陳鑫 喻良 鄭飛飛

摘 要：本文以貴陽(yáng)市某工業(yè)園海綿城市示范區(qū)為例，分別利用容積法與模型軟件法對(duì)示范區(qū)海綿城市建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)估。首先對(duì)比分析兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后深入分析結(jié)果差異化產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明，對(duì)海綿城市主要考核指標(biāo)（年徑流總量控制率、污染物去除率）的評(píng)估，兩者數(shù)據(jù)偏差分別為3.3%及7.11%，在可接受范圍。有其他考核指標(biāo)的地區(qū)（峰值流量削減率、峰現(xiàn)時(shí)間、管網(wǎng)排水能力評(píng)估、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）必須借助模型軟件。研究結(jié)論對(duì)國(guó)內(nèi)其他海綿城市設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：海綿城市設(shè)計(jì);容積法;水文水力模型;差異化

中圖分類號(hào)：TU992文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）28-0094-06

Abstract： Taking a sponge city demonstration area of an industrial park in Guiyang as an example， this paper evaluated the construction effect of the sponge city in the demonstration area by volume method and model software method respectively. Firstly， the advantages and disadvantages of the two methods were compared and analyzed， and then the reasons for the differences were analyzed in depth. The results showed that the data deviation of the main assessment indicators （annual runoff control rate， pollutant removal rate） of the sponge city were 3.3% and 7.11%， which were within the acceptable range. Areas with other assessment indicators （peak flow reductions， peak times， pipe network drainage assessment， waterlogging risk assessment） must rely on model software. The conclusion of the study is of great significance to the design and calculation of other sponge cities in China.

Keywords：sponge city design;volumetric method;hydrologic and hydraulic model;differentiation

近年來(lái)，內(nèi)澇災(zāi)害在我國(guó)大中城市凸顯，具有普發(fā)性、群發(fā)性和持續(xù)頻發(fā)性特征，已嚴(yán)重影響城市經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。例如，2011年和2012年，北京、上海、武漢、成都、杭州等國(guó)內(nèi)大城市相繼遭受暴雨，導(dǎo)致洪水淹城，給居民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。尤其是發(fā)生在2012年的北京“7·21”特大暴雨內(nèi)澇，導(dǎo)致79人死亡，163處不可移動(dòng)文物不同程度受損，10 660間房屋倒塌，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)116.4億元。為緩解我國(guó)城市內(nèi)澇問(wèn)題，同時(shí)改善水環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家提出了海綿城市建設(shè)戰(zhàn)略方針[1]。海綿城市的核心思想是通過(guò)將雨水管理與景觀設(shè)計(jì)相結(jié)合，綜合采用滲、滯、蓄、凈、用等多種措施，達(dá)到減輕排水系統(tǒng)負(fù)荷及降低水污染的作用[2]。

目前，國(guó)內(nèi)的海綿城市設(shè)計(jì)尚處于起步階段。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《指南》）建議通過(guò)容積法、流量法或水量平衡法等方法綜合計(jì)算確定設(shè)施規(guī)模;有條件的可利用模型模擬的方法確定設(shè)施規(guī)模[3]。

利用容積法計(jì)算海綿設(shè)施時(shí)，主要考慮LID蓄水層儲(chǔ)存水量，認(rèn)為儲(chǔ)存水量沒有從排水管網(wǎng)排出，而僅考慮下滲和蒸發(fā)。但在實(shí)際工程中，LID儲(chǔ)存水量也有可能經(jīng)過(guò)下排管重新回到排水管網(wǎng)中，進(jìn)而從排口排出。而且，容積法無(wú)法評(píng)估區(qū)域內(nèi)徑流峰值消減、管道排水能力以及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此，需要使用排水模型來(lái)評(píng)估海綿城市的建設(shè)效果。

筆者以貴陽(yáng)市某海綿示范區(qū)為研究對(duì)象，分別采用容積法和模型軟件方法進(jìn)行模擬計(jì)算，比較兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)結(jié)果差異化產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果對(duì)其他地區(qū)海綿城市設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域概況

貴陽(yáng)市某工業(yè)園規(guī)劃用地面積37.4hm2，綠地總面積8.1hm2，綠地率21.6%。該區(qū)域地勢(shì)北高南低，規(guī)劃用地呈三層階梯狀逐級(jí)降低，地面高程差為10m左右。該區(qū)域具有明顯的高原性季風(fēng)氣候，降雨量充沛，年降雨量為1 150～1 250mm。規(guī)劃用地類型主要為以電子信息產(chǎn)業(yè)為主的辦公樓與廠房，下墊面分布圖及用地經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表分別如圖1和表1所示。園區(qū)內(nèi)雨污分流，雨水從北面地勢(shì)高的區(qū)域流向南面較低的區(qū)域，雨水在南區(qū)經(jīng)過(guò)收集后進(jìn)入市政管網(wǎng)，雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年。當(dāng)?shù)睾＞d城市設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)為：年徑流總量控制率為80%;以SS為代表的污染物去除率為50%。

2 海綿城市設(shè)計(jì)方法

2.1 容積法

《指南》中指出，海綿城市設(shè)施以徑流總量和徑流污染為控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)施具有的調(diào)蓄容積一般應(yīng)滿足“單位面積控制容積”的指標(biāo)要求[3]。設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積一般采用容積法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如式（1）所示：

2.1.1 計(jì)算參數(shù)。相關(guān)計(jì)算參數(shù)為：匯水面積F=37.41hm2（規(guī)劃用地紅線面積）;設(shè)計(jì)降雨量H=27.3mm（當(dāng)?shù)?0%控制率降雨厚度）;綜合雨量徑流系數(shù)[φ]=0.62。將這些數(shù)據(jù)帶入式（1）可計(jì)算得出總調(diào)蓄雨水量V約為6 332m3。

2.1.2 海綿設(shè)施平面布置及子匯水區(qū)劃分。經(jīng)過(guò)數(shù)輪試算及優(yōu)化調(diào)整，最終得到海綿設(shè)施布置方案如圖2所示。結(jié)合建筑室外管網(wǎng)及景觀豎向地形劃分的子匯水區(qū)分區(qū)圖如圖3所示。綜合雨量徑流系數(shù)及子匯水區(qū)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.1.3 典型海綿設(shè)施計(jì)算。以簡(jiǎn)易型下沉綠地為例，下沉綠地構(gòu)造如圖4所示。

材質(zhì)選用（從上至下）：100mm超高;150mm滯水層;100mm覆蓋層，滲透系數(shù)為100～200mm/h;500mm厚種植土（換填），滲透系數(shù)為20～30mm/h;原土層，滲透系數(shù)設(shè)計(jì)取值為1.0×10-7m/h。

設(shè)匯水區(qū)域面積為1hm2，簡(jiǎn)易型下沉綠地面積S=500m2（根據(jù)《指南》[1]可知，生物滯留設(shè)施面積與匯水面積之比為5%～10%，計(jì)算取5%）。

《指南》中提出的滲透功能設(shè)施規(guī)模計(jì)算公式為：

簡(jiǎn)易型下沉綠地調(diào)蓄體積[VS]=滯水層體積+滲透設(shè)施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積。由于種植土及人工填料的孔隙率較低，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積可忽略不計(jì)。因此，計(jì)算得出[VS]=滯水層體積+排水層結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積=500×0.15=75m3。簡(jiǎn)易型下沉綠地滲透量[WP]=設(shè)施最外層材質(zhì)的滲透量。由于簡(jiǎn)易型下沉綠地的最外層材質(zhì)為原土，滲透系數(shù)為1.0×10-7m/h，因此計(jì)算得[S滲透面積]=504m2，[WP]=2.2m3。

綜上所述：簡(jiǎn)易型下沉綠地調(diào)蓄體積V=75+2.2=77.2m3。單位面積簡(jiǎn)易型下沉綠地調(diào)蓄體積=77.2/500≈0.154m3/m2。

根據(jù)本項(xiàng)目所采用的雨水花園的構(gòu)造詳圖同理可求得單位面積雨水花園調(diào)蓄體積約為0.31m3/m2。

2.1.4 典型子匯水區(qū)計(jì)算示例。以子匯水分區(qū)六（C6）為例，C6海綿設(shè)施平面布置見圖5。

已知C6匯水分區(qū)總面積為74 282m2，其中綠地面積為14 853m2，建筑及構(gòu)筑物屋面面積為33 077m2，車行道路面積為8 444m2，硬質(zhì)鋪裝面積為8 622m2，生態(tài)停車場(chǎng)面積為1 140m2，透水鋪裝面積為8 145m2。根據(jù)下墊面類型的加權(quán)平均所得C6匯水分區(qū)地塊綜合徑流系數(shù)[φ]為0.61。同時(shí)，根據(jù)《指南》中容積法計(jì)算所得[VC6]=1 237m3。

根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況及結(jié)合景觀效果，實(shí)際布置簡(jiǎn)易型下沉綠地面積為6 043m2，實(shí)際調(diào)蓄容積為[V1]=6 043×0.15=906.5m3;實(shí)際布置雨水花園面積為1 274m2，實(shí)際調(diào)蓄容積為[V2]=1 274×0.30=382.2m3;并設(shè)置滲透渠，長(zhǎng)度為520m，單位調(diào)蓄容積為300L/m（取自設(shè)備參數(shù)），調(diào)蓄容積為[V3]=520×0.3=156m3;因此，C6匯水分區(qū)的總調(diào)蓄容積[V實(shí)際=V1+V2+V3]=905.6+382.2+156=1 444m3。經(jīng)比較，[V實(shí)際>VC6]，該區(qū)域達(dá)標(biāo)。由容積法反推可求出此布置方案下地塊的實(shí)際控制降雨厚度為32mm，實(shí)際年徑流總量控制率約為84%。余下分區(qū)按此方法計(jì)算，具體數(shù)值詳見“全區(qū)計(jì)算一覽表”（見表3）。

2.1.5 全區(qū)計(jì)算一覽表。城市徑流污染物中，SS與其他污染物指標(biāo)具有相關(guān)性[4]。因此，面源污染消減量采用SS作為主要控制指標(biāo)，年SS總量去除率可采用《指南》的計(jì)算方法：年SS總量去除率=年徑流總量控制率×低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)SS的平均去除率。

按容積法最終計(jì)算得出的年徑流總量控制率為83%，以SS為代表的污染物去除率為57%。

2.2 模型方法

2.2.1 模型選擇及簡(jiǎn)介。對(duì)于本次研究，選用的模型軟件需要具備以下功能：①能模擬產(chǎn)匯流水文過(guò)程;②能模擬管道內(nèi)非恒定非均勻流的水力學(xué)過(guò)程;③能進(jìn)行二維積水及洪澇計(jì)算;④能進(jìn)行雨季和旱季連續(xù)長(zhǎng)期分析;⑤能模擬海綿設(shè)施對(duì)水文及水質(zhì)的影響。

Infoworks ICM（以下簡(jiǎn)稱ICM）是由英國(guó)Wallingford開發(fā)研制，可實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實(shí)地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用。除了具備上述所有功能外，其還提供了豐富的排水模型構(gòu)建工具、靈活的水力狀況統(tǒng)計(jì)分析工具，并且具有強(qiáng)大的模型管理功能。因此，本次研究選用ICM模型軟件。

2.2.2 模型構(gòu)建。為便于分析，本次選用ICM構(gòu)建了兩種情景模型：傳統(tǒng)開發(fā)模型和海綿開發(fā)模型。

2.2.2.1 傳統(tǒng)開發(fā)模型構(gòu)建思路。傳統(tǒng)開發(fā)模型是基于示范區(qū)詳細(xì)規(guī)劃藍(lán)圖，整理園區(qū)雨水管道的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)，最終可將示范區(qū)概化為包含8 860m雨水管網(wǎng)、443條管段、443個(gè)檢查井、7個(gè)排出口的模型（見圖6），起端管徑400mm，最大管徑1 500mm。

傳統(tǒng)開發(fā)雨水工藝流程較簡(jiǎn)單，硬質(zhì)區(qū)域產(chǎn)流直接通過(guò)道路雨水口進(jìn)入管網(wǎng)排出。將整個(gè)區(qū)域作為一個(gè)匯水區(qū)，然后通過(guò)泰森多邊形確定作為計(jì)算單元的子集水區(qū)，子集水區(qū)劃分如圖7所示。

2.2.2.2 海綿開發(fā)模型構(gòu)建思路。海綿開發(fā)模型是在傳統(tǒng)開發(fā)模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮海綿設(shè)施的布置重新梳理雨水徑流路徑。海綿開發(fā)雨水工藝流程如圖8所示。在布置海綿設(shè)施前后，分別將屋頂、道路、綠地、海綿設(shè)施等進(jìn)行分塊并分別設(shè)置為不同的子匯水區(qū)，然后在此基礎(chǔ)上利用泰森多邊形法確定作為計(jì)算單元的子集水區(qū)，最后設(shè)置地面徑流在各個(gè)設(shè)施之間的流動(dòng)關(guān)系，子集水區(qū)劃分如圖9所示。為模擬海綿設(shè)施對(duì)污染物的去除效果，在模型中模擬6—9月共94d的降雨條件下地表污染物的沖刷量及管道排放污染物總量，并計(jì)算污染物去除率。

2.2.3 設(shè)計(jì)降雨及參數(shù)設(shè)置。雨型是不同降雨歷時(shí)內(nèi)的暴雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征，采用不同降雨歷時(shí)的降雨過(guò)程線型來(lái)表達(dá)。本次研究通過(guò)模擬典型年降雨，得到年徑流總量控制率，典型年降雨是需要利用30a日降雨量系列資料通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算出[5]。但是，由于降雨資料的缺乏，本次研究使用的典型年降雨數(shù)據(jù)為1996年的貴陽(yáng)市全年降雨數(shù)據(jù);模擬單場(chǎng)設(shè)計(jì)降雨，得到峰值流量控制，單場(chǎng)設(shè)計(jì)降雨將設(shè)計(jì)降雨32mm按照芝加哥雨型制作成歷時(shí)2h，步長(zhǎng)5min的降雨過(guò)程線。計(jì)算公式為：

不同重現(xiàn)期下2h設(shè)計(jì)降雨量如表4所示。

2.2.4 模型模擬結(jié)果

2.2.4.1 傳統(tǒng)開發(fā)模型結(jié)果。用典型年降雨進(jìn)行模擬，在1996全年降雨（帶蒸發(fā)）條件下模擬，可得到傳統(tǒng)開發(fā)模式下全年徑流曲線、年徑流總量控制率。結(jié)果顯示，在總降雨為489 939.3m3的情況下，產(chǎn)生的年徑流（外排量）為286 620.3m3，年徑流總量控制率僅為41.50%;在32mm場(chǎng)降雨條件下，示范區(qū)能形成徑流7 641m3，峰值流量約為3.97m3/s。

2.2.4.2 海綿開發(fā)模型結(jié)果。以場(chǎng)降雨32mm模擬為例，總降雨量12 596m3，增加了低影響開發(fā)設(shè)施后，峰值產(chǎn)流量為0.59m3/s，出流量為1 737m3，峰值削減百分比為85.1%，峰值延遲5min，雨量控制比達(dá)86.2%。

2.2.4.3 傳統(tǒng)開發(fā)模型與海綿開發(fā)模型結(jié)果對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果如圖10至圖12及表5和表6所示。

以上結(jié)果表明，示范區(qū)在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，下墊面不透水程度大大增加，削減了雨水自然滲透與滯蓄的能力，使得徑流量與峰值流量都較大。在海綿開發(fā)模式下，由于海綿設(shè)施的加入，如透水鋪裝、下凹綠地及雨水花園等，大幅改善了下墊面的滲透系數(shù)，徑流量、峰值流量及污染物總量都得到了顯著削減。

此外，通過(guò)ICM模型對(duì)兩種開發(fā)模式下的管網(wǎng)及內(nèi)澇的評(píng)估，得出如表7所示的數(shù)據(jù)：海綿開發(fā)模式下的場(chǎng)地排水管網(wǎng)的排水能力得到提高（100%滿足5a重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)），并使場(chǎng)地內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)（50a內(nèi)澇重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)[6]）得以降低（紅色管段代表管道超負(fù)荷），場(chǎng)地內(nèi)面對(duì)超標(biāo)重現(xiàn)期降雨時(shí)積水狀況得到顯著改善（見圖13）。

3 差異化分析

①年徑流總量控制率：容積法結(jié)果為83%，ICM模型結(jié)果為86.3%，模擬結(jié)果和容積法結(jié)果接近，相比容積法，模型考慮了初期雨水扣損。

②污染物去除率（以SS為例）：容積法結(jié)果為57%，ICM模型結(jié)果為64.11%，容積法對(duì)于單項(xiàng)設(shè)施去除率取值偏保守，大部分取下限值。

③徑流峰值削減率：ICM模型結(jié)果為85.1%，峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲5min，容積法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

④管道排水能力及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：ICM模型可以給出直觀的管段分布圖及內(nèi)澇積水圖，容積法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

⑤容積法比較容易理解，可操作性強(qiáng)。模型法對(duì)建模工程師的素質(zhì)要求較高，需要一定的學(xué)習(xí)成本。

⑥對(duì)于一個(gè)既定的海綿區(qū)域，影響容積法結(jié)果的參數(shù)較少，主要參數(shù)為L(zhǎng)ID蓄水層的高度。而模型法往往還要涉及復(fù)雜的水力及水量計(jì)算，其結(jié)果受較多參數(shù)的影響，例如：降雨雨型、產(chǎn)匯流水文模擬參數(shù)等。

⑦在年徑流總量控制率和污染物方面，容積法更保守。

4 結(jié)論和建議

①對(duì)于海綿城市建設(shè)的主要控制指標(biāo)（年徑流總量控制率、徑流污染物去除率），容積法和模型模擬均可以實(shí)現(xiàn)，偏差分別為3.3%及7.11%，屬于可接受的范圍[7]。

②容積法僅能計(jì)算實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)所需的海綿設(shè)施的調(diào)蓄容積，對(duì)于峰值控制目標(biāo)由于需要結(jié)合雨型及產(chǎn)流過(guò)程線分析，容積法無(wú)法表達(dá)雨水徑流路徑的組織并計(jì)算海綿設(shè)施復(fù)雜的水文效應(yīng)以及評(píng)估其峰值削減效應(yīng)。對(duì)于削峰有明確要求的海綿城市設(shè)計(jì)項(xiàng)目需輔助以模型軟件的模擬，模型工具的選擇可綜合考慮項(xiàng)目的需求。

模型模擬能量化評(píng)估海綿設(shè)施及其布局方案對(duì)雨水徑流的控制效果，為海綿設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。建議采用多年降雨數(shù)據(jù)和本土參數(shù)作為模型輸入并在后續(xù)實(shí)施上結(jié)合監(jiān)測(cè)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)以更好地指導(dǎo)區(qū)域后續(xù)項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)。

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