长三角地区典型海绵设施水文效益试验研究

虞美秀，付 婷，张建云，王国庆，董吴欣

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；
2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；
3.河海大学长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098)

自中国提出海绵城市雨洪管理理念以来，不同城市雨水管理措施已被广泛运用于缓解日益严重的城市水污染和内涝问题[1-3]。中国海绵城市计划旨在通过科学整合绿色低影响开发措施、灰色管道系统和蓝色河网，增强其减轻自然水灾害的能力，提高城市对变化环境的适应性。近年来，中国一半以上的城市面临城市洪水问题和各种洪水风险[4-5]，然而，由于海绵城市建设需要大量投资，因此海绵城市的径流控制性能需要充分研究。目前，对海绵城市径流控制性能的研究可以分为宏观尺度和微观尺度[6]，宏观尺度研究主要表现在不同海绵设施布局方案和设计暴雨情景下对暴雨洪水的模拟[7-8]；
微观尺度相关研究主要基于实验室尺度[9-10]或现场尺度的海绵设施实测数据进行。虽然海绵设施在已建海绵城市的径流控制中起着重要作用，但从文献的成果来看，现场尺度试验研究不多且主要集中在单一或2个海绵设施上。廖江[11]在昆明城区开展了下凹式绿地雨水下渗系统的试验;樊绿叶等[12]在昆山开展了生物滞留设施过滤层填料配比试验;郭超[13]在咸阳城区开展了雨水花园集中入渗对土壤和地下水影响研究;唐小军等[14]在江苏句容开展了海绵设施中不同配合比介质土渗透速率研究;郭慧慧[15]评估了北京某住宅区雨水花园和植草沟对降雨径流削减效果。以上研究表明现场尺度缺少多个典型海绵设施的同时空试验，且缺少透水铺装类和绿植类海绵设施在长三角地区的相关系统研究。

为揭示典型海绵设施在中国长三角区气候模式下的水文效益，本文依托长三角区国家首批海绵试点城市镇江海绵基地进行了人行透水砖、车行透水砖、生态草沟及雨水花园4种典型海绵设施的现场试验，评估场次降雨与海绵设施出流相关性，分析海绵设施在不同降水量级及降雨雨型下的水文性能，以及运行时间对海绵设施水文效益的影响。研究成果对评价海绵城市建设成效与优化运行、加强城市内涝治理实施、系统化全域推进海绵城市建设具有重要参考价值。

本文选择了首批国家海绵试点城市——镇江市作为案例研究地点。镇江市位于长三角地区江苏省西南部，地处经济发达的长江流域北翼的中心位置。镇江市属于典型的亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛，丹徒气象站1981—2016年的年平均降水量约为1 100 mm，主汛期(6—8月)的降水量占全年总降水量的40%～65%。多年平均年降水量计算表明，2019年是研究区域的降雨偏旱年，而2020年是降雨偏丰年。镇江海绵基地位于镇江市江州路与江滨路交叉口(32°13′26″ N、119°28′30″ E)。基地为露天试验场所，总面积为 2 500 m2。选用人行透水砖、车行透水砖、生态草沟和雨水花园4种典型海绵设施研究其径流控制效果。不同海绵设施结构示意见图1。

图1 镇江海绵基地海绵设施结构示意Fig.1 Cross sections of monitored sponge facilities in Zhenjiang Sponge Base

2.1 数据收集与处理

降雨数据由型号为XF-JD-05的翻斗式雨量计在现场开放区域自动采集，时间间隔为5 min，精度为0.5 mm。根据中国气象标准，24 h内50 mm以上的降雨被定义为暴雨，25～50 mm为大雨，10～25 mm为中雨，10 mm 以下为小雨。在降水量小于10 mm的情况下，几乎没有地表径流产生或者地表径流量很小。因此，本研究没有考虑小雨对海绵设施水文响应的影响。每个场次降水量累积10 mm以上且降雨前期保证至少有3 h 内没有降雨发生。对每个海绵设施的地表和地下盲管出流进行监测。地表径流流进海绵设施下游直径为20 cm的圆柱形铁管，流经管道末端的90°V形缺口堰。地下径流汇集到盲管下游一个长方体的铝合金水箱，并从水箱一侧距底部约4 cm处的90°V形缺口堰中排出。水位由型号为XF-WYZ-1的液压式液面计记录，时间间隔为5 min、精度为1.0 mm(图2)。试验时间为2019年1月至2021年8月。研究提取试验期间每个海绵设施对应的有效降雨径流过程数据用于分析计算。

图2 海绵设施地表地下径流监测现场示意Fig.2 Surface flow and ground flow monitoring of the sponge facilities

2.2 研究方法

本文选用径流系数(α)、径流削减率(rTR)、削峰率(rPC) 和洪峰流量(QP)4个常用指标评价不同海绵设施的降雨径流控制效果。对于人行透水砖、车行透水砖和生态草沟，选用试验区的水泥路面为参考面，鉴于水泥路面为不透水面，降雨即产流，故认为水泥路面的径流过程与降雨过程相同；
对于雨水花园，选用其入流过程为基准过程。不同指标计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：P为降水量，mm；
Rs为地表径流深，mm；
Rg为地下盲管径流深，mm；
RI、RO分别为雨水花园入流、出流的总径流深，mm；
rTR,g、rPC,g分别为雨水花园的削减率、削峰率，%；
ip为5 min雨强，mm/min；
A为海绵设施面积，m2；
QPI、QPO分别为雨水花园入流、出流的洪峰流量，m3/h。

三角堰流量和径流深计算公式如下：

(1) 对h≤6 cm，三角堰流量为[16]：

(4)

(5)

(2) 对h>6 cm，三角堰流量为[17]：

Q=1.174 1×10-5h-0.367 2+1.372 3h2.494 96.0

(6)

(7)

式中：Qi为流量，m3/s；
C为量纲一系数；
h为水位，cm；
g为重力加速度，m/s2；
R为径流深，mm；
n为流量排放记录的数量。

3.1 场次降雨与海绵设施出流相关性分析

不同海绵设施降雨—径流相关关系见图3，可知，径流系数和洪峰流量在所有海绵设施中均随着降雨增加而增加，削减率和削峰率随着降水量的增加而减少，说明海绵设施的产流能力随着降水量级的增加而增强、对洪量消纳和洪峰缓解随着降雨强度增加而减弱。由于不同海绵设施构造不同，其径流系数、削减率、削峰率与洪峰流量等指标与降水量的相关性表现存有差异。

(1) 对于削峰率和削减率，人行透水砖、车行透水砖和雨水花园均随着场次降水量的增加而减少，其中由于雨水花园的削减率和削峰率始终普遍较高，这2个指标随降水量的变化没有透水铺装明显；
生态草沟则先表现为微弱下降趋势，在降水量超过65 mm后发生突变呈显著下降，突变后削峰率和削减率分别减少了50.4%和44.6%。在所有海绵设施中，削峰率下降速率依次为生态草沟(突变后)≫人行透水砖≫生态草沟(突变前)>车行透水砖≫雨水花园，削减率下降速率的海绵设施排序同削峰率。削峰率与场次降水量的相关性依次为生态草沟(突变后)≫人行透水砖>雨水花园>车行透水砖>生态草沟(突变前)；
削减率与降水量的相关性为雨水花园>人行透水砖>生态草沟(突变后)>车行透水砖≫生态草沟(突变前)。需要说明的是，生态草沟在削峰率/削减率与场次降水量的相关关系突变前，这2个指标随降水量的变化幅度很小，二者相关性很差；
突变后，2个指标随降水量的变化十分敏感，同时暴雨场次次数比较有限，故相关性显著变好，不过削峰率与降雨的相关性明显好于削减率。

(2) 对于径流系数，人行透水砖、车行透水砖随着场次降水量呈连续线性递增趋势，增加速率和相关性均为人行透水砖>车行透水砖；
对于洪峰流量，人行透水砖和车行透水砖也随着降雨连续线性增加，递增速率为人行透水砖略大于车行透水砖，但相关性为车行透水砖明显高于人行透水砖。生态草沟与雨水花园的径流系数和洪峰流量均随着降雨呈分段式增加：生态草沟、雨水花园降雨—径流关系在降水量分别超过65 mm、50 mm后发生改变，突变前指标值随降水量增速缓慢，突变后显著上升。例如，生态草沟的平均径流系数和平均洪峰流量分别从突变前的0.009 m3/s和0.002 m3/s增加至0.374 m3/s和2.678 m3/s，雨水花园则增加了7.4倍和24.4倍。对于径流系数，生态草沟突变前后相关性均较好，不过突变后的相关系数整体高于突变前，雨水花园则由突变前的弱相关变为突变后的显著相关；
对于洪峰流量，生态草沟和雨水花园突变后较突变前相关性均明显变好。

以上分析说明，透水铺装类海绵设施与绿植类海绵设施降雨—径流相关关系差异显著。究其原因，海绵设施降雨—径流关系是否发生突变可能与海绵设施自身结构有关，比如绿植类含很厚的介质土层，而人行透水砖、车行透水砖无介质土层，另外绿植类海绵设施的植被覆盖对降雨—径流关系也起着重要调蓄作用。当降水量低于暴雨量时，绿植类可以很大程度消纳雨水、削减洪峰，具有良好的径流控制能力，此时降雨—径流相关性表现为较差或很差；
当降水量达到暴雨级别时，绿植植被本身及介质土层的干扰调控作用明显减弱，此时降雨—径流相关性回归自然水文属性。人行透水砖、车行透水砖降雨—径流相关曲线未出现转折点可能原因有3个：一是资料有限，人行透水砖、车行透水砖缺少高值场次暴雨对应的降雨—径流过程；
二是从生态草沟和雨水花园突变前削减率和削峰率普遍高值、径流系数和洪峰流量持续维持低值，到突变后削减率和削峰率显著降低、径流系数和洪峰流量显著增加的规律来看，人行透水砖、车行透水砖现在已有低削减率和低削峰率、高径流系数和高洪峰流量出现，因此人行透水砖、车行透水砖降雨—径流关系发生突变可能性不大；
三是人行透水砖、车行透水砖铺装上没有植被覆盖，缺少显著外部调蓄因子。

3.2 降水量级对海绵设施水文性能的影响

表1为同一量级场次降雨下不同海绵设施径流控制效果统计特征，其中平均降水量为相应海绵设施分析时采用的所有场次降雨的平均降水量。暴雨条件下，径流系数车行透水砖>雨水花园>生态草沟，相应地，削减率车行透水砖<生态草沟<雨水花园；
削峰率生态草沟<车行透水砖≪雨水花园；
洪峰流量生态草沟≫车行透水砖>雨水花园。大雨条件下，径流系数人行透水砖>车行透水砖≫雨水花园>生态草沟，相应地，削减率人行透水砖≪车行透水砖<生态草沟<雨水花园；
削峰率变化规律同削减率；
洪峰流量人行透水砖≫车行透水砖>雨水花园=生态草沟。中雨条件下，径流系数人行透水砖>车行透水砖≫雨水花园>生态草沟；
相应地，削减率随海绵设施变化规律同大雨，也是人行透水砖最小，雨水花园、生态草沟最大；
削峰率均在96%以上，其中雨水花园、生态草沟最大达100%，车行透水砖次之为98%，人行透水砖最小。总体而言，海绵设施的径流控制效果在不同降雨强度下表现出一定的相似性和规律性。下面对不同降雨强度下的海绵设施径流控制评估指标一一阐述。

对于径流系数，不同海绵设施对应值基本上是暴雨条件下最大，大雨次之，中雨最小，比如车行透水砖从暴雨的0.298减少至大雨的0.202到中雨的0.166，而人行透水砖降幅更明显，从大雨的0.714减至中雨的0.290。需要说明的是，雨水花园、生态草沟从暴雨到大雨均呈明显减少趋势，但从大雨到中雨变化幅度没有暴雨到大雨显著，这主要与暴雨降雨强度显著大于大雨的降雨强度有关，而大雨至中雨的降雨强度减幅没有暴雨至大雨的明显。

不同海绵设施削减率在不同降雨强度下的统计规律不同。从暴雨到大雨，车行透水砖和生态草沟的削减率表现出显著增加；
从大雨到中雨，除了人行透水砖显著增加外，其他海绵设施则是轻微增加或不增加，雨水花园则是在暴雨时期消减率就已经接近100%，所以其削减率保持不变。

对于削峰率，除了人行透水砖从大雨51.4%显著增加至中雨96.4%、生态草沟从暴雨83.1%显著增加至大雨99.9%外，其他海绵设施的变化规律不明显。

对于洪峰流量，从暴雨到大雨，均表现出明显的递减规律，而从大雨到中雨，除了人行透水砖和车行透水砖显著减少外，生态草沟保持不变，雨水花园无明显变化规律。

综上，不同海绵设施的产流能力在暴雨条件下最大，并基本上在不同降雨强度下均依次从人行透水砖、车行透水砖、雨水花园、生态草沟递减，且从暴雨到大雨递减规律比大雨到中雨递减规律显著；
不同海绵设施对暴雨的消减能力最弱，并基本上在不同降雨强度下均依次从人行透水砖、车行透水砖、生态草沟、雨水花园递增，且从暴雨到大雨递减规律比大雨到中雨递减规律显著，雨水花园在暴雨、大雨、中雨条件下均能近100%消减径流总量；
不同海绵设施的洪峰流量在暴雨条件下最大，但此时对洪峰削减能力最弱，其中雨水花园对洪峰的缓解能力最强。

3.3 降雨雨型对海绵设施水文性能的影响

根据有无雨峰可将试验场次降水过程分为雨峰型和无雨峰型。雨峰型根据雨峰位置差异又可分为雨峰前置、雨峰中间、雨峰后置3种主要类型；
无雨峰型降雨过程基本无雨峰出现或雨峰很小，根据其降雨聚散程度分为集中型和分散型，集中型一般以集中前部为主。考虑资料可利用性和降水量级代表性，依据场次降水量相近原则，分别选择不同降水量级降雨径流过程深入分析雨型对海绵设施水文性能的影响(表2)。需要说明的是，4#场次降水量为49.5 mm，接近暴雨量级，除了被用于分析大雨降雨径流过程外，同时也用于暴雨场次分析，以弥补实测暴雨场次不足。

表2 降雨雨型对海绵设施水文性能的影响Table 2Impacts of the rainfall patterns on the hydrological functions of sponge facilities

(1) 降水量接近、雨型不同、平均降雨强度差异显著，洪峰流量显著不同的降雨径流过程。1#和2#场次暴雨降水量十分接近，但降雨时程分配显著不同，前者雨峰后置、后者雨峰位于中间，且后者平均降雨强度和最大单位雨强分别是前者的10倍和3倍，历时只是前者的1/10，故径流系数和洪峰流量显著高于前者(约3倍)，削减率和削峰率也相应减弱，其中削减率更为明显。这个说明降水量接近时，降雨时程分配越集中，产流比例就越高，洪峰流量也越大越尖瘦，而洪量削减和洪峰缓解性能也相应减弱。

(2) 降水量接近、雨型不同、平均降雨强度相近，洪峰流量显著不同的降雨径流过程。3#和4#为2场暴雨降雨过程，其中3#降雨持续时间更长，平均降雨强度略低于4#，但3#径流系数约是4#的3.5倍，洪峰流量是4#的5.8倍，削减率显著低于4#。这主要是由于3#降雨历时虽长，但约62%降水量均集中在1 h之内，大于10 mm的最大5 min单位降水量出现了2次，而4#最大5 min单位降水量仅为9.5 mm，说明短历时强降雨对车行透水砖产流能力起非常重要作用。因此，尽管降水总量与平均降雨强度均较为接近，但只要最大单位雨量及其频次显著较高则对应的径流系数、洪峰流量就越大，相应地，海绵设施对径流总量削减和洪峰缓解能力显著降低。6#和7#为降水量相近、雨型差异很大、平均降雨强度较相近的大雨降雨过程，8#和9#、10#和11#为同类型中雨降雨过程，也可以得到上述相似结论，不过雨水花园在削减率和削峰率上变化不大。

(3) 降水量接近、雨型相同，洪峰流量相近的降雨径流过程。4#和5#均为雨峰中间雨型大雨降雨过程，但4#整个降雨过程较5#更为集中。4#前期以局部产流为主，而5#在最大雨峰之前降雨持续时间很长，为后续降雨的全流域产流提供了很好的条件，因此，尽管4#平均降雨强度和最大单位雨强均较5#略高，但最终二者径流系数较为接近，洪峰流量甚至相等；
由于4#前期雨强大，所以径流总量削减能力总体偏弱，而洪峰缓解程度上比较接近。

综上，降雨雨型、平均降雨强度和最大单位降雨强度综合影响海绵设施的水文性能。对于降水量接近但降雨时程分配显著不同的降雨过程，平均降雨强度越高或降雨越集中，径流总量、洪峰流量则越大，相应地，洪量削减则显著偏低，洪峰缓解能力也将减弱，内涝风险因此显著增强；
对于降水量接近且雨型相同的条件下，海绵设施受降雨强度影响不明显，在产流能力、径流总量控制、洪峰缓解等方面的水文性能差异不大。4项海绵设施径流控制评估指标中，除雨水花园外，其他海绵设施的径流系数对雨型、平均降雨强度和最大单位降雨强度变化最为敏感，洪峰流量次之，削减率第3，削峰率的敏感性显著低于前面三者；
雨水花园的削减率和削峰率受上述影响因子变化不明显。

3.4 运行时间对海绵设施水文效益的影响

与雨水花园、生态草沟最显著的区别是人行透水铺装和车行透水铺装随着时间运行，其表面的缝隙及孔隙会随着水流中携带的泥沙或周围环境中的泥沙沉积而慢慢变小，如果没有及时冲刷，将被完全堵住，从而丧失良好的透水性能。以车行透水砖为例，研究海绵设施运行对其水文性能的影响。表3为车行透水砖在2019年和2020年的径流控制特征统计。由于2019年未监测到暴雨场次降雨，故仅统计了大雨和中雨条件下车行透水砖的不同径流控制效果评价指标。

表3 2019年和2020年车行透水砖径流控制效果特征统计Table 3Statistics on runoff control effect of vehicle permeable brick in 2019 and 2020

对于径流系数，大雨条件下2019年为0.095，2020年显著上升至0.259，增加了1.7倍；
中雨条件下从2019年0.072显著上升至0.226，增加了2.1倍。对于洪峰流量，大雨条件下2019年为0.019 m3/h，2020年显著上升至0.055 m3/h，增加了1.9倍；
中雨条件下从2019年的0.004 m3/h显著增加至0.014 m3/h，增加2.5倍。说明随着设施运行，车行透水砖表面及砖与砖之间的缝隙越来越小，导致下渗能力变弱，产流能力越来越强，洪峰也越来越尖瘦。对于削减率，大雨条件下2019年为90.5%，2020年显著降低至74.1%；
中雨条件下从2019年的92.8%显著降低至77.4%，均减少了近16%。对于削峰率，大雨条件下2019年为98.8%，2020年降低至91.9%；
中雨条件下从2019年的98.7%降低至2020年的96.3%。说明随着设施的运行，车行透水砖下渗能力的变弱使其对径流的消减能力显著降低，洪峰缓解能力也明显减弱，但弱化程度没有消减能力显著。

以上分析表明，随着海绵设施运行，在产流能力、洪峰流量方面显著增大，而在径流总量消减及洪峰缓解方面明显弱化，尤其是在径流总量消减能力上。研究发现车行红砖周围有较多裸露的土壤，可能是堵塞物质的重要来源。可见，在车行透水铺装的设计、施工和运行中应考虑堵塞问题，同时应避免邻近不透水区域的侧向含泥沙水流汇入。在运行过程中应定期检查车行铺装情况，必要时应采取压力清洗和真空清扫法清洁其表面。因此，需要在未来的研究中对不同维护方案下的车行透水铺装路面进行持续监测，以便更好地了解其在特定地区水文功能的可持续性。

依托国家首批海绵试点城市镇江海绵基地的人行透水砖、车行透水砖、生态草沟及雨水花园等4种典型海绵设施的现场试验，研究了场次降雨与海绵设施出流相关性，剖析了海绵设施对降水量级及降雨雨型的水文响应，最后初步揭示了海绵设施水文效益随运行时间的变化规律。主要结论如下：透水铺装类与绿植类海绵设施降雨—径流相关关系差异显著，分别呈单一式和分段式；
暴雨条件下削减率与削峰率最小、产流能力最强、洪峰流量最大，且从暴雨到大雨变化规律比大雨到中雨显著；
径流系数、削减率和洪峰流量受降雨雨型、平均场次降雨强度和最大单位降雨强度变化影响明显；
设施运行1 a后透水铺装的径流控制能力明显减弱。

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