刘 俊，韩 波，王战平，慕登睿，郭 鹏，吕继强，沈 冰

(1.陕西省河流工程技术研究中心，西安 710016；2.西安浐灞生态区管理委员会，西安 710024；3.西安世园园林有限责任公司，西安710024；4.长安大学水利与环境学院，西安710054；5.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安710054；6.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安 710048)

秦岭北麓河流属渭河支流，连接秦岭、渭河两大生态区域。河流经关中平原城市群后汇入渭河，是关中平原城市群的主要水源地。灞河是秦岭北麓半干旱区典型城市型河流，流域内长期围绕解决关中城市群发展与水资源紧缺问题，开展不同规模的水资源开发利用和水利工程建设，逐步形成以城市发展为核心的城市河流及河岸带水文生态系统。近些年西安市不断加速城镇化建设，已显著影响流域地表水、地下水环境质量。目前，灞河流域水文系统演化面临包括城镇扩张、经济发展、全球气候变化、生态环境恶化等多重压力。

近些年，气候变化、强烈的人类活动导致下垫面发生改变，城市雨水、污水管道合流，城市排水管网设计标准不够高等[1-3]因素，导致城市内涝现象时有发生。国内外研究成果表明，基于城市低影响开发建设(low impact development，LID)措施的海绵城市建设对于水资源的利用，缓解城市内涝现象有着显著的效果[2-5]。国外的研究者提供了多种雨洪模型开展城市降雨径流模拟，可用于指导海绵城市建设[4-10]。Storm Water Management Model(SWMM)被认为是最广泛使用于城市区域的，模拟城市降雨径流模型的软件[11-16]。目前，国内外专家学者对于城市降雨径流模拟、海绵城市建设技术的理论和经验已较为成熟，但仍存在试点碎片化、设计依据缺乏时效性、缺乏针对性等问题[14,17,18]。

2016年，《西安市海绵城市建设实施方案》[27]发布，灞河中下游城市区列为西安市海绵城市建设试点区域。灞河流域中下游城市区除受到内涝灾害外，河流水质问题更为严峻、地区水资源不足问题较为突出[19,20]。如何合理提高水资源的利用效率，缓解城市内涝现象，是秦岭北麓缺水型城市发展亟待解决的问题。本文依据秦岭北麓独特的地理环境，科学分析海绵城市建设措施的内涝减灾效果，探讨缺水地区城市区低影响开发建设可能的流域水文系统变化及其水环境问题，对更合理地开展流域雨洪管理工作具有指导意义。

1 研究区概况

1.1 流域概况

灞河是渭河一级支流，位于西安市东南部(E 109°00′～109°47′、N 33°50′～34°27′)，由南向北汇入渭河，总流域面积为2 581 km2。灞河流域属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季冷暖干湿分明。降水量年内分配不均，7-10月降水量占全年的60%以上，最高达到77.1%。降水量年际变化较大，年最大降水量999.0 mm，为年最小降水量的2～3倍[20]。年降水量变差系数Cv值变化范围在0.20～0.30之间。灞河流域多年平均地表水资源量约6.098 亿m3，折合径流深约236.3 mm。

灞河流域范围涉及西安市39个镇，交通发达[19]，是西安农业、林业重要区域，陕西省纺织工业、国防制造工业、汽车工业的重要生产地。2004年后，灞河中下游的蓝田县及西安浐灞生态区的城镇化建设加速，中下游河道内已建成橡胶坝蓄水工程，形成河道连续水面(橡胶坝位置见图1)。河流中下游城市化建设对区域水环境始终产生着较大压力，而近年来区域内的人口数量激增与城镇面积迅速扩张，对流域水环境造成影响。根据2010-2019年的水质监测数据，灞河入渭河河口处河流水质低于地表水环境质量标准Ⅴ类[19、21]。目前，西安浐灞生态区成为灞河流域海绵城市建设示范区。详细流域位置信息见图1。

图1 灞河流域位置图Fig.1 Location of Bahe River basin

1.2 流域土地利用概况

对研究区内1995年、2000年、2005年、2010年及2015年土地利用情况进行统计，获得土地利用类型面积变化及空间分布图(见图2)。农用地、草地和与林地是流域内的主要土地利用类型，常年占总面积的80%以上。1995年至2015年间，草地与灌木的缩减明显，2015年面积较1995年缩减了46%；城镇用地呈现增长趋势，其中城镇面积扩大了近4倍，占流域总面积15%以上；2015年水域面积较1995年增加了46%，占总面积的2.87%。水域面积增加，主要是流域下游城市段，建设滨河人工湖、水景公园等河湖水系连通工程，扩大水域面积。流域中下游快速城镇化建设对河流水量、水质及水域生态环境影响较大[19-21,26]。

图2 代表年土地利用图[26]Fig.2 The land use maps in 1995,2000,2005,2010 and 2015

2 研究内容与方法

本文通过构建灞河流域SWMM模型，对不同重现期及典型降雨过程的降雨径流过程进行模拟计算，并对不同LID措施的流域洪峰、洪量变化规律分析，同时构建河段水量平衡模型，对海绵城市建设后的河流水量、水流流速、河道渗漏量(滨河带河流补给地下水量)等量值变化及可能的水质环境影响进行分析，探讨海绵城市建设的水文过程影响。

2.1 洪水资源管理模型(SWMM)模型原理

SWMM模型是基于水动力学的降雨-径流模拟模型，可以模拟时变降水量、地表水蒸发、洼地截留、降水下渗、地下水补给、水量交换、坡面产汇流等水文过程[12-15]，被广泛使用于城市区降雨径流模拟计算中。SWMM模型构建所需要的数据包括气象数据、管网数据、下垫面数据、其中气象数据包括降雨量、流量等。下垫面数据包括研究区域土地利用情况、坡度、土壤类型等。在SWMM模型中关于水文模拟演算的核心模型包括：地表产流模型、地表汇流模型、管网汇流模型[12]。

本文SWMM模型计算，依据河道地形将河段概化为管道考虑，截面形状是不规则的断面；依据流域坡度、水系及水文地质分区情况，在充分考虑了建模区下垫面信息和汇流线路的分布状况后，对整个排水区域进行划分。模型主要产汇流计算原理如下[15]。

2.1.1 产流模型

在模型中子汇水区被分为透水区域和不透水区域两个部分。其中，不透水区域分为：具有蓄水能力的不透水区域、不具有蓄水功能的不透水区域。

(1)可渗透面积产流量：

Q1=(i-fa)Δt

(1)

式中：Q1为产流量，mm；i为降雨强度，mm/s；fa为下渗速度，mm/s；Δt为下渗时间，s。

(2)有洼地蓄水不渗透面积产流量：

Q2=P-D

(2)

式中：Q2为地表产流量，mm；P为总降水量，mm；D为洼地蓄水量，mm。

(3)无洼地蓄水不渗透面积产流量：

Q3=P-E

(3)

式中：Q3为地表产流量，mm；P为总降水量，mm；E为蒸发量，mm。

2.1.2 地表汇流模型

SWMM模型中地表汇流通过将各汇水区域近似作为非线性水库而实现，联立曼宁公式和连续方程并用有限差分法并采用牛顿法迭代求解。连续性方程为:

(4)

式中：s为子汇水区面积，m2；t为时间，s；V为子汇水区总蓄水量，m3；P′为净雨深，m；h为水深，m；q为径流流量，m3。

(5)

式中：w为子汇水区的宽度，m；N为子汇水区曼宁系数；hs为最大洼地蓄水深度，m；l为子汇水区域坡度。

2.2 河道水量平衡模型与求解

灞河下游城市段长期运行2座梯级橡胶坝，橡胶坝库区蓄水形成河道连续水面。本文构建河道水量平衡模型，对梯级橡胶坝库区水量变化进行分析。以河道入橡胶坝库区流量、区间取用水量、橡胶坝库区出流量(灞河入渭河水量)和库区水面面积为主要变量，结合降水量和水面蒸发量研究成果[20,21]，建立水量平衡方程。灞河下游城市段河道水量平衡模型如下：

W出库水量=W降水量+W入库水量+W蒸发水量+W渗漏量+W取水量±ΔW

(6)

式中：W降水量是根据当地气象站的降雨资料计算出研究时段的降雨量，乘以平均水位面积而得；W入库水量是由分布式水文模型计算得到；W蒸发水量则由日蒸发资料计算出研究时段的水面蒸发量，乘以面积则是对应时段的总蒸发量；W取水量为河道外绿化灌溉取水量；ΔW为橡胶坝库区的蓄水量变化量。

则出库流速V出库流速可表示 为：

V出库流速=W出库水量/(bh+mh2)

(7)

式中：b为河道底宽；m为边坡；h为河道水深。

模型依据河道径流资料、降水、蒸发及橡胶坝水位～库容关系等资料构建水量平衡方程，计算水库一定时段蓄水变化量、时段平均库容量、时段内实际的库水面蒸发量，估算库区平均水流流速、河段渗漏量等。本文参考《西安浐灞生态区橡胶坝库区渗漏量研究报告》[22]结果，橡胶坝库区平均综合渗透系数为0.066 m/d。采用自主研发的生态调度模型与智能优化算法进行模拟计算[23,24]。

3 结果与分析

3.1 SWMM模型构建与应用

本文SWMM模型计算，依据流域坡度、水系及水文地质分区情况，在充分考虑了建模区下垫面信息和汇流线路的分布状况后，对整个排水区域进行概化，共划分汇水区93片、汇水节点56个及排水口2个。结合流域下垫面土地利用情况，合理划分子流域面积、制定下渗参数分区。具体空间提取结果见图3。

3.1.1 参数确定

本研究参考《西安市海绵城市建设实施方案》[27]中参数分区及SWMM模型用户手册提供的模型参数选取办法，确定不透水区蓄洼深度为2 mm，透水区蓄洼深度为7 mm；不渗透性粗糙系数和渗透性粗糙系数由各子流域内不同土地类型面积加权计算得到。降雨入渗选用Horton公式模拟计算汇水区入渗量。在模型其他参数确定的基础上，以实际调研降雨、淹水水深资料对入渗速率进行率定；同时，将不同饱和土壤水力传导值按照流域各土壤类型的面积进行加权平均，利用手册提供的饱和土壤水力传导表格确定流域的最小入渗速率。参考《西安市海绵城市建设实施方案》及SWMM 用户手册确定的流域主要参数值见表1。

表1 流域主要参数值Tab.1 Main parameters parameters

3.1.2 SWMM设计暴雨洪水模拟与验证

(1)灞河流域不同设计频率每五分钟降雨过程。本文参考毕旭等[25]与候精明等[4]已有研究成果，并结合灞河流域实测降水过程资料，分析认为西安城区短历时暴雨较为集中，以单峰型居多，因此选用芝加哥雨型作为设计降雨，并选用峰值比例r=0.48 表征雨型。采用城市暴雨洪水管理模型SWMM模拟计算设计暴雨重现期为2、10、20、50和100 a的设计洪水，并依据《西安市实用水文手册》的设计洪水成果验证模型模拟计算结果，见表2。验证和评价合格后，开展灞河全流域设计洪水计算。不同设计频率(2、10、20、50、100 a)每5 min降雨过程见图4。

图4 不同设计频率(2、10、20、50、100 a)每5 min钟降雨过程Fig.4 Rainfall process every five minutes at different design frequencies (2,10,20,50,100 years)

(2)灞河流域实测降雨径流过程验证。采用2013 年6月9 日实测降水径流过程进行模型验证。2013 年 6月 9 日暴雨天气过程是单峰型降雨过程(图5) ，累计雨量为35.2 mm，接近于2000-2017年间典型降雨过程。模型验证结果见图4，可见模拟径流过程与实测径流过程基本一致，可以认为模型参数选择合适，能够用于该区域城市雨水控制与利用的模拟计算。

图5 模型验证结果Fig.5 Model validation results

(3)灞河流域上游区域设计洪水模拟结果评价。表2，模型模拟计算结果与《西安市实用水文手册》的设计洪水成果对比，洪峰模拟误差在2.2%～11%之间，满足《水文情报预报规范》(SL250-2000，水文情报预报规范[S])实测径流的误差20%要求。说明模型基本反映了流域降水～产流关系，模型构建与参数区间选择基本合理。

表2 SWMM模型模拟灞河流域设计洪水结果评价Tab.2 Evaluation of design flood simulation results of SWMM model in Bahe River Basin

3.2 城市LID建设的河流水文系统变化分析

3.2.1 LID建设的设计洪水过程响应

参考《西安市海绵城市建设实施方案》[27]中灞河下游海绵城市建设指标及主要工程措施，设置3种方案的城市低影响开发建设(low impact development，LID)措施，LID①雨水花园建设、LID②透水铺装道路建设、LID③雨水花园和透水铺装结合，利用SWMM模型模拟计算浐灞河流域城镇开展海绵城市建设后的河流下游水文变化。不同设计暴雨重现期下，LID措施实施前后的洪水过程对比见图6。

图6 不同设计暴雨重现期下 LID措施实施前后的流域洪水过程对比Fig.6 Comparison of basin flood process before and after implementation of lid measures under different design rainstorm return periods

灞河中下游城市区实施海绵城市建设后，城市区蓄水较多，灞河河道洪水径流量减少明显。其中，生物滞留池与透水铺装措施结合的海绵城市建设，对城市河道洪水过程影响较大。图4表明，设计暴雨重现期短于10 年时，设计洪峰消减较明显。设计暴雨重现期为2年时，洪量减少13%～20%。设计暴雨重现期大于20年时，洪峰减少率仅为10%左右；设计暴雨重现期为10 年时，洪水总量减少比例达到25%～29%。设计暴雨重现期为2年时，洪水总量减少13%～20%之间。设计暴雨重现期大于20年时，洪峰减少率为10%～18%之间。

3.2.2 LID建设的河流城市段水文响应

目前，灞河下游河道内梯级橡胶坝的水量调度原则为在保障生态基流量后，尽可能多蓄水，满足区域水景观要求。模拟计算结果表明，海绵城市建设的消减洪水作用显著，可缓解城市内涝现象，但同时减少入河水量，可能影响灞河城市段河道水质、水量等水文循过程。

因此，本文以2000-2017年间典型降雨过程为例，采用SWMM模型及河段水量平衡模型，模拟计算生物滞留池措施实施后对河段水量及河道水环境影响。2000-2017年间典型降雨过程及SWMM模型模拟计算结果见图7。生物滞留池措施前后灞河下游橡胶坝库区水量变化结果见表3。

图7 2000-2017年间典型降雨过程及SWMM模型模拟计算LID措施后径流过程变化Fig.7 Runoff process changes of typical rainfall before and after lid measures in 2000-2017

表3 生物滞留池措施实施前后灞河下游橡胶坝库区水量变化Tab.3 Water quantity change in the lower reaches of Bahe River after the implementation of biological detention pond measures

研究区内2000-2017年典型降雨产流过程模拟计算表明，海绵城市建设实施后河道径流总量减少约28%(图6)；城市段河道水量平衡计算结果表明(表3)，海绵城市建设后橡胶坝库区水量减少，河道内水流流速减缓比例为16%～50%之间，水量滞留橡胶坝库区时间增加；水量减少后，随蓄水水位及水面面积减小，渗漏量减少约35%。

根据2010-2019年的水质监测数据，灞河入渭河河口处河流水质低于地表水环境质量标准Ⅴ类[19,21]。灞河流域中下游快速城镇化建设对河流水量、水质及水域生态环境影响不断加重[19,20]。海绵城市建设引起河道水量减少，水流流速减缓等水文条件改变等问题，可能会加剧城市河流水环境污染问题。城市河流低影响开发建设需在缓解内涝问题的同时，兼顾可能带来的河道水量、水质等水文过程变化，及其对区域城市发展制约作用，合理地开展城市雨洪管理工作。

4 结 论

本文以城市型河流灞河为例，采用基于水动力学的降雨-径流模拟模型(SWMM)和河道橡胶坝库区水量平衡模型，探讨近海绵城市建设措施的流域水文系统变化及其水环境问题，得到主要结论如下：

(1)灞河流域内实施海绵城市建设后，灞河河道径流量减少明显。对不同重现期的降雨径流过程进行模拟计算结果表明，设计暴雨重现期短于10 年时，设计洪峰、洪量消减较明显。设计暴雨重现期大于20年时，作用有限。

(2)2000-2017年典型降雨产流过程模拟计算表明，实施海绵城市建设后，河道径流总量减少约28%，河道内水流流速减缓比例为16%～50%之间，水量滞留橡胶坝库区时间增加；水量减少后，随蓄水水位及水面面积减小，渗漏量(滨河带河流补给地下水量)减少约35%。灞河下游城市段河道径流减少，水流流速减缓，会进一步加重污染物在河道内及橡胶坝库区沉积，进而加重水环境污染问题。

(3)目前，灞河沿岸污染物排放未有效控制情况下，快速城镇化建设对河流水量、水质及水域生态环境影响不断加重。秦岭北麓关中平原城市群开展低影响开发建设需减少对河道水文过程影响，考虑河流水文与水环境变化，制定合理的城市雨洪管理措施。

(4)秦岭北麓气候与地理环境特殊，流域内低影响开发建设会影响河流水文系统。因此，灞河流域应在科学的规划下，结合已建成的河湖水系连通工程和城市型河流水文特征打造“海绵城市”。该地区的低影响开发建设应优先考虑构建河湖水系连通工程与下沉式绿地、人工湿地、透水铺装、透水路面、多功能调蓄等低影响开发设施的综合海绵系统。因地制宜采取符合自身特点的措施，从而改善城市的生态环境，提高民众的生活质量。

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