采取不同手段，因地制宜地改造或开展海绵城市项目建设。同时，本项目具有指向性建议，针对局部海绵城市低影响开发措施的具体布设，应结合详细勘察资料考虑。
参考文献：
[1]董淑秋，韩志刚.基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究[J].城市发展研究，2011（12）：37-41.
[2]Chris Nielsen. The application of MIKE SHE to floodplain inundation and urban drainage assessment in South East Asia.
通信作者：肖向忠（1989—），男，硕士研究生，工程师。研究方向：市政给排水设计及水环境数值模拟。邮箱：932681947@qq.com