基于監測及排水模型的海綿城市片區建設效果評估

洪德松

《全國海綿城市建設規范化評價手冊（2020）》與《海綿城市建設評價標準》（GB/T 51345—2018）要求海綿城市建設評價應以排水分區達標為考核標準，評價排水分區及建成區整體的海綿效應，鼓勵采用“監測+模型”的評估方式。

為及時定量化評估海綿城市建設效果和績效考核，近年來國家級試點城市及部分省級試點城市已開展了一系列監測評估工作[1]。海綿城市監測和評估涉及規劃、設計、工程、設備、模型以及管理等多個方面，現階段基于監測的海綿城市片區達標評估的研究工作剛起步，還面臨一定的困難和挑戰。例如，如何合理布置監測點，如何確定模型參數，如何有效進行效果評估等，都是亟待解決的問題[2]。本文以深圳市龍崗區某中心城區為例，通過構建海綿城市監測評價體系，科學評價區域內的海綿城市建設成效，一方面可以為海綿城市相關規劃設計建設提供技術支持，另一方面也可以積累本地化參數。

1 項目概況

1.1 研究區概況

研究片區位于深圳市龍崗區二級排水分區內，總面積為494 萬m2，其中，位于生態控制線內的面積為206 萬m2，建設用地面積為288 萬m2。片區內公園綠地面積為145.45 萬m2，水域面積為11.4 萬m2，合計占比31.76%。片區降水時空分布不均，降雨主要分布在4 ～9月，全年降雨量變化較大，多年平均降雨量約2 000 mm。片區內有一級支流愛聯河，但已經暗渠化。

1.2 監測評價指標

結合目前國內海綿城市監測評估相關研究，確定片區、典型項目以及水體3大監測評價對象，片區整體評價年徑流總量控制率情況，典型項目評價年徑流總量控制率、年徑流污染控制率以及徑流峰值控制情況，水體評價水質情況[3，4]。相應的監測對象和指標如表1 所示。

表1 監測對象和指標

2 模型構建

2.1 模型搭建

本研究采用MIKE 系列軟件，構建含有管網、地形以及河道等多種要素的區域海綿城市模型。一維管網模型將片區管網、雨水井、排放口以及匯水區等要素相關聯，二維模型將地形要素與管網耦合，考慮到建筑物對二維水流的阻礙作用，相應拔高處理計算單元內的建筑，并挖低處理路網[5]。監測評估區域模型如圖1 所示。

圖1 監測評估區域模型（來源：作者自繪）

2.2 模型率定

模型率定是指調整模型參數以使實測資料擬合達到最優化，任何模型的任一參數都可以通過參數率定方法來確定。模型率定采用誤差指標納什效率系數（Nash—Sutcliffe）。

式中，Q0(t)代表在t時刻的實測值，Qm(t)代表在t時刻的模擬值。其中，ENS的取值范圍為（—∞，1），ENS值越接近1，表明曲線吻合程度越高。通過調整模型參數對模型進行率定，提高模型的準確度，本次研究模型參數主要有管網模型參數和二維地表模型參數。

2.2.1 管網模型參數

管網模型參數主要有徑流系數、匯水區粗糙系數、匯水區洼地蓄水參數、入滲系數以及管道粗糙系數等。一是徑流系數。徑流系數基于各匯水區不同下墊面（建筑、道路、水體、綠地、廣場等）按面積加權綜合計算得出。二是匯水區粗糙系數。不透水粗糙系數為0.018，透水粗糙系數為0.25。三是匯水區洼地蓄水參數。不透水洼地蓄水量1.26 mm，透水洼地蓄水量為3 mm。四是入滲系數。最大入滲率為85 mm/h，最小入滲率為7 mm/h，衰減常數為4/h。五是管道粗糙系數。根據不同材質取值為0.008 ～0.014。

2.2.2 二維地表模型參數

二維地表模型參數主要有時間步長、地形精度、模擬干濕水深、渦粘系數以及地表糙率等。第一，時間步長取1 s。第二，地形精度網格大小為2 m×2 m。第三，干、濕水深分0.002 m 和0.005 m。第四，渦粘系數取32。第五，地表糙率取0.013。

3 監測評估分析

3.1 排水分區監測評估方案

3.1.1 監測思路

片區的監測指標為水量指標，包括降雨量指標和市政管網的流量指標。在區域內本項目河道排口和雨水管網關鍵節點處安裝在線流量計，連續監測1 年的流量指標。

3.1.2 監測點布置

片區布置雨量監測點1處（監測點1），流量監測點6 處，包括管網節點監測點5處、管網入河排口點監測點1 處（監測點4）。具體監測點布置見圖2。

圖2 監測評估區域監測點布置圖（來源：作者自繪）

3.1.3 監測評估結論

選取2020 年10 月～2021 年10 月的降雨數據評估海綿城市徑流的控制效果。年徑流總量控制率60%對應設計降雨深度21.6 mm，年降雨量1 875 mm。通過監測和模型分析，片區雨水系統的最后出流量為685 mm，計算出片區的年徑流總量控制率為63.5%，滿足60%的目標要求。

3.2 典型項目監測方案

3.2.1 監測思路

選擇具有海綿城市建設理念的建筑小區、道路廣場以及公園綠地等項目進行監測評價。對接入市政管網、水體的溢流排水口或檢查井處的排放水量、水質進行連續1 年的監測。水質指標為懸浮物（Suspended Solids，SS），SS 濃度采用《水質 懸浮物的測定 重量法》（GB 11901—89）進行測定。

3.2.2 監測點布置

選取研究區內的建筑小區類、公園綠地以及道路廣場類典型項目各一個，每個項目的每個監測點同時進行流量和水質監測，總計布置17 個監測點。第一，建筑小區類（深圳北理莫斯科大學，新建）：8 處水量水質監測點位，其中有5處管網排口監測點，如圖3（a）所示。第二，公園綠地類（大運公園，新建）：3 處水量水質監測點位，如圖3（b）所示。第三，道路廣場類（國際大學園路，改建）：6 處水質水量監測點位，如圖3（c）所示。

圖3 各類項目監測點位置示意圖（作者自繪）

3.2.3 監測評估結論

（1）徑流總量控制率和徑流污染控制率。通過監測和模型評估分析，深圳北理莫斯科大學項目年徑流總量控制率為62.3%，滿足60%的要求，SS 污染的控制率為72.5%，滿足70%的要求；大運公園項目年徑流總量控制率為79%，滿足75%的要求，SS 污染的控制率為75%，滿足70%的要求；國際大學園路項目年徑流總量控制率為64.9%，滿足60%的要求，SS 污染的控制率為47.5%，滿足40%的要求。

（2）徑流峰值控制。根據對深圳北理莫斯科大學5 個排口的徑流峰值控制進行評估，改造后相比改造前外排徑流峰值流量削減率分別為6.5%、10.7%、9.1%、10.1%、4.6%，所有監測點處均滿足改造后不高于改造前的要求。

3.3 城市水環境監測評估方案

3.3.1 監測思路

水環境監測指標主要包括透明度、溶 解 氧（Dissolved Oxygen，DO）、氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）和氨氮（NH3-N）。根據《海綿城市建設評價標準》（GB/T 51345—2018），將采樣點設于置水面下0.5 m 處，水深不足0.5 m 時應設置在水深的1/2處。每7～14 d應至少取樣1次，且降雨量等級不低于中雨的，降雨結束后1 d 內至少取樣1 次，連續測定1 年；采樣時段自采樣點產流開始，150 min內采樣10 次，分別在0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min、90 min、120 min、150 min 時采樣。如果降雨歷時較短，則采樣至產流結束。實際采樣時間點可根據實際降雨和產流情況靈活調整。

3.3.2 監測評估結論

通過監測數據分析，片區水體的各項水質指標均滿足表1 中的要求。

4 結語

綜上所述，通過“監測+模型”手段可以有效評估片區海綿城市建設效果和典型海綿項目的建設成效，經過評估，研究片區徑流總量控制達到63.5%，滿足60%的目標要求，且典型項目徑流總量控制率、徑流污染控制率以及徑流峰值削減等指標均滿足要求；通過監測手段，可以動態監測片區內水體水環境情況，均滿足相關要求；通過開展監測評估工作，可以科學合理評估片區海綿城市建設成效，從規劃、設計以及建設等各個環節更好地管控海綿城市建設項目。在后續監測評估中，可逐漸減少監測設備的安裝，減少財政資金投入。