美國雨水徑流控制技術(shù)導則討論及其借鑒

李俊奇,李小靜,王文亮,劉 超,FANG Xing,袁冬海

(1.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室,北京 100044;2.中國城市科學研究會,北京 100835;3.北京建筑大學海綿城市研究院,北京 100044;4.北京市首都規(guī)劃設(shè)計工程咨詢開發(fā)公司,北京 100031;5.美國奧本大學土木工程系,美國 奧本 36849-5337)

美國雨水徑流控制技術(shù)導則討論及其借鑒

李俊奇1,李小靜2,王文亮3,劉 超4,FANG Xing5,袁冬海1

(1.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室,北京 100044;2.中國城市科學研究會,北京 100835;3.北京建筑大學海綿城市研究院,北京 100044;4.北京市首都規(guī)劃設(shè)計工程咨詢開發(fā)公司,北京 100031;5.美國奧本大學土木工程系,美國 奧本 36849-5337)

介紹美國能源獨立與安全法案(Energy Independence and Security Act,EISA)第438條基本情況, 438條文實施的技術(shù)導則的核心理念是要求項目開發(fā)采取原位滯留雨水的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”或“低影響開發(fā)”,以滲透、蒸發(fā)/蒸騰、儲存回用的途徑來減少雨水徑流外排量,以恢復開發(fā)前的水文狀態(tài)為目標,從而緩解項目開發(fā)帶來的系列水環(huán)境問題,這與我國《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,對美國環(huán)保署發(fā)布的“關(guān)于實施聯(lián)邦項目執(zhí)行EISA 438條文的雨水徑流減排技術(shù)導則”中的實施方法進行了分析和討論,介紹了美國其他聯(lián)邦部門及地區(qū)根據(jù)438條文對雨水管理設(shè)計標準進行的補充規(guī)定,旨在為我國海綿城市建設(shè)相關(guān)標準的制定提供借鑒。關(guān)鍵詞：城市雨水;EISA438條文;低影響開發(fā);雨水源頭控制;技術(shù)導則

1 背景及意義

在美國,城市雨水徑流是導致水環(huán)境問題的一個關(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,使工程項目場地內(nèi)產(chǎn)生的徑流以遠超過自然狀態(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)生了水體污染負荷增加、徑流溫度升高等多方面影響。解決雨水問題的關(guān)鍵是盡力保護及恢復開發(fā)前的水文狀態(tài),美國國會要求聯(lián)邦機構(gòu)從國家層面帶頭采用綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure,GI)和低影響開發(fā)(low impact development,LID)以減少雨水帶來的水環(huán)境問題。

美國國會2007年頒布了“能源獨立與安全法案(Energy Independence and Security Act,EISA)”,其中第438條是對建設(shè)項目雨水徑流的要求:所有占地面積超過465 m2的新建和改建聯(lián)邦建設(shè)項目的發(fā)起者,應(yīng)采取場地規(guī)劃、設(shè)計、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,維持及恢復建設(shè)項目場地開發(fā)前雨水的徑流溫度、流量、徑流總量和匯流時間方面的水文狀態(tài)。

但在第438條法令頒布的初期,聯(lián)邦機構(gòu)配合新法律采取實質(zhì)性的行動很少,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)濟績效方面帶頭”的13514號行政指令,號召所有聯(lián)邦機構(gòu)要在解決包括雨水徑流在內(nèi)的環(huán)境問題中起帶頭作用。其中,總統(tǒng)行政指令第14條(編制聯(lián)邦機構(gòu)雨水導則)中,明令要求美國環(huán)保署(USEPA)在該指令發(fā)出的60d之內(nèi)與其他相關(guān)聯(lián)邦機構(gòu)進行協(xié)調(diào),提出針對438號條文的實施導則[1]。這一指令使編寫和發(fā)布技術(shù)導則的任務(wù)正式而明確地分配給了USEPA。2009年12月,USEPA公開下發(fā)了關(guān)于“聯(lián)邦工程項目實施EISA 438條文雨水徑流控制技術(shù)導則(以下簡稱438技術(shù)導則)”[2]。

2 438技術(shù)導則的主要內(nèi)容

USEPA發(fā)布的438技術(shù)導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)定的實施手段、95%降雨場次降雨量的計算方法,并以案例的形式說明了最大程度技術(shù)可行的原則，在滿足對設(shè)計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)施或低影響開發(fā)措施。

2.1 控制標準

438條文對聯(lián)邦政府新建改建項目雨水徑流的管理進行了嚴格的規(guī)定,目標是以建設(shè)項目為單位,控制建設(shè)項目引起的場地雨水徑流總量增加、峰值流量增大、峰值持續(xù)時間延長、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)導則為各聯(lián)邦政府機構(gòu)和部門提供了兩種選擇:①截留95%降雨場次的雨水;②根據(jù)場地具體條件進行水文模擬分析以確保開發(fā)后與開發(fā)前的水文條件一致,并確定源頭控制設(shè)施的設(shè)計徑流減排體積。由于水文模擬分析復雜,“截留95%降雨場次的雨水”這一指標性的要求成為438條文落實到建設(shè)項目的核心,也引領(lǐng)了其他地方政府及聯(lián)邦部門雨水管理標準的制定和核編。

438技術(shù)導則指出了截留和控制95%降雨場次的雨水的依據(jù),認為95%降雨場次所對應(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)進行源頭或項目場地內(nèi)控制。438技術(shù)導則給出了詳細的技術(shù)信息,介紹了如何統(tǒng)計分析日降雨數(shù)據(jù)來確定和計算95%降雨場次的設(shè)計降雨量。在術(shù)語上,438技術(shù)導則指出了降雨場次可用日降雨場次來分析計算, 即用歷史降雨記錄階段的24h(2 d零點之間)累計降雨量,并指出降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計年限至少為10～30年。導則列出了美國21個城市的95%降雨場次所對應(yīng)的設(shè)計降雨深度。

在技術(shù)可行的地區(qū),選擇①的原則是將項目占地面積內(nèi)小于等于95%降雨場次所對應(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)管機構(gòu)的許可。超過95%降雨場次之外的雨水可以通過溢流排放或轉(zhuǎn)輸至其他容納處。

選擇②是通過連續(xù)模擬分析場地的雨水設(shè)計措施及規(guī)劃使雨水系統(tǒng)能維持開發(fā)前水文狀態(tài),它允許設(shè)計者進行場地水文分析確定開發(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)場地具體條件和當?shù)貧庀筚Y料通過采用連續(xù)模擬模型技術(shù)、已公開的資料和研究結(jié)果等其他已有工具來確定開發(fā)前的水文條件。若設(shè)計者用選擇②,則要確定開發(fā)前的場地條件,計算開發(fā)后的徑流體積、峰值流量和溫度,來確保其不超過開發(fā)前的值。

可以看出,438技術(shù)導則是以控制開發(fā)過程中的水文狀態(tài)為目標,可以通過用“控制率”(如95%降雨場次)的方式來確定雨水徑流控制設(shè)施的設(shè)計降雨深度,從而確定其規(guī)模(這是通過控制中小降雨事件來最終實現(xiàn)徑流體積和污染物總量控制);也可以通過模型模擬技術(shù)來保證開發(fā)過程中水文狀態(tài)不變,根據(jù)場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/低影響開發(fā)(GI/LID)的規(guī)模。

圖1 438技術(shù)導則中低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 技術(shù)框架

438技術(shù)導則指出,要因地制宜地選擇GI/LID措施來滲透、集蓄利用雨水,通過項目場地內(nèi)控制方式實現(xiàn)徑流減排目標。具體實施過程中,當受場地內(nèi)用地條件,如場地大小、土壤類型、植物、用水需求等制約時,還可在臨近的有條件的聯(lián)邦政府項目內(nèi)建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施,即通過場地外的設(shè)施綜合達到徑流減排目標。同時,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管理費用。具體技術(shù)框架和路線見圖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)計時必須符合的標準。設(shè)計者通過這個原則來確定項目場地中維持或恢復水文條件的措施類型。設(shè)計者應(yīng)評估項目場地的選擇以實現(xiàn)設(shè)計目標在技術(shù)上最大程度可行性。這一準則要求充分應(yīng)用可以接受的以及合理的雨水滯留和利用技術(shù),要考慮場地條件(如場地大小、土壤類型、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,所有這些場地具體的限制條件均明文列出。如果場地內(nèi)的可用地無法滿足設(shè)計目標,GI/LID設(shè)施可以在附近有條件實施的聯(lián)邦政府項目場地內(nèi)進行。

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、樹池、小型濕地、本土植物的植被恢復、保護及加強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,可去除的污染物種類多;控制徑流體積和流量的效果好,效能高且節(jié)能,適用于多種場地以及新建項目和改建項目,可在場地、街區(qū)、區(qū)域等多種尺度建設(shè)中應(yīng)用。

2.5 實施成本

最初設(shè)計施工階段成本可能會較高,但是相比于傳統(tǒng)雨水措施,使用GI/LID措施會使得項目全過程費用降低。USEPA于2007年發(fā)布《Reducing Stormwater Costs through LID Strategies and Practices》[3],通過17個案例對傳統(tǒng)措施和GI/LID措施的成本情況進行對比分析,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 計算方法

438技術(shù)導則有3個步驟:①對多年24 h降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得出95%降雨場次所對應(yīng)的設(shè)計降雨量;②選擇一種水文方法計算設(shè)計降雨在一個工程項目中產(chǎn)生的徑流量;③選擇合適規(guī)模的GI/LID設(shè)施來截留設(shè)計降雨產(chǎn)生的徑流。在項目場地內(nèi)最大程度技術(shù)可行的原則下,采用各種GI/LID設(shè)施組合實現(xiàn)截留徑流量的設(shè)計目標,若場地內(nèi)的GI/LID設(shè)施組合無法達到設(shè)計目標,則考慮場地外的設(shè)施來滿足設(shè)計目標。以上是采用438技術(shù)導則選擇①的技術(shù)路線。若采用選擇②,則步驟①②都用水文模型來實現(xiàn)。

3.1 95%降雨場次的設(shè)計降雨量

95%降雨場次的設(shè)計降雨量是指在一個降雨記錄階段內(nèi)95%場次的降雨量小于或等于該降雨量(從小到大排序時95百分位對應(yīng)的降雨量)。如確定95%年降雨場次是在某具體的地點,則將連續(xù)多年的24 h降雨量(單位為mm)制成表格,計算出來的這些年95百分位在多年降雨場次所對應(yīng)的降雨量就是設(shè)計降雨量,這意味著至少有95%的24 h降雨量比這個設(shè)計降雨量要小,且至少有5%的降雨量比這個值要大。438技術(shù)導則中,列出了如何計算某具體地點的95%降雨場次計算方法:①從距離建設(shè)項目最近的氣象站獲得長期(至少10年,最好30年或更長時間)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,因為其不產(chǎn)生徑流;③在Excel表格中對數(shù)據(jù)進行排序,利用PERCENTILE函數(shù)計算出95百分位的降雨量?？捎媒涤陥龃蔚陌俜治粸闄M坐標、對應(yīng)設(shè)計降雨量(降雨深度)為縱坐標繪制成曲線。圖2顯示北京市95%降雨場次所對應(yīng)的設(shè)計降雨量是51.9 mm。

圖2 以北京1951—2012年24 h降雨數(shù)據(jù)為例計算累計降雨場次對應(yīng)設(shè)計降雨量曲線

3.2 需控制雨水徑流量的計算

接下來將計算出的降雨場次對應(yīng)的設(shè)計降雨量轉(zhuǎn)化為需要控制的雨水徑流量。438技術(shù)導則指出,用于計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]。這些計算方法和技術(shù)各有適用范圍和優(yōu)缺點,其中直接推算法與SWMM的徑流計算方法原理相近,并且可以使用簡單表格進行計算。該方法的原理是通過降雨量Rf扣除洼地儲存S和入滲損失量L來計算控制徑流量R：

R=Rf-S-L

(1)

a. 采用霍頓入滲方程計算入滲損失。

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

(2)

式中:ft為t時刻的滲透速率,mm/s;fmin為最小滲透速率,即飽和時滲透速率,mm/s;fmax為最大滲透速率,即初始時滲透速率,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間,h。

由式(2)計算24 h內(nèi)不同時間的滲透速率fi(i=1, 2, …,n,n+1, …),以0.5 h為時間間隔(Δt),再用式(3)計算第n時間段內(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%降雨場次降雨深度計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%降雨場次的降雨量,通過繪制場次降雨累計曲線(圖2)得出;洼地儲存(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。

場地內(nèi)總設(shè)計徑流深度計算公式為

(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場地為場地內(nèi)開發(fā)項目占地總面積,m2。

c. 不同控制設(shè)施的設(shè)計儲水深度。

生物滯留:最高25 cm(根據(jù)存儲體積平衡、植物生長介質(zhì)深度、地表面積限制進行必要的調(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)計案例——選擇合適大小的GI/LID設(shè)施來截留設(shè)計降雨的徑流

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

4 聯(lián)邦政府部門或地方設(shè)計標準的更新與延伸

美國國防部的統(tǒng)一設(shè)施標準是在新的政策法規(guī)438條文頒布之后于2010年根據(jù)USEPA發(fā)布的技術(shù)導則對2004年發(fā)布的LID標準的修訂,修訂的原因是在2010年1月19日美國國防部負責設(shè)施和環(huán)境的部門“Deputy Under Secretary of Defense, Installation and Environment”發(fā)出指令要求國防部的所有下屬部門采取GI/LID技術(shù)以落實438技術(shù)導則。由于認識到不同州的管理要求可能會影響到GI/LID具體的設(shè)計因素和實踐,因此,在滿足438技術(shù)導則設(shè)計目標的前提下,具體措施的設(shè)計方面,場地設(shè)計者應(yīng)參考州及地方的標準。在沒有州及地方標準的情況下,參考馬里蘭州和喬治亞州環(huán)境資源部門發(fā)布的LID手冊[4]。

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

VWQ=P90%RVA

(9)

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

RV=0.05+0.009i

(10)

438技術(shù)導則規(guī)定了設(shè)計、建設(shè)和維護雨水徑流源頭控制系統(tǒng)時,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%降雨場次的降雨量外排,并利用連續(xù)模型模擬分析和評價匯流時間、下游河道水質(zhì)、水量、生物和水生環(huán)境的可持續(xù)性等不超過開發(fā)前的水文特征。

438條文規(guī)定的標準是目前最為嚴格的,首先在聯(lián)邦政府的項目中得到應(yīng)用,起到了帶頭作用,后來在污染較為嚴重的美國核心流域切薩皮克灣地區(qū)得到執(zhí)行。95%年降雨場次隨后出現(xiàn)在2010年的《切薩皮克灣流域聯(lián)邦政府土地管理導則》[6]及2013年的《哥倫比亞雨水管理導則》[7]。《哥倫比亞雨水管理導則》在2003年版手冊基礎(chǔ)上進行了大幅修訂。2013年版《哥倫比亞雨水管理導則》中的雨水體積標準體系在原標準上新增了“雨水源頭滯留體積(Stormwater Retention Volume,VSR)”。設(shè)計降雨標準為80%～90%降雨場次控制率,分為3個級別:一般開發(fā)項目為80%;一般重要的開發(fā)項目(如阿納卡斯蒂亞海濱開發(fā)區(qū))為85%;重大土地侵擾開發(fā)項目90%。只要不是聯(lián)邦政府項目, 設(shè)計降雨標準可低于95%降雨場次控制率。VSR的計算公式為

VSR=P(RVII+RVCC+RVNN)SA

(11)

式中:P為降雨場次控制率(分別為80%、85%、90%)所對應(yīng)的設(shè)計降雨深度;RVI為不透水面的徑流系數(shù),取0.95;RVC為壓實地表的徑流系數(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、壓實地表和自然地表所占總面積的百分比;SA為開發(fā)項目占地總面積。

式(11)實際用于估算降雨產(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)境標準修正法案,還要滿足水質(zhì)控制標準VWQ,其計算的方法是在95%降雨場次對應(yīng)的設(shè)計降雨量扣除場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,若場地內(nèi)不能滿足要求再去衡量采取場地外措施處理徑流雨水所需要的體積。這一標準體現(xiàn)了鼓勵采用GI/LID技術(shù),通過源頭滯留可減少雨水水質(zhì)控制體積,WQv計算公式為

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

式中:P95%為95%降雨場次對應(yīng)的設(shè)計降雨深度。

值得注意的是,美國一些州的標準在修訂中紛紛納入了源頭下滲回補的標準,下滲回補標準是包含在水質(zhì)控制體積之內(nèi)的。設(shè)置地下水回補體積標準的目的,是場地開發(fā)時維持現(xiàn)有地下水補給率。明確要求控制開發(fā)后設(shè)計下滲回補的體積,是為了使開發(fā)前的年地下水回補量的損失最小。雨水下滲有助于保護開發(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)。雨水下滲回補能降低雨水管理設(shè)施的總體規(guī)模及費用。目前,下滲控制標準主要有:降雨初期12.7 mm降雨量對應(yīng)的徑流量;居住區(qū)維持開發(fā)前下滲量的90%,非居住區(qū)維持開發(fā)前下滲量的60%;最大程度維持開發(fā)前后年均下滲量不變，或2年一遇24 h降雨開發(fā)前后增加的徑流量需下滲[8]。

5 對438技術(shù)導則的剖析和討論

從主要目的看,438技術(shù)導則首先是從環(huán)境保護角度出發(fā),控制雨水徑流污染、維持及恢復開發(fā)前的水文狀態(tài)。438技術(shù)導則提供的第一個選擇是用適宜的規(guī)劃和選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施或低影響開發(fā)措施來控制和截留降雨產(chǎn)生的徑流。降雨是一種隨機性強的自然現(xiàn)象,美國環(huán)保署選擇24 h(2 d零點之間)降雨深度來計算95%降雨場次的設(shè)計降雨量,這個數(shù)據(jù)在許多的城市和氣象站都是易于獲得的。我國《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》(以下簡稱《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)計參數(shù)。王文亮等[9]指出《指南》中的“年徑流總量控制率”實為年雨量控制率。事實上,在工程實踐中,該指標的落實是通過控制降雨產(chǎn)生的徑流來實現(xiàn)的,相關(guān)雨水設(shè)施的規(guī)模也可按照設(shè)計降雨量標準,通過徑流體積計算來確定,也就是說,實際工程控制的仍是徑流,只是統(tǒng)計分析的是雨量。從這個意義上講,《指南》中“年徑流總量控制率”和438技術(shù)導則的第一個選擇有相同的內(nèi)涵,盡管確定設(shè)計降雨量的方法不完全一致。

美國438技術(shù)導則和我國《指南》都提倡用GI/LID設(shè)施來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)導則的方法計算美國206個城市85%、90%和95%日降雨場次的設(shè)計降雨量,并與1年重現(xiàn)期24h降雨量進行比較,發(fā)現(xiàn)95%日降雨場次的設(shè)計降雨量僅僅大約為1年重現(xiàn)期24h降雨量的1/2。王文亮等[9]對中國10個城市日降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得出95%降雨場次和85%年雨量控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨量,發(fā)現(xiàn)美國的標準高于《指南》的標準,截留95%的降雨場次或85%年雨量控制率的設(shè)計降雨產(chǎn)生的徑流都是遠低于現(xiàn)行市政排水和內(nèi)澇防治的控制標準,但對控制雨水徑流污染,維持及恢復開發(fā)前的水文狀態(tài),都是有極大好處和貢獻的。

從圖1的技術(shù)路線,應(yīng)該清楚地認識到95%降雨場次所對應(yīng)的設(shè)計降雨量是一個為選擇合適大小的GI/LID設(shè)施的設(shè)計參數(shù)或設(shè)計指標。各工程項目場地具體條件不同,GI/LID設(shè)施組合對徑流的控制率是不確定的?！吨改稀分械摹澳陱搅骺偭靠刂坡省币彩堑贸鲆粋€設(shè)計降雨量。Shestha等[11]2013年討論建議用不同降雨間隔時間(無雨時間、6、8、12、24、48、72 h)的多年小時降雨數(shù)據(jù)來確定每場降雨的雨量,再得出95%降雨場次設(shè)計降雨量。發(fā)現(xiàn)用多年小時降雨數(shù)據(jù)得出的設(shè)計降雨量平均11%～100%大于日降雨數(shù)據(jù)得出的95%降雨場次控制率所對應(yīng)的設(shè)計降雨量,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)導則的落實執(zhí)行,因此仍是可取的方法。

此外,值得注意的是,EISA 438是美國的一個聯(lián)邦法規(guī),各聯(lián)邦政府機構(gòu)都必須遵守,但438技術(shù)導則明確指出導則不是法規(guī),僅作為指導幫助聯(lián)邦政府機構(gòu)實現(xiàn)、測量和評估如何遵守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),給出對聯(lián)邦政府項目新的雨水管理規(guī)定的框架,但如何去實現(xiàn)和達到維持和恢復開發(fā)前的水文條件的目標,沒有作詳細的規(guī)定。正因為如此,才有美國環(huán)保署438技術(shù)導則。美國許多聯(lián)邦法規(guī)和各州的法規(guī)或條例都有類似關(guān)系。在美國,聯(lián)邦法規(guī)少,州、縣的法規(guī)或條例多。當然州、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)邦政府新建改建項目既要遵守EISA 438聯(lián)邦法規(guī),也要遵守項目所在地的州、縣的法規(guī)或條例。事實上,在438技術(shù)導則發(fā)布之前,有的州、縣已有類似的雨水管理規(guī)定,如要求截留85%或90%降雨場次的雨水。

當然,由于438技術(shù)導則不是法規(guī),具體的聯(lián)邦政府項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)導則,須將設(shè)計降雨量轉(zhuǎn)換為徑流體積,可用438技術(shù)導則中的直接推算法,也可用其他許多水文方法去計算徑流體積,或某項目完全可以不用霍頓入滲方程來計算入滲損失。所有聯(lián)邦政府項目關(guān)鍵點是遵守EISA 438法規(guī)條文,但法規(guī)條文和技術(shù)導則都給出空間和余地,讓每個項目的管理和工程技術(shù)人員發(fā)揮其創(chuàng)造力,靈活機動地達到目標。

6 對我國海綿城市建設(shè)標準制定的借鑒

可以看出,美國的GI/LID也是在逐漸地完善,并得到重視,上升到法律層面,政府項目帶頭示范。各州雨水許可、規(guī)范及標準中均體現(xiàn)了開發(fā)后維持及恢復開發(fā)前的水文狀態(tài),采取源頭滯留、最大化滲透作用、地下水回補要求這些新理念及標準。聯(lián)邦設(shè)施的能源獨立與安全法案、綠色建筑認證/綠色設(shè)計、各州的雨水管理規(guī)范、新MS4雨水許可等的共同作用,均推動了美國雨水管理的革新。2015年,我國以試點的方式啟動了全國海綿城市建設(shè)工作,目前全國30個中央財政支持海綿城市建設(shè)試點,為我國雨水管理和海綿城市建設(shè)探路。這與美國聯(lián)邦政府項目率先示范起帶動作用,異曲同工。中國未來區(qū)分項目類型(政府的、私營的等)和投資性質(zhì),確定率先要遵循的準則,也不失為一個良策。

我國發(fā)布的《指南》與438技術(shù)導則在國家層面的作用接近,海綿城市已作為我國國家層面戰(zhàn)略發(fā)展方向,《指南》也充分發(fā)揮了作為全國各城市進行海綿城市規(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)方面的專項規(guī)劃、設(shè)計導則等指引性文件,也遇到了很多困惑,如有的過于細化指標和措施種類,一定程度上限制了方案的靈活性和適宜性。具體到項目本身落地層面,更應(yīng)強調(diào)對場地條件的分析,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,但這也是基于項目場地內(nèi)用地性質(zhì)等條件,在規(guī)劃、設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題和尋找出路的途徑,到底需要多少設(shè)施,場地可以建多少設(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?？刂颇繕说目蓪崿F(xiàn)性。438技術(shù)導則指出每個設(shè)施的最終設(shè)計和竣工圖紙應(yīng)由專業(yè)的注冊工程師審查,要樹立執(zhí)行法規(guī)的嚴肅性和一致性,更要對法規(guī)條文和技術(shù)導則給出一定空間和余地,讓每個項目的管理和工程技術(shù)人員,發(fā)揮其創(chuàng)造力,以靈活機動地達到目標，又遵守法規(guī)或條例。

對于已建成老城區(qū),海綿城市技術(shù)能夠起到彌補現(xiàn)有排水設(shè)施能力不足、減少徑流污染等作用。在美國這種已有多年實踐經(jīng)驗的國家,老城區(qū)實現(xiàn)GI/LID也是十分困難的,438技術(shù)導則以案例的形式說明了適當降低目標。在我國,由于場地條件限制,可允許設(shè)計改建項目的場地內(nèi)雨水滯留控制要求比新建項目有所降低,但前提是需要根據(jù)最大限度可行性進行分析。針對改造項目的特點,特別強調(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,在場地外提供一個等量的彌補處理設(shè)施,可以進行雨水滯留調(diào)蓄權(quán)交易。

隨著《指南》的發(fā)布和全國多個試點城市的規(guī)劃建設(shè),我國海綿城市建設(shè)的標準逐步完善。其中,源頭控制的核心指標年徑流總量控制率的實現(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實現(xiàn)。目前,我國海綿城市建設(shè)指標中暫沒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)實際情況確定,建議各地在確定雨水源頭控制指標時,結(jié)合具體情況,可明確下滲量等各部分的控制標準,但具體方式還應(yīng)根據(jù)不同城市的具體情況來確定。

[ 1 ] The White House Office of the Press Secretary. Executive order federal leadership in environmental, energy, and economic performance[R].Washington D C:The White House Office of the Press Secretary, 2009.

[ 2 ]U S Environmental Protection Agency. Technical guidance for implementing the stormwater runoff requirements for federal projects under section 438 of the energy independence and security act of 2007[M]. Washington D C:U S Environmental Protection Agency,2009.

[ 3 ]U S Environmental Protection Agency. EPA 841-F-07-006, reducing stormwater costs though LID strategies and practices[EB/OL]. [2007-12-23].http://www.epa.gov/nps/lid/2007.

[ 4 ]UFC 3-210-10 Unified facilities criteria low impact development[S].

[ 5 ]Department of Environmental Conservation. New York State Stormwater Management Design Manual[EB/OL].[2015-01-20].http://www.dec.ny.gov/chemical/29072.html.

[ 6 ]U S Environmental Protection Agency. Guidance for federal land management in the Chesapeake Bay Watershed[EB/OL]. [2010-05-10]. https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-10/documents/chesbay_chap05.pdf.

[ 7 ] Center for Watershed Protection. District of columbia stormwater management guidebook[M]. Ellicott City: Center for Watershed Protection,2013.

[ 8 ] 李小靜, 李俊奇，王文亮. 美國雨水管理標準剖析及其對我國的啟示[J]. 給水排水,2014(6):119-123.(LI Xiaojing, LI Junqi, WANG Wenliang. Analysis and inspiration of urban stormwater management system design standards in United State[J]. Water & Wastewater Engineering,2014, 40 (6):119-123.(in Chinese))

[ 9 ]王文亮,李俊奇,車伍,等. 雨水徑流總量控制目標確定與落地的若干問題探討[J]. 給水排水. 2016(10):61-69. (WANG Wenliang, LI Junqi, CHE Wu, et al.Discussion on several problems of determining and implementingtotal rainfall runoff volume capture target[J]. Water & Wastewater Engineering,2016(10): 61-69.(in Chinese))

[10]SHESTHA S, FANG Xing, LI Junqi. Mapping the 95th percentile daily rainfall in the contiguous U.S[EB/OL]. [2013-10-11].http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784412947.021.

[11]SHESTHA S, FANG Xing, ZECH W C. “What should be the 95th percentile rainfall event depths?” [J].ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013, 140(1): 1-5.

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

國家自然科學基金(51478026)；北京市社會科學基金重點項目(14CSA001)；北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心資助項目(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)