基于典型年法的海綿城市建設控制指標研究

潘笑文, 徐得潛

(合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥230009)

基于典型年法的海綿城市建設控制指標研究

潘笑文, 徐得潛

(合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥230009)

[目的] 探討海綿城市控制指標年徑流總量控制率的確定方法，為海綿城市建設控制指標的合理確定提供新的思路。[方法] 結合中國目前海綿城市建設相關規范及研究成果，分析關于年徑流總量控制目標確定方法的合理性。以合肥市為例，分別采用長序列法、典型年法、外排徑流系數法、逐日水量平衡法對相關問題進行研究，探討不同年徑流總量控制率對外排徑流系數的影響及不同規模雨水調蓄設施的實際控制效果。[結果] 提出控制指標的典型年計算法，并總結了外排徑流系數隨年徑流總量控制率變大不能無限減小的規律，提出采用雨水利用有效容積這一指標來校核年徑流總量控制率提高的適宜范圍。[結論] 典型年計算方法與雨水系統設計重現期相對應。結合對實際雨水總量控制率的研究，可為海綿城市建設中徑流總量控制目標的確定提供新的思路。

海綿城市; 年徑流總量控制率; 典型年法; 長序列法

文獻參數： 潘笑文, 徐得潛.基于典型年法的海綿城市建設控制指標研究[J].水土保持通報，2017,37(1)：123-127.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.022; Pan Xiaowen, Xu Deqian. Research on control index in sponge city construction using typical hydrological year method[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：123-127.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.022

確定低影響開發控制目標與指標是海綿城市建設的城市總體規劃階段中極為關鍵的一步，直接影響相關專業的協調與規劃內容、控制指標的分解與落實以及投入使用的最終效果。控制指標具體表現為徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等。一般選擇徑流總量控制作為低影響開發雨水系統構建的重要控制目標[1]。

年徑流總量控制率是指通過自然和人工強化的滲透、調蓄、利用、蒸發、蒸騰等方式，場地內累計全年得到控制(不外排)的雨量占全年總降雨量的比例[2]，理想狀態下以開發建設后徑流排放量接近開發建設前自然地貌時的徑流排放量為標準。2009年美國環保局頒布的“雨水徑流減排技術導則”中，徑流總量目標為“控制95%年降雨場次”，即認為年徑流總量控制率為95%時與未開發前的自然地貌年均下滲量一致[3]。

中國《海綿城市建設設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》[4](簡稱《指南》)中未對年徑流總量控制率的確定方法提出統一的要求，但提出，應通過對排水系統總體評估、內澇風險評估等，明確低影響開發雨水系統徑流總量控制目標，并針對當前不具備廣泛使用模型模擬法的階段，詳細介紹了按多年日降雨量排序的長序列計算方法確定控制指標的步驟。本文擬通過介紹控制指標的典型年計算方法，并研究年徑流總量控制率對外排徑流系數的定量影響，同時結合連續降雨情況分析指標的實際年徑流總量控制率，以期為海綿城市建設控制指標的合理確定提供新的思路，對建設項目的落實及最終效果起到把控作用。

1 研究方法

1.1 長序列計算法

長序列分析法以反映長期的降雨規律為目標，對長序列日降雨量數據進統計分析，并據此給出建設區域年徑流總量控制率推薦值。《指南》對中國近200個城市1983—2012年日降雨量進行了統計分析，扣除小降雨事件，將日降雨量由小到大進行排序，統計小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和)占總降雨量的比率，此比率即為年徑流總量控制率，對應的降雨量(日值)即為設計降雨量。根據以上方法將中國大陸地區大致分為5個區，給出各區年徑流總量控制率的取值范圍，以供不具備長序列降雨數據的地區參考。

長序列分析法是目前中國在海綿城市建設總體規劃階段中確定控制指標最為常用的方法，既可以根據當地多年日降雨量的數據進行統計分析得到年徑流總量控制指標，也可以通過查詢徑流總量控制率分區圖得到。長序列分析法快捷高效，在中國雨水管網模型建立不完善的情況下具有較好的操作性。可以看出，目前對年徑流總量控制率這一指標的理解主要集中在多年平均這一概念上，在此基礎上的長序列法采用多年日降雨量數據統一排序，并沒有明確體現“年控制”的概念。其次，中國雨水系統設計標準采用重現期法，而長序列法無法與其一一對應。同時，長序列法是通過日降雨量排序，按照控制年降雨量的比例來確定設計降雨量的，實際上打亂了日降雨過程的自然排序，在連續降雨事件中，由于雨水回用系統設計用水量不能完全排空蓄水池的日儲蓄量，造成了雨水外泄，因此，年徑流總量控制率這一指標對年降雨量的實際控制效果仍需進行探討。

1.2 典型年計算法

典型年法即按多年年降雨量作為尋找設計年的參數，選擇有代表性的年降水過程作為實際的降水數據輸入。中國雨水系統設計標準采用重現期法，《建筑與小區雨水利用工程技術規范》[5](簡稱《技術規范》)中規定，雨水利用系統設計重現期不得小于1 a，宜按2 a確定。《城市排水工程規劃規范》[6]中規定，重要干道、地區或短期積水能引起嚴重后果的地區，重現期宜采用3～5 a。同時，對于給定的城市建筑與小區，外排流量徑流系數、雨水徑流總量控制率及設計重現期三者之間存在一一對應關系[7]。對設計標準不同的城區，當年徑流總量基本一致時，年徑流總量控制率將隨著設計重現期的增大而減小，因此，結合設計重現期選取可靠的內澇保證率對應的典型年是合理的，綜合選擇設計重現期為2，3，5 a對應的內澇保證率，作為確定典型年的標準。

將多年降雨量以年為單位從小到大排序，統計小于某一年的降雨量占總降雨量比例為50%，65%，80%(設計重現期分別為2，3，5 a時的年份作為設計典型年，將該比率定義為海綿城市建設的內澇保證率。內澇保證率為50%的典型年實際上即為平均年，即當年降雨量等于該地多年降雨量平均值時的年份。當有2個以上年份的年降雨量值與設計典型年降雨量值比較接近時，應按照年內分配最不利的原則進一步選擇確定，使得設計偏于安全[8]。將典型年內日降雨量由小到大排序，統計小于某一降雨量的降雨總量占總降雨量的比率，即得出典型年法計算下的年徑流總量控制率及對應的設計降雨量。

1.3 外排徑流系數計算

按照長序列法、典型年法計算的設計降雨量值來指導設計雨水利用規模，是以控制年均雨量徑流系數接近未開發前的狀況為目的的，現校核這一指標對外排徑流系數，即形成高峰流量的歷時內降雨強度與總降雨量強度之比的影響。由于影響因素復雜，目前都采用間接的方法推求洪峰流量徑流系數值，即用扣除平均損失強度的方法解決[9]，按照計算的雨水利用控制規模在小區基礎規模上進行擴建，并計算該小區應對不同重現期暴雨的外排徑流系數：

(1)

式中：φm——流量徑流系數；μ——產流期間總損失強度,為入滲強度μ1與雨水利用強度μ2之和(mm/min)；A——設計暴雨強度(mm/min)；τ——設計降雨歷時，包括地面集水時間t1，管渠流行時間t2；n——暴雨強度衰減指數;損失強度統一按下式計算[10]。

(2)

V=10HφcF

(3)

式中：α——綜合系數，取0.8；K——土壤滲透系數，取10-5m/s；J——水力坡度，取1.0；AS——有效下滲面積(hm2)；φc——綜合雨量徑流系數，按下墊面種類加權計算，取0.7；F——集水面積(hm2)；W——雨水利用有效容積，根據設計降雨歷時內降雨量及蓄水池容積確定，并小于等于蓄水池容積(m3)；V——雨水利用設施容積(m3)；H——設計降雨量(mm)。

2 實例分析

采用合肥市1985—2014年共30 年日降雨量數據進行海綿城市建設控制指標確定方法的研究，詳細分析了與不同設計重現期相對應的典型年法的計算結果。以合肥市濱湖假日F-3居住小區為例研究不同年徑流總量控制率對外排徑流系數的定量影響，同時結合連續降雨情況分析指標的實際年徑流總量控制率。

2.1 基本資料

合肥市位于安徽省中部，多年平均蒸發量1 514 mm，降水量984 mm，多年平均最大最小年降水量分別為1 506.1 mm(1991年)、502.7 mm(1978年)。未進行低影響開發建設時，濱湖假日小區基礎規模如下：規劃總面積139 592m2，屋面面積25 126m2；綠地面積60 025m2；道路面積27 290m2；廣場面積14 696m2；停車場面積6 648 m2，有效下滲區域主要包括透水鋪磚式停車場、綠地面積。地面集水時間t1取15 min，管渠流行時間t2按照管渠最小流速0.75 m/s，匯流最長距離528 m計算，取11 min。根據《建排》[11]中有關小區用水量相關條例，該規劃區域綠地澆灌及道路、廣場澆灑用水取3.0 L/(m2.d)；水景補水量按日均蒸發量4.15 mm/(m2.d)計；車輛每周清洗1次，車輛數1 845輛，需水量13.18 m3/d；《技術規范》規定最高日設計用水量不宜小于集水面日雨水設計徑流量的40%，按兩者中較大值確定該小區日雨水利用量，雨天雨水利用量為0。

2.2 控制指標的確定

按長序列計算法對合肥市近30 a日降雨量數據進行分析，算得不同年徑流總量控制率對應的設計降雨量并與《指南》、《綠色建筑評價標準》(簡稱《標準》)[12]中針對合肥地區的設計降雨量推薦值對比(見表1)。

表1 長序列法計算值與推薦值比較

可見，在相同的年徑流總量控制率下，利用長序列法根據近30 a算出的設計降雨量值和《指南》的計算結果基本一致，高于《標準》的計算結果，這是由于當統計年限不同時，不同控制率下對應的設計雨量會有差異[8]，各地區應綜合考慮氣候變化的趨勢和周期性選擇合理的計算年限。根據年降雨量排序，分別選取內澇保證率為50%，65%，80%時的典型年為2000，1998，2010年，按典型年法分別計算年徑流總量控制率及其對應的設計降雨量。

表2 典型年法計算

雨水徑流總量控制率與內澇保證率一一對應。當以徑流總量為控制目標時，設計降雨量可用于確定低影響開發設施的設計規模[1]。由表2可見，年徑流總量控制率一定時，內澇保證率越大的典型年對應的需要控制的設計降雨量值越高，雨水利用設施規模加大。設計重現期從2～5 a，年徑流總量控制率分別為60%，85%時，設計降雨量提高了31.1%，45.3%；即雨水徑流總量變大時，隨著年徑流總量控制率變大，為減小外排徑流系數所需提高的雨水設施利用規模幅度也變大。同時，典型年計算法中，年徑流總量控制率及對應的設計降雨量不是一組定值，其大小與選取的典型年及該年年內降雨量分配有關，這與長序列法并不矛盾。將表1數據與表2進行比較：按照長序列法確定年徑流總量控制率對應的設計降雨量值高于平均年的情況，與典型年內澇保證率65%時的計算結果基本一致。

典型年法較長序列法更具有針對性，在海綿城市建設規劃階段，可以結合建設區域重要性以及匯水地區類型、地形特點、雨水排水管網現狀和氣候條件等因素確定設計重現期，在易發生內澇以及經濟條件允許的區域，選擇設計重現期較大的典型年作為設計年。有條件的城市應結合更長序列的降雨量數據，當同一內澇保證率下存在2個以上年份滿足設計典型年降雨量標準時，按照年內分配最不利的原則選擇有代表性的典型年或者計算2個以上典型年，以確保計算結果具有更高的可靠性。

2.3 控制指標對流量徑流系數的影響

根據長序列法不同年徑流總量控制率計算設計重現期分別為1，2，3，5 a產流期內匯水面上的外排流量徑流系數如表3所示。

表3 不同年徑流總量控制率的外排徑流系數

由表3可見，一定范圍內，相同的年徑流總量控制率指標應用于不同重現期降雨量時，外排徑流系數隨著降雨重現期的變大而變大；外排徑流系數不會隨著雨水利用規模的無限擴大而不斷趨于變小，在2年一遇降雨條件下，年徑流總量控制率超過80%，即可達到外排徑流系數0.33，即當雨水利用規模超過一定限值時，外排徑流量達到一個固定值，這是因為降雨歷時內的暴雨量不足以填滿雨水利用設施，此時雨水調蓄設施的利用強度是由暴雨量決定的。

固定值隨設計重現期增大略有增幅，控制在0.33～0.35，且設計重現期越小時越早趨于穩定，當設計重現期超過5 a時，由于雨水利用設施可以實現充分利用，在年徑流總量控制率的現有范圍內不存在固定值。可用下述方法判斷何時外排徑流系數趨于穩定，并利用(1)式計算相應的固定值：針對所選取不同降雨重現期的暴雨，存在一個雨水控制有效容積指標，即式(2)中W，當按公式(3)計算得海綿城市建設規模即雨水利用設施容積小于雨水利用有效容積W時，增大雨水利用規模對減少外排徑流系數的效果較好；而反之則達到了固定值，此時增加雨水利用規模對徑流系數的減少起不到作用，卻增加了雨水設施的建造、維護費用，降低了雨水利用效益。

按長序列法、典型年法設計雨水利用規模，對5 a降雨重現期的外排徑流系數做進一步分析可得：外排徑流系數相同的前提下，不同典型年與長系列法計算的年徑流總量控制率存在對應關系：外排徑流系數為0.34時，按長系列法計算的年徑流總量控制率為85%，按設計重現期2 a的典型年計算為82%，按設計重現期5 a的典型年計算為78%，即用典型年法計算年徑流總量控制率時，其取值不同于長系列法，典型年重現期越長，控制率越小。

2.4 年徑流總量控制率校核

按照指南上的容積法確定該小區雨水利用設施規模，控制年徑流總量控制率85%時，各典型年法計算的雨水調蓄容積分別為2 481.9，3 156，3 605.6 m3，占各典型年集水面上年降雨量的2.9%，2.9%，2.8%。長序列法為3 048.7 m3，占集水面上多年平均降雨量3.1%。

《技術規范》規定：雨水儲存設施的有效儲水容積不宜小于集水面重現期1～2 a日雨水設計徑流總量減去設計初期雨水棄流量[5]，按照合肥市1～2 a重現期最大日降雨量45.6～82.1 mm，初期雨水棄流量4 mm(連續降雨日不重復棄流)計算，該小區雨水儲存容積不宜小于1 625.9～3 052.5 m3。《技術規范》同時指出，直接計算法未考慮部分雨水溢流損失，也未折算流入處理設施的水，因此容積偏大。《合肥市建筑與小區雨水利用科研報告》[13]針對合肥市學校、小區、辦公樓等功能區，綜合考慮集水量與用水量的平衡建立費用數學模型并進行分析，得出了蓄水池容積與集水面降雨量之比為2%～5%較為經濟的結論。可見按典型年、長序列法進行設計的雨水設施利用規模基本滿足要求。

《技術規范》中要求，回用系統最高日設計用水量不宜小于集水面日雨水設計徑流量的40%。可以看出，在連續降雨事件中，雨水日儲蓄量不能當天回用完畢，對后續降雨的儲存造成了影響，因此，僅以年為單位計算是不夠的，現結合合肥市15 a日降雨量數據，采用逐日水量平衡法探討按典型年法、長序列法確定控制指標的實際雨水控制率。利用Matlab編程計算設計重現期分別為2，3，5 a，設計年徑流總量控制率為85%條件下雨水利用規模的多年實際年徑流總量控制率并與長序列法計算結果比較。

表4 實際徑流總量控制率 %

注:下劃線是為了突出各典型年算法設計規模在該典型年中的實際控制率。

按典型年算法計算的調蓄規模在對應的年份，實際的年徑流總量控制率基本在75%左右，可見在設計控制率85%條件下，以年為單位進行雨水利用水量平衡分析，導致了計算的雨水利用量比實際能利用的雨水量多[14]。從平均值可以看出，典型年法在對應年的實際雨水控制率與平均值基本一致。

按相同的計算步驟，得長序列算法年徑流總量控制率分別為60%，70%，75%，80%，85%時的多年平均實際雨水控制率分別為59.4%，66.1%，69.0，73.1，77.3。

可見，按控制率指標設計的雨水利用規模實際上不能達到設計的年徑流總量控制率，這是因為在大暴雨及連續降雨事件中，由于日雨水利用量不足以排空蓄水池而產生了雨水棄流量，從而導致實際年徑流總量控制率偏小。隨著雨水利用規模的增大，實際控制率上升幅度緩慢，且與設計的年徑流總量控制率指標差值變大。

利用程序計算的控制率是實際意義上的年徑流總量控制率，即場地內累計全年得到控制的雨量占全年總降雨量的比例。而《指南》中的控制指標，即按照長序列法和典型年法計算的年徑流總量控制率指標以控制外排徑流系數為出發點，確定雨水利用規模為主要目的，并沒有考慮到日雨水回用量是有限度的，這2個年徑流總量控制率的概念是存在差異的。通過分析可以看到，在設計規模已經較大的條件下繼續提高雨水利用規模，對雨水總量控制率的提高幅度有限，提高控制率的成本卻很高。因此，在大強度降雨頻次低的地區，應考慮選取控制率80%甚至75%或更低的控制指標，同時結合雨水利用效益、建設、維護成本進行綜合效益分析后決定。

3 討論與結論

(1) 典型年計算法通過對最具有代表性年份的日降雨量數據進行統計分析，計算結果體現了年徑流總量控制率的概念，并與雨水系統設計重現期相對應。

(2) 外排徑系數隨著年徑流總量控制率的擴大達到一個固定值，當設計重現期小于5 a時，這一特征尤為明顯，固定值可用文中(1)式計算，通常在0.33～0.35范圍內。同時，可以計算針對特定重現期降雨的雨水利用有效容積指標，從而判斷年徑流總量控制率的最大效益區間。當設計重現期為5 a以內時，年徑流總量控制率在75%～80%區間更具有合理性。當設計重現期大于5 a時，年徑流總量控制率可適當增大，設計人員應結合當地氣象數據、下墊面條件、降雨過程線、雨水設施利用規模等因素決定合理的年徑流總量控制率指標，以獲得內澇防治與雨水利用的最大效益。

(3) 隨著年徑流總量控制率的增大，實際雨量控制率上升的幅度是有限的。以削減徑流峰值為目的控制指標，沒有考慮到日雨水利用量的限值，導致了實際雨水利用率偏小，且隨著雨水利用規模增大而愈發明顯。設計中應考慮提高控制率的成本，結合雨水利用效益分析最優設計控制率。

(4) 海綿城市規劃指標的確定可以從2個角度出發：以雨水利用或控制徑流污染為主要控制目標時，通過總量控制率計算外排徑流系數指標；以控制內澇為主要目標時，通過控制給定重現期降雨事件的外排徑流系數，計算總量控制率。同時，有條件的地區，應結合城市管網系統現狀，綜合考慮控制指標對管網設計流量的影響，分析雨水利用成本，市政管網系統的改造、維護成本，深入研究包括經濟、社會和環境效益在內的雨水利用效益，依此選擇最優的建設規劃指標。

[1] 李俊奇,王文亮,車伍,等.海綿城市建設指南解讀之降雨徑流總量控制目標區域劃分[J].中國給水排水,2015,31(8):6-12.

[2] 潘國慶,車伍,李俊奇,等.中國城市徑流污染控制量及其設計降雨量[J].中國給水排水,2008,24(22):25-29.

[3] 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,2014,40(6):119-123.

[4] 建設部.《海綿城市建設設技術指南：低影響開發雨水系統構建(試行)》[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

[5] 住房城鄉建設部.(GB5400-2006.2006)建筑與小區雨水利用工程技術規范[S].北京:光明日報業出版社,2006.

[6] 建設部.(GB50318-2000)城市排水工程規劃規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[7] 徐得潛,汪維偉,余育速.合肥市建筑小區雨水利用設計方法探討[J].水土保持通報,2016,36(5):225-230.

[8] 左其亭,陳耀斌.具有多個水文站的多支流河流典型年選取方法[J].水文,2012,32(2):1-4.

[9] 湖南大學西安冶金建筑學院.水文學[M].北京:中國建筑工業出版社,1979.

[10] 王彩娟.合肥市建筑與小區雨水及中水利用研究[D].合肥:合肥工業大學,2010.

[11] 建設部.(GB50015-2009)建筑給水排水設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[12] 建設部.(GB/T50378-2014)綠色建筑評價標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.

[13] 合肥市規劃局編研中心.《合肥市建筑與小區雨水利用科研報告》[R].合肥：2008.

[14] 徐得潛,李興彩,張麗峰,等.合肥市建筑與小區雨水利用[J].武漢大學學報:工學版,2009,42(6):741-744.

Research on Control Index in Sponge City Construction Using Typical Hydrological Year Method

PAN Xiaowen, XU Deqian

(CollegeofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China)

[Objective] The determination method for total annual runoff volume is investigated in order to provide a new idea for the determination of control index of sponge city construction. [Methods] Combining with the relevant standards and research achievements in the construction of sponge city in China, the rationality about the method to determine the total annual runoff volume control at present are analyzed. Hefei City was taken as an case to discuss relevant problems using typical hydrological year method, long-term runoff serials method, runoff coefficient method and daily water balance method. The effect of variation of runoff control rate on control targets and the actual rainfall control of rainwater storage facilities in different scales were explored. [Results] This paper proposes a typical hydrological year method, and finds that the runoff control rate cannot be unlimitedly reduced with the rise of total annual runoff volume control target. The effective volume of rainwater utilization can be used to check the suitable range of total annual runoff control. [Conclusion] The typical hydrological year method, combining well with the design return period of rainwater system and its application in studing actual rain volume control, provides a new idea for the determination of runoff volume control in sponge city construction.

sponge city; total runoff volume control; typical hydrological year method; long-term runoff serials method

2016-05-29

2016-06-23

中央高校基本科研業務費專項資金資助“城市內澇風險評估與雨水排水系統優化設計研究” (21920150505)

潘笑文(1991—),女(漢族),遼寧省大連市人,碩士研究生,研究方向為城鎮給水排水工程與技術。E-mail:Panxw0926@163.com。

徐得潛(1960—),男(漢族),安徽省青陽市人,博士,教授,主要從事水資源利用與水環境保護,建筑給水排水工程,給水排水工程優化規劃與經濟運行研究。E-mail:xudeqian60@163.com。

B

1000-288X(2017)01-0123-05

TU992