海綿城市設計中容積法與模型模擬差異化分析

陳鑫 喻良 鄭飛飛

摘 要：本文以貴陽市某工業園海綿城市示范區為例，分別利用容積法與模型軟件法對示范區海綿城市建設效果進行評估。首先對比分析兩種方法各自的優缺點，然后深入分析結果差異化產生的原因。結果表明，對海綿城市主要考核指標（年徑流總量控制率、污染物去除率）的評估，兩者數據偏差分別為3.3%及7.11%，在可接受范圍。有其他考核指標的地區（峰值流量削減率、峰現時間、管網排水能力評估、內澇風險評估）必須借助模型軟件。研究結論對國內其他海綿城市設計計算具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：海綿城市設計;容積法;水文水力模型;差異化

中圖分類號：TU992文獻標識碼：A文章編號：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，內澇災害在我國大中城市凸顯，具有普發性、群發性和持續頻發性特征，已嚴重影響城市經濟的正常發展。例如，2011年和2012年，北京、上海、武漢、成都、杭州等國內大城市相繼遭受暴雨，導致洪水淹城，給居民生活和社會經濟帶來嚴重影響。尤其是發生在2012年的北京“7·21”特大暴雨內澇，導致79人死亡，163處不可移動文物不同程度受損，10 660間房屋倒塌，直接經濟損失高達116.4億元。為緩解我國城市內澇問題，同時改善水環境質量，國家提出了海綿城市建設戰略方針[1]。海綿城市的核心思想是通過將雨水管理與景觀設計相結合，綜合采用滲、滯、蓄、凈、用等多種措施，達到減輕排水系統負荷及降低水污染的作用[2]。

目前，國內的海綿城市設計尚處于起步階段。《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》（以下簡稱《指南》）建議通過容積法、流量法或水量平衡法等方法綜合計算確定設施規模;有條件的可利用模型模擬的方法確定設施規模[3]。

利用容積法計算海綿設施時，主要考慮LID蓄水層儲存水量，認為儲存水量沒有從排水管網排出，而僅考慮下滲和蒸發。但在實際工程中，LID儲存水量也有可能經過下排管重新回到排水管網中，進而從排口排出。而且，容積法無法評估區域內徑流峰值消減、管道排水能力以及內澇風險[4]。因此，需要使用排水模型來評估海綿城市的建設效果。

筆者以貴陽市某海綿示范區為研究對象，分別采用容積法和模型軟件方法進行模擬計算，比較兩種方法各自的優缺點，并對結果差異化產生的原因進行深入分析。研究結果對其他地區海綿城市設計計算具有重要的參考價值和指導意義。

1 研究區域概況

貴陽市某工業園規劃用地面積37.4hm2，綠地總面積8.1hm2，綠地率21.6%。該區域地勢北高南低，規劃用地呈三層階梯狀逐級降低，地面高程差為10m左右。該區域具有明顯的高原性季風氣候，降雨量充沛，年降雨量為1 150～1 250mm。規劃用地類型主要為以電子信息產業為主的辦公樓與廠房，下墊面分布圖及用地經濟指標表分別如圖1和表1所示。園區內雨污分流，雨水從北面地勢高的區域流向南面較低的區域，雨水在南區經過收集后進入市政管網，雨水管網設計重現期為3年。當地海綿城市設計主要控制指標為：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 海綿城市設計方法

2.1 容積法

《指南》中指出，海綿城市設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時，設施具有的調蓄容積一般應滿足“單位面積控制容積”的指標要求[3]。設計調蓄容積一般采用容積法進行計算，計算公式如式（1）所示：

2.1.1 計算參數。相關計算參數為：匯水面積F=37.41hm2（規劃用地紅線面積）;設計降雨量H=27.3mm（當地80%控制率降雨厚度）;綜合雨量徑流系數[φ]=0.62。將這些數據帶入式（1）可計算得出總調蓄雨水量V約為6 332m3。

2.1.2 海綿設施平面布置及子匯水區劃分。經過數輪試算及優化調整，最終得到海綿設施布置方案如圖2所示。結合建筑室外管網及景觀豎向地形劃分的子匯水區分區圖如圖3所示。綜合雨量徑流系數及子匯水區計算結果如表2所示。

2.1.3 典型海綿設施計算。以簡易型下沉綠地為例，下沉綠地構造如圖4所示。

材質選用（從上至下）：100mm超高;150mm滯水層;100mm覆蓋層，滲透系數為100～200mm/h;500mm厚種植土（換填），滲透系數為20～30mm/h;原土層，滲透系數設計取值為1.0×10-7m/h。

設匯水區域面積為1hm2，簡易型下沉綠地面積S=500m2（根據《指南》[1]可知，生物滯留設施面積與匯水面積之比為5%～10%，計算取5%）。

《指南》中提出的滲透功能設施規模計算公式為：

簡易型下沉綠地調蓄體積[VS]=滯水層體積+滲透設施頂部和結構內部蓄水空間的容積。由于種植土及人工填料的孔隙率較低，其結構內部蓄水空間的容積可忽略不計。因此，計算得出[VS]=滯水層體積+排水層結構內部蓄水空間的容積=500×0.15=75m3。簡易型下沉綠地滲透量[WP]=設施最外層材質的滲透量。由于簡易型下沉綠地的最外層材質為原土，滲透系數為1.0×10-7m/h，因此計算得[S滲透面積]=504m2，[WP]=2.2m3。

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

根據本項目所采用的雨水花園的構造詳圖同理可求得單位面積雨水花園調蓄體積約為0.31m3/m2。

2.1.4 典型子匯水區計算示例。以子匯水分區六（C6）為例，C6海綿設施平面布置見圖5。

已知C6匯水分區總面積為74 282m2，其中綠地面積為14 853m2，建筑及構筑物屋面面積為33 077m2，車行道路面積為8 444m2，硬質鋪裝面積為8 622m2，生態停車場面積為1 140m2，透水鋪裝面積為8 145m2。根據下墊面類型的加權平均所得C6匯水分區地塊綜合徑流系數[φ]為0.61。同時，根據《指南》中容積法計算所得[VC6]=1 237m3。

根據場地實際情況及結合景觀效果，實際布置簡易型下沉綠地面積為6 043m2，實際調蓄容積為[V1]=6 043×0.15=906.5m3;實際布置雨水花園面積為1 274m2，實際調蓄容積為[V2]=1 274×0.30=382.2m3;并設置滲透渠，長度為520m，單位調蓄容積為300L/m（取自設備參數），調蓄容積為[V3]=520×0.3=156m3;因此，C6匯水分區的總調蓄容積[V實際=V1+V2+V3]=905.6+382.2+156=1 444m3。經比較，[V實際>VC6]，該區域達標。由容積法反推可求出此布置方案下地塊的實際控制降雨厚度為32mm，實際年徑流總量控制率約為84%。余下分區按此方法計算，具體數值詳見“全區計算一覽表”（見表3）。

2.1.5 全區計算一覽表。城市徑流污染物中，SS與其他污染物指標具有相關性[4]。因此，面源污染消減量采用SS作為主要控制指標，年SS總量去除率可采用《指南》的計算方法：年SS總量去除率=年徑流總量控制率×低影響開發設施對SS的平均去除率。

按容積法最終計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 模型選擇及簡介。對于本次研究，選用的模型軟件需要具備以下功能：①能模擬產匯流水文過程;②能模擬管道內非恒定非均勻流的水力學過程;③能進行二維積水及洪澇計算;④能進行雨季和旱季連續長期分析;⑤能模擬海綿設施對水文及水質的影響。

Infoworks ICM（以下簡稱ICM）是由英國Wallingford開發研制，可實現城市排水管網系統模型與河道模型的整合，更為真實地模擬地下排水管網系統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建工具、靈活的水力狀況統計分析工具，并且具有強大的模型管理功能。因此，本次研究選用ICM模型軟件。

2.2.2 模型構建。為便于分析，本次選用ICM構建了兩種情景模型：傳統開發模型和海綿開發模型。

2.2.2.1 傳統開發模型構建思路。傳統開發模型是基于示范區詳細規劃藍圖，整理園區雨水管道的靜態屬性數據，最終可將示范區概化為包含8 860m雨水管網、443條管段、443個檢查井、7個排出口的模型（見圖6），起端管徑400mm，最大管徑1 500mm。

傳統開發雨水工藝流程較簡單，硬質區域產流直接通過道路雨水口進入管網排出。將整個區域作為一個匯水區，然后通過泰森多邊形確定作為計算單元的子集水區，子集水區劃分如圖7所示。

2.2.2.2 海綿開發模型構建思路。海綿開發模型是在傳統開發模型的基礎上，綜合考慮海綿設施的布置重新梳理雨水徑流路徑。海綿開發雨水工藝流程如圖8所示。在布置海綿設施前后，分別將屋頂、道路、綠地、海綿設施等進行分塊并分別設置為不同的子匯水區，然后在此基礎上利用泰森多邊形法確定作為計算單元的子集水區，最后設置地面徑流在各個設施之間的流動關系，子集水區劃分如圖9所示。為模擬海綿設施對污染物的去除效果，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，并計算污染物去除率。

2.2.3 設計降雨及參數設置。雨型是不同降雨歷時內的暴雨強度隨時間變化的特征，采用不同降雨歷時的降雨過程線型來表達。本次研究通過模擬典型年降雨，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統計學的方法計算出[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據為1996年的貴陽市全年降雨數據;模擬單場設計降雨，得到峰值流量控制，單場設計降雨將設計降雨32mm按照芝加哥雨型制作成歷時2h，步長5min的降雨過程線。計算公式為：

不同重現期下2h設計降雨量如表4所示。

2.2.4 模型模擬結果

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

2.2.4.2 海綿開發模型結果。以場降雨32mm模擬為例，總降雨量12 596m3，增加了低影響開發設施后，峰值產流量為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86.2%。

2.2.4.3 傳統開發模型與海綿開發模型結果對比分析。對比結果如圖10至圖12及表5和表6所示。

以上結果表明，示范區在傳統開發模式下，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。在海綿開發模式下，由于海綿設施的加入，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，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ICM模型對兩種開發模式下的管網及內澇的評估，得出如表7所示的數據：海綿開發模式下的場地排水管網的排水能力得到提高（100%滿足5a重現期標準），并使場地內澇風險（50a內澇重現期標準[6]）得以降低（紅色管段代表管道超負荷），場地內面對超標重現期降雨時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：容積法結果為83%，ICM模型結果為86.3%，模擬結果和容積法結果接近，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）：容積法結果為57%，ICM模型結果為64.11%，容積法對于單項設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模型結果為85.1%，峰值出現時間延遲5min，容積法無法實現。

④管道排水能力及內澇風險評估：ICM模型可以給出直觀的管段分布圖及內澇積水圖，容積法無法實現。

⑤容積法比較容易理解，可操作性強。模型法對建模工程師的素質要求較高，需要一定的學習成本。

⑥對于一個既定的海綿區域，影響容積法結果的參數較少，主要參數為LID蓄水層的高度。而模型法往往還要涉及復雜的水力及水量計算，其結果受較多參數的影響，例如：降雨雨型、產匯流水文模擬參數等。

⑦在年徑流總量控制率和污染物方面，容積法更保守。

4 結論和建議

①對于海綿城市建設的主要控制指標（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現，偏差分別為3.3%及7.11%，屬于可接受的范圍[7]。

②容積法僅能計算實現設計目標所需的海綿設施的調蓄容積，對于峰值控制目標由于需要結合雨型及產流過程線分析，容積法無法表達雨水徑流路徑的組織并計算海綿設施復雜的水文效應以及評估其峰值削減效應。對于削峰有明確要求的海綿城市設計項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目的需求。

模型模擬能量化評估海綿設施及其布局方案對雨水徑流的控制效果，為海綿設計的優化提供技術支撐。建議采用多年降雨數據和本土參數作為模型輸入并在后續實施上結合監測進一步優化參數以更好地指導區域后續項目的工程設計。

參考文獻：

[1]劉俊，鞠永茂，楊弘.氣候變化背景下的城市暴雨內澇問題探析[J].氣象科技進展，2015（2）：63-65.

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[3]住房和城鄉建設部.海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）（建城函〔2014〕275號）[Z].北京：中國建筑工業出版社，2014.

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[5] Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development（LID） Strategies and Practices：EPA-841-f-07-006 [S]. Washington：US EPA，2007.

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[7] Wastewater Planning Users Group. WaPUG Code of Practice for the Hydraulic Modeling of Sewers[M].3rd ed.Wallingford：Watershed Planning Users Group，2002.