海綿城市年徑流總量控制率制定策略研究

摘要：

在中國海綿城市建設不斷推進的當下，優化海綿城市建設核心指標年徑流總量控制率的制定策略對于平衡海綿城市建設的合理性與成本效益具有重要意義。采用傳統工程策略疊加年徑流總量控制率一階變化率曲線進行經濟性分析，并通過徑流污染控制及排水管道設計目標進行驗證，形成了一套年徑流總量控制率“3+2”指標制定策略，即綜合考慮年徑流總量控制率分區圖、年徑流總量控制率與其一階變化率曲線關系圖、城市開發后自然水文條件接近開發前的原則，以及年徑流總量控制率與排水管道設計目標的關系、與徑流污染控制目標的關系；最后在寧波市海綿城市建設中付諸應用。結果表明：該策略提升了年徑流總量控制率指標的合理性與經濟性；根據該策略，寧波市年徑流總量控制率制定為75%時，可實現工程合理前提下的海綿城市建設成本效益最大化。研究成果可為海綿城市建設提供參考。

關" 鍵" 詞：

海綿城市； 海綿設施； 年徑流總量控制率； 徑流污染控制； 寧波市

中圖法分類號： TU992

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.014

收稿日期：2024-02-18；接受日期：2024-05-20

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2022YFC3800500）；北京市屬高等學校高水平科研創新團隊建設支持計劃項目（BPHR20220108）

作者簡介：

李" 暢，男，工程師，碩士，主要從事城鄉市政規劃研究。E-mail：630862063@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0104-06

引用本文：

李暢，王思思.

海綿城市年徑流總量控制率制定策略研究

［J］.人民長江，2025，56（1）：104-109.

0" 引 言

在中國的城市化過程中，下墊面硬化比例不斷增加，使下墊面原本的水文狀態遭到破壞［1］，城市排水（雨水）問題逐漸成為威脅城市正常運轉的高頻因素之一［2］，為緩解此問題，海綿城市建設應運而生。年徑流總量控制率指標是實現海綿城市的核心指標載體之一，該指標制定的科學與否直接關系到整個海綿城市建設的工程量、投資規模，甚至關乎到后期海綿設施的運行維護工作，因此從多維度分析其數值的制定是必要的。

潘國慶等［3］對年徑流總量控制率、設計降雨量及徑流污染物控制三者之間的關系進行了具體的闡述。李俊奇等［4］將全國尺度年徑流總量控制率分區進行了劃分，并對設計降雨量地域分布特征進行了詳細的說明。王文亮等［5］將年徑流總量控制率指標通過場地內和場地外控制兩種模式對其在具體項目中如何進行指標分解進行了深入的闡述。任心欣［6］、蘇定江［7］等對年徑流總量控制率與流量徑流系數和雨量徑流系數的關系進行了闡述與延伸。王震等［8］提出通過不同單一或集中耦合的海綿設施總規模對年徑流總量控制率進行反算，從而得出年徑流總量控制率。然而在海綿城市相關的諸多研究中，針對具體工程制定兼顧合理性與經濟性的指標系統性策略較為缺乏。

自2015年海綿城市建設試點申報工作開展以來，全國掀起了海綿城市建設熱潮，一些城市由于數據缺乏及相關數據的積累不足導致年徑流總量控制率的制定偏大或偏小，進而影響海綿設施的落地。鑒于此，本文對海綿城市建設中年徑流總量控制率的制定方法進行梳理與拓展，并通過徑流污染控制及排水管道設計目標進行驗證，形成了一套年徑流總量控制率“3+2”指標制定策略，以期為今后海綿城市建設提供理論參考和依據。

1" 國內外年徑流總量控制率的制定及應用

1.1" 國內外年徑流總量控制率的制定方法

美國自20世紀80年代，對控制中小降雨事件所采用的方法是“場次徑流體積計算方法”（以下簡稱“場次百分點法”），其原理是將多年降雨數據進行場次劃分，并將每場雨的降雨量乘以匯水區的徑流系數，得到該匯水分區每場降雨的徑流總量，再將該匯水區多年徑流總量進行排序，選取某個百分點的年徑流控制數值作為控制目標［9-11］。

中國海綿城市建設中所采用的年徑流總量控制率指的是通過自然和人工措施加強滲透、集蓄、利用、蒸發和蒸騰等方式，場地內累計全年不外排雨量占全年總雨量的比例［12］。這與美國的場次百分點法存在兩點差異：① 降雨采用日降雨量而不是場次降雨量；② 降雨量不轉化為徑流量。有學者對中國1954～2014年的6個城市降雨數據進行處理對比分析后得出，美國的場次百分點法和中國的年徑流總量控制率法指標數值相差在32%～46%［3］，中國的年徑流總量控制率的統計結果偏大，因此中國的指標達標要求更難。

1.2" 年徑流總量控制率在新城區和老城區的應用

由于中國各城市發展階段不同，且各城市中不同地區發育程度也存在一定的差異，如老城區多是自發建設形成，缺少整體規劃，老城區建筑密度較大，硬化面積率較高，綠化率偏低，屋頂承重能力較差，雨污合流管道比例較高，設計重現期標準偏低，雨污水管線位置混亂［13］，管線與道路和地塊的空間關系復雜，且建設用地大部分都已完成建設，因此海綿城市建設的雨水設施（以下簡稱“海綿設施”）布置及施工難度較大。另外，老城區雨水徑流的污染物含量較高，管網的排水體制又多為“直排+截流”形式，因此一旦發生超過管道設計標準的降雨事件時，則會引發合流制溢流污染問題。在規劃階段可對老城區適當降低年徑流總量控制率標準，在匯水區源頭采用截污控污措施，途中采用轉輸措施，末端采用調蓄設施，并在不同條件區域對這三者的比例進行靈活調控。而若在老城區片面追求年徑流總量控制率高標準，則違背了海綿城市建設理念初衷，會造成極大的浪費。

新城區相比老城區整體規劃完整，建筑密度較小，硬化率較小，綠化率較高，房屋承重能力較好，地下雨水管線設計重現期較大，管線位置與道路和地塊的空間關系較為清晰，且建設用地多具備預留空間，海綿設施的布置及施工復雜程度會低很多。因此針對新城區，在規劃階段可適當提高年徑流總量控制率標準及在匯水區源頭加大海綿設施的比例。

總之，在建設海綿城市的過程中，應著眼于城市整體來制定年徑流總量控制率總體目標。在指標分解過程中，針對不同區域的特點采用“量體裁衣”原則，因地制宜地調整傳統灰色設施和海綿設施的比例，制定出適合城市中不同區域的年徑流總量控制率目標。

1.3" 實際工程應用中存在的問題

在海綿城市建設的規劃設計階段，國內普遍存在基礎數據欠缺問題，導致年徑流總量控制率制定及暴雨強度公式的修編難以做到科學全面，若無模型模擬，僅通過傳統計算方法進行計算，易得到錯誤結論，則在后續工程建設中難以實現經濟合理的目標。在城市發展過程中，與其他區域進行統籌規劃建設時，至少在城市排水（雨水）基礎設施這個層面上將難以與其他數據充足、規劃建設良好的區域進行整合工作。

本文針對上述問題，以寧波市海綿城市建設為例，對年徑流總量控制率的制定策略進行探討，以期為其他地區海綿城市建設提供更多的參考經驗。

2" 寧波市海綿城市年徑流總量控制率的制定

2.1" 研究區域概況

寧波市中心城區面積從1986年不足100.0 km2發展到2022年345.5 km2的規模，36 a間城市建設用地面積發展為原來的三倍多［14-15］。傳統的城市開發模式僅注重城區連片建設，而忽視了場地高強度開發對下墊面及周圍區域水文所造成的影響。原有的綠地和水域被硬化鋪裝取代，造成城市不透水面積的迅速擴張，下墊面產流能力增大，城市內澇威脅加劇。

寧波市屬亞熱帶季風氣候，初夏易形成“梅雨”天氣，極易造成較大規模的城市面源污染以及城市內澇問題。全市多年平均降水量約為1 555.4 mm［16］（1980～2022年）。年內分配過程為非汛期1～3月、10～12月，降雨量較少；主汛期5～9月，降雨量較大。

對寧波市1980～2022年平均降水量（圖1）進行分析可知，寧波市降水量年際分布十分不均勻。降水量高的年份達2 161.0 mm（2021年），降水量低的年份則不足1 000 mm（2003年），年降水總量相差一倍多。寧波市年降水總量的不平衡特征增加了城市水安全、水資源和水環境的脆弱性風險。

2.2" 年徑流總量控制率分區圖

根據GB/T 51345—2018《海綿城市建設評價標準》［17］中的年徑流總量控制率分區圖，確定寧波市處于Ⅲ區，因此寧波市年徑流總量控制率α范圍為75%～85%（圖2）。

2.3" 年徑流總量控制率與設計降雨量的關系

通過對寧波市氣象局提供的近30 a日降雨量資料［18］（不包括降雪且去掉小于2 mm的降雨事件）統計，計算得出寧波市年徑流總量控制率與設計降雨量之間的對應關系，如圖3所示。

在海綿城市建設制定年徑流總量控制率過程中，需考慮合理性與經濟性的平衡。經過計算寧波市年徑流總量控制率一階變化率可知，年徑流總量控制率在55%～60%區間內增長率達到峰值，即增長率邊際效益達到峰值（圖4）。年徑流總量控制率若設置在這一區間內，雖然經濟性較好，但是難以達到海綿城市建設中控制水量和水質的目標。在65%～75%區間時，年徑流總量控制率的一階變化率出現第二次小幅遞減放緩。因此在考慮成本效益的同時，將年徑流總量控制率設置在65%～75%區間較為合理。若指標制定的高于這一區間，從海綿城市建設的經濟性角度出發，增長率邊際效益急劇收窄，成本效益邊際效益較差，會造成投資浪費；制定的低于這一區間，從水量和水質控制效果的角度出發，又不能達到控制要求。

2.4" 年徑流總量控制率制定原則

根據海綿城市建設中城市開發后自然水文條件接近于開發前原則，制定年徑流總量控制率指標。寧波市城市開發前場地狀態接近公園與綠地，根據《寧波市海綿城市規劃設計導則》可知，公園或綠地的徑流系數為0.15～0.25。寧波市屬于濕潤地區，降雨充沛，地下水位較高，因此取自然狀態下公園或綠地徑流系數的上限值0.25，代入式（1）進行計算：

α=（1-Ψ）×100%

（1）

式中：α為年徑流總量控制率；Ψ為寧波市城市開發前徑流系數，取0.25。經計算，當α定為75%左右時，可滿足城市開發后自然水文條件接近于開發前的原則。

2.5" 年徑流總量控制率的綜合制定

通過年徑流總量控制率分區圖、年徑流總量控制率與其一階變化率曲線關系圖、城市開發后自然水文條件接近于開發前原則這3個維度的交集綜合確定寧波市年徑流總量控制率為75%，如圖5所示。通過該方法得到的年徑流總量控制率目標更為科學、經濟且合理。

3" 年徑流總量控制率與其他目標的關系

3.1" 與排水（雨水）管道設計目標的關系

傳統管道系統控制目標是3～5 a，甚至5～10 a重現期的降雨事件。海綿雨水系統控制目標是小于3 a的中小降雨事件，但其可以通過控制年徑流外排總量，對重現期較高的降雨起到延峰和削峰的作用［19］，達到空間換時間的效果，減少管道和泵站等傳統排水系統所承擔的負荷，為老城區地下管線難以提標改造的困境提供了新的破解思路。

以寧波市奉化區的海綿城市建設案例進行分析，根據式（2）［12］計算出案例區域應建設的海綿設施調蓄容積，即以寧波市年徑流總量控制率75%對應的設計降雨量20.7 mm進行計算，則需建設海綿設施的調蓄容積約為144.9 m3。

V=10HΨ′F

（2）

式中：V為設計調蓄容積，m3；H為設計降雨量，取20.7 mm；Ψ′為寧波市城市現狀綜合徑流系數，取0.7；F為寧波市海綿城市建設案例區域面積，取1 hm2。

采用寧波市奉化區暴雨強度公式進行分析，圖6為延峰原理圖，圖7為峰值流量削減示意圖，其中橫坐標表示降雨時間t，縱坐標表示流量Q。案例區域建設海綿設施前峰值流量及對應時間分別為Q1和t1，建設海綿設施削峰后峰值流量及對應時間分別為Q2和t2，t延為峰值流量出現的延后時間，計算公式為

q=799.935（1+0.75lgP）（t+2.08）0.508

（3）

Q=Ψ′qF

（4）

式中：q為暴雨強度，L/（s·hm2）；P為設計重現期，a；t為集水時間，取5.0 min；Q為雨水徑流量，L/s。

選取重現期為3 a的降雨事件為例進行說明，表1是針對案例區域在重現期為3，5 a和10 a降雨事件且建設海綿設施情景下的延峰和削峰效果統計。當t1為5 min時，結合公式（3）和公式（4）計算得出Q1約為281.3 L/s，由于案例區域建設海綿設施的調蓄容積約為144.9 m3，經計算，t延約為8.6 min，則t2約為13.6 min，削減后的峰值流量Q2約為187.9 L/s，即峰值流量削減量約為93.4 L/s，因此峰值流量削減率約為33.2%。

海綿城市建設涵蓋了新城區和老城區的建設及升級改造工程，因此海綿雨水系統與管道排水系統之間可相互協調，共同實現年徑流總量控制及排水管道設計目標。

3.2" 與徑流污染控制目標的關系

降雨對下墊面沖刷所引發的城市徑流污染問題，是中國城市排水（雨水）工程中實現水環境改善需要迫切解決的問題［20］。中國各城市地區空間差異較大，城市間降雨特征也存在較大的差異［21］，因此在海綿城市建設過程中通過年徑流總量控制率指標指導海綿設施的設計可以控制初期雨水的外排量，即控制了一定量的徑流污染物排放量。

根據《寧波市徑流雨水污染監測及研究報告》，寧波市中心城區雨水徑流中的懸浮物（SS）和化學需氧量（COD）分別占城市污染物排放量的近七成和三成［10］，針對寧波市雨水徑流污染問題，基于雨水徑流污染物外排總量不大于開發前原則，濃度控制需以控制外排水質為導向進行規劃設計。目前中國在海綿城市建設過程中主要采用年徑流總量控制率指標對中小降雨事件進行控制，通過直接控制水量達到間接控制水質的目的。有研究認為控制初期12.7 mm的徑流可去除90%以上的地表污染物［22］。

根據《寧波市海綿城市規劃設計導則》［18］要求，寧波市建設項目年徑流污染物（以懸浮物SS計）削減率不宜低于40%。本文結合公式（5）［12］及表2所列的海綿設施污染物削減率［18］計算可知，將寧波市海綿城市建設目標定為75%，即對應的設計降雨量為20.7 mm時，寧波市海綿城市建設可以達到年徑流污染物削減目標。

年SS總量削減率=年徑流總量控制率×

海綿設施平均污染物削減率

（5）

4" 結 論

海綿城市建設是一種能夠有效緩解當前城市排水（雨水）問題的建設理念，而其中海綿城市建設指標體系是否科學合理，將直接關系到城市建設成本以及后續一切建設項目的可達性。海綿城市建設的核心指標年徑流總量控制率貫穿了海綿城市專項規劃、實施方案、場地設計，以及后續的海綿設施選擇、布設乃至后期的施工維護等環節。本文提出的海綿城市建設中年徑流總量控制率的“3+2”指標制定策略，即指綜合考慮年徑流總量控制率分區圖、年徑流總量控制率與其一階變化率曲線關系圖、城市開發后自然水文條件接近開發前的原則，以及年徑流總量控制率與排水管道設計目標的關系、與徑流污染控制目標的關系；該策略提升了指標的合理性與經濟性。同時，本文分析了新城區和老城區在制定年徑流總量控制率指標的差異性，闡述了國內海綿城市建設過程中存在的實際工程問題，并以寧波市為例進行了分析。結果表明：寧波市年徑流總量控制率制定為75%時，可實現海綿城市建設成本效益最大化。研究成果旨在提升海綿城市建設過程中的科學性，從而使年徑流總量控制率指標能夠更好地服務于海綿城市建設。

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［22］中華人民共和國住房和城鄉建設部.室外排水設計標準：GB 50014—2021［S］.北京：中國建筑出版社，2021.

（編輯：謝玲嫻）

Research on strategy for formulating annual runoff total control rate in sponge cities

LI Chang1，WANG Sisi2，3

（1.Capital Urban Planning amp; Design Consulting Development Co.，Ltd.，Beijing 100031，China；

2.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment of Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；

3.Architectural Design and Research Institute of BUCEA Co.，Ltd.，Beijing 100044，China）

Abstract：

Currently，as sponge city construction continues to advance in China，optimizing the formulation strategy for the core indicator of annual runoff total control rate in sponge city development holds significant importance for balancing rationality and cost-effectiveness.By employing traditional engineering strategies superpositioned with the first-order change rate curve of the annual runoff total control rate for economic analysis，and validating it through runoff pollution control and drainage pipe design objectives，a \"3+2\" indicator formulation strategy for the annual runoff total control rate has been established.The proposed strategy comprehensively considers various factors，including the zoning map of the annual runoff total control rate，the relationship between the annual runoff total control rate and its first-order change rate curve，the principle of maintaining natural hydrological conditions post-urban development close to pre-development levels，as well as the connections between the annual runoff total control rate and drainage pipe design goals，and runoff pollution control objectives. Finally，this strategy was implemented in Ningbo's sponge city development.The research findings reveal that：① This strategy enhances both the rationality and economic efficiency of the annual runoff total control rate indicator.② According to this approach，by setting the annual runoff total control rate in Ningbo City at 75%，maximum cost-effectiveness in sponge city development can be achieved under reasonable engineering conditions.These research findings can serve as valuable references for sponge city development in other Chinese cities.

Key words：

sponge city； sponge facilities； annual runoff total control rate； runoff pollution control; Ningbo City