專家釋疑：海綿城市面對雨水徑流總量控制困惑與質(zhì)疑的闡述

總結(jié)美國雨水管理的發(fā)展歷程、總量控制率指標(biāo)及其分析方法等可知，首先，總量控制是基于傳統(tǒng)峰值流量控制設(shè)施在控制徑流污染、恢復(fù)自然水文狀態(tài)上的不足提出來的，但恢復(fù)自然水文狀態(tài)與徑流污染控制兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)并不沖突，因?yàn)閮烧哂兄�共同的重要�?shí)現(xiàn)途徑——徑流體積控制。

其次，“降雨(雨量或場次)-徑流”是相互依托的，彼此可通過“降雨-徑流”計(jì)算或降雨統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，即無論基于徑流污染控制，還是自然水文狀態(tài)恢復(fù)，年徑流總量控制率、年降雨場次控制率和年雨量控制率均可以作為其評價(jià)指標(biāo)。

雨水徑流控制目標(biāo)與各控制率指標(biāo)之間的關(guān)系如圖1所示。

需特別指出，國內(nèi)外的研究和長期的發(fā)展都一致的是，洪澇控制是一個(gè)傳統(tǒng)的老話題，也是各國、各城市一直都在努力的重大領(lǐng)域，而且都有相對明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、專項(xiàng)規(guī)劃、技術(shù)體系等。隨著人們對雨洪綜合性問題認(rèn)識的不斷深入和提高，增加并強(qiáng)化了對徑流污染總量控制的研究和考慮，這絕不意味就不重視暴雨峰值及其帶來的洪澇控制，這應(yīng)該是一個(gè)基本的常識和認(rèn)知，決不可將兩者對立起來，或厚此薄彼。

1.2基本定義

“指南”中“年徑流總量控制率”實(shí)為年雨量控制率。考慮年雨量控制率這一表述易讓人產(chǎn)生“人工控制降雨”和“人定勝天”的歧義，“指南”中術(shù)語選擇了“年徑流總量控制率”。事實(shí)上，在工程實(shí)踐過程中，該指標(biāo)的落實(shí)是通過控制降雨產(chǎn)生的徑流來實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)雨水設(shè)施的規(guī)模也可按照設(shè)計(jì)降雨量標(biāo)準(zhǔn)通過徑流體積計(jì)算確定，即實(shí)際工程控制的仍是徑流，只是統(tǒng)計(jì)分析的是雨量。

此外，雖然從數(shù)值上選擇了多年降雨資料統(tǒng)計(jì)得出的年雨量控制率，針對的是維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率，由上述可知，與另一出發(fā)點(diǎn)——控制徑流污染并不沖突，但是，若從徑流污染控制目標(biāo)出發(fā)，還應(yīng)依據(jù)受納水體的水環(huán)境容量、徑流污染控制的總體要求具體確定年雨量控制率指標(biāo)。

“指南”“年徑流總量控制率”術(shù)語中的“控制”指的是“總量控制”，即包括徑流污染物總量和徑流體積。對于具有底部出流的生物滯留設(shè)施、延時(shí)調(diào)節(jié)塘等，如圖2所示，雨水主要通過滲濾、排空時(shí)間Td控制(延時(shí)排放以增加SS停留時(shí)間)實(shí)現(xiàn)污染物總量控制，雨水未直接外排，而是經(jīng)處理達(dá)到一定效果后外排，由于徑流污染控制是總量控制的重要內(nèi)容，故該情形也屬于總量控制的范疇。

對于“不外排”，事實(shí)上，從國際上被廣泛認(rèn)知的基本水文循環(huán)看，自然狀態(tài)下80%~90%的雨水通過入滲、蒸發(fā)/蒸騰進(jìn)入良性水文循環(huán)，而只有10%左右形成地表徑流排出匯水區(qū)域，即絕大部分的雨水實(shí)際上就是應(yīng)該“不外排”，這恰恰就是自然條件下真正海綿的作用，也恰恰是入滲的40%左右的雨水在一定條件可形成壤中流、地下徑流，進(jìn)而流出地表或形成河道基流，加上地表徑流及綠色海綿保持、延緩出流的徑流，構(gòu)筑千萬條大大小小的溪流河川，最終進(jìn)入海洋，這也是一個(gè)基本的水文常識。

但是，在實(shí)際條件，尤其在城市化一些具體條件下，簡單說“不外排”容易產(chǎn)生誤解和歧義，因此，實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件和目標(biāo)合理選擇入滲、集蓄利用、水質(zhì)處理(過濾、沉淀)等方式控制徑流雨水，不應(yīng)死板、片面的理解和追求“不外排”，在一些特定條件，需要通過合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“處理后外排”。

綜上，年雨量控制率(Precipitation Volume Capture Ratio，PVCR)、年降雨場次控制率(Rainfall Event Capture Ratio，RECR)和年徑流總量控制率(Runoff Volume Capture Ratio，RVCR)其實(shí)是相通的，可分別用式(1)~(3)表示。

PVCR=1-Pto/Ptr(1)

RECR=1-Eto/Etr(2)

RVCR=1-Vto/Vtr(3)

式中Pto——總溢流雨量;

Ptr——形成徑流的降雨場次的總降雨量;

Eto——產(chǎn)生溢流的降雨場次數(shù);

Etr——形成徑流的總降雨場次數(shù);

Vto——總溢流體積;

Vtr——總徑流體積。

1.3分區(qū)依據(jù)

考慮不同地區(qū)在氣候、開發(fā)前自然植被狀態(tài)下降雨產(chǎn)流率上的差異，及工程可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)合理性等因素，按年雨量控制率將我國大陸地區(qū)劃分為五個(gè)分區(qū)，如圖3所示。

美國農(nóng)業(yè)部的研究表明，城市開發(fā)前自然條件下只有10%的降雨產(chǎn)生徑流，我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》對公園綠地的流量徑流系數(shù)定義為0.1~0.2，綜合考慮，將城市開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為15%(相應(yīng)的降雨總量控制率為85%)，并以此作為分區(qū)的依據(jù)之一。

事實(shí)上，開發(fā)前的降雨產(chǎn)流狀態(tài)與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣�、土壤條件、植被條件及水文地質(zhì)特征等密切相關(guān)，應(yīng)經(jīng)過實(shí)測分析與模型連續(xù)計(jì)算等論證后合理確定。考慮到我國城市的具體情況和差別，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(國辦發(fā)[2015]75號)》將指標(biāo)定為70%。

需指出的是，位于不同分區(qū)的城市，不同控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量差異較大，如表2、表3所示;其中，若以85%年雨量控制率為例，按照其對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量不同可將我國分為六個(gè)區(qū)，如表4所示。

此并進(jìn)一步考慮，雖然分區(qū)考慮了多方面因素，但仍難以全面顧及具體城市、項(xiàng)目的巨大差異，所以，《指南》中指出，各地只能參照此限值，因地制宜的確定本地區(qū)的總量控制目標(biāo)。

實(shí)踐中，在不脫離總量控制在控制徑流污染、恢復(fù)自然水文狀態(tài)的主要功能、職責(zé)的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合實(shí)際雨水問題及項(xiàng)目條件，因地制宜確定總量控制目標(biāo)，不宜一刀切，或簡單的套用分區(qū)對應(yīng)的控制率取值。

1.4與美國95%年降雨場次控制率目標(biāo)的比較

上述可知，同樣以恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，美國EPA針對聯(lián)邦項(xiàng)目，在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一采用95%的年降雨場次控制率作為控制目標(biāo)，而“指南”采用的是年雨量控制率，且進(jìn)行了分區(qū)。以部分城市為例，采用同樣的降雨統(tǒng)計(jì)方法，85%年雨量控制率與95%年降雨場次控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量如表5所示，可知，前者對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量小于后者，即若采用美國的標(biāo)準(zhǔn)，將高于“指南”標(biāo)準(zhǔn)。

但如前所述，場次控制率和雨量控制率并無原則上的區(qū)別，內(nèi)涵是一致的，最終是為了徑流體積和污染物總量控制，因此，可根據(jù)使用方便，靈活選擇，比如，對應(yīng)合流制溢流次數(shù)控制，降雨場次控制率用起來更為直接。

實(shí)際工程落地效果的影響因素

2.1如何工程落地

2.1.1工程措施

如前所述，雨水總量控制的目的在于控制徑流污染、減少徑流體積排放(恢復(fù)自然水文狀態(tài))，即總量控制的實(shí)施途徑除了雨水入滲(回補(bǔ)地下水、維持地下徑流及補(bǔ)充河道基流)和集蓄回用，同時(shí)增加雨水蒸發(fā)(騰)量，以最大程度恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)外，具有徑流污染控制功能的滲濾、延時(shí)調(diào)節(jié)、CSO調(diào)蓄、城市天然內(nèi)河湖泊調(diào)蓄等水質(zhì)處理方式，皆可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果納入總量控制的范疇，且對每個(gè)城市、片區(qū)和項(xiàng)目，入滲、集蓄回用、水質(zhì)處理三部分的比例應(yīng)根據(jù)其開發(fā)前的水文條件、土壤與地下水條件、突出問題、主要目標(biāo)及其經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定。

需注意的是，相比末端集中控制設(shè)施，源頭分散生態(tài)設(shè)施在控制初期雨水徑流污染上更具優(yōu)勢，因此，新建城區(qū)應(yīng)優(yōu)先通過源頭徑流控制進(jìn)行總量減排達(dá)標(biāo)，老城區(qū)條件不足時(shí)，可結(jié)合部分相對末端的調(diào)蓄設(shè)施綜合達(dá)標(biāo)，總而言之，應(yīng)該通過不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來合理確定設(shè)施的分散與集中的分配和布局關(guān)系。

2.1.2指標(biāo)分解

上述可知，美國共有30個(gè)州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率或水質(zhì)控制容積的體積控制標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)主要以手冊(具有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的作用)或雨水排放許可的形式得以落地。目前，我國該指標(biāo)的落地主要通過規(guī)劃，以總量控制率指標(biāo)分解的方式得以落地，如各地正在編制的海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃;在工程項(xiàng)目層面，國家層面的綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和雨水控制利用相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)也提出了相應(yīng)的指標(biāo)要求。

但在工程實(shí)踐中，需要考慮具體項(xiàng)目的改造難度，解決和平衡綠色與灰色、地上與地下、分散和集中設(shè)施的關(guān)系，以達(dá)到效益最優(yōu)，因此，無論規(guī)劃層面還是工程項(xiàng)目層面，不宜簡單、一刀切、絕對化的提出“透水鋪裝率”、“下沉式綠地率”、“綠色屋頂率”等具體到單項(xiàng)設(shè)施的硬性指標(biāo)要求，一定要考慮指標(biāo)落地的可操作性和經(jīng)濟(jì)合理性，給工程設(shè)計(jì)階段留出方案優(yōu)化的余地。

關(guān)于指標(biāo)分解方法，可采用控制率與面積加權(quán)平均的方法，或結(jié)合模型模擬進(jìn)行分解。關(guān)于地塊指標(biāo)賦值，對于老城區(qū)，應(yīng)根據(jù)實(shí)地調(diào)研，結(jié)合場地條件等確定;對于新區(qū)，應(yīng)根據(jù)不同類型用地的開發(fā)強(qiáng)度，考慮指標(biāo)可達(dá)性，并兼顧公平性原則等確定，以便于進(jìn)行規(guī)劃管控與雨水排放管理制度的實(shí)施。

2.2實(shí)際降雨

雨水設(shè)施的實(shí)際徑流控制效果與降雨間隔時(shí)間、降雨雨型與強(qiáng)度、匯水面不透水率、雨水設(shè)施規(guī)模與排空時(shí)間等密切相關(guān)。

匯水面特征及設(shè)施特征一定的情況下，降雨特征成為影響工程總量控制效果的關(guān)鍵因素，首先是連續(xù)場降雨(間隔時(shí)間短)對設(shè)施的沖擊。

“指南”中年雨量控制率統(tǒng)計(jì)分析采用的是前后兩日20時(shí)至20時(shí)的24小時(shí)降雨量，美國采用的是凌晨12:00:00，至晚上11:59:59，但皆非場降雨的概念，事實(shí)上24小時(shí)降雨可能是一場雨、多場降雨，且存在人為的將跨越20時(shí)的一場連續(xù)降雨劃分為兩場的情形，這取決于場降雨的定義，如圖4所示，若以最小降雨間隔時(shí)間(無雨時(shí)間)T作為場降雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)(兩場降雨的間隔時(shí)間t≥T時(shí)，視為兩場降雨;t

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24小時(shí)(20時(shí)～20時(shí))降雨數(shù)據(jù)為例，按最小降雨間隔時(shí)間T分別為6 h、12 h、24 h進(jìn)行場次劃分，扣除小于等于2 mm的降雨量/場次，結(jié)果如表6所示。

關(guān)于設(shè)施排空時(shí)間，以延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施為例，其水質(zhì)控制容積的排空時(shí)間應(yīng)根據(jù)一定SS去除率需要的沉淀時(shí)間確定，研究表明，當(dāng)排空時(shí)間為12 h時(shí)，延時(shí)調(diào)節(jié)池的年SS總量去除率可達(dá)到65%，排空時(shí)間40 h對應(yīng)的去除率則達(dá)到82%。

Urbonas等推薦雨水滲透設(shè)施的排空時(shí)間宜為12 h，雨水砂濾池的排空時(shí)間宜為24 h，延時(shí)調(diào)節(jié)池的排空時(shí)間宜為24～48 h，濕塘的排空時(shí)間宜為12 h。

另一影響設(shè)施徑流控制效果的降雨因素是場降雨的雨型與強(qiáng)度。以降雨量基本相同，雨型與強(qiáng)度不同的4場實(shí)際降雨為例，通過SWMM模型計(jì)算雨水花園的入流、入滲及溢流過程，主要模型參數(shù)包括匯水面參數(shù)：總面積5 hm2，不透水率74.1%，不透水匯水面洼蓄量2 mm，透水匯水面洼蓄量12 mm;霍頓入滲參數(shù)：最大入滲率18 mm/h，最小下滲率1.8 mm/h，衰減系數(shù)4，干期7 d;雨水花園參數(shù)：面積2 750 m2，占總面積比例為5.5%，蓄水層深度250 mm，蓄水層容積688 m3，排空時(shí)間12 h。降雨事件及模擬結(jié)果如圖5、表7所示。

通過模擬結(jié)果可以看出，設(shè)施和匯水面特征一定的情況下，對于雨量基本相同的降雨，設(shè)施對雨強(qiáng)小且較均勻、雨峰靠前的降雨的徑流體積和雨量控制效果優(yōu)于雙雨峰及雨峰靠后的降雨，原因在于，雨水滲透設(shè)施的入滲過程、調(diào)節(jié)設(shè)施的底部出流過程，以及設(shè)施的溢流過程皆是動(dòng)態(tài)變化的，受雨水設(shè)施的入流過程，即匯水面的產(chǎn)匯流過程直接影響，而根本還是受降雨的影響。

此外，設(shè)計(jì)降雨量一定的情況下，采用容積法與給定雨型下的模型計(jì)算法計(jì)算得到的設(shè)施容積也不同，原因在于，與模型計(jì)算法不同，容積法采用雨量徑流系數(shù)對匯水面的產(chǎn)流過程進(jìn)行了概化，忽略了匯水面的“植物截留-入滲-洼蓄”產(chǎn)流過程是隨降雨過程動(dòng)態(tài)變化的。但雨量徑流系數(shù)、植物截留量、入滲率、洼蓄量層等參數(shù)取值合理的情況下，兩者的計(jì)算結(jié)果差別不大，如在此案例中，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，設(shè)施的設(shè)計(jì)降雨量約為26.5 mm，而按照容積法進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)降雨量為25.1 mm，如表7所示。

2.3工程設(shè)施規(guī)模確定方法

2.3.1基于模型連續(xù)計(jì)算

以北京1986～2015年30年逐分鐘降雨數(shù)據(jù)為例，利用SWMM模型計(jì)算不同規(guī)模的雨水花園對年雨量、降雨場次、徑流總量的控制效果如圖6所示，SWMM建模同上。

2.3.2基于降雨統(tǒng)計(jì)分析

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24 h(20時(shí)～20時(shí))降雨數(shù)據(jù)為例，分別對24 h降雨數(shù)據(jù)，逐分鐘降雨按最小降雨間隔時(shí)間T分別為6 h、12 h、24 h劃分場降雨后的場降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到設(shè)計(jì)降雨量與年雨量控制率、年降雨場次控制率的關(guān)系如圖7所示。

2.3.3兩個(gè)方法比較

由圖6可知，根據(jù)模型連續(xù)計(jì)算法，當(dāng)雨水花園蓄水層容積為688 m3時(shí)，年雨量控制率約為82%。如前所述，分別按SWMM模型(特定雨型)和容積法計(jì)算，該規(guī)模的雨水花園對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量分別為26.5 mm和25.1 mm;而根據(jù)對場降雨數(shù)據(jù)(T=12 h)和24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，如圖7所示，設(shè)計(jì)降雨量26.5 mm、25.1 mm對應(yīng)的年雨量控制率分別約為76%、79%和71%、73%，與82%的模型連續(xù)計(jì)算結(jié)果存在差異。

上述差異同樣歸因于模型連續(xù)計(jì)算和降雨統(tǒng)計(jì)分析在方法上本質(zhì)的不同。模型模擬法基于匯水面產(chǎn)匯流過程、設(shè)施“入流-入滲/底部出流-溢流”過程的連續(xù)水文動(dòng)態(tài)分析，可直接得到設(shè)施規(guī)模與總量控制率的關(guān)系，需要分鐘或小時(shí)精度的降雨數(shù)據(jù);而統(tǒng)計(jì)分析法針對的僅是場降雨量或24小時(shí)降雨量，不包含產(chǎn)匯流過程計(jì)算，而設(shè)施規(guī)模的確定，需根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的設(shè)計(jì)降雨量，采用容積法(合理化公式)、SWMM模型計(jì)算法(給定雨型)等確定。兩種方法的比較如表8所示。

目標(biāo)優(yōu)化

3.1考慮經(jīng)濟(jì)性與極端暴雨的影響

根據(jù)北京近30年24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)降雨量與不同重現(xiàn)期1 h降雨量的關(guān)系如圖8所示，其中85%年雨量控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為33.6 mm，小于1年一遇1 h降雨量36 mm，對其他城市的計(jì)算結(jié)果相似，表明總量控制主要針對中小降雨。

但對于少數(shù)極端暴雨，由于雨量一般較大，對年雨量控制率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的具有一定影響，因此，從總量控制針對中小降雨的特點(diǎn)考慮，統(tǒng)計(jì)過程中可扣除少數(shù)極端暴雨，如按雨量大小排序，扣除頻率小于0.5%的暴雨。

圖8設(shè)計(jì)降雨量與不同重現(xiàn)期1小時(shí)降雨量的關(guān)系根據(jù)對186個(gè)城市的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨設(shè)計(jì)降雨量的持續(xù)增加，年雨量控制率的增加速率將低于設(shè)計(jì)降雨量的增加速率，當(dāng)控制率的增加速率與平均增加速率相等時(shí)，可認(rèn)為是最優(yōu)控制率點(diǎn)，如圖9所示。

分別以全部24 h降雨和扣除0.5%的極端暴雨的24 h降雨為例，計(jì)算186個(gè)城市的年雨量控制率的最優(yōu)值及相應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，結(jié)果如圖10所示，由圖可知，由于我國地區(qū)氣候差異較大，不同城市暴雨發(fā)生的頻率不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)降雨量的變化幅度較大，但最優(yōu)控制率分別在90%和85%上下浮動(dòng)，集中在85%～95%、80%～90%，這也從經(jīng)濟(jì)性角度，表明將開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為85%是相對合理的。

3.2因地制宜

“指南”中的控制率分區(qū)圖僅提供了地區(qū)或城市層面總量控制目標(biāo)的推薦值，實(shí)踐中，需要綜合考慮多方面因素確定。一方面，開發(fā)建設(shè)前的降雨徑流排放量與地表類型、土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋率等因素有關(guān)，應(yīng)通過分析綜合確定開發(fā)前的徑流排放量，確定適宜的總量控制率。另一方面，要考慮當(dāng)?shù)厮�資源稟賦情況、水環(huán)境與水生態(tài)問題及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素。具體到地塊開發(fā)或建設(shè)項(xiàng)目，要結(jié)合本建筑密度、綠地率、雨水設(shè)施的利用效率及土地利用布局等因素確定。

目標(biāo)考核

綜上所述，總量控制包括徑流體積、徑流污染物總量，工程設(shè)施的工作原理不同;總量控制率的統(tǒng)計(jì)方法包括降雨統(tǒng)計(jì)分析和模型連續(xù)計(jì)算，且特點(diǎn)不同;影響實(shí)際工程落地效果的因素包括降雨間隔時(shí)間、雨型與強(qiáng)度、匯水面不透水率、設(shè)施排空時(shí)間與規(guī)模等�？偭靠刂频囊陨咸攸c(diǎn)表明，總量控制目標(biāo)的考核不能通過幾場降雨的監(jiān)測，根據(jù)設(shè)計(jì)降雨量標(biāo)準(zhǔn)下區(qū)域總排口是否“不外排”等方法進(jìn)行，較為合理的方法有以下兩種。

4.1圖紙審核與工程踏勘

由降雨統(tǒng)計(jì)分析方法可知，按照設(shè)計(jì)降雨量進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程措施應(yīng)具備相應(yīng)的控制容積、排空時(shí)間、匯水面積，這要求設(shè)施規(guī)模、豎向和種植土(生態(tài)設(shè)施)配比設(shè)計(jì)等應(yīng)合理，因此，通過對工程施工圖和落地工程的上述內(nèi)容進(jìn)行審核、踏勘、測試(土壤滲透性等)，即可判斷是否達(dá)到總量控制目標(biāo)。

4.2模型連續(xù)計(jì)算

對應(yīng)模型連續(xù)計(jì)算方法，對匯水區(qū)范圍進(jìn)行建模，并利用實(shí)際工程中典型設(shè)施或區(qū)域?qū)嶋H降雨下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證后，再對近30年分鐘或小時(shí)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)模擬，也可評估是否達(dá)到總量控制目標(biāo)，但不能過分強(qiáng)調(diào)或全面要求通過監(jiān)測進(jìn)行目標(biāo)考核。

總結(jié)與建議

(1)雨水徑流總量控制主要基于徑流污染控制和恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)，徑流體積控制是關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)途徑。

(2)雨水徑流總量控制目標(biāo)的確定應(yīng)基于問題導(dǎo)向，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、極端暴雨的影響、區(qū)域或具體項(xiàng)目條件等因素�？紤]總量控制工程設(shè)施的原理、影響因素不同，目標(biāo)的考核可采用施工圖審核與工程踏勘、模型連續(xù)計(jì)算兩種方法進(jìn)行。

(3)雨水設(shè)施規(guī)模的確定方法可基于降雨統(tǒng)計(jì)分析或模型連續(xù)計(jì)算，采用降雨統(tǒng)計(jì)分析法時(shí)，若具備分鐘或小時(shí)精度的降雨數(shù)據(jù)，宜按照落地工程的排空時(shí)間，進(jìn)行降雨場次劃分后進(jìn)行。

(4)總量控制的實(shí)施應(yīng)加強(qiáng)水文數(shù)據(jù)的共享和研究，為目標(biāo)和工程設(shè)施規(guī)模的確定、目標(biāo)考核等提供支撐，還應(yīng)加強(qiáng)SWMM等基礎(chǔ)模型的規(guī)范化應(yīng)用，綜合保障總量控制目標(biāo)的合理確定與有效落地。

原文標(biāo)題：雨水徑流總量控制目標(biāo)確定與落地的若干問題探討，作者：王文亮，李俊奇，車伍，林翔，馬京津，楊擎柱，刊登在《給水排水》2016年10期。

車伍等《給水排水》撰文：對年徑流總量控制率等“海綿城市”指標(biāo)、一些困惑的釋疑！

摘要

徑流污染控制和開發(fā)前自然水文狀態(tài)恢復(fù)是雨水徑流總量控制的出發(fā)點(diǎn)，徑流體積控制是關(guān)鍵途徑。總量控制包括徑流體積和徑流污染物總量，工程設(shè)施的工作原理不同，影響實(shí)際工程落地效果的因素包括降雨間隔時(shí)間與雨型、匯水面不透水率、設(shè)施排空時(shí)間與規(guī)模等。設(shè)施規(guī)模的確定基于降雨統(tǒng)計(jì)分析和模型連續(xù)計(jì)算，應(yīng)根據(jù)降雨數(shù)據(jù)精度與方法各自的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。實(shí)踐中應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、極端暴雨影響等，因地制宜地確定總量控制目標(biāo)。總量控制目標(biāo)的考核方式包括施工圖審核與工程踏勘和模型連續(xù)計(jì)算。期望為我國雨水徑流總量控制目標(biāo)更科學(xué)、有效地落地提供指導(dǎo)。

前言

2014年10月《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（以下簡稱“指南”）發(fā)布至今，成為全國各城市進(jìn)行海綿城市規(guī)劃建設(shè)的重要技術(shù)參考文件。隨著海綿城市相關(guān)研究和工程實(shí)踐不斷深入，行業(yè)內(nèi)及相關(guān)行業(yè)對“指南”中涉及的重要目標(biāo)之一——雨水徑流總量控制仍存有較多困惑甚至質(zhì)疑，比如，總量控制的目標(biāo)僅是為了解決徑流污染，總量減排就是通過入滲和回用實(shí)現(xiàn)“不外排”，我國總量控制目標(biāo)定得偏高，指標(biāo)要分解到單項(xiàng)設(shè)施，模型計(jì)算法比容積法更準(zhǔn)確，總量減排會造成河道干涸，總量減排影響因素多、無法考核，海綿城市只考慮總量控制，不考慮峰值、暴雨洪澇控制，等等。針對這些困惑和質(zhì)疑，本文特別進(jìn)行闡述和釋疑，以期為該目標(biāo)更科學(xué)、有效地落地提供參考。

關(guān)于“指南”中“年徑流總量控制率目標(biāo)區(qū)域劃分”

1.1

徑流污染控制與恢復(fù)自然水文狀態(tài)的關(guān)系

美國于1972年修訂《清潔水法》并試行“國家污染排放許可制度（NPDES）”以后，逐漸開始關(guān)注雨水徑流污染帶來的水環(huán)境問題。美國環(huán)保局（EPA）于1976主持完成了全國合流制溢流和城市雨水徑流排放評價(jià)項(xiàng)目，隨后，在1979～1983年期間，主持開展了全國性城市徑流項(xiàng)目，為國家制定相關(guān)雨水管理政策提供了重要數(shù)據(jù)支撐，1987年，美國國會對《清潔水法》進(jìn)行修訂，將城市雨水徑流由面源定義為點(diǎn)源，將城市雨水納入NPDES管轄范圍。

在1983年完成的全國性合流制溢流和城市雨水徑流排放評價(jià)項(xiàng)目中，EPA利用STORM模型連續(xù)模擬（25年小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)）的方法，首次借助“年徑流（體積）總量控制率”、“年雨量控制率”指標(biāo)，對“調(diào)節(jié)-處理”系統(tǒng)控制CSO次數(shù)及污染物總量、徑流污染物總量的效果及成本等進(jìn)行了系統(tǒng)的量化評估。

1989年，Ben Urbonas,P.L.與James C.Y.Guo通過逐場降雨的“降雨-徑流”計(jì)算（25年小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)），借助“年徑流總量控制率”和“年降雨場次控制率”指標(biāo)，首次提出了延時(shí)調(diào)節(jié)塘（Extended Detention Pond）水質(zhì)控制容積（Water Quality Control Volume，WQCv）的優(yōu)化確定方法，后被廣泛用來確定源頭LID設(shè)施的規(guī)模。

2009年，美國環(huán)保局發(fā)布《聯(lián)邦項(xiàng)目暴雨管理技術(shù)指南》，指出了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)塘等峰值控制設(shè)施在控制高頻率中小降雨的峰值流量、徑流體積及徑流歷時(shí)上的不足，指出可通過統(tǒng)計(jì)分析95%降雨場次率對應(yīng)的24小時(shí)降雨量，或采用模型連續(xù)模擬、文獻(xiàn)查閱等方法對開發(fā)前水文條件進(jìn)行評估，以確定總量控制目標(biāo)及LID、GI設(shè)施的滯蓄容積，并提出通過雨水滲透、蒸發(fā)和集蓄利用，實(shí)現(xiàn)徑流歷時(shí)、流量及體積等恢復(fù)到開發(fā)前自然水文狀態(tài)。

 

截至2011年，美國共有30個(gè)州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率及水質(zhì)控制容積的雨水滯蓄（retention）和水質(zhì)處理（treatment）體積控制標(biāo)準(zhǔn)。

 

2014年，作者以維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率與控制徑流污染為出發(fā)點(diǎn)，通過統(tǒng)計(jì)分析全國大陸地區(qū)186個(gè)城市30年（1983年～2012年）24小時(shí)（20時(shí)～20時(shí)）降雨量數(shù)據(jù)的方法，得到年雨量控制率及其對應(yīng)的24小時(shí)雨量（設(shè)計(jì)降雨量），并綜合各因素，給出了年雨量控制率指標(biāo)分區(qū)圖以及各分區(qū)的控制率取值推薦范圍，以指導(dǎo)不同城市確定總量控制目標(biāo)。

回顧上述美國及我國雨水徑流總量控制的里程碑事件，如表1所示。

總結(jié)美國雨水管理的發(fā)展歷程、總量控制率指標(biāo)及其分析方法等可知，首先，總量控制是基于傳統(tǒng)峰值流量控制設(shè)施在控制徑流污染、恢復(fù)自然水文狀態(tài)上的不足提出來的，但恢復(fù)自然水文狀態(tài)與徑流污染控制兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)并不沖突，因?yàn)閮烧哂兄�共同的重要�?shí)現(xiàn)途徑——徑流體積控制。其次，“降雨（雨量或場次）-徑流”是相互依托的，彼此可通過“降雨-徑流”計(jì)算或降雨統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，即無論基于徑流污染控制，還是自然水文狀態(tài)恢復(fù)，年徑流總量控制率、年降雨場次控制率和年雨量控制率均可以作為其評價(jià)指標(biāo)。

雨水徑流控制目標(biāo)與各控制率指標(biāo)之間的關(guān)系如圖1所示。

需特別指出，國內(nèi)外的研究和長期的發(fā)展都一致的是，洪澇控制是一個(gè)傳統(tǒng)的老話題，也是各國、各城市一直都在努力的重大領(lǐng)域，而且都有相對明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、專項(xiàng)規(guī)劃、技術(shù)體系等。隨著人們對雨洪綜合性問題認(rèn)識的不斷深入和提高，增加并強(qiáng)化了對徑流污染總量控制的研究和考慮，這絕不意味就不重視暴雨峰值及其帶來的洪澇控制，這應(yīng)該是一個(gè)基本的常識和認(rèn)知，決不可將兩者對立起來，或厚此薄彼。

1.2

基本定義

“指南”中“年徑流總量控制率”實(shí)為年雨量控制率。考慮年雨量控制率這一表述易讓人產(chǎn)生“人工控制降雨”和“人定勝天”的歧義，“指南”中術(shù)語選擇了“年徑流總量控制率”。事實(shí)上，在工程實(shí)踐過程中，該指標(biāo)的落實(shí)是通過控制降雨產(chǎn)生的徑流來實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)雨水設(shè)施的規(guī)模也可按照設(shè)計(jì)降雨量標(biāo)準(zhǔn)通過徑流體積計(jì)算確定，即實(shí)際工程控制的仍是徑流，只是統(tǒng)計(jì)分析的是雨量。

 

此外，雖然從數(shù)值上選擇了多年降雨資料統(tǒng)計(jì)得出的年雨量控制率，針對的是維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率，由上述可知，與另一出發(fā)點(diǎn)——控制徑流污染并不沖突，但是，若從徑流污染控制目標(biāo)出發(fā)，還應(yīng)依據(jù)受納水體的水環(huán)境容量、徑流污染控制的總體要求具體確定年雨量控制率指標(biāo)。

 

“指南”“年徑流總量控制率”術(shù)語中的“控制”指的是“總量控制”，即包括徑流污染物總量和徑流體積。對于具有底部出流的生物滯留設(shè)施、延時(shí)調(diào)節(jié)塘等，如圖2所示，雨水主要通過滲濾、排空時(shí)間Td控制（延時(shí)排放以增加SS停留時(shí)間）實(shí)現(xiàn)污染物總量控制，雨水未直接外排，而是經(jīng)處理達(dá)到一定效果后外排，由于徑流污染控制是總量控制的重要內(nèi)容，故該情形也屬于總量控制的范疇。對于“不外排”，事實(shí)上，從國際上被廣泛認(rèn)知的基本水文循環(huán)看，自然狀態(tài)下80%~90%的雨水通過入滲、蒸發(fā)/蒸騰進(jìn)入良性水文循環(huán)，而只有10%左右形成地表徑流排出匯水區(qū)域，即絕大部分的雨水實(shí)際上就是應(yīng)該“不外排”，這恰恰就是自然條件下真正海綿的作用，也恰恰是入滲的40%左右的雨水在一定條件可形成壤中流、地下徑流，進(jìn)而流出地表或形成河道基流，加上地表徑流及綠色海綿保持、延緩出流的徑流，構(gòu)筑千萬條大大小小的溪流河川，最終進(jìn)入海洋，這也是一個(gè)基本的水文常識。

 

但是，在實(shí)際條件，尤其在城市化一些具體條件下，簡單說“不外排”容易產(chǎn)生誤解和歧義，因此，實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件和目標(biāo)合理選擇入滲、集蓄利用、水質(zhì)處理（過濾、沉淀）等方式控制徑流雨水，不應(yīng)死板、片面的理解和追求“不外排”，在一些特定條件，需要通過合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“處理后外排”。

綜上，年雨量控制率（Precipitation Volume Capture Ratio，PVCR）、年降雨場次控制率（Rainfall Event Capture Ratio，RECR）和年徑流總量控制率（Runoff Volume Capture Ratio，RVCR）其實(shí)是相通的，可分別用式（1）~（3）表示。

PVCR=1-Pto/Ptr（1）

RECR=1-Eto/Etr（2）

RVCR=1-Vto/Vtr（3）

式中Pto——總溢流雨量；

Ptr——形成徑流的降雨場次的總降雨量；

Eto——產(chǎn)生溢流的降雨場次數(shù)；

Etr——形成徑流的總降雨場次數(shù)；

Vto——總溢流體積；

Vtr——總徑流體積。

1.3

分區(qū)依據(jù)

考慮不同地區(qū)在氣候、開發(fā)前自然植被狀態(tài)下降雨產(chǎn)流率上的差異，及工程可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)合理性等因素，按年雨量控制率將我國大陸地區(qū)劃分為五個(gè)分區(qū)，如圖3所示。美國農(nóng)業(yè)部的研究表明，城市開發(fā)前自然條件下只有10%的降雨產(chǎn)生徑流，我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》對公園綠地的流量徑流系數(shù)定義為0.1~0.2，綜合考慮，將城市開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為15%（相應(yīng)的降雨總量控制率為85%），并以此作為分區(qū)的依據(jù)之一。事實(shí)上，開發(fā)前的降雨產(chǎn)流狀態(tài)與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣�、土壤條件、植被條件及水文地質(zhì)特征等密切相關(guān)，應(yīng)經(jīng)過實(shí)測分析與模型連續(xù)計(jì)算等論證后合理確定�？紤]到我國城市的具體情況和差別，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見（國辦發(fā)［2015］75號）》將指標(biāo)定為70%。

需指出的是，位于不同分區(qū)的城市，不同控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量差異較大，如表2、表3所示；其中，若以85%年雨量控制率為例，按照其對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量不同可將我國分為六個(gè)區(qū)，如表4所示。由此并進(jìn)一步考慮，雖然分區(qū)考慮了多方面因素，但仍難以全面顧及具體城市、項(xiàng)目的巨大差異，所以，《指南》中指出，各地只能參照此限值，因地制宜的確定本地區(qū)的總量控制目標(biāo)。實(shí)踐中，在不脫離總量控制在控制徑流污染、恢復(fù)自然水文狀態(tài)的主要功能、職責(zé)的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合實(shí)際雨水問題及項(xiàng)目條件，因地制宜確定總量控制目標(biāo)，不宜一刀切，或簡單的套用分區(qū)對應(yīng)的控制率取值。

1.4

與美國95%年降雨場次控制率目標(biāo)的比較

上述可知，同樣以恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，美國EPA針對聯(lián)邦項(xiàng)目，在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一采用95%的年降雨場次控制率作為控制目標(biāo)，而“指南”采用的是年雨量控制率，且進(jìn)行了分區(qū)。以部分城市為例，采用同樣的降雨統(tǒng)計(jì)方法，85%年雨量控制率與95%年降雨場次控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量如表5所示，可知，前者對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量小于后者，即若采用美國的標(biāo)準(zhǔn)，將高于“指南”標(biāo)準(zhǔn)。

但如前所述，場次控制率和雨量控制率并無原則上的區(qū)別，內(nèi)涵是一致的，最終是為了徑流體積和污染物總量控制，因此，可根據(jù)使用方便，靈活選擇，比如，對應(yīng)合流制溢流次數(shù)控制，降雨場次控制率用起來更為直接。

實(shí)際工程落地效果的影響因素

2.1

如何工程落地

2.1.1工程措施

如前所述，雨水總量控制的目的在于控制徑流污染、減少徑流體積排放（恢復(fù)自然水文狀態(tài)），即總量控制的實(shí)施途徑除了雨水入滲（回補(bǔ)地下水、維持地下徑流及補(bǔ)充河道基流）和集蓄回用，同時(shí)增加雨水蒸發(fā)（騰）量，以最大程度恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)外，具有徑流污染控制功能的滲濾、延時(shí)調(diào)節(jié)、CSO調(diào)蓄、城市天然內(nèi)河湖泊調(diào)蓄等水質(zhì)處理方式，皆可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果納入總量控制的范疇，且對每個(gè)城市、片區(qū)和項(xiàng)目，入滲、集蓄回用、水質(zhì)處理三部分的比例應(yīng)根據(jù)其開發(fā)前的水文條件、土壤與地下水條件、突出問題、主要目標(biāo)及其經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定。

 

需注意的是，相比末端集中控制設(shè)施，源頭分散生態(tài)設(shè)施在控制初期雨水徑流污染上更具優(yōu)勢，因此，新建城區(qū)應(yīng)優(yōu)先通過源頭徑流控制進(jìn)行總量減排達(dá)標(biāo)，老城區(qū)條件不足時(shí)，可結(jié)合部分相對末端的調(diào)蓄設(shè)施綜合達(dá)標(biāo)，總而言之，應(yīng)該通過不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來合理確定設(shè)施的分散與集中的分配和布局關(guān)系。

2.1.2指標(biāo)分解

上述可知，美國共有30個(gè)州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率或水質(zhì)控制容積的體積控制標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)主要以手冊（具有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的作用）或雨水排放許可的形式得以落地。目前，我國該指標(biāo)的落地主要通過規(guī)劃，以總量控制率指標(biāo)分解的方式得以落地，如各地正在編制的海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃；在工程項(xiàng)目層面，國家層面的綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和雨水控制利用相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)也提出了相應(yīng)的指標(biāo)要求。

 

但在工程實(shí)踐中，需要考慮具體項(xiàng)目的改造難度，解決和平衡綠色與灰色、地上與地下、分散和集中設(shè)施的關(guān)系，以達(dá)到效益最優(yōu)，因此，無論規(guī)劃層面還是工程項(xiàng)目層面，不宜簡單、一刀切、絕對化的提出“透水鋪裝率”、“下沉式綠地率”、“綠色屋頂率”等具體到單項(xiàng)設(shè)施的硬性指標(biāo)要求，一定要考慮指標(biāo)落地的可操作性和經(jīng)濟(jì)合理性，給工程設(shè)計(jì)階段留出方案優(yōu)化的余地。

 

關(guān)于指標(biāo)分解方法，可采用控制率與面積加權(quán)平均的方法，或結(jié)合模型模擬進(jìn)行分解。關(guān)于地塊指標(biāo)賦值，對于老城區(qū)，應(yīng)根據(jù)實(shí)地調(diào)研，結(jié)合場地條件等確定；對于新區(qū)，應(yīng)根據(jù)不同類型用地的開發(fā)強(qiáng)度，考慮指標(biāo)可達(dá)性，并兼顧公平性原則等確定，以便于進(jìn)行規(guī)劃管控與雨水排放管理制度的實(shí)施。

2.2

實(shí)際降雨

雨水設(shè)施的實(shí)際徑流控制效果與降雨間隔時(shí)間、降雨雨型與強(qiáng)度、匯水面不透水率、雨水設(shè)施規(guī)模與排空時(shí)間等密切相關(guān)。

 

匯水面特征及設(shè)施特征一定的情況下，降雨特征成為影響工程總量控制效果的關(guān)鍵因素，首先是連續(xù)場降雨（間隔時(shí)間短）對設(shè)施的沖擊。“指南”中年雨量控制率統(tǒng)計(jì)分析采用的是前后兩日20時(shí)至20時(shí)的24小時(shí)降雨量，美國采用的是凌晨12:00:00，至晚上11:59:59，但皆非場降雨的概念，事實(shí)上24小時(shí)降雨可能是一場雨、多場降雨，且存在人為的將跨越20時(shí)的一場連續(xù)降雨劃分為兩場的情形，這取決于場降雨的定義，如圖4所示，若以最小降雨間隔時(shí)間（無雨時(shí)間）T作為場降雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)（兩場降雨的間隔時(shí)間t≥T時(shí)，視為兩場降雨；t＜T時(shí)，視為一場降雨），共有3場降雨，若將20時(shí)～20時(shí)內(nèi)的降雨作為一場降雨，則共有4場降雨。由此可知，以24小時(shí)降雨量進(jìn)行年雨量控制率的統(tǒng)計(jì)分析，忽略了不同間隔時(shí)間的場降雨事件對設(shè)施控制效果的影響，解決該問題，可按最小降雨間隔時(shí)間T進(jìn)行場降雨劃分，而T的取值可選擇不小于雨水設(shè)施的排空時(shí)間Td，如圖4所示，這樣得到的年均雨量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的量化關(guān)系更符合雨水設(shè)施在實(shí)際降雨下的運(yùn)行狀況，當(dāng)然，場降雨劃分對降雨數(shù)據(jù)的精度要求較高，至少為小時(shí)精度。

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24小時(shí)（20時(shí)～20時(shí)）降雨數(shù)據(jù)為例，按最小降雨間隔時(shí)間T分別為6 h、12 h、24 h進(jìn)行場次劃分，扣除小于等于2 mm的降雨量/場次，結(jié)果如表6所示。

關(guān)于設(shè)施排空時(shí)間，以延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施為例，其水質(zhì)控制容積的排空時(shí)間應(yīng)根據(jù)一定SS去除率需要的沉淀時(shí)間確定，研究表明，當(dāng)排空時(shí)間為12 h時(shí)，延時(shí)調(diào)節(jié)池的年SS總量去除率可達(dá)到65%，排空時(shí)間40 h對應(yīng)的去除率則達(dá)到82%。

 

Urbonas等推薦雨水滲透設(shè)施的排空時(shí)間宜為12 h，雨水砂濾池的排空時(shí)間宜為24 h，延時(shí)調(diào)節(jié)池的排空時(shí)間宜為24～48 h，濕塘的排空時(shí)間宜為12 h。

 

另一影響設(shè)施徑流控制效果的降雨因素是場降雨的雨型與強(qiáng)度。以降雨量基本相同，雨型與強(qiáng)度不同的4場實(shí)際降雨為例，通過SWMM模型計(jì)算雨水花園的入流、入滲及溢流過程，主要模型參數(shù)包括匯水面參數(shù)：總面積5 hm²，不透水率74.1%，不透水匯水面洼蓄量2 mm，透水匯水面洼蓄量12 mm；霍頓入滲參數(shù)：最大入滲率18 mm/h，最小下滲率1.8 mm/h，衰減系數(shù)4，干期7 d；雨水花園參數(shù)：面積2 750 m²，占總面積比例為5.5%，蓄水層深度250 mm，蓄水層容積688 m³，排空時(shí)間12 h。降雨事件及模擬結(jié)果如圖5、表7所示。

通過模擬結(jié)果可以看出，設(shè)施和匯水面特征一定的情況下，對于雨量基本相同的降雨，設(shè)施對雨強(qiáng)小且較均勻、雨峰靠前的降雨的徑流體積和雨量控制效果優(yōu)于雙雨峰及雨峰靠后的降雨，原因在于，雨水滲透設(shè)施的入滲過程、調(diào)節(jié)設(shè)施的底部出流過程，以及設(shè)施的溢流過程皆是動(dòng)態(tài)變化的，受雨水設(shè)施的入流過程，即匯水面的產(chǎn)匯流過程直接影響，而根本還是受降雨的影響。

 

此外，設(shè)計(jì)降雨量一定的情況下，采用容積法與給定雨型下的模型計(jì)算法計(jì)算得到的設(shè)施容積也不同，原因在于，與模型計(jì)算法不同，容積法采用雨量徑流系數(shù)對匯水面的產(chǎn)流過程進(jìn)行了概化，忽略了匯水面的“植物截留-入滲-洼蓄”產(chǎn)流過程是隨降雨過程動(dòng)態(tài)變化的。但雨量徑流系數(shù)、植物截留量、入滲率、洼蓄量層等參數(shù)取值合理的情況下，兩者的計(jì)算結(jié)果差別不大，如在此案例中，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，設(shè)施的設(shè)計(jì)降雨量約為26.5 mm，而按照容積法進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)降雨量為25.1 mm，如表7所示。

2.3

工程設(shè)施規(guī)模確定方法

2.3.1基于模型連續(xù)計(jì)算

以北京1986～2015年30年逐分鐘降雨數(shù)據(jù)為例，利用SWMM模型計(jì)算不同規(guī)模的雨水花園對年雨量、降雨場次、徑流總量的控制效果如圖6所示，SWMM建模同上。

2.3.2基于降雨統(tǒng)計(jì)分析

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24 h（20時(shí)～20時(shí)）降雨數(shù)據(jù)為例，分別對24 h降雨數(shù)據(jù)，逐分鐘降雨按最小降雨間隔時(shí)間T分別為6 h、12 h、24 h劃分場降雨后的場降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到設(shè)計(jì)降雨量與年雨量控制率、年降雨場次控制率的關(guān)系如圖7所示。

2.3.3兩個(gè)方法比較

由圖6可知，根據(jù)模型連續(xù)計(jì)算法，當(dāng)雨水花園蓄水層容積為688 m³時(shí)，年雨量控制率約為82%。如前所述，分別按SWMM模型（特定雨型）和容積法計(jì)算，該規(guī)模的雨水花園對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量分別為26.5 mm和25.1 mm；而根據(jù)對場降雨數(shù)據(jù)（T=12 h）和24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，如圖7所示，設(shè)計(jì)降雨量26.5 mm、25.1 mm對應(yīng)的年雨量控制率分別約為76%、79%和71%、73%，與82%的模型連續(xù)計(jì)算結(jié)果存在差異。

上述差異同樣歸因于模型連續(xù)計(jì)算和降雨統(tǒng)計(jì)分析在方法上本質(zhì)的不同。模型模擬法基于匯水面產(chǎn)匯流過程、設(shè)施“入流-入滲/底部出流-溢流”過程的連續(xù)水文動(dòng)態(tài)分析，可直接得到設(shè)施規(guī)模與總量控制率的關(guān)系，需要分鐘或小時(shí)精度的降雨數(shù)據(jù)；而統(tǒng)計(jì)分析法針對的僅是場降雨量或24小時(shí)降雨量，不包含產(chǎn)匯流過程計(jì)算，而設(shè)施規(guī)模的確定，需根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的設(shè)計(jì)降雨量，采用容積法（合理化公式）、SWMM模型計(jì)算法（給定雨型）等確定。兩種方法的比較如表8所示。

目標(biāo)優(yōu)化

3.1

考慮經(jīng)濟(jì)性與極端暴雨的影響

根據(jù)北京近30年24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)降雨量與不同重現(xiàn)期1 h降雨量的關(guān)系如圖8所示，其中85%年雨量控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為33.6 mm，小于1年一遇1 h降雨量36 mm，對其他城市的計(jì)算結(jié)果相似，表明總量控制主要針對中小降雨。但對于少數(shù)極端暴雨，由于雨量一般較大，對年雨量控制率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的具有一定影響，因此，從總量控制針對中小降雨的特點(diǎn)考慮，統(tǒng)計(jì)過程中可扣除少數(shù)極端暴雨，如按雨量大小排序，扣除頻率小于0.5%的暴雨。

圖8設(shè)計(jì)降雨量與不同重現(xiàn)期1小時(shí)降雨量的關(guān)系根據(jù)對186個(gè)城市的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨設(shè)計(jì)降雨量的持續(xù)增加，年雨量控制率的增加速率將低于設(shè)計(jì)降雨量的增加速率，當(dāng)控制率的增加速率與平均增加速率相等時(shí)，可認(rèn)為是最優(yōu)控制率點(diǎn)，如圖9所示。分別以全部24 h降雨和扣除0.5%的極端暴雨的24 h降雨為例，計(jì)算186個(gè)城市的年雨量控制率的最優(yōu)值及相應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，結(jié)果如圖10所示，由圖可知，由于我國地區(qū)氣候差異較大，不同城市暴雨發(fā)生的頻率不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)降雨量的變化幅度較大，但最優(yōu)控制率分別在90%和85%上下浮動(dòng)，集中在85%～95%、80%～90%，這也從經(jīng)濟(jì)性角度，表明將開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為85%是相對合理的。

3.2

因地制宜

“指南”中的控制率分區(qū)圖僅提供了地區(qū)或城市層面總量控制目標(biāo)的推薦值，實(shí)踐中，需要綜合考慮多方面因素確定。一方面，開發(fā)建設(shè)前的降雨徑流排放量與地表類型、土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋率等因素有關(guān)，應(yīng)通過分析綜合確定開發(fā)前的徑流排放量，確定適宜的總量控制率。另一方面，要考慮當(dāng)?shù)厮�資源稟賦情況、水環(huán)境與水生態(tài)問題及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素。具體到地塊開發(fā)或建設(shè)項(xiàng)目，要結(jié)合本建筑密度、綠地率、雨水設(shè)施的利用效率及土地利用布局等因素確定。

目標(biāo)考核

綜上所述，總量控制包括徑流體積、徑流污染物總量，工程設(shè)施的工作原理不同；總量控制率的統(tǒng)計(jì)方法包括降雨統(tǒng)計(jì)分析和模型連續(xù)計(jì)算，且特點(diǎn)不同；影響實(shí)際工程落地效果的因素包括降雨間隔時(shí)間、雨型與強(qiáng)度、匯水面不透水率、設(shè)施排空時(shí)間與規(guī)模等�？偭靠刂频囊陨咸攸c(diǎn)表明，總量控制目標(biāo)的考核不能通過幾場降雨的監(jiān)測，根據(jù)設(shè)計(jì)降雨量標(biāo)準(zhǔn)下區(qū)域總排口是否“不外排”等方法進(jìn)行，較為合理的方法有以下兩種。

4.1

圖紙審核與工程踏勘

 由降雨統(tǒng)計(jì)分析方法可知，按照設(shè)計(jì)降雨量進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程措施應(yīng)具備相應(yīng)的控制容積、排空時(shí)間、匯水面積，這要求設(shè)施規(guī)模、豎向和種植土（生態(tài)設(shè)施）配比設(shè)計(jì)等應(yīng)合理，因此，通過對工程施工圖和落地工程的上述內(nèi)容進(jìn)行審核、踏勘、測試（土壤滲透性等），即可判斷是否達(dá)到總量控制目標(biāo)。

4.2

模型連續(xù)計(jì)算

對應(yīng)模型連續(xù)計(jì)算方法，對匯水區(qū)范圍進(jìn)行建模，并利用實(shí)際工程中典型設(shè)施或區(qū)域?qū)嶋H降雨下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證后，再對近30年分鐘或小時(shí)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)模擬，也可評估是否達(dá)到總量控制目標(biāo)，但不能過分強(qiáng)調(diào)或全面要求通過監(jiān)測進(jìn)行目標(biāo)考核。

總結(jié)與建議

（1）雨水徑流總量控制主要基于徑流污染控制和恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)，徑流體積控制是關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)途徑。

（2）雨水徑流總量控制目標(biāo)的確定應(yīng)基于問題導(dǎo)向，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、極端暴雨的影響、區(qū)域或具體項(xiàng)目條件等因素�？紤]總量控制工程設(shè)施的原理、影響因素不同，目標(biāo)的考核可采用施工圖審核與工程踏勘、模型連續(xù)計(jì)算兩種方法進(jìn)行。

（3）雨水設(shè)施規(guī)模的確定方法可基于降雨統(tǒng)計(jì)分析或模型連續(xù)計(jì)算，采用降雨統(tǒng)計(jì)分析法時(shí)，若具備分鐘或小時(shí)精度的降雨數(shù)據(jù)，宜按照落地工程的排空時(shí)間，進(jìn)行降雨場次劃分后進(jìn)行。

（4）總量控制的實(shí)施應(yīng)加強(qiáng)水文數(shù)據(jù)的共享和研究，為目標(biāo)和工程設(shè)施規(guī)模的確定、目標(biāo)考核等提供支撐，還應(yīng)加強(qiáng)SWMM等基礎(chǔ)模型的規(guī)范化應(yīng)用，綜合保障總量控制目標(biāo)的合理確定與有效落地。

原文標(biāo)題：雨水徑流總量控制目標(biāo)確定與落地的若干問題探討，作者：王文亮，李俊奇，車伍，林翔，馬京津，楊擎柱，刊登在《給水排水》2016年10期。

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