昆山市海綿城市試點區(qū)建設(shè)成效核心指標(biāo)評估研究

文＿楊 森 [宜水環(huán)境科技（上海）有限公司，城市水務(wù)部經(jīng)理，工程師]

《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51345）中規(guī)定了海綿城市建設(shè)評價的考核內(nèi)容和考查內(nèi)容，其中考核內(nèi)容包括年徑流總量控制率、源頭減排項目實施有效性、路面積水控制與內(nèi)澇防治、城市水環(huán)境質(zhì)量、自然生態(tài)格局管控與水體生態(tài)岸線保護。海綿城市建設(shè)評價應(yīng)對典型項目、管網(wǎng)、城市水體進行監(jiān)測，結(jié)合現(xiàn)場檢查、資料查閱和模型模擬進行綜合評價。財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部于2021—2023年間競爭性選拔了3批共60個海綿城市建設(shè)示范城市，截至2023年8月第一批示范城市尚未進入驗收考核評估階段。

目前，國內(nèi)有學(xué)者在海綿城市建設(shè)成效評估方面已開展一些研究，如郭效琛等人采用監(jiān)測與SWMM模型結(jié)合的方法對典型住宅小區(qū)海綿改造項目的年徑流總量控制率進行評估，李佳等人采用調(diào)研與SWMM模型模擬的方法對北京房山區(qū)海綿城市建設(shè)的年徑流總量控制率達標(biāo)區(qū)進行評估，沈煒彬等人借助SWMM模型對杭州蕭山區(qū)世紀(jì)城海綿城市建設(shè)情況進行模擬并評估年徑流總量控制率與年雨水徑流SS削減率指標(biāo)，由陽等人利用GRMS模型對貴州貴安新區(qū)中心區(qū)海綿城市建設(shè)前后年徑流總量控制率、平均徑流污染去除率等指標(biāo)進行了評估研究。上述研究對海綿城市建設(shè)成效的核心指標(biāo)評估多側(cè)重于年徑流總量控制率和雨水徑流污染削減率，對海綿城市建設(shè)的排水防澇能力、水環(huán)境指標(biāo)評估及典型設(shè)施的污染削減研究不多，對整個片區(qū)層面綜合評估海綿城市建設(shè)核心指標(biāo)的研究較少。為此，本文以江蘇省昆山市省級海綿城市試點區(qū)為例，采用監(jiān)測分析和XpDrainage、InoWokrsICM模型分析的方法，評估設(shè)施、項目、片區(qū)、試點區(qū)四個層級海綿城市建設(shè)后的核心指標(biāo)，包括典型設(shè)施的雨水徑流污染削減率、典型項目的年徑流總量控制率與雨水徑流SS削減率、片區(qū)和試點區(qū)的排水防澇能力及年徑流總量控制率，為平原河網(wǎng)地區(qū)海綿城市建設(shè)評估提供參考。

一、試點區(qū)概況

昆山市2016年成為江蘇省首批海綿城市建設(shè)試點城市，2022年成功入選第二批全國系統(tǒng)化全域推進海綿城市建設(shè)示范城市，實現(xiàn)由“試點”向“示范”跨越。

昆山市省級海綿城市建設(shè)試點區(qū)面積22.91km2，區(qū)域內(nèi)地勢平坦，內(nèi)河網(wǎng)密布，雨水多以重力流就近入河，形成以圩區(qū)為單元的排水格局。

在試點建設(shè)過程中，昆山市按照規(guī)劃引領(lǐng)、系統(tǒng)治理、綜合施策、精品引路、全面推進的工作思路，統(tǒng)籌開展海綿城市建設(shè)，充分結(jié)合圩區(qū)排水特點，協(xié)同源頭、過程和末端工程體系，包括河道水系、圩區(qū)循環(huán)、管網(wǎng)及易澇點整治、地塊（新建、改建）和綠地按照海綿城市建設(shè)理念開發(fā)建設(shè)。

（1）河道水系與圩區(qū)循環(huán)工程，包括防洪堤防加固與河道拓寬2項、圩區(qū)排澇閘站建設(shè)10項，提升圩區(qū)防洪排澇能力；對8條河道開展清淤疏浚，對10條河道開展內(nèi)源治理和活水暢流，對9條河道實施生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)，提升水體生態(tài)環(huán)境。

（2）管網(wǎng)及易澇點整治工程，包括試點區(qū)內(nèi)6條道路、周邊7個小區(qū)的雨污分流改造和3個小區(qū)的雨污混接改造，以及對3個尚不具備雨污分流改造條件老舊小區(qū)的截流工程建設(shè)，實現(xiàn)污水零直排；對區(qū)域內(nèi)2處易澇點開展管網(wǎng)提標(biāo)改造，1處待拆遷低洼小區(qū)的臨排泵站建設(shè)，待后期拆遷時結(jié)合規(guī)劃綜合解決。

（3）地塊海綿項目及綠地工程共103項，包括道路廣場28項、建筑小區(qū)46項、公園綠地項目29項。

二、總體技術(shù)思路

經(jīng)過3年的試點建設(shè)，昆山市全面完成省級海綿城市試點建設(shè)工程，并建立了包括機制和技術(shù)導(dǎo)則等在內(nèi)的非工程體系，評估試點建設(shè)成效的核心指標(biāo)總體思路如圖1所示。

圖 2 五類下墊面各場次降雨取樣監(jiān)測SS（左）、CODcr（右）對比圖

圖 3 五類下墊面各場次降雨取樣檢測的TN（左）、NH3-N（右）對比圖

圖 4 五類下墊面各場次降雨取樣檢測TP對比圖

圖 5 現(xiàn)場配置濃度水樣灑水及取盲管水樣

（1）收集整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握海綿設(shè)施、項目、排水分區(qū)、排水管網(wǎng)、河道水系等基礎(chǔ)設(shè)施的屬性和空間數(shù)據(jù)。

（2）實施綜合監(jiān)測，包括降雨、河道水質(zhì)、片區(qū)管網(wǎng)水位、典型項目排口流量和水質(zhì)、典型設(shè)施出流水質(zhì)、典型下墊面徑流水質(zhì)。

（3）開展監(jiān)測分析與模型構(gòu)建，包括分析典型下墊面徑流污染特征、典型設(shè)施徑流污染削減效果、河道水質(zhì)變化情況，構(gòu)建典型項目XpDrinage評估模型、片區(qū)與試點區(qū)InfoWorksICM評估模型。

（4）對設(shè)施、項目、片區(qū)、試點區(qū)逐級開展評估，量化海綿城市建設(shè)的核心指標(biāo)。

三、綜合監(jiān)測開展

監(jiān)測是評估海綿城市建設(shè)和運行管理質(zhì)量的重要方式，一方面可用于量化評估典型設(shè)施、項目等的建設(shè)效果，另一方面可為模型提供率定數(shù)據(jù)支撐模擬評估。在海綿城市試點建設(shè)過程中，結(jié)合試點區(qū)內(nèi)圩區(qū)管網(wǎng)排水特征、建設(shè)項目分布和設(shè)施分布等，開展有針對性的監(jiān)測。

（1）降雨監(jiān)測采用數(shù)據(jù)共享的方式，接入昆山市氣象局在海綿試點區(qū)內(nèi)4個降雨監(jiān)測站點，分別為森林公園站、體育館站、培本小學(xué)站和中華園站，監(jiān)測頻率為1min。結(jié)合雨量站空間分布，試點區(qū)內(nèi)雨量站點密度約5.71km2/個，能較好反映降雨空間分布差異。

（2）針對試點區(qū)內(nèi)下墊面分類，分別選擇屋頂、道路、綠地、硬地（廣場）和裸地5類下墊面，開展雨水徑流污染本底特征監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括SS、CODcr、TN、TP、NH3-N指標(biāo)，為典型項目雨水徑流污染削減模型評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）針對試點區(qū)內(nèi)地塊和道路項目使用數(shù)量最多的生物滯留設(shè)施及面積最大的雨水濕地進行監(jiān)測，用于評估典型設(shè)施的雨水徑流污染處理效果。其中生物滯留設(shè)施分別采用配置水樣灑水實驗、實測降雨下采集設(shè)施進水水樣和設(shè)施盲管出流水樣，雨水濕地采集進口和出口的水樣。監(jiān)測指標(biāo)包括SS、CODcr、TN、TP、NH3-N。

（4）針對地塊和道路項目分類，選取3種典型項目進行監(jiān)測，包括博士路海綿改造項目、時代悅府新建住宅小區(qū)海綿建設(shè)項目、黃泥山小學(xué)公建學(xué)校海綿建設(shè)項目。這3個項目建設(shè)中使用了包括生物滯留設(shè)施、下凹綠地、植草溝、透水鋪裝等多元海綿設(shè)施。在上述兩個地塊項目內(nèi)部雨水管網(wǎng)排入市政道路雨水管前的檢查井內(nèi)安裝監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測雨水流量和SS指標(biāo)。博士路雨水管網(wǎng)與路邊河道連通，常水位下管網(wǎng)水位與河道水位起漲共跌，管網(wǎng)流量較難監(jiān)測，應(yīng)監(jiān)測不受河道水位影響的生物滯留設(shè)施的溢流管流量和SS指標(biāo)。

（5）試點區(qū)分為5個圩區(qū)排水片區(qū)，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布，市政道路雨水管網(wǎng)排口均為淹沒出流且無拍門設(shè)置，管網(wǎng)排水路徑較短，不超過500m就能入河，多數(shù)管網(wǎng)平日也受圩區(qū)河網(wǎng)水位影響而使管內(nèi)存水，流量監(jiān)測較為困難。因此，分別選擇5個排水片區(qū)雨水干管中的11個檢查井進行水位監(jiān)測，為水力模型提供校驗數(shù)據(jù)。

（6）對試點區(qū)內(nèi)河道與試點區(qū)邊界河道開展逐月水質(zhì)采樣監(jiān)測，取樣點覆蓋試點區(qū)15條河道及5條圩外邊界河道。

四、核心指標(biāo)評估

海綿城市建設(shè)的核心指標(biāo)評估包括典型設(shè)施雨水徑流污染削減率評估、典型項目雨水年徑流總量控制率及徑流污染削減率評估、片區(qū)和試點區(qū)年徑流總量控制率與內(nèi)澇防治評估。

（一）典型下墊面徑流污染特征分析

對屋頂、道路、綠地、硬地（廣場）和裸地5類下墊面采用降雨取樣監(jiān)測的方式，采集降雨徑流產(chǎn)生后各下墊面30min～150min內(nèi)的徑流水樣，采樣頻率遵循20min～60min內(nèi)每隔5min～10min采1個樣，60min～150min內(nèi)每隔20min～30min采1個樣，共采集到271個水樣進行實驗室檢測，獲取下墊面雨水徑流污染本底特征數(shù)據(jù)，為典型項目雨水徑流污染削減評估提供基礎(chǔ)。五類下墊面SS、CODcr、TN、TP、NH3-N取樣檢測結(jié)果如圖2—圖4所示。

統(tǒng)計各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、平均數(shù)，出于偏保守原則，選用上四分位數(shù)的統(tǒng)計值作為各下墊面徑流污染特征的代表濃度，如表1所示。

表1 五類下墊面271個水樣檢測數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)濃度統(tǒng)計值

（二）典型設(shè)施徑流污染削減評估

對位于大漁湖、龍辰院子和體育場的生物滯留設(shè)施采用人工配置一定濃度的水樣，然后人工灑水實驗采集盲管出流水樣，采集過程如圖5所示；在實驗室檢測各水質(zhì)指標(biāo)，對比各污染物的去除效果見表2所示。結(jié)果表明：SS、TN、NH3-N、TP、CODcr的平均去除率分別為95.46%、66.05%、94.77%、75.65%、65.70%，效果較好。

表2 配置水樣灑水實驗下的生物滯留設(shè)施污染物去除效率

除了上述灑水取樣實驗外，對位于新城路、前進路上的5個生物滯留設(shè)施在雨天道路雨水徑流匯入進行取樣及對設(shè)施的盲管出流進行取樣，在實驗室檢測各水質(zhì)指標(biāo)。兩場降雨下5個生物滯留設(shè)施的SS、NH3-N、TP、CODcr的平均去除率如表3所示，分別為90.08%、50.09%、77.35%和39.24%，具體數(shù)值如表4所示。

表3 雨水徑流經(jīng)生物滯留設(shè)施處理后各指標(biāo)去除率

表4 生物滯留設(shè)施雨天進水和盲管出水取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)

博士路雨水濕地設(shè)置在濱河綠地內(nèi)，道路雨水入河前通過末端雨水井改造抽排入雨水濕地凈化后再排放入河，分別在濕地的起端進水口與末端出水口進行11次降雨取樣監(jiān)測，分析SS、CODcr、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為52.61%、28.13%、82.74%、40.26%、42.93%，如圖6所示。

圖6 博士路雨水濕地對各指標(biāo)的去除率分布圖

（三）典型項目年徑流總量控制率及SS削減率評估

利用XpDrainage低影響開發(fā)模擬軟件分別構(gòu)建3個項目地塊的LID模型，對模型進行校驗后評估年徑流總量控制率與雨水徑流SS削減率，并評估海綿設(shè)施建設(shè)前后在設(shè)計降雨下的徑流峰值削減情形，具體包括以下內(nèi)容。

1.集水區(qū)劃分及產(chǎn)匯流概化

根據(jù)地塊項目設(shè)計圖紙中的排水管網(wǎng)、高程分布及海綿設(shè)施的分布與收水范圍，劃分集水區(qū)，結(jié)合下墊面特征選擇產(chǎn)匯流模型并設(shè)置產(chǎn)匯流參數(shù)。

2.排水管網(wǎng)概化

根據(jù)地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)施工圖進行雨水井、雨水管網(wǎng)的空間拓?fù)溥B接，設(shè)置管道和檢查井的標(biāo)高、管徑、糙率等屬性參數(shù)。

3.海綿設(shè)施概化

根據(jù)項目建設(shè)的海綿設(shè)施分布進行空間概化，并連接匯水集水區(qū)；結(jié)合各類設(shè)施的施工大樣圖進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，包括覆蓋層、過濾層、過渡層、保水層、排水層的厚度、孔隙率、滲透系數(shù)及其他參數(shù)。對海綿設(shè)施透水盲管及溢流管與雨水管網(wǎng)銜接進行概化。

4.污染物參數(shù)設(shè)置

設(shè)置集水區(qū)內(nèi)各下墊面的SS雨水徑流特征濃度（用表1數(shù)值）和海綿設(shè)施的污染物去除率。

5.模型調(diào)試與率定

調(diào)試模型計算，利用地塊雨水管網(wǎng)排出管的流量和SS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型率定，調(diào)整產(chǎn)匯流和SS去除率參數(shù)，對比模擬過程與監(jiān)測過程線如圖7所示，滿足納氏效率系數(shù)＞0.50的要求。

圖7 黃泥山小學(xué)雨水管網(wǎng)流量監(jiān)測與模擬過程對比

圖 8 典型項目徑流總量控制率和SS削減率對應(yīng)關(guān)系區(qū)間分布圖

6.年徑流總量控制率與SS削減率評估

利用率定后的XpDrainage模型分別模擬典型年（2018年）5min間隔降雨下各項目的雨水徑流總量控制率和SS削減效果。模擬結(jié)果表明：博士路年徑流總量控制率為68.41%，SS削減率為60.02%；時代悅府年徑流總量控制率為80.61%，SS削減率為65.54%；黃泥山小學(xué)年徑流總量控制率為81.72%，SS削減率為63.35%。

7.徑流峰值削減率評估

分別模擬3個項目在設(shè)計降雨下按照海綿方案建設(shè)和無海綿設(shè)施情形下的地塊外排徑流峰值過程，評估外排徑流峰值削減效果，模擬結(jié)果表明：按照海綿方案建設(shè)的地塊相比無海綿設(shè)施的情形下，外排徑流峰值有所減少；在2年一遇24h設(shè)計降雨下徑流峰值削減率在10.10%～13.90%之間；在3年一遇24h設(shè)計降雨下徑流峰值削減率在8.10%～10.71%之間；在5年一遇24h設(shè)計降雨下徑流峰值削減率在5.63%～7.84%之間。

8.徑流總量控制率與SS削減率分析

利用率定后的地塊模型分別模擬設(shè)計降雨下3個地塊項目的徑流總量控制率和對應(yīng)的雨水徑流SS削減率，模擬結(jié)果表明：地塊徑流總量控制率介于60%～80%時，SS削減率范圍介于45%～70%之間，如圖8所示。

（四）片區(qū)與試點區(qū)年徑流總量控制率與內(nèi)澇防治評估

利用InfoWorksICM模型軟件構(gòu)建整個試點區(qū)管網(wǎng)與河網(wǎng)耦合的水文水動力耦合模型，結(jié)合5個片區(qū)管網(wǎng)水位監(jiān)測對模型進行率定，再利用率定后的模型評估片區(qū)與試點區(qū)的內(nèi)澇達標(biāo)情況和年徑流總量控制率，具體包括以下內(nèi)容。

1.模型網(wǎng)絡(luò)概化

利用雨水管網(wǎng)和河道普查數(shù)據(jù)進行模型網(wǎng)絡(luò)概化，包括管道6145段，長度129.61km；河段431段，長度約70km。

2.集水區(qū)劃分

根據(jù)地形高程、管網(wǎng)收水范圍、河道分布劃分了4543個集水區(qū)，其中位于廟涇片、鎮(zhèn)東片、江浦片、吳淞片、城南片的集水區(qū)數(shù)量分別為1025個、616個、2104個、227個、571個。

3.產(chǎn)匯流模型

根據(jù)每個集水區(qū)的地表滲透特征，將集水區(qū)劃分為透水面積和不透水面積，分別計算各個集水區(qū)的產(chǎn)流量，求和后即為整體的地表產(chǎn)流量。透水下墊面，如綠地、裸地等降雨產(chǎn)流采用Horton下滲模擬；不透水下墊面，如道路、屋頂、硬地等降雨產(chǎn)流采用固定徑流系數(shù)法，并考慮初損雨量。匯流模型采用非線性水庫法，匯流長度和坡度利用GIS分析地面高程模型得出。

4.水動力模型

地面產(chǎn)匯流進入雨水系統(tǒng)后，在雨水管網(wǎng)與河道中流動狀態(tài)較為復(fù)雜，水動力模型采用動力波法差分求解圣維南方程組，動態(tài)模擬雨水系統(tǒng)不同流態(tài)的水量運動。

5.一、二維耦合

將一維水動力模型與二維地面漫流模型進行無縫耦合，模擬管渠中的有壓流和無壓淺水自由表面流，以及內(nèi)澇積水在地表二維淺水空間內(nèi)的物理運動過程和地表徑流與地下管流間的流量和動量交互，實現(xiàn)超出雨水系統(tǒng)排放能力的地表積水的空間分布與水深模擬。

6.海綿設(shè)施概化

將試點區(qū)內(nèi)各類海綿建設(shè)項目和相關(guān)海綿設(shè)施的統(tǒng)計信息進行梳理，在模型各集水區(qū)內(nèi)統(tǒng)計各類海綿設(shè)施的面積或容積概化參數(shù)，包括海綿設(shè)施的類型、表層滯蓄深度、表面糙率、縱坡、土壤類型、土壤孔隙率、土壤透水率、蓄水層厚度、蓄水層空隙率、是否有盲管和盲管尺寸及開孔率、墊層厚度、墊層孔隙率、墊層透水率等參數(shù)信息。

7.模型調(diào)試與率定

分析篩選試點區(qū)內(nèi)5個片區(qū)共11個管網(wǎng)水位監(jiān)測點與區(qū)域內(nèi)4個降雨站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇暴雨期間管網(wǎng)水位與暴雨過程有相應(yīng)漲落過程的點位數(shù)據(jù)用于模型率定。模擬實測降雨下系統(tǒng)運行工況，結(jié)合調(diào)整產(chǎn)匯流、管網(wǎng)糙率、拓?fù)溥B接核查等，對比篩選出的水位監(jiān)測過程與模擬監(jiān)測過程，滿足納氏效率系數(shù)＞0.50精度要求，率定結(jié)果如表5所示。

表5 兩場降雨下水位模擬與監(jiān)測過程的納氏效率系數(shù)統(tǒng)計表

8.片區(qū)與試點區(qū)年徑流總量控制率與內(nèi)澇防治達標(biāo)情形評估

模擬試點區(qū)在典型年（2018年）降雨下的產(chǎn)匯流并統(tǒng)計5個片區(qū)的徑流總量控制率，結(jié)果表明整個試點區(qū)內(nèi)年徑流總量控制率為80%，其中城南片區(qū)、江浦片區(qū)、廟涇片區(qū)、吳淞片區(qū)、鎮(zhèn)東片區(qū)年徑流總量控制率分別為66%、84%、73%、81%。模擬試點區(qū)在50年一遇24h設(shè)計降雨下運行工況，分析地表積水情形，識別積水范圍和退水時間。模型成果表明：試點區(qū)海綿建設(shè)后，地塊和道路上無中高風(fēng)險積水點，僅有的積水中風(fēng)險區(qū)域位于待開發(fā)地塊中，且積水時間在30min～45min以內(nèi)消退，具備防治50年一遇內(nèi)澇的能力。

（五）試點區(qū)水環(huán)境評估

河道水環(huán)境評估采用2020年全年每月人工取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)開展，采用單因子評價試點區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)類別。評估結(jié)果顯示：試點建設(shè)后試點區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)類別穩(wěn)定在IV～V類水體；對比海綿試點建設(shè)期間（2017—2019年）各月份的河道水質(zhì)指標(biāo)，圩區(qū)部分河道的NH3-N指標(biāo)呈現(xiàn)逐年改善趨勢。由于篇幅所限，試點區(qū)15條河道及5條圩外邊界河道的逐月TP、NH3-N、CODMn、BOD5、DO水質(zhì)評估及對比具體數(shù)據(jù)不再列出。

五、總論與展望

本文介紹了昆山市海綿城市試點建設(shè)的區(qū)域概況與工程體系，重點研究了監(jiān)測與XpDrainage和InfoWorksICM模型相結(jié)合的技術(shù)方法，從設(shè)施、項目、片區(qū)、試點區(qū)4個層級評估了海綿試點建設(shè)后的核心指標(biāo)，為多維度評價海綿試點建設(shè)成效提供了量化支撐。從評估結(jié)果看，經(jīng)過3年的海綿試點建設(shè)，昆山市省級海綿試點區(qū)具備50年一遇防澇能力，試點區(qū)無黑臭河道且河道水質(zhì)在2020年逐月達標(biāo)率為100%，典型年徑流總量控制率達80%，典型下墊面污染底數(shù)清晰，典型項目和典型設(shè)施對雨水徑流SS的去除率介于50%～65%之間。

海綿城市是一種可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)理念，在系統(tǒng)化全域化推進海綿城市建設(shè)過程中，有針對性地選擇設(shè)施、項目、片區(qū)和區(qū)域采用適宜方法開展跟蹤評估，有助于海綿城市建設(shè)朝著緩解極端強降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇為重點方向發(fā)展，使城市在適應(yīng)氣候變化、抵御暴雨災(zāi)害等方面具有良好的“韌性”。