基于径流路径优化的天津大学景观海绵化改造研究

基于径流路径优化的校园景观海绵化改造研究——以天津大学青年湖片区为例

 

摘要：校园中以硬质铺装为主的场地能够满足师生日常公共活动需求，然而集中的不透水地面、屋面会增大场地雨洪压力。在保证硬质下垫面功能属性的同时，实现雨洪的有效管控是校园景观海绵化改造的核心问题之一。

通过获取高精度的场地空间数据，构建SWMM概化模型，分析不同暴雨重现期下不同场景的径流量、峰值流量、峰现时间及不同排水口的流量变化规律，得出基于径流路径优化的校园景观海绵化改造对策，即以优化雨水径流路径为导向，适当组织线性GSI措施，引导产汇流方向，降低场地中有效不透水面积(EIA)，减轻场地雨洪压力。最后结合青年湖片区的景观现状，提出以优化径流路径为导向的系统化、立体化、适地性、可观赏的校园雨洪管理模式，对于中小尺度公共空间海绵化改造实践具有实操价值和指导意义。

 

基金项目：天津市自然科学基金青年项目“城市历史景观框架下天津近代历史环境价值评估体系构建研究”(编号21JCQNJC00500)、国家自然科学基金青年项目“基于雨洪调蓄能力的城市绿地系统格局优化研究”(编号51808385)、国家自然科学基金重点项目“低影响开发下的城市绿地规划理论与方法”(编号51838003)、国家社会科学基金重大项目“大运河文化遗产保护理论与数字化技术研究”(编号19ZDA193)、高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室开放基金项目“海绵城市建设背景下的绿地系统优化途径”(编号20210110)和天津大学自主创新基金项目“红色文化遗产空间价值评估与活化利用策略研究——以京津冀地区为例”(编号2022XS-0022)共同资助“海绵城市”建设理念在中国得到了大力倡导和广泛应用。位于市区的大学校园老旧校区面对极端暴雨天气，极易出现内涝积水，“大学看海”问题频发，雨洪安全问题亟待解决。近年来，“海绵校园”成为校园景观建设与改造热点[1-2]。

以老校区为典型代表的校园建成环境海绵化改造难度较大，主要原因有：1)老校区规划建设较早，校园中建筑密度较高且铺装多为硬质，可用于海绵化改造的绿地空间较少；2)校园人口密度大、使用需求多元，硬质公共空间使用频率高，场地功能需求下可供选择的海绵化措施有限；3)城市中心区域的老校区场地与建筑排水模式单一、排水设施老化，加重场地雨洪压力[3]。上述难点也是老旧城区海绵化改造面临的典型问题[4]。

由于大学校园是城市中相对独立的景观单元，更新和改造过程中涉及的矛盾与问题相对集中、单一，因此，校园景观海绵化改造不仅可以作为中小尺度城市建成环境海绵化改造的实践典型，切实提高建成环境品质，保障场地尺度生态安全，还能够为类似场地空间提供具有实操性和可落地性的参考经验。

 

海绵城市建设的要求之一是量化落实雨洪管控目标[5]。但实践证明，片面提高下沉绿地率、透水铺装率等指标，会造成植物生长不良、土地盐碱化及养护管理成本提高等负面影响[6-7]。同时也说明，总体不透水区域面积(TotalImperviousArea，TIA)这一量化指标不足以表征下垫面变化对于水文过程的影响[8]。因为在TIA中，与排水系统直接相连的有效不透水面(EffectiveImperviousArea，EIA)[9]才是造成雨洪压力的不透水区域类型。相比EIA，非有效不透水面(UnconnectedImperviousArea，UIA)与透水区域在空间上相连通，来自UIA的产汇流在进入排水管网之前会流经局部或多处下渗的透水区域，可在一定程度上缓解排水压力。因此，对现有场地的海绵化改造应重点关注EIA区域的地表径流过程。

利用绿色雨水基础设施(GreenStormwaterInstruction，GSI)引导地表产汇流路径，可分散EIA对管网系统造成的直接压力，打破城市中传统“降水-地表径流-管网排水”的线性水文过程，改善内涝问题。目前，在城市新区[10]、居住组团[11]和排水分区[12]等大尺度空间中的GSI布局优化研究已得到广泛关注。但城市内涝问题的缓解最终还需落脚到中小尺度建成场地的具体建设和改造中。利用中小尺度建成环境中可获得的高粒度场地数据，能够在精准控制场地EIA指标的基础上，明确GSI的应用类型和空间布局模式，优化产汇流路径。本研究以天津大学老校区青年湖片区为例，借助UAV航空测绘建模技术，结合ArcGIS与SWMM软件，模拟在相同土地利用模式、不同降雨重现期下，不同GSI布局方式的产汇流过程，进而得出径流路径变化下的场地水文响应规律和校园海绵化景观改造途径。

 

1数据与方法

 

1.1研究区域概况

 

天津大学青年湖片区位于天津市南开区天津大学老校区北部。青年湖西、北侧为宿舍区，东南侧紧邻教学科研区，湖区四周道路为连通校园宿舍区、教研区和体育活动区的主干道；绿地主要以草坪、疏林草地等形式分散分布。目前片区已完成雨污分流工程，降雨情况下，外围管网无入流；片区内建筑、道路产汇流通过雨水管网排入青年湖。青年湖是校园中最大、最深的人工湖体，汛期泵站预先将其他湖体中的水抽至青年湖，并由青年湖排口集中排入市政管网[13]，以降低校园内涝风险。

 

青年湖片区内部及周边硬质化用地面积大、人群活动集中，上下课期间车流、人流潮汐现象明显，外加青年湖防洪期间排水压力大，导致该片区成为易涝点最多、雨洪问题最突出的亟待更新改造的典型校园公共活动空间。

 

1.2研究边界划定

 

UAV航测技术可获取场地高精度数字正射影像(DOM)[14](图1-A)，结合高精度高程与现状排水管网和道路数据，可在ArcGIS中精确划出以青年湖为中心的完整汇水区，本研究即以此区域作为研究范围(图1-B)。经核算，该片区面积21.94hm2，绿地率33.43%。

 

1.3SWMM模型构建

 

通过ArcGIS的watershed水文分析工具，以主要绿地和水体为修正子汇水区边界的依据[15]，将整个研究区域划分为59个子汇水区(图1-C)。将子汇水区的GIS矢量数据集转换为SWMM的inp格式导入SWMM中。在不同季度多次现场勘察的基础上，根据已有的校园地下管网数据与空间汇流情况，将59个子汇水区、34个节点及6个雨水出口与34个管段相连，建立整个青年湖片区的SWMM概化模型(图1-E)。

 

1.3.1参数确定

 

SWMM径流模拟需要输入较多参数，参考SWMM模型手册，以及刘俊[16]、马姗姗[17]等对天津市区SWMM模型的研究成果，选用Horton公式进行下渗计算，其绿地的初损、初始下渗率f0、稳渗率f、下渗衰减系数α及曼宁系数分别为10/mm、80mm/h、5mm/h、2/h和0.5；不透水区域的初损、固定径流系数及曼宁系数分别为3/mm、8和0.011。模型过程采用动力波法进行流量计算。

 

1.3.2模型验证

 

连续性误差包括地表径流和流量演算连续性误差，计算公式为：

 

选取2012年7月25日天津降雨实测数据[19]对模型进行验证。根据模拟结果，地表径流与流量演算误差分别为-1.103%和-0.849%(QC10%)，初判模拟结果较为合理。在缺少实测流量数据的情况下，SWMM模型参数准确性可通过模拟结果径流系数进行验证[20-21]，得到模拟径流系数为0.723，符合天津市以不透水下垫面为主的汇水面径流系数取值要求(0.5~0.9)[22]。综上，该概化模型能够较为准确地反映研究区水文响应过程。

 

1.4设计降雨

 

根据《天津市海绵城市建设技术导则》[22]，研究区位于天津暴雨强度适用第Ⅰ分区，设计雨型采用芝加哥雨型，暴雨强度公式为：式中，q为暴雨强度[L/(s·hm2)]；P为降雨重现期(年)；t为降雨时间(min)。

 

结合所在片区夏季暴雨雨量较大、降雨时间较长的现状，综合考虑校园环境，特别是学生的生活活动区对雨洪安全等级需求较高，选取重现期分别为5、10、20年2h历时的暴雨设计情景，获得时间间隔5min的设计降雨(图1-D)。

 

1.5场景方案

 

 

片区现状水文真实反映了城市的排水模式：降水情景下，广场、道路、停车场及屋顶等不透水下垫面的面积占比超过60%(表1)，地表产汇流直接进入雨水管网或排入水体，仅有部分绿地可实现径流下渗和蓄滞。根据GSI布局优化产汇流路径的思路，设置3种场景模拟方案(图1-F)。

 

S1：现状场景。

 

S2：基于S1的GSI改造场景，即将研究片区的绿地与部分不透水区域进行GIS改造：1)绿地(如子汇水区31等)全部转化为下沉绿地，下沉深度为10cm，并在面积较大的集中式绿地中(如子汇水区15等)加入生物滞留设施；2)集中活动广场(子汇水区34)不透水铺装透水化；3)区域内平屋顶全部设置为绿色屋顶。对应在SWMM模型中，则是在子汇水区中增加相符的LID控制单元。

 

S3：基于S2的EIA减少场景，即保证场地TIA面积基本不变，不透水区域产流直接汇入附近透水区，以减少整个汇水区的EIA面积：1)利用植草沟或砾石沟线性串联点状绿地；2)下设盲管、导管等设施将不透水区域与绿地相连通；3)通过雨水桶、砾石沟等方式，将屋面径流与周边绿地相接。对应在SWMM模型中，则是将S2经过LID改造的子汇水区演算方式由OUTLET改为PREVIOUS，同时引导子汇水区汇流方向，先将径流汇入邻近绿地，再排入管网。

 

由于SWMM概化模型依靠各汇水模块的参数输入实现场地雨洪径流计算[23]，无法反映GSI在每个子汇水区的具体位置及其造成的用地变化[24]，因此在SWMM模拟过程中难以实现对GSI措施的准确定位和EIA面积的识别测量。但是由于本研究区尺度较小，基于多次现场勘查调研，结合已建立的SWMM模型中各子汇水区的属性与参数，证明能够依据场地现状与景观改造完成3个设计场景EIA及其相关景观特征的精确统计。



由表2可知，现状场景S1、GSI改造场景S2和EIA减少场景S3中，TIA基本不变，但是EIA依次降低；绿地率总体不变，但是多项GSI占比依次增加。

 

2结果与分析

 

利用SWMM模型分别模拟3种场景下研究片区的产汇流情况。通过对场地的产汇流结果对比和过程分析的综合评估，可以得出不同径流路径下的水文响应规律及硬质下垫面集中区域的海绵化改造策略。

 

2.1研究区产汇流对比

 

2.1.1地表径流量对比

 

 

SWMM模拟地表径流特征结果表明(表2)，同一暴雨事件下现状场景(S1)的地表径流量和外部出流量均为3种场景的最大值。换言之，即使不改变场地利用情况，单将场地中的绿地适当进行GSI改造(S2)，相比现状(S1)可削减大于1/5的径流量。而在GSI改造场景上适当引导雨水路径(S3)，则能削减近1/3的地表径流量。

S2和S3的GSI措施相同，但S3考虑的地表径流路线有效减少了场地EIA，使径流量又得到了进一步削减。通过降低不透水面积连通度以减少EIA，能在减少径流量的同时，同比降低外部出流量，从而更加有效地降低场地洪涝风险。但是，随着暴雨事件的升级和降雨量的增加，无论是GSI改造场景(S2)还是EIA面积减少场景(S3)，雨洪控制能力均有所减弱，这说明低影响开发下的雨洪调控效果随雨量的增大而受限。

 

 

2.1.2峰值流量和峰现时间对比

 

研究区中心湖体青年湖与雨水管网排水口连通，汇水区中的雨水通过排水口或沿地形变化直接汇流进入青年湖。青年湖雨水受纳情况可直观反映场地产汇流的洪峰变化与峰现时间。降雨量越大，洪峰峰值越高，峰现时间越早，管道及地表径流压力越大，场地受灾风险越高。然而在这一趋势下，减少EIA面积，仍然能够有效降低峰值并延迟洪峰(表3)。以5年重现期为例，S1在降雨开始1h35min后出现雨水排放峰值流量，而S2、S3分别出现峰值降低与5、10min的峰现时间延迟。这说明GSI改造可为雨水下渗和调蓄提供更多空间。在此基础上，EIA面积减少，增加了雨水在GSI中的滞留时间。由前文可知，青年湖作为整个校园的雨水调蓄枢纽，所在汇水区排水峰值降低和时间推迟，对于减少青年湖雨洪压力、降低宿舍生活区的洪灾风险大有裨益。

 

根据模拟结果，5和20年重现期的峰现时间相同，洪峰延迟的时间在10年重现期的降雨事件中达到最大值。不同暴雨事件中，雨量的增加会导致场地雨洪调蓄能力减弱。洪峰延迟和峰值减少能够反映场地对于雨洪具有调蓄与控制作用。但是随着降雨量的增加，GSI下的场地雨洪调蓄能力衰减过程是否会出现先增后减的变化趋势从而影响峰现的时间，仍有待进一步探究。

 

2.2流量过程变化对比

 

通过对比场地产汇流结果，证明通过优化GSI布局、降低EIA面积，可有效缓解场地雨洪压力；通过对比不同情景下的流量过程，可进一步得出降低EIA面积的GSI布局优化策略。由SWMM模型(图1-E)划分出6个排水口对应的排水分区(以排水口节点序号为排水分区代号)，6个排水分区流量过程线变化趋势(图2)可分为3种情况：

 

1)84、73和93号排水口，S1、S2和S3的峰值依次降低，峰现时间无明显改变；

 

2)83和92号排水口，S1、S2和S3的峰值变化不大，但是峰现时间明显后移；

 

3)78号排水口，S1、S2和S3的峰值均有所降低，但S3在S2的基础上并无明显变化，甚至在降雨量增加的情境下，S3整体水文响应弱于S2。

 

对照各排水分区的流量表现与绿地布局(图3)可解释GSI布局对雨洪调蓄的影响，并提炼出产汇流控制目标下的GSI布局优化策略。

 

1)排水分区73、84和93中存在大量分散、破碎的绿地斑块，加入GSI设施能够改善场地径流和洪峰流量。由于绿地面积有限，适当利用植草沟连通不透水区域与绿地能够有效减少洪峰流量，但是对于峰现时间影响不大。

 

2)排水分区83和92紧邻湖岸，垂直于径流方向的滨湖绿地串联形成带状阻隔，将排水区中大部分TIA转化为EIA。径流垂直进入带状绿地后，绿地洼地容积及植物和砂石土壤能够调蓄雨水，延迟径流汇入排水口，推迟峰现时间。

 

3)纵贯排水分区78的主干道可径直引导雨洪沿场地高程和排水管网快速汇入排水口78。沿道路方向适当增加的GSI设施虽然能够在一定程度上削减峰值，但是S3中沿道路引导径流路径，将周边雨水引入道路，导致在暴雨量大的情况下，道路末端产生更大的洪峰流量。

 

综上，在GSI布局过程中，需要考虑GSI形态格局与径流路径的空间关系：垂直于雨水径流方向的植草沟、生物滞留池能够有效降低EIA面积；散点状的布局绿地可使EIA破碎化，缓解径流流量和流速；对于极易产生大流量、高流速径流的道路等不透水线性区域，应通过绿地或可渗透铺装增大其与附近不透水区域的阻隔，减少周边径流的汇入，缓解其雨洪压力。