随着全球城市化进程的加快，城市地区不透水地表面积增加，直接改变了城市下垫面条件，使自然的水循环机制发生改变^[1]。城市区域雨水径流增多，雨水汇流速度加大给当前的雨水基础设施带来很大压力^[2]。近年来，全球气候变化导致某些区域强降雨事件的频率增加，使得城市地区严重积水和暴雨洪水事件频繁发生^[3]，给人民群众生命财产造成的损失与日俱增，已成为社会各界关注的问题之一^[4]。

传统的雨水管理方法是利用大的管道和混凝土渠道使雨水尽可能快地排出，造成城市河道生态环境恶化和雨水资源严重浪费^[5]。近些年，发达国家提出新的城市雨水管理方法如绿色基础设施 (Green Infrastructure，GI)，与之类似的是低影响开发 (Low Impact Development，LID)，这些雨水管理策略从源头上通过一系列现场的截留和滞留等径流调控措施，实现城市雨洪的资源化利用^{[6, 7]}。尽管人们对绿色基础设施在消减城市雨洪的认识和关注不断增加，但是真正将这些雨洪管理策略付诸实践的步伐却很慢。主要原因之一是由于缺乏有效的绿色基础设施设计和评估工具，而有效的绿色基础设施模拟软件可为设施实践的工程应用提供设计指导^[8]。

近年来，随着绿色基础设施和低影响开发理念和体系的发展，国外模拟这些措施效能的雨洪模型逐渐开发并推广，目前已取得了很大进展。SWMM、MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization)、SUSTAIN (System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration)和L-THIA-LID (Long-Term Hydrologic Impact Assessment-Low Impact Development) 等模型被广泛的用来模拟不同暴雨特征和设施空间布局对设施消减控制径流的效果^{[9, 10, 11, 12, 13]}，评价措施的选择方案和成本比较^{[14, 15]}。近年来，我国学者对绿色基础设施和低影响开发措施模拟研究工作的开展已有不少案例，但大多集中在对SWMM 模型的应用方面^{[16, 17, 18]}。

SWMM等模型对地形、汇水区划分和排水管网汇水的计算导致模型较为复杂，模型开发应用需要深入分析和专业技能，超越了一般公众的能力^[19]，使得规划管理者对模型的操作应用存在困难，而且复杂的模型掩盖了对自然水文机制的定量刻画^{[20, 21]}。由于水文模型中一些概念化参数通过实测不易获得，以及目前针对城市下垫面和绿色基础设施的径流在野外监测存在困难^[19]，用来验证和率定模型的实测数据很少，限制了模型在城市雨洪规划管理中的推广应用。本研究的目标为结合水量平衡和城市水文循环，建立耦合绿色基础设施消减作用的社区尺度暴雨径流模型，通过野外监测数据评估模型的有效性，进而模拟研究不同绿色基础设施配置对社区暴雨径流的消减作用。旨在设计开发易于操作和实用的社区绿色基础设施消减暴雨径流模拟与管理软件，为绿色基础设施雨水管理的决策和城市可持续的雨洪管理提供科学依据。

由于城市中不同地表类型的下垫面会产生不同的水文响应，为了计算的方便，将城市地表概化为不透水地表、透水地表和水体3种类型模块单独计算，如图 1所示。不透水地表的径流量为降雨量扣除填洼和蒸发的剩余水量。透水地表的径流计算分为冠层截留、蒸发、入渗和填洼过程。水体调蓄雨水径流主要根据流入量、流出量和蓄水容量计算。为了达到实用的目的，模型在整体计算过程中基于水量平衡和水文物理过程，而在每个水文过程选择偏重于参数较少和普遍适用的经验型方程。绿色基础设施主要模拟其雨水入渗、滞留和存储的能力和出流量，在计算过程中替换相对应地表的径流计算模块。社区降雨总的径流量是3类地表和绿色基础设施产生和流出的径流总和，流量峰值是整个径流过程时间段内的最大流量^[22]。

图1 模型径流计算原理图 Fig.1 Schematic depiction of the model calculation

图选项

假设不透水地表是100%不透水，降雨量减去蒸发、填洼和存储的雨水量就是径流量^[23]。不透水地表产生的径流量(R_imp,mm)为：

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透水地表的模拟分别计算冠层截留、蒸发、地表入渗和地表填洼过程，再根据水量平衡计算得到产流量。

(1)冠层截留过程

植被冠层截留量的计算采用Wang 等^[24]改进的Rutter模型方法，截留量(SI_c,mm)的计算表达式为：

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(2)蒸发过程

潜在蒸发量的计算采用基于气温的Hargreaves方法^[25]，潜在蒸发量(E_p,mm/d)计算公式为：

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(3)地表入渗过程

扣除截留后的降雨抵达地表后，这部分降雨将发生地表入渗、地表填洼和地表径流。采用Mein与Larson改进的Green-Ampt模型方法^[26]模拟降雨入渗的过程，入渗速率(f,mm/min)的计算公式如下：

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(4)地表填洼过程

剩余降雨量留存于地表，部分进行填洼，部分成为地表径流参与汇流。初始时刻的地表填洼雨水储量(Sd₀,mm)根据Linsley于1975年推导出的经验公式计算^[27]：

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其它时间步长的填洼量(Sd,mm)由下式计算：

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透水地表总的径流量(R_per,mm)计算采用水量平衡方法，即降雨减去截留、入渗和填洼的雨量就是透水地表的径流量，计算式为：

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根据水量平衡，水体的出流量(Q_w,m³)计算公式如下：

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(1)下凹式绿地

下凹绿地低于周围路面可以更多的容纳雨水。当积水深度超过绿地下凹深度时，多余的雨水量即外溢流出绿地。下凹式绿地的出流量(Q_s,m³)计算如下：

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(2)调蓄池

调蓄池的作用是容纳流入的雨水，当调蓄池存储的水量超过其容量时，调蓄池不再调蓄，流入的雨水从溢流口流出。假定降雨时期内调蓄池内的雨水不回用，计算过程中不考虑雨水的渗漏。调蓄池流出的雨水量(Q_r,m³)用下式表示：

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(3)透水砖铺装路面

透水砖的雨水渗透速率远大于降雨强度，对降雨入渗无阻碍作用^[28]。透水砖层、找平层和垫层的有效空隙率和厚度决定了可容纳的最大雨水量。透水砖路面产流量(Q_p,m³)计算公式如下：

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模型参数值的选取依据文献研究的结果和经典模型的参数默认值，如表 1所示。

采用模拟径流值与实测径流值线性回归的决定系数(R²)以及纳什效率系数(Nash-Sutcliffe Efficiency，NSE)来评价模型对实测水文过程模拟的好坏。纳什效率系数的计算公式如下^[34]：

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选择北京市海淀区一典型城市社区进行情景模拟分析，社区总面积24635 m²，社区内包括住宅楼、办公楼、广场、草坪和道路等，绿地面积比率为31.4%，无水体；其中绿地为透水地面，其它均为不透水地面。此情况下社区内无绿色基础设施配置，作为基本情景。

暴雨的设计采用北京市暴雨公式，计算得到降雨历时2 h，时间步长为5 min，重现期分别为一年一遇(P=99.9%)和五年一遇(P=20%)的2种类型暴雨，降雨过程的雨量分配如图 2所示^[37]。2 h总的降雨量分别为21.6 mm和67.2 mm。设计暴雨的计算公式如下：

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图2 设计暴雨的雨型分布 Fig.2 The rainfall pattern distribution of designed storms

图选项

绿色基础设施设计以下4种情景：(1) 绿地改造成下凹深度5 cm；(2) 建造地下调蓄池300 m³；(3) 50%的不透水面用混凝土透水砖铺装；(4) 综合情景，包含前面3种设施，即绿地下凹式改造、建造调蓄池和透水砖铺装。

模型验证选择北京市某小区南汇水区，汇水区的面积为29500 m²，透水面积比例占总面积的30.2%。2013年7月到9月在雨水出口处安装ISCO 6712全自动采样仪，用750面积速度流量计模块和674雨量计分别监测径流流量和记录降雨量(Teledyne ISCO,NB,USA)。研究区域的用地类型分布和实验监测点的信息如图 3所示。研究区中绿地主要以大面积的草地为主，灌木和乔木的冠层较小，而且分布很少，在本研究中为了简化，都按照草地来计算。

图3 研究区用地类型分布图 Fig.3 Land use distribution of study area

图选项

在2013年7月15日和8月11日下午2场典型的降雨事件下(降雨量分别为62.2 mm和26.5 mm)，模拟降雨径流和监测径流线性回归的决定系数R²分别为0.68和0.71(图 4)，纳什效率系数(NSE)分别达到0.99和0.96，表明模型效率是满意的。对较小的降雨事件下的径流过程，模型验证的效果不理想。由于模型中未划分汇水区和利用排水管网信息，对径流汇水过程没有考虑，造成模型对实际径流过程模拟的一致性和精确度不高；但是总的径流量和径流峰值作为模型重点模拟和关注的输出结果，模型验证的精度是可以接受的。因此，模型是可靠和合理的。

图4 模拟与实测的径流水文图 Fig.4 The hydrography of simulated runoff and observed runoff

图选项

用验证的模型分别模拟在基本情景和绿色基础设施情景下的径流量和流量峰值，并分析绿色基础设施对比基本情景的暴雨径流消减效率。

在P=99.9%和P=20%的暴雨条件下，社区模拟的总径流量分别为357.12 m³和1455.56 m³，径流峰值分别为19.89 m³/min和69.78 m³/min，表明随着降雨强度的增大，径流量和峰值显著增加。P=99.9%与P=20%重现期下的暴雨径流相比较，径流降雨比率从67.07%增加到87.87%，入渗降雨比率从23.89%降低到10.82% (表 2)。

常见的绿地和地面齐平，在大暴雨的情景下雨水流出绿地，并没有充分的发挥绿地的蓄渗能力。下凹式绿地利用下凹空间可以充分蓄积雨水，显著增加雨水入渗时间，具有渗蓄雨水和消减洪峰流量等优点^[38]。本研究的情景中，将平式绿地改造成低于周围路面5 cm，未考虑屋面和道路等不透水面径流流入绿地。在设计暴雨P=99.9%重现期下，下凹式绿地情景径流降雨比率降低到61.55%，入渗降雨比率增加到29.41%(表 2)，总径流量减少了8.23%，径流峰值减少了20.31%(表 3)；在P=20%设计暴雨事件下，下凹式绿地情景径流降雨比率降低到67.40%，入渗降雨比率增加到31.29%，总径流量减少了23.30%，径流峰值减少了29.11%。由于模拟的情景中下凹式绿地并没有考虑接纳不透水地面的径流，因此下凹绿地只是消减了绿地产生的大部分径流，造成了一年一遇暴雨径流削减的比例小于五年一遇削减比例。下凹式绿地对总径流量的消减效果较小，是由于绿地对社区总径流的贡献较低^[9]，在一年一遇和五年一遇的暴雨下分别占到总径流的7.0%和23.0%，因而调控雨洪的作用有限。国内的一些研究结果也证实了下凹式绿地相比于平式绿地良好的径流消减效果^{[39, 40, 41]}。下凹式绿地在大的降雨条件下径流消减效果略好于小的降雨条件，是由于更多的雨水被绿地截蓄入渗到土壤。下凹式绿地可以充分利用有限的绿地空间，增加绿地消减径流的潜力，增加绿地的雨水入渗能力，更进一步补充地下水。

考虑到城市雨水资源的短缺，社区内可建造地下调蓄池，收集存储雨水再利用。假设在小区雨水出口处建造一调蓄池，拟建容积为300 m³。与基本情景的模拟结果对比，在P=99.9%的设计暴雨事件下，调蓄池情景的降雨比率降低到10.13%(表 2)，总径流量减少了84.90%，径流峰值减少了88.99% (表 3)；在P=20%设计暴雨下，降雨比率降低到69.44%，总径流量减少了20.97%，径流峰值减少了0.10%。在2个暴雨重现期下，调蓄池的消减效果相差较大。在小的降雨事件下对总径流量和流量峰值的消减效果很好，但是在大的降雨下消减效果较差，这是因为调蓄池的调控能力是由自身的体积大小限制的。而且，由于设计的暴雨事件中，暴雨强度峰值靠后，在峰值来临之前，调蓄池的储水量已满，无调蓄作用，导致其对径流峰值的消减效果甚微。尽管调蓄池对径流的消减效果受到降雨量的影响波动较大，但是其更多的目的是收集和存储雨水。目前北京市正在居住小区内推广调蓄池建设，收集的雨水用来绿地灌溉、补充水景观和洗车等，实现暴雨径流的消减和雨水的资源化利用。值得注意的是，由于雨水季节性和成本因素，在工程实施中调蓄池的大小设计应充分考虑雨水利用效率和经济情况等^[41]。

随着城市化的快速发展，大量的不透水地表由于产流和汇流的迅速，增加了城市地区洪涝风险。采用渗透性良好的透水砖铺装路面是减少不透水面径流的有效途径之一^[42]。将50%的不透水面用混凝土透水砖铺装改造。与基本情景的模拟结果相比，在设计暴雨P=99.9%重现期下，透水砖铺装情景径流降雨比率降低到35.88%，入渗降雨比率增加到55.08%(表 2)，总径流量减少了46.51%，径流峰值减少了39.96% (表 3)；在P=20%设计暴雨事件下，透水砖铺装情景径流降雨比率降低到54.03%，入渗降雨比率增加到44.66%，总径流量减少了38.52%，径流峰值减少了35.48%。在2个暴雨重现期下相比较，透水砖铺装消减效果较稳定，但是在大的降雨事件下的消减效果略差于小的降雨事件，这是由于较大的雨强超过了透水铺装的渗透能力，雨水来不及入渗。透水路面通过入渗，在一定程度上恢复了自然的水文状况^[43]。由于透水路面减少和缓解了不透水地面的产流和汇流速率^{[42, 44, 45]}，因此能够有效缓解不透水路面的积水和内涝问题。

总的来说，结合以上的结果分析和不同情景下径流过程图的比较分析(图 5)得出：下凹式绿地和透水砖铺砖设施都有良好的消减径流量和径流峰值，以及增加雨水入渗量的效果。随着降雨强度的增加，下凹式绿地对径流的消减作用略增强，但是效果有限，透水砖铺装的消减效果比较稳定。调蓄池的消减效果取决于它自身的体积和降雨量大小。调蓄池和透水砖铺装设施都表现出在小的降雨事件下消减效果好于大的降雨事件下的现象，与他人的一些研究结果相类似^{[46, 47]}。因此需要综合这些设施的配置，来达到更好更稳定的消减效果^[48]。

图5 不同模拟情景下的径流过程比较 Fig.5 Comparison of runoff dynamic between different scenarios

图选项

与基本情景的模拟结果相比，在设计暴雨P=99.9%重现期下，综合情景下可以100%消减径流，入渗降雨比率增加到60.61%(表 2)；在P=20%设计暴雨事件下，综合情景的径流降雨比率降低到21.56%，入渗降雨比率增加到65.14%，总径流量减少了75.47%，径流峰值减少了64.52%(表 3)。与3个单独的设施情景相比，综合设施配置提高了径流消减效果，增强了不同降雨强度下的消减稳定性，在消减雨洪的同时，实现雨水入渗补给地下水和收集利用的效益。因此，合理设计综合的绿色基础设施配置可以达到最优的消减效果，实现雨洪调控和资源化利用，是科学可持续的雨洪管理途径之一^[22]。

随着城市化的快速发展，城市发展过程中面临的洪涝灾害和水资源匮乏等共性问题日益严重。如何科学和可持续的调控管理城市雨洪是城市规划和管理者面临亟待解决的问题和挑战。本文介绍了绿色基础设施模拟模型设计理念和计算过程，并利用野外实地监测的降雨和径流数据验证了模型的准确性。在模型验证的基础上，模拟分析了下凹式绿地、调蓄池、透水砖铺装和综合配置情景对社区暴雨径流的消减效果，并且比较分析了不同绿色基础设施径流消减效果的优缺点。单个设施的径流消减效果较好，但是消减作用有限，效果单一。综合绿色基础设施配置不仅具有良好的径流消减效果，而且可以实现雨水入渗土壤和收集利用的环境经济效益，是社区消减雨洪和雨水资源利用的最优实践措施之一。

与同类模型相比，本模型结合水量平衡和城市水文的特点，综合了产流计算的准确性和参数的简化，注重了模型的可操作性，使这一模型适用于实施前期合理设计和科学评估绿色基础设施的需要。然而，在情景模拟设计中未考虑下凹式绿地接纳邻近屋顶和周围不透水路面部分径流的情形，导致下凹式绿地只是消减了绿地产生的大部分径流，造成了在一年一遇暴雨事件下的径流削减比例小于五年一遇削减比例。因此今后研究中需要结合实际情形合理设计绿色基础设施与不透水屋面和路面的水文连接方式，进一步深入分析和讨论两者之间不同水文连接方式对消减效果的影响；以及用实地监测的绿色基础设施径流数据来验证其消减效果。