海綿化改造后住宅小區徑流控制效果評估

文/北京清控人居環境研究院 郭慧慧

0 引言

近年來許多城市都面臨內澇頻發、徑流污染及雨水資源大量流失等問題，在城市建設中構建完善的雨洪管理系統刻不容緩。2013年12月12日，中央城鎮化工作會議上提出，要建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，國家要大力推進海綿城市建設試點工作。其中，低影響開發（Low Impact Development，LID）作為海綿城市建設中的關鍵技術之一，指通過在城市中建設植草溝、雨水花園、透水鋪裝等基礎設施來滯蓄、凈化、回用雨水，最后剩余部分徑流通過管網、泵站外排，從而有效提高城市排水系統標準，緩減城市內澇壓力。

然而，“海綿體”在實際應用中對降雨徑流削減效果如何？本文選取國家首批海綿城市建設試點城市某典型海綿改造項目（某住宅小區）為研究對象，通過對其2018年降雨日的排口流量數據、對應降雨量及小區具體情況綜合分析，評估海綿改造后住宅小區的徑流控制效果，同時分析項目徑流控制率與降雨量及降雨強度的關系，為我國海綿城市的推廣提供數據支持。

1 住宅小區海綿改造概況

本小區中所進行的海綿改造項目包括：將老年及兒童活動場地改為透水鋪裝，小區干道加鋪透水瀝青路面，路側修建植草溝，混接排水管道進行雨污分流改造，修建地下雨水調蓄池，將原有小區內的景觀水池升級改造為雨水調蓄池等。

經過海綿改造后的小區雨水排放主要路線如圖1所示。

圖1 海綿改造后的小區雨水排放路線

1)多層建筑屋面雨水通過雨落管斷接后接入滲透邊溝過濾，凈化后導入景觀雨水調蓄池，高層建筑屋面雨水斷接后進入地下蓄水模塊儲存滲透。

2)地面徑流進入路側滲透邊溝后，導入小區景觀生態水池加以利用。

3)室外全透水鋪裝改造，實現小雨不積水（見圖2，3）。

圖2 海綿改造前的宅間場地

圖3 海綿改造后的宅間場地

2 項目徑流控制率

式中，α為項目徑流控制率（%）；Ri 為場次降雨累計降雨監測量（mm）；A為項目總面積（hm2）；Q1為降雨時所對應的項目排口監測點的總累計流量（m3）。

按照上述公式，基于場次降雨的累計降雨量，對應時間段內的各排口總流量及項目面積對項目的徑流控制效果進行評估。

3 監測方法及數據分析

3.1 監測方法

3.1.1 監測儀器

監測儀器采用北京清控人居研究院自主研發的Smart Water智能在線監測流量計，主要由傳感器、主機及中繼器組成，采用速度面積法監測實時流量。其中速度測量使用多普勒超聲波測量原理，最大監測流速為9m/s；液位測量使用壓力或超聲波測量原理，最大監測液位為10m。

監測主機裝置利用傳感器對監測點進行在線持續監測，獲得連續液位、流速的基礎監測數據，并按照可變化的智能傳輸時間間隔將數據傳輸到監測中繼器裝置。監測中繼器裝置接收監測數據，通過GPRS通信網絡或其他無線網絡將監測數據傳輸給數據中心。

數據中心為具有獨立因特網IP地址的云服務器主機或獨立計算機的數據服務器。它接收并解析監測數據，將其存入數據庫；結合管道截面對數據進行統計分析，計算出流量并在配套的監測平臺上展示；同時，在發現數據異常時，動態發布報警信息。

3.1.2 布點原則

在住宅小區雨水管道接市政雨水管網處安裝在線流量監測儀。本項目共布設2臺在線流量監測儀。

雨量計采用項目所在區域所屬的雨量計。

3.2 監測結果與分析

3.2.1 項目徑流控制效果評估

將2018年統計到的場次降雨按降雨量大小進行編號，分別計算每場降雨的雨強（降雨強度=降雨量/降雨歷時）與項目徑流控制率（見表1）。

2018年度共采集有效降雨59場，由表1可知：降雨范圍為2～144mm，此住宅小區的徑流控制率為82.506%～100.000%，尤其面對年度強降雨（＞25mm）時，小區徑流控制率也在90%以上。由此可見，經海綿改造后的居民小區對降雨徑流的削減效果明顯，雨水通過下滲、蓄滯等能實現源頭控制，減少市政排水管道壓力。

表1 場次降雨量與項目徑流控制率

續表

3.2.2 降雨量、雨強與項目徑流控制率的關系

降雨量與項目徑流控制率的關系如圖4所示。

隨著降雨量逐漸增大，海綿建設項目的徑流控制率呈降低趨勢。但并非與降雨量的增大呈規律性降低，而是具有明顯的上下起伏，說明降雨量并不是影響項目徑流控制率的唯一關鍵因素。

雨強與項目徑流控制率的關系如圖5所示。由圖5可以看出，在降雨量達到一定量時，項目徑流控制率和降雨雨強具有顯著關系。當降雨量處于2.0～10.8mm時，無論雨強多大，項目徑流控制率都為100%，當降雨量大于10.8mm時，降雨雨強增大時對應的項目徑流控制率呈一定程度降低，降雨雨強的變化趨勢與徑流控制率的變化趨勢基本吻合。如表2所示，選取降雨量一致的每2場降雨進行對比，分析降雨雨強對項目徑流控制率的影響。

如圖6所示，項目徑流控制率并未隨著降雨量的逐漸升高而呈下降趨勢，而與雨強的上下起伏趨勢相吻合，說明在一定范圍內，隨著降雨量的逐漸增大，雨強較降雨量對項目徑流控制率的影響占重要地位。

圖4 場次降雨量與項目徑流控制率關系

圖5 場次降雨雨強與項目徑流控制率關系

表2 降雨量一致場次的降雨數據

圖6 降雨量一致的4組場次降雨雨強與項目徑流控制率關系

分析編號為50和51的場次降雨，2場降雨的雨量分別為25.2，25.4mm，降雨量基本一致。在認定降雨量相同情況下，編號50的場次降雨雨強為2.046mm/h，項目實際徑流控制率為98.916%； 而編號51的場次降雨雨強為4.704mm/h，項目實際徑流控制率為94.221%，降雨雨強增加1.299倍，項目徑流控制率降低4.7%。

4 結語

本文選取海綿城市試點中某海綿改造住宅小區為研究對象，以2018年整年為監測期，對其出口流量及降雨進行在線監測，進而評估經海綿改造后的住宅小區對雨水徑流的實際削減效果。

計算分析得知，經海綿改造的住宅小區對雨水實際截留效果顯著，在海綿設施生態水池、透水鋪裝及植草溝等作用下，該住宅小區在應對年度2～144mm的降雨中，項目徑流控制率為82.5%～100.0%，尤其是在應對強降雨（＞25mm）時，其對雨水的徑流控制率在90%以上，滿足海綿城市建設要求。

分析59場降雨中降雨量及雨強與項目徑流控制率的關系，結果表明隨著降雨量的增大，小區徑流控制率呈下降趨勢，但降雨量并非是影響項目徑流控制率的唯一關鍵因素。當降雨量達到一定量時，雨強對項目徑流控制率產生重要影響，相同降雨量下，雨強越大則項目徑流控制率越小。選取編號50，51的2場降雨進行分析，對于相同雨量的2場降雨，當雨強增加1.299倍時，項目徑流控制率下降4.7%。降雨量較小時，雨量并未超出海綿改造項目的基本蓄滯標準，故其下滲與蓄滯能力受降雨強度的影響較小。但隨著降雨量的增大，雨量超過住宅小區內海綿設施的基本蓄滯能力時，就需一定時間才能下滲。在降雨強度較大情況下，雨水下滲、蓄滯的速度低于降雨強度，導致海綿設施對雨水的控制效果變差，徑流控制率變低。因此，在海綿城市改造建設中，不僅應考慮降雨量對項目徑流控制率的影響，也要考慮海綿設施對雨水蓄滯、下滲的效率，以應對不同強度的降雨，從而指導今后的海綿城市建設。