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通过瑞典马尔默案例，研究蓝-绿雨水改造对防洪效率的影响
摘要
本文通过建立一维（1D）下水道和二维（2D）地表径流水动力耦合模型，对著名的蓝-绿雨水改造工程（瑞典马尔默的Augustenborg）的防洪效率进行了评估。模拟的结果表明，蓝-绿雨水系统能够有效控制城市内城集水区的局部地表洪水，使总淹没面积减少了70%。然而，地下室淹水仍可能是一个潜在的问题，这取决于上游地区通过合流下水道流入的水量。此外，本文还对蓝-绿改造与周围管道系统的相互作用进行了研究。结果表明，蓝-绿改造使峰值流量减少了约80%，并使径流趋于平缓。这对以下游管道为边界的集水区来说是一个很大的优势，因为它们不会从改造后的集水区接收到相当于大暴雨的径流，而是相对比较温和的降雨量。如果主要以管道为边界的集水区的上游地区实施蓝-绿改造会更加有效，因为产生的径流量会减少和排放的水量平稳，有利于整个的下游管网。从上游向下游实施蓝-绿改造被认为是一种可持续的方法。
关键词：蓝-绿改造；大暴雨；城市排水；防洪减灾；改造；暴雨
引言
1.1背景
根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2013年发布的第5次评估报告，在世界上的一些地区（包括北欧和斯堪的纳维亚），气候变化造成了更为强烈和频繁的降雨（Collins等人，2013）。欧盟成员国的气候的现状是破坏性的暴风雨和大暴雨频繁发生，并由此而造成经济损失（Jongman等人，2014）。根据瑞典气象水文研究所（SMHI）提供的定义：大暴雨是指最小降雨量为50毫米每小时，或短期降雨量达到1毫米每分钟(SMHI，2011)。
对于大多数的欧洲城市而言，由于大暴雨产生的径流量太大而不能通过传统的污水管网（分流制或合流制）进行处理。这些管网通常被设计用来管理某种程度的降雨。例如，在瑞典，城市核心区域的现有排水系统是按照10年重现期（RI）的雨量进行设计的（SWWA，2004），相对应的降雨量为26毫米每小时。意味着城市规划者接受每十年可能发生一次洪水的风险。然而，随着气候变化，由于暴雨发生得更频繁，使得该标准变得不足。从设计的角度来看，传统的设计标准不足之处可以通过增加设计重现期的同时，考虑气候因素进行弥补（SWWA，2016）。
一般来说，不论是分流制还是合流制的污水管网都被认为是管道-边界管网，即使分流制管网克服了地下室淹水的问题，但是它们仍然会超载，从而在大暴雨期间涌向城市地面。事实上，城市地面洪水泛滥可能会比地下室淹水更有害，因为它可能影响城市应急服务的流动性和反应能力，使之瘫痪。因此，目前仍然对处理大暴雨和管路-边界式排水系统减轻雨洪的可用替代解决方案进行着讨论。这些替代方案主要可分为：1）基于缓冲区的解决方案，即增加地下排水“系统”的水力容量，如蓄水池、雨水渠和泵（Yazdi等人，2011）；2）以表面为基础的措施，减少产生的径流的体积和强度，也称为蓝绿雨水解决方案（Yong 等人，2011）。与管道-边界的解决方案相比，在系统和集水区之间存在一个明显的边界，在蓝绿系统的框架内系统和集水区的定义是紧密结合不可分割的（Haghighatafshar等人，2017）。然而，在管道-边界式污水管网背景下，蓝绿雨水系统的集水区被视为具有较长滞后时间的表面/集水区。
尽管已有的研究结果表明蓝绿雨水系统能够缓解大暴雨期间的洪水，但是在规划设计行业和决策者们似乎对该类系统的功能仍然有些犹豫（Liu等人，2014；Souml;rensen，2016）。在城市水综合管理的背景下，高层的决策者和政策的制定者方面存在不确定的因素，导致缺乏强有力的政治承诺—水资源综合管理（Mitchell，2006；Rauch等人，2005）。这可能是当局无法做出具体决定以及分配明确责任和资源的原因之一（Tingsanchali，2012）。因此，它对系统地实施蓝绿改造政策时需要建立完善的法律和监管框架时产生了负面影响，特别是在城市的核心地区（Souml;rensen等人，2016）。犹豫不决的一个潜在原因可能是缺乏对流域规模的蓝绿改造系统进行足够的研究。因此，为城市的规划者和决策者提供研究和讨论是当务之急，这可以帮助他们更清楚地了解蓝绿替代方案的功能和影响（Viavattene和Ellis，2013）。
1.2蓝-绿雨水系统
雨水控制措施（SCM）作为蓝绿雨水系统的组成部分，在径流管理和防洪减灾方面已经在文献中进行了讨论。重要的是要考虑到，这些措施根据实施的规模而不同，在城市环境中达到不同的目的（Demuzere等人）。据此，建议进行以下分类：
- 微尺度，其中单个SCM，例如。在特定场地条件下进行研究，如绿色屋顶、浸水坑、湿地和多孔沥青混凝土。
- 中尺度，即由几个SCM组成，在集水区/社区范围内实施的规模。
- 宏观尺度，通过它，蓝绿雨水系统的集水区被置于一个更广泛的背景中，并从基础设施的角度进行研究，并产生整个城市的后果。
还应该指出，本文关于蓝绿雨水系统的定义仅限于在集水区表面方面。因此，诸如废水滞留池等地下措施并没有被定义为蓝绿改造的解决方案。在这方面，蓝绿雨水系统被视为防止现有管网进一步超载的预防措施，而管道-边界式污水管网的地下滞留池则可视为补救措施，以纾缓现有管网的容量限制。
单一的SCM(即微观尺度，局部实现的）由于滞留能力有限（如绿色屋顶)，并不能有效地抵御大暴雨。相反，蓝绿雨水改造系统(即中尺度，在城市集水区几个SCMs的组合形式)在防洪减灾方面是有效的，这一点已经被许多学者证明（Ahiablame和Shakya，2016；Jato-Espino等人，2016；Liu等人，2014）。
从这个角度来看，蓝绿系统的功能不同，这取决于它们的实施区域（Biesbroek等人，2010；Heidrich等人，2013；Jato-Espino等人，2016）。通常位于郊区的新开发项目，可以很容易地利用这些系统与专用的（单独的）污水管网相连。在这种情况下，建设的蓝绿系统位于集水区的最上游点，将暴雨径流输运到最近的受纳水体。当对狭窄的内城地区进行蓝绿系统改造时，形式变得更加困难。在这些情况下，由于在城市核心区不一定总是存在收纳水体，因此实施的系统将与现有的污水管网相连。了解城市基础设施中不同组部分之间的相互作用是可持续气候适应计划的关键（Mottaghi等人，2016）。因此，有必要从基础设施的角度评估蓝绿雨水系统出发，将讨论提升到一个更高的水平。
1.3研究目的
关于单个SCMs（即微观尺度）效率的研究数量评价是丰富的。然而，人们对了解SCMS在蓝绿雨水系统中的集体效应及其与城市现有污水管网的相互作用的关注较少。必须注意的是，中尺度蓝绿雨水系统的改造过程有两个明显的后果。首先，改造通过实施的SCMS在开放系统中进行局部径流，其次，改造将集水区与上游下水道管网集水区隔离/断开。因此，本研究旨在提出可持续实施蓝绿雨水系统的策略，并通过以下途径对系统的功能和影响提供更深入的见解：
- 评估现有的蓝绿雨水改造与当地洪水缓解（中尺度：处理当地径流）。
- 分析洪水过程，研究改造与周围管道排水系统（中尺度：集水区隔离界面的相互作用）。
2.研究方法
本研究采用了基础设施的视角，包括雨水和废水收集系统的不同部分。目标流域、上游和下游的蓝绿色实施以及可能的相互作用。所采用的方法是瑞典著名的奥古斯登堡基于模型的案例研究(图1）。
2.1案例研究区域
图1.Augustenborg生态城市（标有一颗星星）与Malmo的下水道基础设施有关。箭头表示组合污水管网中的一般流向。背景图由马尔默市提供(马尔默斯塔德)。
奥古森堡的雨水系统是在20世纪90年代末重建的，在频繁的地下室淹水之后，该地区的径流与合流制污水管网断开连接，而是通过实施蓝绿雨水系统在地表进行局部处理。在改造过程中，大多数已实施的SCM是在低于建筑物临界洪水高程的海拔处建造的。此外，诸如操场和庭院/草坪等公共空间也在海拔上降低。通过这种方式，不仅保护了住宅建筑免受可能的洪水侵袭，而且还向居民区提供了更大的保留量。
现有的地下管道系统仍然是市政下水道网络的一部分，在改造后，a)接收来自奥古斯登堡家庭的家庭废水，b)雨水和联合污水集水区上游地区的生活废水。连接的上游集水区也是发达地区，总有效不透水面积约为33公顷。
图2显示了Augustenborg地区不同的副渔获物及其相应的系统。研究区域包括两个主要的子流域，其中有蓝绿的改造（北部和南部的改造分别为6.3和9.5公顷），还有一个较小的部分（3.5公顷），通过一个单独的雨水管道系统排水。这三个系统最终都通过图示连接点连接到马尔默的市政污水管网。有关Augustenborg次集水区的更多细节，请参阅Nordlouml;f（2016）。
2.2模型概念
本研究中使用的模型概念基于1D/2D结合模型，其中使用1D模型(MIKEurban)描述管网，并使用2D模型（MIKE21）描述陆路流量。连接MIKEurban和MIKE21的集成软件被命名为MIKE洪水（DHI，2017）。为Augustenborg建立了MIKE FLOOD模型，分别模拟了现有的蓝绿雨水系统和重建前的情况。对这两种情况的比较，使从排水基础设施的角度来实现对已实施的蓝绿改造的中尺度评估成为可能。
2.2.1Augustenborg的改造后模型
Augustenborg的改造后模型描述了该地区现状的雨水系统。该模型描述了独立的管网、蓝绿雨水系统的池塘和运河，以及该区域的地形（根据图3).
1D和2D中模型组件的分布。水力模型包括两个动态耦合子模型，雨水网络的1D（MIKE城市）模型和集水面的2D（MIKE21）模型。流域不同地区的降雨-径流建模采用了不同的建模方法，与Chang等人采用的方法相似（2015）。图3显示了表面和模型组件如何在1D和2D模型之间的分布。在直接连接的不透水区域(DCIA)上，如屋顶和路面上，降雨直接应用于1D模型。这些表面的径流采用径流系数恒定的平均表面速度的时面积法计算。在透水表面，如公园和由开放雨水系统排水的不透水表面，所有的降雨都直接应用到2D模型上。表面径流采用2D浅水方程进行计算。1D模型用于模拟蓝绿系统中管网和管道的水力学。
在2D模型中，渗透被建模为水槽。水被从表面去除，其入渗率取决于给定的最大入渗能力和每个时间步骤中的可用地表水体积，这反过来也受到地表水速度的影响。一旦达到最大渗透能力，土壤饱和，水将以较慢的速度从表面去除，对应于土壤的水压。这样，就有可能模拟透水表面饱和并开始导致径流的情况。
MIKE21模型与MIKEURBA N模型动态耦合，实现了水力管网中陆上流量和流量的同时建模。利用这种方法，该模型可以模拟陆上水流向液压管网的排水以及人孔堆载。用Weir方程描述了一维域和二维域之间的交换流。
MIKE城市模型设置：在现有管网数据库和实地考察的基础上，建立了描述Augustenborg系统管道和开放运河的MIKEURBA N模型。最初的模型设置是由Shukri（2010）构建的。
MIKE21模型设置：MIKE21模型的空间分辨率为。该模型包括数字高度模型(DEM)、描述渗透层的参数和描述表面摩擦阻力的参数。渗透参数和摩擦参数具有空间分布。初始参数值根据土地使用情况确定，并在校准过程中进行迭代调整。
模型参数：表1显示了一维和二维模型中使用的基本参数的调整值。通过模拟深度为13.6、15.6、深度为22.8毫米（尖端为0.2毫米），调整输入参数，如渗透率、渗透层深度、孔隙度和摩擦值（Manningrsquo;s n），利用主流区域速度流量计监测子流域的相应径流。关于参数估计过程的更多信息在Nordlouml;f（2016）中描述。
图2管道系统：奥古森堡的南北蓝绿改造及其与市政污水管网的连接点。连接点标记为CPn，cpp-b和CPs分别是北方改造、管道汇水和南方改造的排放点。注意，流动是在西北方向，即。朝向连接点。图中显示了不同类型的SCMS：DP：干池；Di：雨水沟；SW：沼泽；WP：湿池；VC：植被通道；IB：渗透盆地；GR：绿色屋顶。背景图片：GSD-Orthophoto，由瑞典测绘、地籍和土地登记管理局提供（为了解释图中对颜色的引用，请参考本文的网络版本）。
图3.模型组件在1D(MIKEURBAN)和2D(MIKE21)模型中的分布
模型边界和边界条件：对在模型边界与周围管网交界处引入边界条件的一维模型，也使用相同的模型边界。界面上的水位和流量是从当地自来水公司提供的马尔莫市整个管网的一个更大的1D模型中收集的，该模型是从当地自来水公司提供的整个马尔莫市管网的一个更大的1D模型中收集的。
表1. MIKE洪水径流模型的输入参数
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土地利用 |
2D模型参数 |
1D模型参数 |
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Manningrsquo;s n*（s/） |
渗透率（mm/h） |
渗流层中的储存量(mm) |
漏损率**（mm/h） |
地表径流速度（m/s） |
径流系数（-） |
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