南京城市山体公园的3个结果与讨论
摘要
本研究对南京官窑山公园的4种水文分级调控策略（S1\sim S4）在场降水和典型年降水情景下的水文效益进行了分析。结果显示，水文效益总体表现为S4 \gt S3 \gt S2 \gt S1，其中S4（分级截流和调蓄）表现最佳。所有策略在应对高强度降水时均存在明显的边际效应，且在短历时（2h）降水情景下的水文性能优于长历时（6h）。在调蓄容积一定的情况下，分级截流设施（S2-S1）对于径流总量控制率的提升效果显著优于分级调蓄设施（S3-S2）。典型年降水分析表明，策略对于中小强度降水为主的年份控制率较好，但受到极端暴雨和连续降水事件的限制，控制率会明显下降。研究强调了在规划设计中应重视不同降水特征对水文性能的影响。
关键词
水文分级调控；场降水情景；典型年降水情景；水文效益；径流总量控制率（RVCA）；边际效应；分级截流；分级调蓄
2.1 场降水情景下水文分级调控效益
图7\sim 9分别反映了策略S1\sim S4在不同重现期2h和6h场降水情景下的RVol、RQ和RTc的变化情况。总体而言，增加分级截流或分级调蓄措施均能够较好地提升水文性能，总体表现为S4 \gt S3 \gt S2 \gt S1。不同重现期条件下，分级调控策略在2\sim 5年一遇中小强度降水下的水文性能表现较好，随着重现期的增加水文性能趋于平缓，最终表现为明显的边际效应，这与以往的研究结果一致[38-39]。不同降水延时条件下，策略S1\sim S4在2h降水事件的RVol、RQ和RTc均优于6h降水事件，其中在尖峰汇流时间延迟方面的差异最大。这主要是受降水总量和降水峰值时间的影响，也从另一个角度说明了分级调控策略在应对中小强度短历时降水时的水文性能优于强降水长历时降水情景。
出流总量的削减主要表现为对雨水径流的就地消纳和控制。如图7所示，策略S1\sim S4的RVol在2\sim 5年一遇情景下能够保持较高的削减率（62\% \sim 100\%），并随着重现期的增加而降低并趋于平缓。其中，S4能够显著提升出流总量的控制效果；S3与S2几乎持平且高于S1。调蓄容积一定的情况下，S3虽略高于S2，但S2相较于S1的提升效果（5\% \sim 14\%）显著高于S3相较于S2的提升效果（1\% \sim 2\%），即分级截流设施的提升效益优于分级调蓄设施（S2-S1 \gt S3-S2）。这说明出流总量的削减主要受到调蓄容积的影响。调蓄容积有限的情况下，增加分级截流设施也能有效削减径流总量。
尖峰流量的削减主要表现为对径流流量和流速的控制。如图8所示，与RVol表现一致，RQ在2\sim 5年一遇降水情景下能够保持较高的削减率。其中，S4能够非常显著地提升尖峰流量的削减效果。调蓄容积一定的情况下，S2和S3对于尖峰流量的削减表现与S1相近，虽然提升效果有限，但分散的截流和调蓄设施均表现出一定的积极作用，这与平地LID水文性能表现一致[22-24]。
尖峰汇流时间的延迟主要表现为推迟径流达峰所需时间。如图9所示，策略S1\sim S4在2h降水历时下的RTc显著优于6h，这与RVol和RQ的结果差异显著。受降水历时和峰值时间的影响，6h历时下的延时效率明显降低。S4在2h和6h均能够保持明显的优势，而调蓄容积一定的情况下，S2和S3相较于S1在2h历时下的延迟作用更为有效，长历时、高强度的降水使得土壤饱和、调蓄设施满载，分级调控措施的延时作用被削弱。
为了避免单一指标的不确定性，本研究将RVol、RQ和RTc整合为综合水文效益指标RCHP。如图10所示，RCHP集中表现了RVol、RQ和RTc三者特征。首先，针对高强度降水情景表现出的水文效益的边际效应，不建议该实践设定过高的控制目标，应充分发挥其在2\sim 10年一遇高频次降水事件的高效表现；其次，S4对于提升山体公园总体的水文性能表现突出，可优先选择。而在调蓄容积有限的条件下，策略S2和S3对于不同水文性能指标的积极作用不容忽视。
由图7\sim 10可知，分级设置截流设施除了截流作用，一定程度上还能够错峰调节和滞流山体雨水径流，补充有限的调蓄空间；而总量一定的情况下，分级设置调蓄措施对于提升山体径流总量的控制十分有限，但对于错峰调蓄和尖峰延迟的作用较分级截流设施突出。此外，S1\sim S4在2h降水历时的各水文性能指标和综合水文效益均优于6h情景，表明分级调控设施在短历时降水情景下更具优势。同时说明此类研究与实践应重视不同重现期、降水历时和连续降水事件对水文性能的影响。
2.2 典型年降水情景下水文分级调控效益
2015\sim 2020年降水情景下，各年份及年平均RVCA总体均随着分级调控策略的提升呈现上升态势（图 11）。S1\sim S4的年平均RVCA维持在81.13\% \sim 84.97\%（图 11-2），其中S4表现最佳，而S2与S3几乎持平，这与场降水情境下的结果相似。
由于不同年份降水量、雨强、持续时间等特征的较大差异，S1\sim S4在不同年份的控制率表现也不尽相同（图 11-1）。结合图6、11可知，由于2015年存在频繁的强降水事件，S1\sim S4的控制率均表现不佳（63.97\% \sim 68.91\%）；2019年降水总量最少，99\%的降水小于38.8mm，相应的4种方案的RVCA均表现极好（98.30\% \sim 98.82\%）；而极端降水事件和频繁的连续降水事件可能会限制分级调控策略对RVCA的提升，从2017和2018年的走势来看，S1\sim S4的控制率几乎持平（78.25\% \sim 81.21\%）。
总体来说，2015\sim 2020年，分级调控策略对于以中小强度降水为主的年份（2016、2019、2020年）的控制率较好，且随着分级调控措施的增加呈现明显的逐增趋势；而对于连续强降水事件频繁或存在极端强降水的年份（2015、2017、2018年），控制效果明显不如其他年份。受连续降水事件的影响，分级调控设施未能充分发挥其错峰截流和调蓄的作用。而极端降水事件的影响一定程度上反映了其在场降水情境下应对高重现期降水的边际效应。
RVC为策略S1\sim S4以BS为基准的年降水总量控制率提升效益。如图12所示，2015\sim 2020年各年份及年平均RVC均随着分级调控设施的增设而逐增。2018和2019年的提升效益较低，主要是因为2018年频繁的连续降水事件的影响；而2019年则是因为降水量普遍较小，提升空间有限。2017年由于存在单次近250mm的极端降水事件，造成S1\sim S4的提升效益十分相近。
以上表现从另一角度反映了2017\sim 2019年S1\sim S4的RVC几乎持平的原因。调蓄容积一定的情况下，S2和S3在RVC的表现与RVCA一致（图 11-2、12-2）； 而S2相对于S1的提升效益（S2-S1）明显高于S3相对于S2（S3-S2）。从分级调控设施对控制率的提升角度解读，调蓄容积一定的情况下，分级截流设施对于控制率的提升效果优于分级调蓄设施，这也与场降水水文效益结果一致。