北方滨海山地公园雨洪管理策略的水文成本效益分析

北方滨海山地公园雨洪管理策略的水文成本效益分析

 

摘要：【目的】针对北方滨海山地区域雨洪管理快排模式导致下游易发洪涝灾害且难以滞蓄雨水资源等问题，探索具有水文成本效益优势的蓄用结合导向的雨洪管理策略。

 

【方法】以烟台市岱王山公园为研究区域，提出“源头削减、过程截流、末端蓄用”的山地水文调控策略，在年径流总量控制率达标、滞留调蓄设施容积相等的约束条件下，比较从侧重源头到侧重末端，再到二者结合的多种雨洪管控方案，通过 SWMM 模型评估水文成本效益。

 

【结果】模拟显示：

 

1）渗透滞留效能受降雨强度和雨水管控设施布局的共同作用，对源头改造方案可提升雨水径流总量管控效能，对末端改造方案可促进峰值流量的管控；

 

2）储蓄利用效能受季节性降水规律与雨洪管控景观设施体系的综合影响，夏季降雨量大、径流利用率高，其他季节降雨量低、径流利用率低，从源头到末端的综合改造方案储蓄利用效能最大；

 

3）水文成本效益由水文管控效能及全生命周期成本决定，从源头到末端的综合改造方案充分利用了场地的滞蓄空间，可大幅削峰，促进雨水滞蓄入渗，以最小成本实现雨水的回收利用，水文成本效益最佳。

 

【结论】构建了山地公园的水文成本效益分析框架，提出了兼具经济性和有效性的山地公园适宜性雨洪管理策略，为烟台及相近自然条件下的山地公园规划建设提供一定参考。

 

山地公园是山地丘陵城市的重要绿色开放空间，由于该类场地的水文地质条件复杂多变，通常表现出流量大、入渗性能差、汇流时间短等水文特征，易发生水土流失等灾害，引发山洪及下游内涝等问题[1-2]。在中国开展海绵城市建设的背景下，山地丘陵城市中大量山地公园已从过去的生态脆弱区域转变 为 绿 色 雨 水 基 础 设 施（ green stormwaterinfrastructure, GSI）的重要组成[3]，城市水文过程的调控功能逐渐得到重视[4]。同时，与南方山地城市降雨量充沛、水系相对较多、对雨水的管控强调快排防涝的特征[5] 不同，北方滨海山地丘陵城市降雨量少，雨水径流迅速入海，导致水资源不足等问题凸显。可见，在自身水生态问题突出和水文调控功能需求提升的矛盾下，北方滨海山地公园雨洪调控潜力挖掘的方法和实施路径成了亟待深入研究的关键课题。

 

由于山地区域地形环境较为复杂、生态相对脆弱敏感，易发生山体滑坡、泥石流等灾害，以往对山地区域雨洪管理的研究侧重防洪排涝，主要以定性分析方法对山地防洪设计[6]、山地内涝成因[7]、山地海绵城市规划设计[5]等内容开展探讨。近年来对山地雨洪管理的研究逐渐由定性分析转变为定量模拟，建立模型验证山地公园、居住小区等单一功能地块以及山地城镇多层级复杂功能区域的雨洪管理适应性策略[8-9]。同时，现有研究对山地区域雨水收集利用的技术和策略关注不足，仅有少量研究在规划层面提出雨水资源利用的措施[10-11]，尤其缺少措施实施后雨水资源利用情况的定量模拟分析。

 

在推进中国海绵城市建设过程中，中央和地方各级政府给予了大量的财政资金支持，也对资金使用绩效提出了较高要求。水文成本效益评估是近年来景观水文领域的前沿方法，主要关注雨洪管理体系在全生命周期内的成本消耗和水文调控绩效，评估水文调控措施的经济性和有效性[12]。国际上多关注低影响开发（low-impact development, LID）设施的水文成本综合效益，对绿色屋顶、生物滞留池、透水铺装等设施开展评估[13-14]；国内学者对水文成本绩效的研究从对雨洪管理措施的水文[15]、经济[16] 等单一效益的分析逐渐扩大到对综合效益的评估，研究场地包括城市街区[17]和山地公园等类型[18-19]。目前针对雨洪管理系统开展的水文效益评估主要关注雨水径流控制，缺乏对雨水径流利用的研究。

 

综上可知，国内对山地公园雨洪管理的研究多集中在南方多雨地区，主要围绕雨洪管理的安全性展开，大多提出以收集、疏导等方式减少雨水外排，较少考虑雨水的循环利用以及成本控制。本研究针对北方滨海山地公园水文过程复杂、水资源缺乏等问题，以北方滨海山地丘陵城市的典型代表山东省烟台市岱王山公园片区为研究区域，提出以蓄用结合为主的 “源头削减、过程截流、末端蓄用”等响应场地水文特征的设计策略。并通过雨洪管理模型 （ storm water management model, SWMM）对相应方案的水文成本效益进行定量分析，以期为水文气候特征相近地区提供参考。

 

 1  研究方法 

 

 1.1  研究区域概况

 

 烟台市是 2022 年全国海绵城市建设示范城市，是北方滨海丘陵城市的典型代表，属温带季风气候，多年平均降雨量仅有 691.5 mm，且降水分布不均，70% 的降水量集中在 7—9 月，年际间旱涝交替，降雨汇流具有“路径短、速度快、出流好”的特点，属于典型的传统 “雨水快排”模式，易造成水资源的浪费。依据烟台推进海绵城市建设的工作方案要求[20]，上位规划对岱王山公园片区提出实现山体径流雨水的有效调蓄、维持山体“海绵”功能的建设目标。岱王山公园片区总面积 340.55 hm2，地势西高东低，地形高差约 355 m，坡度 50%以上的区域>10%（图 1）。



片区以自然山林为主，自然雨水下渗能力较强（表 1）；山体主要土壤为棕壤土，土质以砂土为主，渗透性能较好，布设相关雨水渗透设施时不需要换填土壤；但地形坡度较大，需控制适宜的雨水入渗量，否则在强降雨条件下极易发生水土流失。

 

 研究区域的雨水以散排为主，主要产流区域为山地公园汇流区域上游蓄水能力差的陡坡和下游的不透水区域，主要汇流方向为各子汇水分区沿山脊向两侧流动，从山顶流向山脚东北侧、东南侧集水洼地，或被外围道路截断收集，流向就近汇流出口。目前研究区域雨水资源利用不足，小型的塘坝、水库未被合理利用。根据《烟台市海绵城市专项规划（2022—2035 年）》，岱王山公园片区年径流总量控制率应不低于 80%，而场地受地形所限，开发难度较大、建设成本较高，水文成本效益成为关键考量要素。

 

1.2  水文调控设计策略

 

研究区汇水区域上游源头地带多为坡度>25% 的陡坡，土层较薄、保水能力较差。是主要的地表径流产流区；中游区域坡度为10%~25%，主要汇集上游分散的坡面径流；下游区域多为坡度<10% 的缓坡和平地，是整个山地径流的出口区域，承接自身和中上游雨水径流，极易发生内涝。根据岱王山公园片区的产汇流时间和距离短、径流路径复杂、流量大等水文特征，本研究因地制宜地采取相应生态化雨水管控设施，提出“源头削减、过程截流、末端蓄用”的水文调控设计策略 （图 2），形成自上而下、层层拦蓄、以“渗透滞留和储蓄利用”为导向的雨洪管理设计系统。

 

1）源头削减：源头地带大部分区域坡度较陡，土层薄、保水能力较弱、用地条件有限。利用水平阶和鱼鳞坑改造坡面地形，拦蓄地表径流，提高土壤的含水量，为山上植被修复、涵养水源提供良好的环境。设置石笼、挡水石等稳固土壤，防止土坡冲刷。在其他坡度较缓区域可设置生物滞留池、湿塘等滞留设施，促进生态回补。

 

2）过程截流：中游区域汇水路径丰富，径流速率根据坡度和降雨强度的增加而变快，给末端带来较大的排水压力。对场地现状坡脚处的截洪沟进行生态化改造，在其中铺设内植草和卵石，使截洪沟变成集、蓄、滤3 种功能兼备的生态型水渠。根据地形地势沿道路、等高线等设置生态边沟、截流沟等调控措施，坡度较大时宜设置阶梯状植草沟或消能台坎，达到局部截流下渗、错峰调蓄的效果。此外，使生态边沟等与透水盲管结合，使过量雨水传输到下游雨水调蓄设施中。

 

3）末端蓄用：山地下游区域收纳中上游的地表径流，流量大而集中。可在汇流路径处设置自然式溪流，利用下游低洼地、塘坝等良好滞蓄空间设置湿塘、生物滞留设施，提升末端雨洪调蓄能力。其中生物滞留设施包括雨水花园、下凹式绿地、植被缓冲带等多种形式，在地形较陡区域采取防渗、设置阶梯等工程手段，有效减缓地表径流速度。利用汇水出口附近的地下空间设置雨水调蓄池，以消纳超过 1 年重现期 24 h 降雨量的地表径流，用于场地内植被灌溉，并将未被及时利用的雨水排到城市市政雨水管网中。

 

考虑到山地公园水文调控受地形、降雨等因素影响，以及山地建设成本较高的约束条件，在制定水文调控方案时需协同考虑水文调控效能与经济建设成本，结合场地可改造条件和开发建设策略。综合以上条件，笔者提出 3 种典型方案：方案 S1 以源头削减为主，重点是在山体公园和步道建设雨水设施；方案 S2 以末端滞蓄为主，重点是结合下游山脚社区品质提升，改造周边水库、水塘和闲置用地；方案 S3 综合从源头到末端控制，实现上游山体和下游山脚社区多层级的水文调控。为保证 3 种方案的可比性，需满足年径流总量控制率达标、滞留调蓄设施容积相等的要求（表 2）。



对3 种方案分别开展不同重现期降水下的水文模型模拟，以径流总量削减率和峰值流量削减率作为渗透滞留效能的评估指标，以径流利用率作为储蓄利用效能评估指标，分别测算 3 种方案的水文成本效益（图 3）。

 

1.3  设计降雨情景设置

 

为了充分验证水文调控策略的有效性，选定多种降雨情景进行水文模拟。依据岱王山公园片区年径流总量控制率不低于 80% 的目标，查询对应的设计降雨量为 27.7 mm[21]。

 

 

由暴雨强度公式[22]设计场地 1 a、3 a、10 a、30 a 重现期的降雨情景，降雨历时为 2 h，模拟时长为 4 h，雨峰系数为 0.4，不同重现期下的降雨量采用芝加哥雨型模型生成，得到设计降水过程及各时段设计降雨强度（图 4）。

 

1.4  水文模型构建

 

目前，SWMM 模型被广泛应用于低影响开发和海绵城市的分析、规划与设计工作中，旨在增强城市对降雨事件的适应力以及实现水资源的可持续管理[23]，特别是在自然山地中的运用已十分成熟[4, 24]。本研究针对场地现状以及 3 种方案构建雨洪管理 SWMM 模型[4, 8-9]，其中子汇水分区的面积、坡度、不透水率等依据现状地形特征和设计方案布局进行统计，其他水力参数和 Horton 土壤下渗模型综合参考当地土壤特性、SWMM 5.1 手册以及相关文献获得[24-25]，并比对场地子汇水分区的径流系数进行校正。雨水管控设施结构参数参照 《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》中的推荐阈值及相关参考文献设置（表 3）[18, 26]。

 

 2  模拟与评估

 

  2.1  渗透滞留效能评估

  

  RVORQ以径流总量削减率（ ）、峰值流量削减率（ ）等为评估指标[27]，以现状情景（BS）为基准，评估不同方案的渗透滞留效能。计算式为RVORQ式中： 、 分别为不同方案径流总量、峰值流量的削减率；VBS、QBS 分别指场地现状的径流总量、峰值流量；Vo、Q 分别指采取不同措施方案后的径流总量、峰值流量。

  

   2.2  储蓄利用效能评估

   

   以雨水径流利用率（Rru）为评估指标，对不同方案的储蓄利用效能进行评估：首先，通过 SWMM 模型，依据历史降雨数据模拟得出每周径流总量；其次，在仅考虑灌溉利用的前提下，结合场地雨水调蓄容积与灌溉需水量得出每周调蓄池的雨水收集量和径流利用量，进而计算得出径流利用率，雨水调蓄池收集量与场地汇水区域内的雨水径流量和调蓄池容积有关[28]。雨水径流利用率的计算式为Rru= Vru/Vrc× 100%。 （3）式中：Rru为雨水径流利用率；Vru 为径流利用量，m3；Vrc 为调蓄池收集量，m3。Vru与 Vrc参照现有文献由植物灌溉需水量、蒸发量、降雨量计算得出，计算式为[29]VPWRnetET0KLKsKdKmcReRhRF为园林植物净需水量，mm/d； 为参考作物蒸发量，mm/d，通过平均气温进行预测； 为园林系数；t 为月平均温度，℃；为园林植物种类因子； 为园林植物种植密度因子； 为园林小气候因子； 为有效降雨量，mm/d； 为历史降雨量，mm/d； 为有效雨量系数，通常取值为 0.5~1.0，本研究参照既有研究取值 1.0[30]。

 

 

本研究对雨水的利用仅考虑研究区域内林地、耕地等灌溉，总面积约 235 hm2。结合2022 年烟台市每周降雨数据及历史降雨量数据，可由式（4）~（8）计算得出研究区域内每周植物灌溉的净需水量。

 

2.3  水文成本效益分析

 

水文成本效益分析同时考虑了水文性能和全生命周期成本两个方面，利用景观设施的水文改善效果与全生命周期成本的比率直观地表现雨洪管理建设的效益，计算式为式中：B 是水文成本效益比；L 是雨水管控设施的全生命周期成本；R 是水文性能指标，为径流总量削减率（RVO）和峰值流量削减率 （RQ）的平均值。

 

 

全生命周期成本是一种基于技术的长期经济成本，参照相关文献，假定景观设施的全生命周期为 30 年，本方案假定在第 0 年完成，而运营和维护成本发生在第 1~30 年[14]。计算式为[31]式中：C 为设施建设成本，依据《海绵城市建设工程投资估算指标》获取[32]；PO，m 为第 m年运维成本值；n 为服务年数；FO，m 为第 m年运维成本的未来价值；社会折现率 k 为 8%；通货膨胀率 r 为 3%；p 是运行维护费用占初始成本的比例，生物滞留设施为 5%，生态边沟为 8%，湿塘为 3%，雨水调蓄池 15%[19]。根据上述数据计算得出各设施的建设成本、维护成本、全生命周期成本（表 4）。

 

 3  结果与分析 

 

 3.1  渗透滞留模拟结果与分析

 

 在 1 a、3 a、10 a、30 a 不同重现期下，模拟现状和不同侧重方向的 3 种方案调控前后 4 个降雨情景的地表径流总量、峰值流量的调控效果。对比方案 S1~S3 在不同降雨重现期下的径流总量削减率 RVO，结果表明在相同方案情景下 RVO 会随着降雨重现期的增加而下降（图 5）。方案 S1~S3 在 1~3 年一遇重现期下可保持较高削减率，方案 S3 对径流总量的控制效果十分显著，S1 的提升效果高于 S2。这表明在源头坡度较陡区域布设雨水调蓄设施可以促进雨水的截流下渗，减轻下游排水压力；只在末端平缓区域布设雨水调蓄设施，雨水下渗的时间及空间都有所压缩，对径流削减效果最差；从源头到末端多层级布设雨水调蓄设施效果更佳，可大幅加强对径流总量的管控效能。

 

对比雨洪管理方案 S1~S3 在不同降雨重现期下的峰值流量削减率 RQ 表明，在相同方案情景下方案 S2 和 S3 的 RQ 值随着降雨重现期的增加而下降，而方案 S1 的 RQ 值在 1 a 重现期下比在 3 a 重现期下低（图 6）。原因是源头山体部分的滞蓄空间布局分散、占地面积较小，场地可改造空间有限，无法充分发挥在 1 a 和 3 a 重现期降雨中对峰值流量的管控效能。在 10 a 和 30 a 重现期下，不同方案在较大程度上丧失了对峰值流量的管控效能，这是因为山地坡度较陡，湿塘的管控能力受限，生物滞留池的滞留容量迅速耗尽，RQ 削减率降低。此外方案 S2 在不同重现期下的 RQ一直大于方案 S1 和 S3，且均在 50% 以上，说明山体末端下游大面积的可滞蓄空间可以更好地控制径流流量和流速，对峰值流量的削减效果显著。而在源头山体区域布置的雨水调蓄设施由于山体坡度大，不易渗滞且流速较大，致使该区域对峰值流量的削减效果较差。

 

 3.2  储蓄利用模拟结果与分析

 

 本研究通过 SWMM 模型模拟得到研究场地的每周径流总量，结合场地植物每周灌溉净需水量及调蓄池容量，计算得到研究场地在 2022 年降雨条件下每周的植物灌溉量、调蓄池雨水收集量、径流利用量以及径流利用率。根据模型模拟 1 a 重现期 24 h 降雨的径流总 量 得 出 所 需 调 蓄 池 的 容 量： 方 案 S1 为8 591 m3，S2 为 8 570 m3，S3 为 7 076 m3。根据式（3）~（8）计算可知全年每周雨水径流利用率的总体表现为 S3>S2=S1。和 S1、S2 相比，S3 的雨水径流利用率最高，所需设置的调蓄池容积最小（图 7）。在春季降雨量较少期间（第 12~19 周），雨水调蓄池处于闲置状态；夏季（第 20~36 周）雨水调蓄池中收集水量在满足周灌溉需求后仍有余量。

 

 3.3  水文成本效益分析

 

 对比雨洪管理方案 S1~S3 的水文成本效益可知，在同一方案条件下，水文成本效益会随着降雨重现期的增加而下降（图 8）。在相同降雨事件下方案 S3 的水文成本效益最佳，S2 次之，S1 最差。随着降雨重现期的增加，每种方案的水文成本效益会渐渐趋于稳定。表明场地从源头到末端综合布设调蓄设施的方案 S3 能以较低的建设维护成本实现较高的水文调控性能。

 

 4  结论

 

 通过北方滨海地区山地公园典型案例的分析发现：

 

 1）源头坡度较陡区域利用植被和坡面拦蓄设施可大幅实现雨水的就地消纳控制，末端地势平缓区域布设滞留调蓄设施可更好控制径流流量和流速；整体上应根据山体从源头到末端不同区域特点，沿山地地表径流路径布设相关设施，可有效提升场地的雨洪调控能力。

 

 2）从源头到末端综合布设雨洪管控设施的水文成本效益最佳、所需成本最少；建设成本中储蓄利用设施的全生命周期成本（L）最高，应考虑最大程度滞留消纳雨水，削减径流总量，控制雨水调蓄池设计规模，降低方案的 L 值。

 

 3）雨水管控设施受到山地地形空间和降雨量的影响，无法充分发挥作用；同时，由于储蓄利用效能中径流利用率与季节相关，在夏季雨量集中时，雨水收集利用情况最佳，其他季节常处于闲置状态，可着重考虑相关建设成本控制。上述结论主要依据水文模型支持下的情景分析，与实际中山地公园水文环境的复杂情况存在一定偏差，所提策略措施存在一定局限，可在今后研究中继续完善。

 

本研究基于雨洪过程适应性理念、结合定量模拟方法构建了山地公园的水文成本分析框架，响应了海绵城市建设资金高效使用的政策导向，提出了兼具成本经济性和水文调控有效性的山地公园雨洪管理策略，为海绵城市建设决策提供科学分析方法，具有重要的理论和实践意义。

 

对山地公园源头到末端的水文环境特征针对性提出滞蓄利用相结合的水文调控策略，可实现山体径流雨水的有效调蓄，较好地弥补了传统山地雨洪管理实践多采用灰色管渠快排工程措施的不足，为水文气候特征相近地区的山地公园规划设计提供有益参考。