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基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究

林俏 刘喆 吕英烁 余曦璇 郑曦

林俏, 刘喆, 吕英烁, 余曦璇, 郑曦. 基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
引用本文: 林俏, 刘喆, 吕英烁, 余曦璇, 郑曦. 基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
Lin Qiao, Liu Zhe, Lü Yingshuo, Yu Xixuan, Zheng Xi. Stormwater management measures in Beijing suburban hilly area based on hydrological model: taking the upper reaches of Jiakuohe River as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
Citation: Lin Qiao, Liu Zhe, Lü Yingshuo, Yu Xixuan, Zheng Xi. Stormwater management measures in Beijing suburban hilly area based on hydrological model: taking the upper reaches of Jiakuohe River as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116

基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
基金项目: 北京市科技计划项目“北京景观空间数据采集及景观绩效评价研究”(D171100000217003)
详细信息
    作者简介:

    林俏。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:linqiaomails@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院

    通讯作者:

    郑曦,教授,博士生导师。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:zhengxi@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S715.1;S715.3

Stormwater management measures in Beijing suburban hilly area based on hydrological model: taking the upper reaches of Jiakuohe River as an example

  • 摘要: 目的浅山区是城市的生态屏障,由于浅山区的地形坡降较大,且洪峰汇流时间较短,极易形成季节性洪水,导致雨洪灾害。本文旨在探究合理的浅山区雨洪管理方式,研究不同雨洪管理情景在山地中的适用性。方法研究以北京市浅山区夹括河上游区域为例,基于HEC-HMS和HEC-RAS等水文模型模拟10年一遇设计降雨下的雨洪径流过程,对比分析3种不同的雨洪管理情景(传统管理情景、低影响开发情景和自然情景)在雨洪调控效果、生态环境影响和景观效果3个方面的综合调控效果,从而探究不同浅山区雨洪管理措施的有效性。结果(1)在雨洪调控效果方面,传统管理情景、低影响开发情景的蓄水容量分别是自然情景下的3.8倍、5.0倍,最大淹没范围较自然情景增大了2.0%、1.2%,传统管理情景、低影响开发情景对峰值流量的削减率分别为18.3%、31.5%,峰现时间分别推迟35 min、45 min。(2)在生态环境影响方面,低影响开发模式对于河道植被环境和水文连通性的积极效应大于传统管理模式和自然模式。(3)在景观效果方面,低影响开发情景在水体范围和环境契合度方面都具有较大优势。结论(1)相比于传统雨洪管理模式,低影响开发模式具有良好的雨洪调蓄作用,能增大雨水存蓄容量、削减峰值流量、推迟峰现时间,此外低影响开发模式能改善河道生态环境,并且具有良好的景观效果。因此通过综合判断,低影响开发情景更适用于本文的研究流域中。(2)低影响开发模式能发挥浅山区的地形优势,通过在地形平缓处设计雨水蓄水池来收集上游汇水。同时低影响开发模式按照海绵城市的设计规范制定雨洪目标,实现河道上游汇水区域年径流总量控制率大于85%,兼顾了河道生态和景观的需求。(3)研究发现HEC-RAS水文模型可以量化并可视化不同雨洪管理情景,为浅山区雨洪管理建设提供技术支持。(4)研究强调每个区域的特殊性,浅山区雨洪管理措施从另一层面扩展了低影响开发情景的应用,表明传统水利设施也同样适用于低影响开发的雨洪管理理念。
  • 图  1  研究区域卫星图

    Figure  1.  Satellite map of the study area

    图  2  小流域土地利用类型图

    Figure  2.  Land use type diagram of the small watershed

    图  3  小流域CN网格数据图

    Figure  3.  CN grid data graph of the small watershed

    图  4  HEC-HMS流域概化模型

    Figure  4.  HEC-HMS watershed generalization model

    图  5  10年一遇降雨强度下以5 min为单位时段的1 440 min降雨时程分布

    Figure  5.  Distribution of 1 440 minutes rainfall process taking5 minutes as time period under rainfall intensity of once in 10 years

    图  6  流域内各汇水区10年一遇“时间−流量”曲线

    Figure  6.  “Time-flow” curves of each catchment area in the basin under rainfall intensity of once in 10 years

    图  7  雨洪管理模拟情景

    Figure  7.  Simulation scenarios for stormwater management

    图  8  暴雨淹没边界和蓄水范围

    Figure  8.  Heavy rain inundating boundary and water storage area

    图  9  研究区域降雨出口瞬时流量径流曲线

    Figure  9.  Runoff curves of instantaneous discharge atrainfall outlet in study area

    图  10  暴雨过程最大水流速度

    Figure  10.  Maximum water flow velocity during rainstorm

    图  11  暴雨过程最大水流压力

    Figure  11.  Maximum water flow pressure during rainstorm

    表  1  3种雨洪管理情景综合效益对比

    Table  1.   Comparison in comprehensive benefits of the three stormwater management models

    项目
    Item
    雨洪调控效果
    Stormwater control effect
    生态环境影响
    Ecological environment impact
    景观效果
    Landscape effect
    蓄水容量
    Water storage capacity/m3
    最大淹
    没范围
    Maximum submerged range/m2
    峰值流量
    (削减率)
    Peak flow (reduction rate)/(m3·s− 1)
    峰现推
    迟时间
    Delay time of peak/min
    水流速度
    Water flow velocity/
    (m·s− 1)
    水流压力
    Water flow pressure
    水体连接度
    Water body connection degree
    水体范围
    Water body range
    环境契合度
    Environmental fit
    传统管理情景(情景Ⅰ)
    Traditional management scenario (scenario Ⅰ)
    243 597721 4801 750 (18.3%)3514.8剧烈
    Dramatic
    部分断连
    Partial disconnection

    Medium
    一般
    General
    低影响开发情景(情景Ⅱ)
    Low impact development scenario (scenario Ⅱ)
    374 922716 4601 467 (31.5%)4510.6平缓
    Gentle
    全部连接
    All connected

    Large

    Good
    自然情景
    (情景Ⅲ)
    Natural scenario (scenario Ⅲ)
    53 516707 6222 14119.8一般
    General
    几乎断连
    Almost disconnected

    Small

    No
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-19
  • 修回日期:  2019-09-04
  • 网络出版日期:  2020-05-04
  • 刊出日期:  2020-07-01

基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
    基金项目:  北京市科技计划项目“北京景观空间数据采集及景观绩效评价研究”(D171100000217003)
    作者简介:

    林俏。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:linqiaomails@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院

    通讯作者: 郑曦,教授,博士生导师。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:zhengxi@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S715.1;S715.3

摘要: 目的浅山区是城市的生态屏障,由于浅山区的地形坡降较大,且洪峰汇流时间较短,极易形成季节性洪水,导致雨洪灾害。本文旨在探究合理的浅山区雨洪管理方式,研究不同雨洪管理情景在山地中的适用性。方法研究以北京市浅山区夹括河上游区域为例,基于HEC-HMS和HEC-RAS等水文模型模拟10年一遇设计降雨下的雨洪径流过程,对比分析3种不同的雨洪管理情景(传统管理情景、低影响开发情景和自然情景)在雨洪调控效果、生态环境影响和景观效果3个方面的综合调控效果,从而探究不同浅山区雨洪管理措施的有效性。结果(1)在雨洪调控效果方面,传统管理情景、低影响开发情景的蓄水容量分别是自然情景下的3.8倍、5.0倍,最大淹没范围较自然情景增大了2.0%、1.2%,传统管理情景、低影响开发情景对峰值流量的削减率分别为18.3%、31.5%,峰现时间分别推迟35 min、45 min。(2)在生态环境影响方面,低影响开发模式对于河道植被环境和水文连通性的积极效应大于传统管理模式和自然模式。(3)在景观效果方面,低影响开发情景在水体范围和环境契合度方面都具有较大优势。结论(1)相比于传统雨洪管理模式,低影响开发模式具有良好的雨洪调蓄作用,能增大雨水存蓄容量、削减峰值流量、推迟峰现时间,此外低影响开发模式能改善河道生态环境,并且具有良好的景观效果。因此通过综合判断,低影响开发情景更适用于本文的研究流域中。(2)低影响开发模式能发挥浅山区的地形优势,通过在地形平缓处设计雨水蓄水池来收集上游汇水。同时低影响开发模式按照海绵城市的设计规范制定雨洪目标,实现河道上游汇水区域年径流总量控制率大于85%,兼顾了河道生态和景观的需求。(3)研究发现HEC-RAS水文模型可以量化并可视化不同雨洪管理情景,为浅山区雨洪管理建设提供技术支持。(4)研究强调每个区域的特殊性,浅山区雨洪管理措施从另一层面扩展了低影响开发情景的应用,表明传统水利设施也同样适用于低影响开发的雨洪管理理念。

English Abstract

林俏, 刘喆, 吕英烁, 余曦璇, 郑曦. 基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
引用本文: 林俏, 刘喆, 吕英烁, 余曦璇, 郑曦. 基于水文模型的北京浅山区雨洪管理措施探究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
Lin Qiao, Liu Zhe, Lü Yingshuo, Yu Xixuan, Zheng Xi. Stormwater management measures in Beijing suburban hilly area based on hydrological model: taking the upper reaches of Jiakuohe River as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
Citation: Lin Qiao, Liu Zhe, Lü Yingshuo, Yu Xixuan, Zheng Xi. Stormwater management measures in Beijing suburban hilly area based on hydrological model: taking the upper reaches of Jiakuohe River as an example[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 132-142. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190116
  • 《北京城市总体规划(2004—2020年)》将北京市域内海拔100 ~ 300 m的区域划定为浅山区。浅山区是山地和平原的过渡地带,作为人为开发建设与山地自然生境的交接缓冲区域,对北京市生态系统具有至关重要的作用[1-2]。目前针对浅山区的研究大多集中于浅山区土地利用规划[1]、生态环境质量修复[3-4]、景观游憩评价[5]等,与雨洪管理相关的研究较少。而浅山区内部河道多为季节性河道,其坡降较大且洪峰汇流时间较短,极易形成季节性洪水[6],因此雨洪管理对于浅山区的生态安全建设具有重要意义。

    浅山区坡度较大,大型工程措施施工困难,且极易造成生态系统破坏等问题。再者,由于山区住区分散,难以进行全面防洪建设,人均雨洪管理成本高。其次,山区洪水暴涨暴落,普通的防洪措施难以起到完全控制的效果。因此,在浅山区人口密集区域可适当地安排工程措施,在人口分散区可根据雨洪风险程度,对高风险区域采取搬迁措施,对一般风险区进行预警预防体系建设,提高居民的应急能力[7]。在工程措施建设中,一般通过拓宽河道、加高河道堤岸、建立堰坝等方法来降低雨洪风险[8]。拓宽河道和加高堤岸可以增大行洪断面,提高河道过流能力,但这两种方法都需要对山区河道进行全面施工,投资和建设难度较大。堰坝是传统的局部工程设施,施工建设简单,能结合山区自然地形形成蓄水池,截留雨水,弥补山区水资源短缺的问题。然而,部分堰坝由于缺乏适宜的生态环境评估,建设规模过大,会导致河流生态环境破坏、水土流失[9-10]等一系列问题。因此,对于堰坝的建设可行性和规模大小需谨慎斟酌。

    在浅山区雨洪管理方面,国内外学者已经进行了一定的探索,Tullos等[11]通过hazus-mh模型进行洪水建模,以评估流域灾害风险和洪水应对规划,并提出应调整土地使用条例, 重新连接洪泛区和预警系统等,Wyżga等[12]研究发现传统山谷防洪方法(堤防)在成本和减少雨洪风险角度是不可行的,应通过洪泛区保留、雨水径流储存等方法增加洪水保留率,殷洁等[13]通过GIS对山区洪水进行定量灾害风险评估,绘制山区洪水风险图,为山区土地利用规划、山洪防御措施的制定提供了依据。目前研究主要集中于以雨洪灾害风险为主体的评价体系和政策措施,虽然部分研究者强调了传统防洪方法的局限性,但是缺乏定量分析山区雨洪管理措施应用效果的相关研究。

    随着对雨洪问题的不断重视,我国于2014年推出了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(下文简称《指南》)[14],低影响开发的核心思想是通过采用多种分散的源头控制措施,维持场地开发前后的水文特征不变。在我国,低影响开发的含义已延伸至源头、中途和末端不同尺度的控制措施。现阶段我国对于低影响开发雨洪管理的研究大部分集中于城区内[15],对于浅山区的雨洪管理策略缺乏设计层面的科学指导[16]。在浅山区应用低影响开发模式能发挥其雨洪调蓄的优势,应对浅山区雨洪灾害和水资源短缺。其次,相比传统的大型工程措施,分散式、小规模、能合理利用景观空间特色的低影响开发模式更契合浅山区的环境特征,能因地制宜地发挥山区自然基底的雨洪调蓄潜力,减少对生态环境的破坏。目前有关低影响开发的研究集中于城市平原区域,关注于LID设施的雨洪调控效果,以及构建城市雨洪安全格局等[17-19],有关浅山区低影响开发的研究少之又少。因此,有必要利用有效的雨洪模拟模型,定量评估低影响开发措施对山区雨洪的调节作用。

    从适用性及普及程度来讲,世界范围内应用比较广泛的雨洪模型主要有SWMM(storm water management model)、HEC(hydrology engineering center)系列软件、Info Works CS、MOUSE(modeling of urban sewer)等[20]。SWMM、Info Works CS和MOUSE软件的研究对象主要为城市管网,用于城市排水的详细模拟[21],在针对开放渠道(如山区河道)时,计算方法不及河道洪水演进的计算方法[22]

    HEC-HMS模型提供了丰富的水文计算方法和降雨类型[23],其次在地表汇流方面,HMS可以真实模拟本地汇流过程,此外,HEC-RAS模型可对单个河段或树状河网系统进行模拟[24],模型自带的建模模块能较好地建立堰坝模型,分析水力条件。大量研究表明,HEC-HMS和HEC-RAS已经在雨洪模拟、防洪设计等方面取得了较好的应用[25-27],并且在北京浅山区洪水模拟中的应用性较好、准确度较高[28-30]。HEC-HMS模拟导出的结果可以导入HEC-RAS进行建模和水力可视化模拟,因此本文主要应用了HEC-HMS和HEC-RAS模型结合的方法对山区雨洪过程进行研究。

    本研究以北京市浅山区夹括河上游区域为例,基于HEC-HMS和HEC-RAS等水文模型模拟该区域的雨洪径流过程,通过多情景模拟,对比分析不同雨洪管理情景在雨洪调控效果、生态环境影响和景观效果3个方面的综合调控效果,从而探究有效的浅山区雨洪管理措施。

    • 研究区域位于北京市房山区周口店镇西部,夹括河的上游。区域内的村落沿夹括河分布,如黄山店村、太和兴村和恒顺场村等。上游区域海拔约140 m,处于浅山区,弯道多、纵坡陡。夹括河是房山区的防洪河道,为季节性河流,规划行洪标准为10年一遇,该区域夹括河平均宽度约20 m。拦水坝设置在夹括河的上游,研究中涉及的现状堰坝宽25 m,高3 m。研究区域的小流域范围为88 km2图1),由于小流域是降雨径流汇集的最小单元[31-32],因此本文的水文模拟对象为小流域。鉴于小流域整体范围较大,而堰坝是局部的工程措施,因此研究范围为堰坝周边区域,研究区域范围约为489 hm2,研究区域的河段长度为3 500 m。

      图  1  研究区域卫星图

      Figure 1.  Satellite map of the study area

    • 通过ENVI和ARCGIS对研究区域小流域的Landsat卫星图进行土地利用分类,研究区域内小流域土地利用类型主要为林地,还有少量的建设用地、裸地及灌草地(图2)。土壤数据来源于北京市1∶100万土壤类型图,主要土壤类型为褐土,约占小流域总面积的80.2%,其次为石质土,约占总面积的11.4%,棕壤占总面积的8.4%。将研究区域的土壤类型根据USGS(United States Geological Survey)的相关规定进行土壤编码,按照美国国家工程手册列出的CN值查算表将土地利用类型进行赋值转换,并与水文数据处理后的DEM图共同生成CN网格数据图(图3),导入HEC-HMS软件中。

      图  2  小流域土地利用类型图

      Figure 2.  Land use type diagram of the small watershed

      图  3  小流域CN网格数据图

      Figure 3.  CN grid data graph of the small watershed

    • 本次研究基于北京市30 m精度的ASTERGDEM数据,选择夹括河上游流域范围,运用 ArcGIS 软件中的 HEC-GeoHMS 拓展模块,确定研究流域边界。研究流域面积为88 km2,被划分成35个子流域。提取河流长度、坡度、高程、子流域面积、最长水流路径、子流域质心点位置等流域特征,生成 HMS 文件,建立该流域的HEC-HMS流域概化模型(图4)。

      图  4  HEC-HMS流域概化模型

      Figure 4.  HEC-HMS watershed generalization model

    • 降水流量数据来源于北京市的设计暴雨雨型[33]图5),由于夹括河的行洪标准为10年一遇,因此采用重现期为10年一遇的暴雨,降雨量为160.9 mm,降雨历时24 h,模拟时间48 h。利用可视化数据存储系统HEC-DSSvue建立研究区雨量数据库和流量数据库,输入研究区流域内降水数据和同期流量数据,通过HEC-DSSvue的函数功能,将不规则时间序列数据进行时间插值,转成规则时间序列数据,分布于各子流域,最终得到流域内各汇水区的“时间−流量”曲线(图6)。

      图  5  10年一遇降雨强度下以5 min为单位时段的1 440 min降雨时程分布

      Figure 5.  Distribution of 1 440 minutes rainfall process taking5 minutes as time period under rainfall intensity of once in 10 years

      图  6  流域内各汇水区10年一遇“时间−流量”曲线

      Figure 6.  “Time-flow” curves of each catchment area in the basin under rainfall intensity of once in 10 years

    • 通过HEC-GeoRAS工具对研究区域的DEM数据建立河道中心线、河岸线、河道流向线及横断面等图层。将HEC-GeoRAS数据导入HEC-RAS中,建立模型。使用校准的HEC-RAS模型,运行10年一遇的设计径流流量。导入堰坝数据,在特征断面处分别录入相应流量数据,执行软件计算。

    • 本文通过对比现状传统管理情景(情景Ⅰ)、低影响开发情景(情景Ⅱ)和自然情景(情景Ⅲ)下的雨洪调蓄效果,来探求适合浅山区小流域的雨洪管理模式。现状堰坝周边存在几处居住点和一处旅游景区,人口较多,具有雨洪安全建设的需求。

    • 从现状地形剖面(图7)可看出,该河道区域有3层明显的自然台地,现状堰坝处于1#位置,中层台地坡度转折处,高度为3 m。

      图  7  雨洪管理模拟情景

      Figure 7.  Simulation scenarios for stormwater management

    • 参照《指南》低影响开发措施的设置原则,研究区主要目标为控制径流峰值流量,设计目标为实现堰坝汇水上游区域年径流总量控制率大于85%。为尽可能利用场地自然优势进行雨水调蓄,在保证水安全的基础上,在该情景中初步设计3个分散式的溢流堰,为2#、3#、4#堰坝,3#堰坝与现状1#堰坝的位置相同,3个堰坝的高度各为1 m,使每个堰坝都处于台地坡度变化边界,形成3层“雨水蓄水池”。低影响开发中蓄水池的设计调蓄容积采用容积法进行计算,如式(1)所示,根据容积法对初步设计的雨水蓄水池进行规模核算。

      $$ {\textit{V}} = 10H\varphi F $$ (1)

      式中:V为设计调蓄容积,m3H为设计降雨量,mm;φ为综合雨量径流系数;F为汇水面积,hm2

      根据 85%的年径流总量控制率目标,查《指南》中表F2-1 得到北京地区对应的设计降雨量 H = 33.6 mm,即实现3年一遇重现期下区域雨水经调蓄后安全排放。径流系数参照《指南》中表4-3,用加权平均法计算汇水区域的综合雨量径流系数φ = 0.22。汇水面积为堰坝上游汇水区域,为5 072 hm2。根据式(1),计算得到该区域应具有的调蓄容积即控制容积V

      V = 10HφF = 10 × 33.6 × 0.22 × 5 072 = 374 922.24 m3

      蓄水深度h = V调蓄容积/S蓄水表面积,蓄水表面积为初步设计方案中3个分散式的1 m溢流堰与现状地形交汇的水平面积,S蓄水表面积 = 248 951 m2h蓄水深度 = V调蓄容积/S蓄水表面积 = 374 922.24/248 951=1.51 m,即低影响开发方案雨水蓄水池平均深度为1.51 m。

      因此,应在初步设计方案的基础上,根据海绵城市的设计要求,3个蓄水区域均下挖0.51 m。即低影响开发情景是在3层自然台地的转折处设立3个1 m的堰坝,并在蓄水区域下挖0.51 m,使其最大蓄水深度为1.51 m,实现堰坝汇水上游区域85%的年径流总量控制率。

    • 自然情景(情景Ⅲ)采用自然条件下,不设立堰坝的雨洪情景进行实验对照。随着社会对雨洪管理的不断重视,其内容涵盖了排水、水量、水质、水景和水生态等多方面,与城市规划、景观、建筑等多学科交叉运营。因此,为了综合评估雨洪管理措施,平衡山区小流域河道的多方面设计需求,在研究中主要从雨洪调蓄效果、生态环境影响和景观效果3个方面对3种管理情景进行评估。

    • 运用HEC-RAS软件模拟3种情景下重现期为10年的设计降雨,研究区域暴雨过程最大淹没边界和暴雨过后蓄水范围如图8所示,出水口的径流过程曲线见图9,暴雨过程中该研究区段最大水流速度见图10,最大水流压力见图11

      图  8  暴雨淹没边界和蓄水范围

      Figure 8.  Heavy rain inundating boundary and water storage area

      图  9  研究区域降雨出口瞬时流量径流曲线

      Figure 9.  Runoff curves of instantaneous discharge atrainfall outlet in study area

      图  10  暴雨过程最大水流速度

      Figure 10.  Maximum water flow velocity during rainstorm

      图  11  暴雨过程最大水流压力

      Figure 11.  Maximum water flow pressure during rainstorm

    • 在雨洪调控效果方面,就雨水储存分析,在重现期为10年的暴雨过程中,自然状态下(情景Ⅲ)的蓄水区域水位过程线(尾水位)整体呈现不连续的状态,全部蓄水区域深度都在0.5 m以下,致使山区在降雨来临时难以截水,降雨后难以储水。该区域蓄水容量在情景Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下分别为243 597 m3、374 922 m3、53 516 m3,情景Ⅰ和情景Ⅱ是情景Ⅲ蓄水容量的3.6倍和6.0倍。该区域蓄水面积在情景Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下分别为219 100 m2、248 951 m2、145 302 m2,情景Ⅰ和情景Ⅱ比情景Ⅲ增大50.8%和71.3%。该区域蓄水深度:情景Ⅰ的3个蓄水区深度分别为1 m、3 m和0.5 m,情景Ⅱ的3个蓄水区深度都为1.51 m,情景Ⅲ的3个蓄水区深度分别为0.2 m、0.3 m和0.5 m。就该区域最大淹没范围而言,由于堰坝在蓄水的同时抬升了上游水位,因此在一定程度上加大了行洪过水的淹没范围,略大于自然情景(图8)。传统开发情景的最大淹没范围在1#坝后侧有局部加大,情景Ⅰ和情景Ⅱ比情景Ⅲ的最大淹没范围增大了2.0%和1.2%。就研究区域出口处的径流过程而言,情景Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ峰值流量分别为1 750 m3/s、1 467 m3/s、2 141 m3/s,情景Ⅰ、Ⅱ对径流峰值的削减率分别为18.3%、31.5%,峰现时间分别推迟35 min、45 min。由此得出:河道堰坝是山区有效的截留雨水设施,其成效远大于自然地形条件,而低影响开发的雨水储存容量大于传统开发情景。虽然传统管理模式和低影响开发模式会由于抬升水位而局部加大淹没范围,但是对研究区域的影响较小。其次,低影响开发模式能明显减少峰值流量,推迟峰现时间,因此低影响开发模式在雨洪调控效果方面整体优于传统管理模式。

    • 在生态环境影响方面,由于传统的大型堰坝建设后会对植被环境和水文连通性造成负面效应,其影响过程为:坝后流速急剧增大,对山区表面产生冲刷,引起水土流失、植被破坏等问题;单一蓄容量过大会使坝后水体断流,影响水文连通性。因此,根据堰坝建设后对环境的负面影响为参考依据,通过水流速度、水流压力和水体连接度3种指标来衡量不同雨洪管理情景的生态环境影响。就水流速度和水流压力而言,由图10可见在高程坡降位置水流速度迅速增大,情景Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大水流速度分别为14.8 m/s、10.6 m/s、19.8 m/s,速度变化最剧烈的是传统管理情景,其次为自然情景,低影响开发情景速度变化最平缓,幅度最小。由图11可见水流速度和水流压力呈正相关,水流冲击力最大的为传统管理情景,其次为自然情景,低影响开发情景最小。就水体连接度而言,由图8的蓄水范围可见,情景Ⅰ最上方蓄水区与中间蓄水区完全连接,与最下方蓄水区断连;情景Ⅱ的3个蓄水区都有流水连接,流水深度约为0.1 m,保证了一定深度的生态基流情景;情景Ⅲ的3个蓄水区几乎完全断连。因此可以得出,低影响开发模式对生态环境的积极效应大于传统开发情景和自然情景。

    • 在景观效果方面,主要从水体范围和环境契合度两方面进行判断。由于现状裸露河底杂草丛生,景观效果不佳,利用堰坝进行蓄水能形成稳定的水面,改善河道环境,因此情景Ⅰ、Ⅱ对河道景观塑造具有积极效应。情景Ⅱ的水体范围最大,河面景观最好。就环境契合度而言,情景Ⅱ设计了分散式的小规模堰坝,而现状河道上游有多级低矮水堰(高度小于50 mm),因此情景Ⅱ与现状景观基底更契合,小体量的工程措施更能融入自然环境,形成具有台地跌水效果的河道景观。此外,情景Ⅰ蓄水深度为3 m,在景观水体清理和循环上较情景Ⅱ困难,还存在一定的安全隐患。综上分析得出,低影响开发的景观效果远大于传统开发情景和自然情景。

      3种雨洪管理情景的综合效益对比结果见表1

      表 1  3种雨洪管理情景综合效益对比

      Table 1.  Comparison in comprehensive benefits of the three stormwater management models

      项目
      Item
      雨洪调控效果
      Stormwater control effect
      生态环境影响
      Ecological environment impact
      景观效果
      Landscape effect
      蓄水容量
      Water storage capacity/m3
      最大淹
      没范围
      Maximum submerged range/m2
      峰值流量
      (削减率)
      Peak flow (reduction rate)/(m3·s− 1)
      峰现推
      迟时间
      Delay time of peak/min
      水流速度
      Water flow velocity/
      (m·s− 1)
      水流压力
      Water flow pressure
      水体连接度
      Water body connection degree
      水体范围
      Water body range
      环境契合度
      Environmental fit
      传统管理情景(情景Ⅰ)
      Traditional management scenario (scenario Ⅰ)
      243 597721 4801 750 (18.3%)3514.8剧烈
      Dramatic
      部分断连
      Partial disconnection

      Medium
      一般
      General
      低影响开发情景(情景Ⅱ)
      Low impact development scenario (scenario Ⅱ)
      374 922716 4601 467 (31.5%)4510.6平缓
      Gentle
      全部连接
      All connected

      Large

      Good
      自然情景
      (情景Ⅲ)
      Natural scenario (scenario Ⅲ)
      53 516707 6222 14119.8一般
      General
      几乎断连
      Almost disconnected

      Small

      No
    • (1)通过传统开发情景、低影响开发情景和自然情景下雨洪调控效果、生态环境影响和景观效果3方面的综合评估可以看出,传统开发情景和低影响开发情景整体在雨洪调控方面都比自然情景效果有较大提升,表明浅山区需要使用相应的雨洪调蓄措施。其次,相比于传统雨洪管理模式,低影响开发模式具有更明显的雨洪调蓄作用,能增大雨水存蓄容量、削减峰值流量、推迟峰现时间,此外低影响开发模式能改善河道生态环境,并且具有良好的景观效果。因此通过综合判断,低影响开发情景更适用于本文的研究流域中。

      (2)低影响开发模式是基于现状传统模式的提升,在保障雨洪安全的情况下,发挥浅山区的地形优势,形成台地式的雨水蓄水池。同时,低影响开发模式根据海绵城市的规范制定雨洪目标,实现河道上游汇水区域年径流总量控制率大于85%,兼顾了河道生态和景观的需求。此外,低影响开发模式的投资也低于传统管理模式。

      (3)水文模型HEC-RAS可以量化并可视化不同雨洪管理情景,可以很好地模拟地表径流过程,记录瞬时峰值和尾水位,判断雨洪淹没范围和蓄水范围,为浅山区小流域雨洪管理建设提供技术支持。

      (4)浅山区与城市下垫面存在较大的差异,不同区域之间的内部条件也不尽相同,研究强调每个区域的特殊性。由于研究区域现状条件和场地限制,无法探究常用的LID设施如下凹式绿地、透水铺装等在山区雨洪管理中的适用性,但是从另一层面扩展了低影响开发情景对雨洪管理的应用,表明传统水利设施也同样适用于低影响开发的雨洪管理理念。

参考文献 (33)

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