昆山市海綿城市試點區建設成效核心指標評估研究

文＿楊 森 [宜水環境科技（上海）有限公司，城市水務部經理，工程師]

《海綿城市建設評價標準》（GB/T 51345）中規定了海綿城市建設評價的考核內容和考查內容，其中考核內容包括年徑流總量控制率、源頭減排項目實施有效性、路面積水控制與內澇防治、城市水環境質量、自然生態格局管控與水體生態岸線保護。海綿城市建設評價應對典型項目、管網、城市水體進行監測，結合現場檢查、資料查閱和模型模擬進行綜合評價。財政部、住房城鄉建設部、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，國內有學者在海綿城市建設成效評估方面已開展一些研究，如郭效琛等人采用監測與SWMM模型結合的方法對典型住宅小區海綿改造項目的年徑流總量控制率進行評估，李佳等人采用調研與SWMM模型模擬的方法對北京房山區海綿城市建設的年徑流總量控制率達標區進行評估，沈煒彬等人借助SWMM模型對杭州蕭山區世紀城海綿城市建設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，由陽等人利用GRMS模型對貴州貴安新區中心區海綿城市建設前后年徑流總量控制率、平均徑流污染去除率等指標進行了評估研究。上述研究對海綿城市建設成效的核心指標評估多側重于年徑流總量控制率和雨水徑流污染削減率，對海綿城市建設的排水防澇能力、水環境指標評估及典型設施的污染削減研究不多，對整個片區層面綜合評估海綿城市建設核心指標的研究較少。為此，本文以江蘇省昆山市省級海綿城市試點區為例，采用監測分析和XpDrainage、InoWokrsICM模型分析的方法，評估設施、項目、片區、試點區四個層級海綿城市建設后的核心指標，包括典型設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、片區和試點區的排水防澇能力及年徑流總量控制率，為平原河網地區海綿城市建設評估提供參考。

一、試點區概況

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

昆山市省級海綿城市建設試點區面積22.91km2，區域內地勢平坦，內河網密布，雨水多以重力流就近入河，形成以圩區為單元的排水格局。

在試點建設過程中，昆山市按照規劃引領、系統治理、綜合施策、精品引路、全面推進的工作思路，統籌開展海綿城市建設，充分結合圩區排水特點，協同源頭、過程和末端工程體系，包括河道水系、圩區循環、管網及易澇點整治、地塊（新建、改建）和綠地按照海綿城市建設理念開發建設。

（1）河道水系與圩區循環工程，包括防洪堤防加固與河道拓寬2項、圩區排澇閘站建設10項，提升圩區防洪排澇能力；對8條河道開展清淤疏浚，對10條河道開展內源治理和活水暢流，對9條河道實施生態修復工程建設，提升水體生態環境。

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

（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46項、公園綠地項目29項。

二、總體技術思路

經過3年的試點建設，昆山市全面完成省級海綿城市試點建設工程，并建立了包括機制和技術導則等在內的非工程體系，評估試點建設成效的核心指標總體思路如圖1所示。

圖 2 五類下墊面各場次降雨取樣監測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 現場配置濃度水樣灑水及取盲管水樣

（1）收集整理基礎數據，掌握海綿設施、項目、排水分區、排水管網、河道水系等基礎設施的屬性和空間數據。

（2）實施綜合監測，包括降雨、河道水質、片區管網水位、典型項目排口流量和水質、典型設施出流水質、典型下墊面徑流水質。

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

（4）對設施、項目、片區、試點區逐級開展評估，量化海綿城市建設的核心指標。

三、綜合監測開展

監測是評估海綿城市建設和運行管理質量的重要方式，一方面可用于量化評估典型設施、項目等的建設效果，另一方面可為模型提供率定數據支撐模擬評估。在海綿城市試點建設過程中，結合試點區內圩區管網排水特征、建設項目分布和設施分布等，開展有針對性的監測。

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

（2）針對試點區內下墊面分類，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測，監測指標包括SS、CODcr、TN、TP、NH3-N指標，為典型項目雨水徑流污染削減模型評估提供基礎數據。

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

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

（5）試點區分為5個圩區排水片區，區域內河網密布，市政道路雨水管網排口均為淹沒出流且無拍門設置，管網排水路徑較短，不超過500m就能入河，多數管網平日也受圩區河網水位影響而使管內存水，流量監測較為困難。因此，分別選擇5個排水片區雨水干管中的11個檢查井進行水位監測，為水力模型提供校驗數據。

（6）對試點區內河道與試點區邊界河道開展逐月水質采樣監測，取樣點覆蓋試點區15條河道及5條圩外邊界河道。

四、核心指標評估

海綿城市建設的核心指標評估包括典型設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、片區和試點區年徑流總量控制率與內澇防治評估。

（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測的方式，采集降雨徑流產生后各下墊面30min～150min內的徑流水樣，采樣頻率遵循20min～60min內每隔5min～10min采1個樣，60min～150min內每隔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據，為典型項目雨水徑流污染削減評估提供基礎。五類下墊面SS、CODcr、TN、TP、NH3-N取樣檢測結果如圖2—圖4所示。

統計各指標的標準差、中位數、平均數，出于偏保守原則，選用上四分位數的統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個水樣檢測數據的上四分位數濃度統計值

（二）典型設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指標，對比各污染物的去除效果見表2所示。結果表明：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個生物滯留設施在雨天道路雨水徑流匯入進行取樣及對設施的盲管出流進行取樣，在實驗室檢測各水質指標。兩場降雨下5個生物滯留設施的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%，具體數值如表4所示。

表3 雨水徑流經生物滯留設施處理后各指標去除率

表4 生物滯留設施雨天進水和盲管出水取樣監測數據

博士路雨水濕地設置在濱河綠地內，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低影響開發模擬軟件分別構建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，并評估海綿設施建設前后在設計降雨下的徑流峰值削減情形，具體包括以下內容。

1.集水區劃分及產匯流概化

根據地塊項目設計圖紙中的排水管網、高程分布及海綿設施的分布與收水范圍，劃分集水區，結合下墊面特征選擇產匯流模型并設置產匯流參數。

2.排水管網概化

根據地塊內雨水管網施工圖進行雨水井、雨水管網的空間拓撲連接，設置管道和檢查井的標高、管徑、糙率等屬性參數。

3.海綿設施概化

根據項目建設的海綿設施分布進行空間概化，并連接匯水集水區；結合各類設施的施工大樣圖進行相應參數設置，包括覆蓋層、過濾層、過渡層、保水層、排水層的厚度、孔隙率、滲透系數及其他參數。對海綿設施透水盲管及溢流管與雨水管網銜接進行概化。

4.污染物參數設置

設置集水區內各下墊面的SS雨水徑流特征濃度（用表1數值）和海綿設施的污染物去除率。

5.模型調試與率定

調試模型計算，利用地塊雨水管網排出管的流量和SS監測數據進行模型率定，調整產匯流和SS去除率參數，對比模擬過程與監測過程線如圖7所示，滿足納氏效率系數＞0.50的要求。

圖7 黃泥山小學雨水管網流量監測與模擬過程對比

圖 8 典型項目徑流總量控制率和SS削減率對應關系區間分布圖

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個項目在設計降雨下按照海綿方案建設和無海綿設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，模擬結果表明：按照海綿方案建設的地塊相比無海綿設施的情形下，外排徑流峰值有所減少；在2年一遇24h設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計降雨下3個地塊項目的徑流總量控制率和對應的雨水徑流SS削減率，模擬結果表明：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）片區與試點區年徑流總量控制率與內澇防治評估

利用InfoWorksICM模型軟件構建整個試點區管網與河網耦合的水文水動力耦合模型，結合5個片區管網水位監測對模型進行率定，再利用率定后的模型評估片區與試點區的內澇達標情況和年徑流總量控制率，具體包括以下內容。

1.模型網絡概化

利用雨水管網和河道普查數據進行模型網絡概化，包括管道6145段，長度129.61km；河段431段，長度約70km。

2.集水區劃分

根據地形高程、管網收水范圍、河道分布劃分了4543個集水區，其中位于廟涇片、鎮東片、江浦片、吳淞片、城南片的集水區數量分別為1025個、616個、2104個、227個、571個。

3.產匯流模型

根據每個集水區的地表滲透特征，將集水區劃分為透水面積和不透水面積，分別計算各個集水區的產流量，求和后即為整體的地表產流量。透水下墊面，如綠地、裸地等降雨產流采用Horton下滲模擬；不透水下墊面，如道路、屋頂、硬地等降雨產流采用固定徑流系數法，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

地面產匯流進入雨水系統后，在雨水管網與河道中流動狀態較為復雜，水動力模型采用動力波法差分求解圣維南方程組，動態模擬雨水系統不同流態的水量運動。

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，以及內澇積水在地表二維淺水空間內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，實現超出雨水系統排放能力的地表積水的空間分布與水深模擬。

6.海綿設施概化

將試點區內各類海綿建設項目和相關海綿設施的統計信息進行梳理，在模型各集水區內統計各類海綿設施的面積或容積概化參數，包括海綿設施的類型、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、墊層透水率等參數信息。

7.模型調試與率定

分析篩選試點區內5個片區共11個管網水位監測點與區域內4個降雨站點監測數據，選擇暴雨期間管網水位與暴雨過程有相應漲落過程的點位數據用于模型率定。模擬實測降雨下系統運行工況，結合調整產匯流、管網糙率、拓撲連接核查等，對比篩選出的水位監測過程與模擬監測過程，滿足納氏效率系數＞0.50精度要求，率定結果如表5所示。

表5 兩場降雨下水位模擬與監測過程的納氏效率系數統計表

8.片區與試點區年徑流總量控制率與內澇防治達標情形評估

模擬試點區在典型年（2018年）降雨下的產匯流并統計5個片區的徑流總量控制率，結果表明整個試點區內年徑流總量控制率為80%，其中城南片區、江浦片區、廟涇片區、吳淞片區、鎮東片區年徑流總量控制率分別為66%、84%、73%、81%。模擬試點區在50年一遇24h設計降雨下運行工況，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：試點區海綿建設后，地塊和道路上無中高風險積水點，僅有的積水中風險區域位于待開發地塊中，且積水時間在30min～45min以內消退，具備防治50年一遇內澇的能力。

（五）試點區水環境評估

河道水環境評估采用2020年全年每月人工取樣監測數據開展，采用單因子評價試點區內河道水質類別。評估結果顯示：試點建設后試點區內河道水質類別穩定在IV～V類水體；對比海綿試點建設期間（2017—2019年）各月份的河道水質指標，圩區部分河道的NH3-N指標呈現逐年改善趨勢。由于篇幅所限，試點區15條河道及5條圩外邊界河道的逐月TP、NH3-N、CODMn、BOD5、DO水質評估及對比具體數據不再列出。

五、總論與展望

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

海綿城市是一種可持續發展的建設理念，在系統化全域化推進海綿城市建設過程中，有針對性地選擇設施、項目、片區和區域采用適宜方法開展跟蹤評估，有助于海綿城市建設朝著緩解極端強降雨引發的城市內澇為重點方向發展，使城市在適應氣候變化、抵御暴雨災害等方面具有良好的“韌性”。