李俊奇,李小靜,王文亮,劉 超,FANG Xing,袁冬海

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;2.中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì),北京 100835;3.北京建筑大學(xué)海綿城市研究院,北京 100044;4.北京市首都規(guī)劃設(shè)計(jì)工程咨詢開(kāi)發(fā)公司,北京 100031;5.美國(guó)奧本大學(xué)土木工程系,美國(guó) 奧本 36849-5337)

美國(guó)雨水徑流控制技術(shù)導(dǎo)則討論及其借鑒

李俊奇1,李小靜2,王文亮3,劉 超4,FANG Xing5,袁冬海1

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;2.中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì),北京 100835;3.北京建筑大學(xué)海綿城市研究院,北京 100044;4.北京市首都規(guī)劃設(shè)計(jì)工程咨詢開(kāi)發(fā)公司,北京 100031;5.美國(guó)奧本大學(xué)土木工程系,美國(guó) 奧本 36849-5337)

介紹美國(guó)能源獨(dú)立與安全法案(Energy Independence and Security Act,EISA)第438條基本情況, 438條文實(shí)施的技術(shù)導(dǎo)則的核心理念是要求項(xiàng)目開(kāi)發(fā)采取原位滯留雨水的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”或“低影響開(kāi)發(fā)”,以滲透、蒸發(fā)/蒸騰、儲(chǔ)存回用的途徑來(lái)減少雨水徑流外排量,以恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文狀態(tài)為目標(biāo),從而緩解項(xiàng)目開(kāi)發(fā)帶來(lái)的系列水環(huán)境問(wèn)題,這與我國(guó)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》一致。在介紹第438條基本情況的基礎(chǔ)上,對(duì)美國(guó)環(huán)保署發(fā)布的“關(guān)于實(shí)施聯(lián)邦項(xiàng)目執(zhí)行EISA 438條文的雨水徑流減排技術(shù)導(dǎo)則”中的實(shí)施方法進(jìn)行了分析和討論,介紹了美國(guó)其他聯(lián)邦部門(mén)及地區(qū)根據(jù)438條文對(duì)雨水管理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的補(bǔ)充規(guī)定,旨在為我國(guó)海綿城市建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供借鑒。關(guān)鍵詞：城市雨水;EISA438條文;低影響開(kāi)發(fā);雨水源頭控制;技術(shù)導(dǎo)則

1 背景及意義

在美國(guó),城市雨水徑流是導(dǎo)致水環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵因素。城市建設(shè)中大量非透水表面阻止了雨水向地下滲透,使工程項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)產(chǎn)生的徑流以遠(yuǎn)超過(guò)自然狀態(tài)下的流量、流速和水量向外排放,加劇了城市內(nèi)澇、水土侵蝕,產(chǎn)生了水體污染負(fù)荷增加、徑流溫度升高等多方面影響。解決雨水問(wèn)題的關(guān)鍵是盡力保護(hù)及恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文狀態(tài),美國(guó)國(guó)會(huì)要求聯(lián)邦機(jī)構(gòu)從國(guó)家層面帶頭采用綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure,GI)和低影響開(kāi)發(fā)(low impact development,LID)以減少雨水帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題。

美國(guó)國(guó)會(huì)2007年頒布了“能源獨(dú)立與安全法案(Energy Independence and Security Act,EISA)”,其中第438條是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目雨水徑流的要求:所有占地面積超過(guò)465 m2的新建和改建聯(lián)邦建設(shè)項(xiàng)目的發(fā)起者,應(yīng)采取場(chǎng)地規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理的策略,在最大程度技術(shù)可行(maximum extent technically feasible,METF)的原則之下,維持及恢復(fù)建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前雨水的徑流溫度、流量、徑流總量和匯流時(shí)間方面的水文狀態(tài)。

但在第438條法令頒布的初期,聯(lián)邦機(jī)構(gòu)配合新法律采取實(shí)質(zhì)性的行動(dòng)很少,因此該法令并未得到很好執(zhí)行。直到2009年10月,奧巴馬總統(tǒng)簽署了關(guān)于“聯(lián)邦層面要在環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)績(jī)效方面帶頭”的13514號(hào)行政指令,號(hào)召所有聯(lián)邦機(jī)構(gòu)要在解決包括雨水徑流在內(nèi)的環(huán)境問(wèn)題中起帶頭作用。其中,總統(tǒng)行政指令第14條(編制聯(lián)邦機(jī)構(gòu)雨水導(dǎo)則)中,明令要求美國(guó)環(huán)保署(USEPA)在該指令發(fā)出的60d之內(nèi)與其他相關(guān)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào),提出針對(duì)438號(hào)條文的實(shí)施導(dǎo)則[1]。這一指令使編寫(xiě)和發(fā)布技術(shù)導(dǎo)則的任務(wù)正式而明確地分配給了USEPA。2009年12月,USEPA公開(kāi)下發(fā)了關(guān)于“聯(lián)邦工程項(xiàng)目實(shí)施EISA 438條文雨水徑流控制技術(shù)導(dǎo)則(以下簡(jiǎn)稱(chēng)438技術(shù)導(dǎo)則)”[2]。

2 438技術(shù)導(dǎo)則的主要內(nèi)容

USEPA發(fā)布的438技術(shù)導(dǎo)則介紹了新的雨水管理規(guī)定的背景、效益和成果、適用性和定義、如何滿足438條文規(guī)定的實(shí)施手段、95%降雨場(chǎng)次降雨量的計(jì)算方法,并以案例的形式說(shuō)明了最大程度技術(shù)可行的原則，在滿足對(duì)設(shè)計(jì)降雨的徑流體積控制要求的前提下因地制宜地規(guī)劃和選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施或低影響開(kāi)發(fā)措施。

2.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

438條文對(duì)聯(lián)邦政府新建改建項(xiàng)目雨水徑流的管理進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定,目標(biāo)是以建設(shè)項(xiàng)目為單位,控制建設(shè)項(xiàng)目引起的場(chǎng)地雨水徑流總量增加、峰值流量增大、峰值持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、徑流污染和徑流溫度升高5方面的影響。

為遵守438條文,USEPA發(fā)布的438技術(shù)導(dǎo)則為各聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)和部門(mén)提供了兩種選擇:①截留95%降雨場(chǎng)次的雨水;②根據(jù)場(chǎng)地具體條件進(jìn)行水文模擬分析以確保開(kāi)發(fā)后與開(kāi)發(fā)前的水文條件一致,并確定源頭控制設(shè)施的設(shè)計(jì)徑流減排體積。由于水文模擬分析復(fù)雜,“截留95%降雨場(chǎng)次的雨水”這一指標(biāo)性的要求成為438條文落實(shí)到建設(shè)項(xiàng)目的核心,也引領(lǐng)了其他地方政府及聯(lián)邦部門(mén)雨水管理標(biāo)準(zhǔn)的制定和核編。

438技術(shù)導(dǎo)則指出了截留和控制95%降雨場(chǎng)次的雨水的依據(jù),認(rèn)為95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的雨水總量似乎能最好地代表自然條件下能夠完全下滲的雨量,這部分雨水徑流應(yīng)進(jìn)行源頭或項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)控制。438技術(shù)導(dǎo)則給出了詳細(xì)的技術(shù)信息,介紹了如何統(tǒng)計(jì)分析日降雨數(shù)據(jù)來(lái)確定和計(jì)算95%降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量。在術(shù)語(yǔ)上,438技術(shù)導(dǎo)則指出了降雨場(chǎng)次可用日降雨場(chǎng)次來(lái)分析計(jì)算, 即用歷史降雨記錄階段的24h(2 d零點(diǎn)之間)累計(jì)降雨量,并指出降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)年限至少為10～30年。導(dǎo)則列出了美國(guó)21個(gè)城市的95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨深度。

在技術(shù)可行的地區(qū),選擇①的原則是將項(xiàng)目占地面積內(nèi)小于等于95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的降雨應(yīng)全部控制而不外排至地表水體。在某些情況下,雨水被收集和利用,并最終排放至地表水體或城市水處理系統(tǒng)。這些直接或間接的雨水徑流排放都需要取得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的許可。超過(guò)95%降雨場(chǎng)次之外的雨水可以通過(guò)溢流排放或轉(zhuǎn)輸至其他容納處。

選擇②是通過(guò)連續(xù)模擬分析場(chǎng)地的雨水設(shè)計(jì)措施及規(guī)劃使雨水系統(tǒng)能維持開(kāi)發(fā)前水文狀態(tài),它允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行場(chǎng)地水文分析確定開(kāi)發(fā)前徑流情況,可取代選擇①的體積估算方法。選擇②是根據(jù)場(chǎng)地具體條件和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料通過(guò)采用連續(xù)模擬模型技術(shù)、已公開(kāi)的資料和研究結(jié)果等其他已有工具來(lái)確定開(kāi)發(fā)前的水文條件。若設(shè)計(jì)者用選擇②,則要確定開(kāi)發(fā)前的場(chǎng)地條件,計(jì)算開(kāi)發(fā)后的徑流體積、峰值流量和溫度,來(lái)確保其不超過(guò)開(kāi)發(fā)前的值。

可以看出,438技術(shù)導(dǎo)則是以控制開(kāi)發(fā)過(guò)程中的水文狀態(tài)為目標(biāo),可以通過(guò)用“控制率”(如95%降雨場(chǎng)次)的方式來(lái)確定雨水徑流控制設(shè)施的設(shè)計(jì)降雨深度,從而確定其規(guī)模(這是通過(guò)控制中小降雨事件來(lái)最終實(shí)現(xiàn)徑流體積和污染物總量控制);也可以通過(guò)模型模擬技術(shù)來(lái)保證開(kāi)發(fā)過(guò)程中水文狀態(tài)不變,根據(jù)場(chǎng)地的具體條件靈活選擇核算以攔截、滲透、蒸發(fā)、收集利用等源頭管理途徑為核心的綠色基礎(chǔ)設(shè)施/低影響開(kāi)發(fā)(GI/LID)的規(guī)模。

圖1 438技術(shù)導(dǎo)則中低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 技術(shù)框架

438技術(shù)導(dǎo)則指出,要因地制宜地選擇GI/LID措施來(lái)滲透、集蓄利用雨水,通過(guò)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)控制方式實(shí)現(xiàn)徑流減排目標(biāo)。具體實(shí)施過(guò)程中,當(dāng)受場(chǎng)地內(nèi)用地條件,如場(chǎng)地大小、土壤類(lèi)型、植物、用水需求等制約時(shí),還可在臨近的有條件的聯(lián)邦政府項(xiàng)目?jī)?nèi)建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施,即通過(guò)場(chǎng)地外的設(shè)施綜合達(dá)到徑流減排目標(biāo)。同時(shí),空間較足的地塊可將多余的調(diào)蓄能力出讓,接納其他地塊的徑流雨水并收取維護(hù)管理費(fèi)用。具體技術(shù)框架和路線見(jiàn)圖1[2]。

2.3 最大程度技術(shù)可行性

最大程度技術(shù)可行性是438條文中雨水管理措施設(shè)計(jì)時(shí)必須符合的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者通過(guò)這個(gè)原則來(lái)確定項(xiàng)目場(chǎng)地中維持或恢復(fù)水文條件的措施類(lèi)型。設(shè)計(jì)者應(yīng)評(píng)估項(xiàng)目場(chǎng)地的選擇以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)在技術(shù)上最大程度可行性。這一準(zhǔn)則要求充分應(yīng)用可以接受的以及合理的雨水滯留和利用技術(shù),要考慮場(chǎng)地條件(如場(chǎng)地大小、土壤類(lèi)型、植物、雨水回用需求)和監(jiān)管限制,以及現(xiàn)有雨水結(jié)構(gòu)物限制等,所有這些場(chǎng)地具體的限制條件均明文列出。如果場(chǎng)地內(nèi)的可用地?zé)o法滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),GI/LID設(shè)施可以在附近有條件實(shí)施的聯(lián)邦政府項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行。

2.4 常用設(shè)施

常用的GI/LID設(shè)施以分散式小型設(shè)施為主，但又不限于小型設(shè)施,如雨水花園、生物滯留、滲蓄花壇、透水鋪裝、植被淺溝、屋頂綠化、樹(shù)池、小型濕地、本土植物的植被恢復(fù)、保護(hù)及加強(qiáng)河岸緩沖帶和洪泛平原,雨水集蓄利用(如灌溉水、暖通空調(diào)補(bǔ)充水、室內(nèi)非飲用水)等。選擇這些措施的原因是:多數(shù)情況下可以節(jié)約成本,提升整體環(huán)境效益;徑流污染物去除能力強(qiáng),可去除的污染物種類(lèi)多;控制徑流體積和流量的效果好,效能高且節(jié)能,適用于多種場(chǎng)地以及新建項(xiàng)目和改建項(xiàng)目,可在場(chǎng)地、街區(qū)、區(qū)域等多種尺度建設(shè)中應(yīng)用。

2.5 實(shí)施成本

最初設(shè)計(jì)施工階段成本可能會(huì)較高,但是相比于傳統(tǒng)雨水措施,使用GI/LID措施會(huì)使得項(xiàng)目全過(guò)程費(fèi)用降低。USEPA于2007年發(fā)布《Reducing Stormwater Costs through LID Strategies and Practices》[3],通過(guò)17個(gè)案例對(duì)傳統(tǒng)措施和GI/LID措施的成本情況進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,多數(shù)案例中,GI/LID措施比傳統(tǒng)措施節(jié)約15%～80%的成本,具體包括:減少了滯留塘的使用;減少了雨水及合流制排水管道溢流的處理和傳輸系統(tǒng),如管道、儲(chǔ)水構(gòu)筑物、雨水處理設(shè)施和其他相關(guān)設(shè)施;縮小道路寬度，減少步行道面積,從而節(jié)約材料;減少大型工程雨水控制設(shè)施的占地面積等。

3 計(jì)算方法

438技術(shù)導(dǎo)則有3個(gè)步驟:①對(duì)多年24 h降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量;②選擇一種水文方法計(jì)算設(shè)計(jì)降雨在一個(gè)工程項(xiàng)目中產(chǎn)生的徑流量;③選擇合適規(guī)模的GI/LID設(shè)施來(lái)截留設(shè)計(jì)降雨產(chǎn)生的徑流。在項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)最大程度技術(shù)可行的原則下,采用各種GI/LID設(shè)施組合實(shí)現(xiàn)截留徑流量的設(shè)計(jì)目標(biāo),若場(chǎng)地內(nèi)的GI/LID設(shè)施組合無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),則考慮場(chǎng)地外的設(shè)施來(lái)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。以上是采用438技術(shù)導(dǎo)則選擇①的技術(shù)路線。若采用選擇②,則步驟①②都用水文模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 95%降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量

95%降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量是指在一個(gè)降雨記錄階段內(nèi)95%場(chǎng)次的降雨量小于或等于該降雨量(從小到大排序時(shí)95百分位對(duì)應(yīng)的降雨量)。如確定95%年降雨場(chǎng)次是在某具體的地點(diǎn),則將連續(xù)多年的24 h降雨量(單位為mm)制成表格,計(jì)算出來(lái)的這些年95百分位在多年降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的降雨量就是設(shè)計(jì)降雨量,這意味著至少有95%的24 h降雨量比這個(gè)設(shè)計(jì)降雨量要小,且至少有5%的降雨量比這個(gè)值要大。438技術(shù)導(dǎo)則中,列出了如何計(jì)算某具體地點(diǎn)的95%降雨場(chǎng)次計(jì)算方法:①?gòu)木嚯x建設(shè)項(xiàng)目最近的氣象站獲得長(zhǎng)期(至少10年,最好30年或更長(zhǎng)時(shí)間)的日降雨記錄;②剔除降雨量不大于2.5 mm的降雨和降雪事件,因?yàn)槠洳划a(chǎn)生徑流;③在Excel表格中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,利用PERCENTILE函數(shù)計(jì)算出95百分位的降雨量?？捎媒涤陥?chǎng)次的百分位為橫坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量(降雨深度)為縱坐標(biāo)繪制成曲線。圖2顯示北京市95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量是51.9 mm。

圖2 以北京1951—2012年24 h降雨數(shù)據(jù)為例計(jì)算累計(jì)降雨場(chǎng)次對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量曲線

3.2 需控制雨水徑流量的計(jì)算

接下來(lái)將計(jì)算出的降雨場(chǎng)次對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量轉(zhuǎn)化為需要控制的雨水徑流量。438技術(shù)導(dǎo)則指出,用于計(jì)算雨水徑流量的推算公式、水文模型等技術(shù)有多種,主要包括合理公式法、TR-55曲線法、SWMM、直接推算法、HSPF、QUALHYMO等[2]。這些計(jì)算方法和技術(shù)各有適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn),其中直接推算法與SWMM的徑流計(jì)算方法原理相近,并且可以使用簡(jiǎn)單表格進(jìn)行計(jì)算。該方法的原理是通過(guò)降雨量Rf扣除洼地儲(chǔ)存S和入滲損失量L來(lái)計(jì)算控制徑流量R：

R=Rf-S-L

(1)

a. 采用霍頓入滲方程計(jì)算入滲損失。

ft=fmin+(fmax-fmin)e-kt

(2)

式中:ft為t時(shí)刻的滲透速率,mm/s;fmin為最小滲透速率,即飽和時(shí)滲透速率,mm/s;fmax為最大滲透速率,即初始時(shí)滲透速率,mm/s;k為滲透速率衰減參數(shù),1/h;t為降雨或雨水徑流排至可滲透地面的時(shí)間,h。

由式(2)計(jì)算24 h內(nèi)不同時(shí)間的滲透速率fi(i=1, 2, …,n,n+1, …),以0.5 h為時(shí)間間隔(Δt),再用式(3)計(jì)算第n時(shí)間段內(nèi)的滲透量。

(fΔt)n=[(fn-1+fn)/2]Δt

(3)

24 h總?cè)霛B量L24為

(4)

b. 基于95%降雨場(chǎng)次降雨深度計(jì)算不同下墊面的徑流深度(量)。

屋面:

R屋面=Rf-95%-S

(5)

硬質(zhì)鋪裝:

R鋪裝=Rf-95%-S

(6)

透水地表:

R透水地表=Rf-95%-S-L

(7)

式中:Rf-95%為95%降雨場(chǎng)次的降雨量,通過(guò)繪制場(chǎng)次降雨累計(jì)曲線(圖2)得出;洼地儲(chǔ)存(初始損失)S取值為: 屋面2.5 mm,鋪裝2.5 mm,透水地表5.1 mm。

場(chǎng)地內(nèi)總設(shè)計(jì)徑流深度計(jì)算公式為

(8)

式中,R屋面、R鋪裝、R透水地表分別為屋面、鋪裝、透水地表下墊面95%降雨場(chǎng)次降雨的徑流深度,mm;A屋面、A鋪裝、A透水地表分別為屋面、鋪裝、透水地表下墊面面積,m2;A場(chǎng)地為場(chǎng)地內(nèi)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目占地總面積,m2。

c. 不同控制設(shè)施的設(shè)計(jì)儲(chǔ)水深度。

生物滯留:最高25 cm(根據(jù)存儲(chǔ)體積平衡、植物生長(zhǎng)介質(zhì)深度、地表面積限制進(jìn)行必要的調(diào)整);綠色屋頂:2.5 cm(介質(zhì)高度為6.35 cm,40%的孔隙率);透水鋪裝:10 cm(介質(zhì)高度為25.4 cm,40%的孔隙率)。

3.3 設(shè)計(jì)案例——選擇合適大小的GI/LID設(shè)施來(lái)截留設(shè)計(jì)降雨的徑流

438技術(shù)導(dǎo)則介紹了利用場(chǎng)地內(nèi)GI/LID措施截留95%降雨場(chǎng)次設(shè)計(jì)降雨產(chǎn)生的徑流量的9個(gè)案例,其中前8個(gè)案例利用GI/LID設(shè)施實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)截留95%降雨場(chǎng)次設(shè)計(jì)降雨產(chǎn)生的徑流量,第9個(gè)案例是一個(gè)老舊小區(qū)改造的特殊案例。由于老舊區(qū)域改造場(chǎng)地條件受不透水率高的限制,場(chǎng)地內(nèi)GI/LID設(shè)施只能截留95%降雨場(chǎng)次設(shè)計(jì)降雨產(chǎn)生的徑流量的75%,剩余部分的徑流只能排到場(chǎng)地外,要考慮場(chǎng)地外的設(shè)施來(lái)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 聯(lián)邦政府部門(mén)或地方設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的更新與延伸

美國(guó)國(guó)防部的統(tǒng)一設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)是在新的政策法規(guī)438條文頒布之后于2010年根據(jù)USEPA發(fā)布的技術(shù)導(dǎo)則對(duì)2004年發(fā)布的LID標(biāo)準(zhǔn)的修訂,修訂的原因是在2010年1月19日美國(guó)國(guó)防部負(fù)責(zé)設(shè)施和環(huán)境的部門(mén)“Deputy Under Secretary of Defense, Installation and Environment”發(fā)出指令要求國(guó)防部的所有下屬部門(mén)采取GI/LID技術(shù)以落實(shí)438技術(shù)導(dǎo)則。由于認(rèn)識(shí)到不同州的管理要求可能會(huì)影響到GI/LID具體的設(shè)計(jì)因素和實(shí)踐,因此,在滿足438技術(shù)導(dǎo)則設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下,具體措施的設(shè)計(jì)方面,場(chǎng)地設(shè)計(jì)者應(yīng)參考州及地方的標(biāo)準(zhǔn)。在沒(méi)有州及地方標(biāo)準(zhǔn)的情況下,參考馬里蘭州和喬治亞州環(huán)境資源部門(mén)發(fā)布的LID手冊(cè)[4]。

紐約州2010和2015年頒布的《紐約州雨水管理設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]對(duì)水質(zhì)控制體積(Water Quality Volume,VWQ)有規(guī)定,建議池塘、濕地、下滲或過(guò)濾設(shè)施、明渠和許多可達(dá)到水質(zhì)控制體積要求的GI設(shè)施,采用馬里蘭州提出的在美國(guó)東北部常見(jiàn)控制90%降雨場(chǎng)次控制率。VWQ一般計(jì)算方法為

VWQ=P90%RVA

(9)

式中:P90%為90%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的降雨深度;A為設(shè)計(jì)場(chǎng)地面積;RV為體積徑流系數(shù),根據(jù)場(chǎng)地的不透水面覆蓋率i而定,其計(jì)算公式為

RV=0.05+0.009i

(10)

438技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定了設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)雨水徑流源頭控制系統(tǒng)時(shí),采用收集、減排、利用和處理的綠色雨水管理措施,阻止不大于95%降雨場(chǎng)次的降雨量外排,并利用連續(xù)模型模擬分析和評(píng)價(jià)匯流時(shí)間、下游河道水質(zhì)、水量、生物和水生環(huán)境的可持續(xù)性等不超過(guò)開(kāi)發(fā)前的水文特征。

438條文規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是目前最為嚴(yán)格的,首先在聯(lián)邦政府的項(xiàng)目中得到應(yīng)用,起到了帶頭作用,后來(lái)在污染較為嚴(yán)重的美國(guó)核心流域切薩皮克灣地區(qū)得到執(zhí)行。95%年降雨場(chǎng)次隨后出現(xiàn)在2010年的《切薩皮克灣流域聯(lián)邦政府土地管理導(dǎo)則》[6]及2013年的《哥倫比亞雨水管理導(dǎo)則》[7]?！陡鐐惐葋営晁芾韺?dǎo)則》在2003年版手冊(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅修訂。2013年版《哥倫比亞雨水管理導(dǎo)則》中的雨水體積標(biāo)準(zhǔn)體系在原標(biāo)準(zhǔn)上新增了“雨水源頭滯留體積(Stormwater Retention Volume,VSR)”。設(shè)計(jì)降雨標(biāo)準(zhǔn)為80%～90%降雨場(chǎng)次控制率,分為3個(gè)級(jí)別:一般開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為80%;一般重要的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(如阿納卡斯蒂亞海濱開(kāi)發(fā)區(qū))為85%;重大土地侵?jǐn)_開(kāi)發(fā)項(xiàng)目90%。只要不是聯(lián)邦政府項(xiàng)目, 設(shè)計(jì)降雨標(biāo)準(zhǔn)可低于95%降雨場(chǎng)次控制率。VSR的計(jì)算公式為

VSR=P(RVII+RVCC+RVNN)SA

(11)

式中:P為降雨場(chǎng)次控制率(分別為80%、85%、90%)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨深度;RVI為不透水面的徑流系數(shù),取0.95;RVC為壓實(shí)地表的徑流系數(shù),取0.25;RVN為自然地表的徑流系數(shù),取0.00;I、C、N分別為不透水面、壓實(shí)地表和自然地表所占總面積的百分比;SA為開(kāi)發(fā)項(xiàng)目占地總面積。

式(11)實(shí)際用于估算降雨產(chǎn)生的徑流體積(也即GI/LID設(shè)施設(shè)計(jì)的下滲或滯留體積)。

哥倫比亞特區(qū)的阿納卡斯蒂亞海濱開(kāi)發(fā)區(qū)需要執(zhí)行2012年的阿納卡斯蒂亞海濱區(qū)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)修正法案,還要滿足水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)VWQ,其計(jì)算的方法是在95%降雨場(chǎng)次對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量扣除場(chǎng)地的源頭滯留措施削減體積之后,需要采取水質(zhì)控制措施的徑流體積,若場(chǎng)地內(nèi)不能滿足要求再去衡量采取場(chǎng)地外措施處理徑流雨水所需要的體積。這一標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了鼓勵(lì)采用GI/LID技術(shù),通過(guò)源頭滯留可減少雨水水質(zhì)控制體積,WQv計(jì)算公式為

VWQ=[P95%(RVII+RVCC+RVNN)SA]-VSR(12)

式中:P95%為95%降雨場(chǎng)次對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨深度。

值得注意的是,美國(guó)一些州的標(biāo)準(zhǔn)在修訂中紛紛納入了源頭下滲回補(bǔ)的標(biāo)準(zhǔn),下滲回補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)是包含在水質(zhì)控制體積之內(nèi)的。設(shè)置地下水回補(bǔ)體積標(biāo)準(zhǔn)的目的,是場(chǎng)地開(kāi)發(fā)時(shí)維持現(xiàn)有地下水補(bǔ)給率。明確要求控制開(kāi)發(fā)后設(shè)計(jì)下滲回補(bǔ)的體積,是為了使開(kāi)發(fā)前的年地下水回補(bǔ)量的損失最小。雨水下滲有助于保護(hù)開(kāi)發(fā)前的地下水位,以及維持河流和濕地在非雨季條件下的水文狀態(tài)。雨水下滲回補(bǔ)能降低雨水管理設(shè)施的總體規(guī)模及費(fèi)用。目前,下滲控制標(biāo)準(zhǔn)主要有:降雨初期12.7 mm降雨量對(duì)應(yīng)的徑流量;居住區(qū)維持開(kāi)發(fā)前下滲量的90%,非居住區(qū)維持開(kāi)發(fā)前下滲量的60%;最大程度維持開(kāi)發(fā)前后年均下滲量不變，或2年一遇24 h降雨開(kāi)發(fā)前后增加的徑流量需下滲[8]。

5 對(duì)438技術(shù)導(dǎo)則的剖析和討論

從主要目的看,438技術(shù)導(dǎo)則首先是從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),控制雨水徑流污染、維持及恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文狀態(tài)。438技術(shù)導(dǎo)則提供的第一個(gè)選擇是用適宜的規(guī)劃和選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施或低影響開(kāi)發(fā)措施來(lái)控制和截留降雨產(chǎn)生的徑流。降雨是一種隨機(jī)性強(qiáng)的自然現(xiàn)象,美國(guó)環(huán)保署選擇24 h(2 d零點(diǎn)之間)降雨深度來(lái)計(jì)算95%降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量,這個(gè)數(shù)據(jù)在許多的城市和氣象站都是易于獲得的。我國(guó)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》)提出的“年徑流總量控制率”主要是從水文控制的角度出發(fā),它是雨水源頭控制的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。王文亮等[9]指出《指南》中的“年徑流總量控制率”實(shí)為年雨量控制率。事實(shí)上,在工程實(shí)踐中,該指標(biāo)的落實(shí)是通過(guò)控制降雨產(chǎn)生的徑流來(lái)實(shí)現(xiàn)的,相關(guān)雨水設(shè)施的規(guī)模也可按照設(shè)計(jì)降雨量標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)徑流體積計(jì)算來(lái)確定,也就是說(shuō),實(shí)際工程控制的仍是徑流,只是統(tǒng)計(jì)分析的是雨量。從這個(gè)意義上講,《指南》中“年徑流總量控制率”和438技術(shù)導(dǎo)則的第一個(gè)選擇有相同的內(nèi)涵,盡管確定設(shè)計(jì)降雨量的方法不完全一致。

美國(guó)438技術(shù)導(dǎo)則和我國(guó)《指南》都提倡用GI/LID設(shè)施來(lái)控制和截留頻率較小降雨產(chǎn)生的徑流總量。Shestha等[10]2013年采用438技術(shù)導(dǎo)則的方法計(jì)算美國(guó)206個(gè)城市85%、90%和95%日降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量,并與1年重現(xiàn)期24h降雨量進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)95%日降雨場(chǎng)次的設(shè)計(jì)降雨量?jī)H僅大約為1年重現(xiàn)期24h降雨量的1/2。王文亮等[9]對(duì)中國(guó)10個(gè)城市日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出95%降雨場(chǎng)次和85%年雨量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量,發(fā)現(xiàn)美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)高于《指南》的標(biāo)準(zhǔn),截留95%的降雨場(chǎng)次或85%年雨量控制率的設(shè)計(jì)降雨產(chǎn)生的徑流都是遠(yuǎn)低于現(xiàn)行市政排水和內(nèi)澇防治的控制標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)控制雨水徑流污染,維持及恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文狀態(tài),都是有極大好處和貢獻(xiàn)的。

從圖1的技術(shù)路線,應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到95%降雨場(chǎng)次所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量是一個(gè)為選擇合適大小的GI/LID設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)或設(shè)計(jì)指標(biāo)。各工程項(xiàng)目場(chǎng)地具體條件不同,GI/LID設(shè)施組合對(duì)徑流的控制率是不確定的。《指南》中的“年徑流總量控制率”也是得出一個(gè)設(shè)計(jì)降雨量。Shestha等[11]2013年討論建議用不同降雨間隔時(shí)間(無(wú)雨時(shí)間、6、8、12、24、48、72 h)的多年小時(shí)降雨數(shù)據(jù)來(lái)確定每場(chǎng)降雨的雨量,再得出95%降雨場(chǎng)次設(shè)計(jì)降雨量。發(fā)現(xiàn)用多年小時(shí)降雨數(shù)據(jù)得出的設(shè)計(jì)降雨量平均11%～100%大于日降雨數(shù)據(jù)得出的95%降雨場(chǎng)次控制率所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量,但是多年24h或日降雨量在許多的城市都是比較容易獲得的,有益于438技術(shù)導(dǎo)則的落實(shí)執(zhí)行,因此仍是可取的方法。

此外,值得注意的是,EISA 438是美國(guó)的一個(gè)聯(lián)邦法規(guī),各聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)都必須遵守,但438技術(shù)導(dǎo)則明確指出導(dǎo)則不是法規(guī),僅作為指導(dǎo)幫助聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、測(cè)量和評(píng)估如何遵守EISA 438法規(guī)條文的一些具體選擇和方法,并不替代現(xiàn)有的法規(guī)或條例。EISA 438作為聯(lián)邦法規(guī),給出對(duì)聯(lián)邦政府項(xiàng)目新的雨水管理規(guī)定的框架,但如何去實(shí)現(xiàn)和達(dá)到維持和恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文條件的目標(biāo),沒(méi)有作詳細(xì)的規(guī)定。正因?yàn)槿绱?才有美國(guó)環(huán)保署438技術(shù)導(dǎo)則。美國(guó)許多聯(lián)邦法規(guī)和各州的法規(guī)或條例都有類(lèi)似關(guān)系。在美國(guó),聯(lián)邦法規(guī)少,州、縣的法規(guī)或條例多。當(dāng)然州、縣的法規(guī)或條例不能和聯(lián)邦法規(guī)相抵觸和矛盾,一般有更具體、更可行的規(guī)定。聯(lián)邦政府新建改建項(xiàng)目既要遵守EISA 438聯(lián)邦法規(guī),也要遵守項(xiàng)目所在地的州、縣的法規(guī)或條例。事實(shí)上,在438技術(shù)導(dǎo)則發(fā)布之前,有的州、縣已有類(lèi)似的雨水管理規(guī)定,如要求截留85%或90%降雨場(chǎng)次的雨水。

當(dāng)然,由于438技術(shù)導(dǎo)則不是法規(guī),具體的聯(lián)邦政府項(xiàng)目也可不按其具體選擇和方法去做,只要能證明其做法是遵守EISA 438法規(guī)條文就行。如,為執(zhí)行遵守EISA 438法規(guī)條文和技術(shù)導(dǎo)則,須將設(shè)計(jì)降雨量轉(zhuǎn)換為徑流體積,可用438技術(shù)導(dǎo)則中的直接推算法,也可用其他許多水文方法去計(jì)算徑流體積,或某項(xiàng)目完全可以不用霍頓入滲方程來(lái)計(jì)算入滲損失。所有聯(lián)邦政府項(xiàng)目關(guān)鍵點(diǎn)是遵守EISA 438法規(guī)條文,但法規(guī)條文和技術(shù)導(dǎo)則都給出空間和余地,讓每個(gè)項(xiàng)目的管理和工程技術(shù)人員發(fā)揮其創(chuàng)造力,靈活機(jī)動(dòng)地達(dá)到目標(biāo)。

6 對(duì)我國(guó)海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制定的借鑒

可以看出,美國(guó)的GI/LID也是在逐漸地完善,并得到重視,上升到法律層面,政府項(xiàng)目帶頭示范。各州雨水許可、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中均體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)后維持及恢復(fù)開(kāi)發(fā)前的水文狀態(tài),采取源頭滯留、最大化滲透作用、地下水回補(bǔ)要求這些新理念及標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)邦設(shè)施的能源獨(dú)立與安全法案、綠色建筑認(rèn)證/綠色設(shè)計(jì)、各州的雨水管理規(guī)范、新MS4雨水許可等的共同作用,均推動(dòng)了美國(guó)雨水管理的革新。2015年,我國(guó)以試點(diǎn)的方式啟動(dòng)了全國(guó)海綿城市建設(shè)工作,目前全國(guó)30個(gè)中央財(cái)政支持海綿城市建設(shè)試點(diǎn),為我國(guó)雨水管理和海綿城市建設(shè)探路。這與美國(guó)聯(lián)邦政府項(xiàng)目率先示范起帶動(dòng)作用,異曲同工。中國(guó)未來(lái)區(qū)分項(xiàng)目類(lèi)型(政府的、私營(yíng)的等)和投資性質(zhì),確定率先要遵循的準(zhǔn)則,也不失為一個(gè)良策。

我國(guó)發(fā)布的《指南》與438技術(shù)導(dǎo)則在國(guó)家層面的作用接近,海綿城市已作為我國(guó)國(guó)家層面戰(zhàn)略發(fā)展方向,《指南》也充分發(fā)揮了作為全國(guó)各城市進(jìn)行海綿城市規(guī)劃建設(shè)的重要技術(shù)參考性文件的作用。目前,多數(shù)試點(diǎn)城市已經(jīng)或正在編制地方層面的海綿城市建設(shè)方面的專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)導(dǎo)則等指引性文件,也遇到了很多困惑,如有的過(guò)于細(xì)化指標(biāo)和措施種類(lèi),一定程度上限制了方案的靈活性和適宜性。具體到項(xiàng)目本身落地層面,更應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)場(chǎng)地條件的分析,雖然看上去最大程度技術(shù)可行的原則是比較抽象的概念,但這也是基于項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)用地性質(zhì)等條件,在規(guī)劃、設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和尋找出路的途徑,到底需要多少設(shè)施,場(chǎng)地可以建多少設(shè)施,設(shè)施能不能匯集雨水、能收集多大匯水面積上的雨水,就地滯留多少雨水,分析清楚了才能確保控制目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。438技術(shù)導(dǎo)則指出每個(gè)設(shè)施的最終設(shè)計(jì)和竣工圖紙應(yīng)由專(zhuān)業(yè)的注冊(cè)工程師審查,要樹(shù)立執(zhí)行法規(guī)的嚴(yán)肅性和一致性,更要對(duì)法規(guī)條文和技術(shù)導(dǎo)則給出一定空間和余地,讓每個(gè)項(xiàng)目的管理和工程技術(shù)人員,發(fā)揮其創(chuàng)造力,以靈活機(jī)動(dòng)地達(dá)到目標(biāo)，又遵守法規(guī)或條例。

對(duì)于已建成老城區(qū),海綿城市技術(shù)能夠起到彌補(bǔ)現(xiàn)有排水設(shè)施能力不足、減少?gòu)搅魑廴镜茸饔?。在美?guó)這種已有多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的國(guó)家,老城區(qū)實(shí)現(xiàn)GI/LID也是十分困難的,438技術(shù)導(dǎo)則以案例的形式說(shuō)明了適當(dāng)降低目標(biāo)。在我國(guó),由于場(chǎng)地條件限制,可允許設(shè)計(jì)改建項(xiàng)目的場(chǎng)地內(nèi)雨水滯留控制要求比新建項(xiàng)目有所降低,但前提是需要根據(jù)最大限度可行性進(jìn)行分析。針對(duì)改造項(xiàng)目的特點(diǎn),特別強(qiáng)調(diào)盡量減少不透水面積,采用綠色屋頂、下沉式綠地、透水鋪裝等小的分散式GI/LID措施,充分與現(xiàn)有排水設(shè)施結(jié)合。條件有限的情況下,在場(chǎng)地外提供一個(gè)等量的彌補(bǔ)處理設(shè)施,可以進(jìn)行雨水滯留調(diào)蓄權(quán)交易。

隨著《指南》的發(fā)布和全國(guó)多個(gè)試點(diǎn)城市的規(guī)劃建設(shè),我國(guó)海綿城市建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)逐步完善。其中,源頭控制的核心指標(biāo)年徑流總量控制率的實(shí)現(xiàn)途徑并不限制其控制方式,可選擇下滲、集蓄和凈化等多種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前,我國(guó)海綿城市建設(shè)指標(biāo)中暫沒(méi)有限制這幾部分的具體要求。特別是從模擬自然狀態(tài)水文循環(huán)的實(shí)質(zhì)出發(fā),需要保證一定的雨水下滲量,而集蓄或凈化后排放的雨水量根據(jù)實(shí)際情況確定,建議各地在確定雨水源頭控制指標(biāo)時(shí),結(jié)合具體情況,可明確下滲量等各部分的控制標(biāo)準(zhǔn),但具體方式還應(yīng)根據(jù)不同城市的具體情況來(lái)確定。

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Technical guidance for stormwater runoff control in United States and its significance

LI Junqi1, LI Xiaojing2,WANG Wenliang3,LIU Chao4,FANG Xing5, YUAN Donghai1

(1.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment(MinistryofEducation),BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 2.ChineseSocietyforUrbanStudies,Beijing100835,China; 3.InstituteofSpongeCity,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 4.CapitalUrbanPlanningandDesignConsultingDevelopmentCorporation,Beijing100031,China; 5.DepartmentofCivilEngineering,AuburnUniversity,Auburn36849-5337,USA)

In this paper, we discuss section 438 of the Energy Independence and Security Act (EISA) of the United States. The intention of the technical guidance for section 438 of EISA is to maintain or restore the predevelopment site hydrology, which can be achieved through the use of green infrastructure/low impact development (GI/LID) by infiltration, evaporation/transpiration, and stormwater collection, in order to solve water environmental problems due to land development projects. This is similar to the goal of Sponge City Technical Guide for Urban Development in China. Based on an introduction of section 438 of the EISA, we analyze and discuss the implementation of the Technical Guidance for Implementing the Stormwater Runoff Requirements for Federal Projects under Section 438 of the EISA developed by the United States Environmental Protection Agency (USEPA). In addition, we introduce the supplementary provisions of stormwater management design criteria developed by other federal departments and local government according to section 438 of the EISA, providing references for constituting criteria for sponge city construction in China.

urban stormwater; section 438 of EISA; LID; stormwater source control; technical guidance

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.002

國(guó)家自然科學(xué)基金(51478026)；北京市社會(huì)科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(14CSA001)；北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目(UDC2016040100)

李俊奇(1967—)，男，教授，博士，主要從事雨水控制利用和環(huán)境管理政策研究。E-mail：jqli6711@vip.163.com

TU991

A

1004-6933(2017)02-0006-07

2016-12-16 編輯：彭桃英)