海綿城市建設(shè)的雨水徑流控制效果評(píng)估
——以濟(jì)南市興隆試點(diǎn)區(qū)為例

譚怡然，明瑞平，趙日祥，張中澤，孟博雯，張 炯

(1．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2．中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3．濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250003)

21世紀(jì)以來(lái)，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程加快，建筑及交通用地需求急劇增加，城市土地覆被率持續(xù)降低，地表入滲能力大幅減小[1]。城市土地覆蓋率的持續(xù)降低導(dǎo)致降雨轉(zhuǎn)化為徑流的比例增加，地表匯流量顯著增大，城市排水和蓄水體系壓力倍增，城市內(nèi)澇和非點(diǎn)源污染現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[2]。在這種情況下，僅依賴傳統(tǒng)的市政雨水管道改造等手段無(wú)法從源頭上解決城市內(nèi)澇和非點(diǎn)源污染問(wèn)題[3]。近年來(lái)，低影響開發(fā)作為一種以源頭調(diào)控為核心、末端處理相輔助的創(chuàng)新型土地管理方法，在國(guó)內(nèi)得到推廣。2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部把低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)推薦為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要技術(shù)[4]，基于低影響開發(fā)的海綿城市建設(shè)效果吸引了眾多學(xué)者的深入研究。張建云等[5]認(rèn)為降雨特征(總量和時(shí)程分布)對(duì)海綿城市的徑流控制效果有直接影響，在計(jì)算徑流控制指標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮區(qū)域降雨特征。徐多[6]以萍鄉(xiāng)市北星小學(xué)為例，基于SWMM(Storm Water Management Model)建立低影響開發(fā)改造前后的水文水質(zhì)模型，模擬分析了海綿校園的徑流控制效果，得知選擇合理的低影響開發(fā)組合措施可以克服海綿校園改造面積有限等問(wèn)題。胡彩虹等[7]以貴安新區(qū)示范區(qū)為例，研究得出低影響開發(fā)組合措施對(duì)降雨過(guò)程中徑流系數(shù)、洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間的改善效果比較明顯。劉家宏等[8]認(rèn)為在對(duì)海綿城市的徑流總量控制率進(jìn)行核算時(shí)應(yīng)綜合考慮降水時(shí)程分布因素，提高指標(biāo)考核的準(zhǔn)確性和代表性。國(guó)內(nèi)諸多案例均表明，低影響開發(fā)措施的建設(shè)能調(diào)節(jié)和改善城市雨水-徑流關(guān)系，有效解決雨水徑流峰值流量高、徑流系數(shù)大等城市徑流問(wèn)題[9-10]。

1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域位于濟(jì)南市。濟(jì)南市作為中國(guó)海綿城市建設(shè)的試點(diǎn)城市，溫帶季風(fēng)氣候特征明顯，三面靠山，夏季熱空氣和水汽易回流后聚集，降雨偏多，年均降水量550～750 mm，降雨主要集中在7、8月，平均降雨強(qiáng)度8.0～8.5 mm/d，夏季降雨強(qiáng)度可達(dá)11.6～13.2 mm/d。

主要研究對(duì)象為已完成低影響開發(fā)的山東大學(xué)興隆山校區(qū)。該校區(qū)位于興隆-土屋村強(qiáng)滲漏帶，是濟(jì)南市海綿城市設(shè)計(jì)中重要的源頭控制段。選取校區(qū)東南角為研究區(qū)域，總匯水面積為15.41萬(wàn)m2，其中建筑屋頂28 640 m2、綠化86 019 m2、道路29 944 m2、硬質(zhì)鋪裝6 344 m2、水面3 177 m2，綠地率達(dá)56%，不透水比例50.4%。研究區(qū)域采取的低影響開發(fā)措施主要有雨水花園、透水鋪裝、生物滯留單元和植草溝。對(duì)照組位于校區(qū)以外，未進(jìn)行低影響開發(fā)措施建設(shè)。

2 模型構(gòu)建

2.1 雨型設(shè)計(jì)

實(shí)際降雨數(shù)據(jù)通過(guò)室外雨量計(jì)收集，分別收集了2017年7月16日、7月18日、8月2日和2018年8月18日的4場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)歷年降雨資料，濟(jì)南市降雨主要集中在夏秋兩季，降雨曲線以單峰為主。本研究中設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)取2 h，雨峰系數(shù)r取0.4，選擇芝加哥雨型[11-12]為設(shè)計(jì)雨型，依據(jù)濟(jì)南市暴雨強(qiáng)度公式(式1)計(jì)算得到重現(xiàn)期為1、2、3、5、10 a共5種形式的設(shè)計(jì)降雨[13]，不同設(shè)計(jì)降雨特征曲線見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)降雨特征曲線

(1)

式中：Q為設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，L/(s·hm2)；t為時(shí)間，min；P為降雨重現(xiàn)期，a。

2.2 SWMM模型

遵循模型概化原則[14]，研究區(qū)域校核模型中共有子匯水區(qū)26個(gè)、管道27段。SWMM模型概化結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)SWMM模型概化結(jié)果

SWMM模型主要包括徑流和匯流兩大模塊，水文模擬參數(shù)主要有氣候、水文、水力和水質(zhì)參數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 水文參數(shù)

水文參數(shù)需根據(jù)實(shí)測(cè)降雨徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試算，通過(guò)Morris篩選法來(lái)調(diào)整敏感參數(shù)值直至滿足水文預(yù)報(bào)要求[15]。本研究中，根據(jù)實(shí)測(cè)降雨事件率定所得的研究區(qū)域各項(xiàng)水文參數(shù)值如表2、3所示。

表2 各項(xiàng)水文參數(shù)值

表3 低影響開發(fā)措施參數(shù)

2.3 模型校核

參數(shù)率定后的SWMM水文模型可用于實(shí)際降雨徑流模擬。本研究選擇4次降雨情況對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬，再次校核模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)組降雨徑流測(cè)量與模擬

采用Nash-Sutcliff確定性系數(shù)Ns來(lái)表示雨洪過(guò)程的模擬精度，計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)國(guó)家水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范，Ns≥0.7，該水文模型及模擬結(jié)果是有效的。本研究中研究區(qū)域4次降雨事件下Ns值分別為0.93、0.92、0.82、0.98，故率定所得研究區(qū)域的SWMM模型模擬結(jié)果具備參考價(jià)值，可用作水文評(píng)估和預(yù)報(bào)。

3 雨水徑流控制效果評(píng)估

3.1 場(chǎng)徑流總量控制率

作為海綿城市建設(shè)效果考核指標(biāo)，年徑流總量控制率有著極為重要的作用[16]。場(chǎng)徑流總量控制率指標(biāo)C，即研究區(qū)域單場(chǎng)降雨受到控制(不外排)的雨量占該場(chǎng)降雨總量的比例，其值越高，表示海綿城市建設(shè)的效果越好。C值計(jì)算公式為

C=(R-D)/R×100%

(3)

式中：C為場(chǎng)徑流總量控制率，%；R為總降雨量，mm；D為總徑流深，mm。

對(duì)于不同的設(shè)計(jì)降雨事件，由率定后的水文模型進(jìn)行降雨徑流過(guò)程模擬可得研究區(qū)域改造前后的C值，見(jiàn)表4。

表4 設(shè)計(jì)降雨場(chǎng)徑流總量控制率

由表4可知，重現(xiàn)期為1～10 a的2 h短歷時(shí)降雨事件下，無(wú)低影響開發(fā)措施研究區(qū)域C值為26.4%～43.8%，改造后C值提升至70.9%～85.5%，1～10 a重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨事件下C值提升幅度分別為41.7、43.0、43.5、44.2、44.5百分點(diǎn)。C值的增加是因?yàn)榈陀绊戦_發(fā)后研究區(qū)域透水地表占比增加，地表入滲能力增強(qiáng)。隨著降雨重現(xiàn)期的不斷增大，研究區(qū)域的C值減小，改善雨水徑流關(guān)系的作用降低，但重現(xiàn)期10 a的設(shè)計(jì)降雨事件中，經(jīng)過(guò)低影響開發(fā)措施改造后研究區(qū)域場(chǎng)C值仍達(dá)到70.9%，符合《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中對(duì)雨水徑流控制的規(guī)定。

3.2 排放口出流

重現(xiàn)期為1～10 a的2 h短歷時(shí)強(qiáng)降雨事件下，研究區(qū)域進(jìn)行海綿城市建設(shè)前后排放口出流數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 研究區(qū)域在海綿城市建設(shè)前后的雨水徑流數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

海綿城市建設(shè)前研究區(qū)域排放口徑流峰值為245.5～340.0 L/s，建設(shè)后峰值為29.7～321.6 L/s；海綿城市建設(shè)前徑流峰值時(shí)刻出現(xiàn)在降雨事件開始后的50～51 min，建設(shè)后出現(xiàn)在53～70 min；海綿城市建設(shè)使排放口徑流峰值分別降低87.9%、69.6%、49.9%、25.3%和5.4%，徑流峰值時(shí)刻分別滯后20、14、9、6和3 min，削減了研究區(qū)域雨水徑流峰值，延后了徑流峰值出現(xiàn)時(shí)刻。

3.3 徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)主要有固體懸浮物、總氮、溶解氧、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量和有機(jī)碳等。對(duì)2017年8月2日降雨事件下的研究區(qū)域降雨水樣和兩處排水口出流水樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分別通過(guò)稱重法、納氏試劑比色法、分光光度法測(cè)得水樣中的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表5可知，未經(jīng)低影響開發(fā)措施改造研究區(qū)域內(nèi)排水口降雨徑流中的氨氮、總氮、總磷及固體懸浮物平均濃度值分別為7.789、8.372、0.433 mg/L和2.643 g/L；經(jīng)低影響開發(fā)措施改造研究區(qū)域內(nèi)排水口降雨徑流中各指標(biāo)的平均濃度分別為3.091、3.499、0.247 mg/L和0.286 g/L，分別下降了60.32%、58.21%、42.96%和89.18%。由此可知，海綿城市建設(shè)對(duì)研究區(qū)域雨水徑流水質(zhì)有著明顯的改善效果。

為進(jìn)一步評(píng)估各項(xiàng)低影響開發(fā)措施的徑流水質(zhì)改善效果，在研究區(qū)域內(nèi)選取原狀不透水路面、生物滯留單元等，用原水將各類地表污染物沖刷干凈，5天后再用相同流速和體積的原水沖刷地表，對(duì)經(jīng)過(guò)相同流場(chǎng)的末端水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析，各類地表水質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果如表6所示。

表6 模擬徑流水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)比原狀路面末端出流中總磷、總氮、氨氮和固體懸浮物濃度檢測(cè)結(jié)果，生物滯留單元末端出流水樣中各項(xiàng)指標(biāo)濃度值分別下降52.17%、56.71%、51.12%和28.74%，透水路面末端出流水樣中各項(xiàng)指標(biāo)濃度值分別下降32.61%、42.56%、38.90%和59.84%，雨水花園末端出流水樣中各項(xiàng)指標(biāo)濃度值分別下降45.65%、52.55%、46.76%和 20.81%；而生物滯留單元、透水路面和雨水花園末端出流水樣中溶解氧濃度值相較原狀不透水路面分別增加19.65%、27.73%和41.05%。該試驗(yàn)結(jié)果表明：在土壤孔隙結(jié)構(gòu)和植被根系的影響下，生物滯留單元和雨水花園這兩類措施對(duì)總磷、總氮和氨氮污染物有著較好的滯留和吸收效果；透水路面因具備連通孔隙結(jié)構(gòu)，能夠有效滯納固體懸浮物，其末端出流中固體懸浮物濃度降低幅度最為明顯。

4 結(jié)論和展望

本次研究主要得出以下結(jié)論：①海綿城市建設(shè)后，研究區(qū)域雨水-徑流關(guān)系得到改善。在1～10 a的降雨重現(xiàn)期歷時(shí)2 h的降雨事件下，研究區(qū)域場(chǎng)徑流總量控制率對(duì)比未進(jìn)行海綿城市建設(shè)分別提升了41.7、43.0、43.5、44.2、44.5百分點(diǎn)；場(chǎng)徑流總量控制率伴隨著降雨重現(xiàn)期的增加而降低，但海綿城市建設(shè)依舊對(duì)雨水-徑流關(guān)系有極大的改善作用。②同一降雨事件下，海綿城市建設(shè)后，研究區(qū)域徑流峰值下降，峰值時(shí)刻延后。在降雨重現(xiàn)期為1、2、3、5、10 a歷時(shí)2 h的降雨事件下，海綿城市建設(shè)后研究區(qū)域排放口徑流峰值分別降低5.4%～87.9%，峰值時(shí)刻滯后3～20 min。③試驗(yàn)研究結(jié)果表明，海綿城市建設(shè)能有效改善區(qū)域降雨徑流的水質(zhì)。與傳統(tǒng)的不透水路面相比，各項(xiàng)低影響開發(fā)措施均能有效削減雨水徑流中總氮、總磷、氨氮和固體懸浮物等污染物的濃度。

本研究以實(shí)際案例論證了可通過(guò)海綿城市建設(shè)解決城市內(nèi)澇和非點(diǎn)源污染問(wèn)題，推動(dòng)城市生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，今后我國(guó)應(yīng)繼續(xù)完善海綿城市建設(shè)理論和管理制度；根據(jù)不同城市特點(diǎn)，科學(xué)合理規(guī)劃城市低影響開發(fā)措施；改善現(xiàn)有水文模型，對(duì)海綿城市建設(shè)后區(qū)域徑流量和徑流水質(zhì)狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析，全方位更加深入地對(duì)海綿城市建設(shè)進(jìn)行評(píng)估。