導(dǎo)讀

自2015年我國大規(guī)模開展海綿城市以來，眾多省市積極開展海綿城市建設(shè)，海綿城市建設(shè)初見成效，然而如何定量化評估海綿城市建設(shè)效果還沒有定論。本研究以貴州省貴安新區(qū)中心區(qū)為例，采用模型模擬的方法對現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)、海綿開發(fā)3種情景進行了評估。

1貴安新區(qū)中心區(qū)概況

1.1中心區(qū)簡介

貴安新區(qū)是國務(wù)院批準設(shè)立的第八個國家級新區(qū)，位于貴陽市和安順市相連的中心地帶，肩負“西部地區(qū)重要經(jīng)濟增長極、內(nèi)陸開放型經(jīng)濟新高地、生態(tài)文明示范區(qū)”三大使命。中心區(qū)位于貴安新區(qū)東部，規(guī)劃用地面積43.25 km2。

1.2中心區(qū)用地現(xiàn)狀及規(guī)劃

規(guī)劃范圍內(nèi)的現(xiàn)狀用地主要由城鄉(xiāng)居民點建設(shè)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地、特殊用地、工業(yè)用地、水域和農(nóng)林用地構(gòu)成。規(guī)劃范圍內(nèi)已建成貴安大道、白馬路、金馬路、寅貢路等骨干路網(wǎng)，以及月亮湖公園、清華生態(tài)文明創(chuàng)新園、碧桂園一期等幾片用地，見圖1。

根據(jù)《貴安新區(qū)中心區(qū)城市設(shè)計暨控制性詳細規(guī)劃》（以下簡稱“控規(guī)”），中心區(qū)規(guī)劃用地范圍43.25 km2，其中規(guī)劃建設(shè)用地面積總共32.17km2，主要包括居住用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地、工業(yè)用地、物流倉儲用地、道路與交通設(shè)施用地、公用設(shè)施用地和綠地與廣場用地八大類。“控規(guī)”用地如表1所示。

1.3中心區(qū)水系現(xiàn)狀及規(guī)劃

中心區(qū)境內(nèi)發(fā)育的主干河流為車田河，為長江流域水系清水河的一級支流。車田河主要位于貴安新區(qū)湖潮鄉(xiāng)，發(fā)源于清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)的茨菇塘一帶，車田河上游稱中八河，左岸有滴水河、蘭花河在龍五寨附近匯入，寅貢河在百馬大道東側(cè)上壩匯入，右岸有汪官河和湖潮河，分別于汪官村、湖潮鄉(xiāng)匯入車田河，最后經(jīng)天河潭景區(qū)匯入花溪水庫（見圖2）。

根據(jù)“控規(guī)”，在滿足城市排澇要求的前提下，結(jié)合月亮湖和星月湖等城市濕地公園的建設(shè)，規(guī)劃通過筑壩成湖將中心區(qū)代表性景觀資源串聯(lián)起來，塑造都市型濱水景觀廊道。車田河上游規(guī)劃布置月亮湖（已建，目前在改擴建）、臥龍湖、見龍湖、飛龍湖、星月湖（在建）、環(huán)翠湖、迴龍湖、騰龍湖（已建）和車田湖（已建）。規(guī)劃后，水面率將顯著提高，統(tǒng)計用地平衡表中的水域面積，占規(guī)劃范圍的6.41%，符合《城市水系規(guī)劃規(guī)范》“城市適宜水域面積率”表格中Ⅱ區(qū)城市適宜水面率宜為3%~8%的要求。

1.4中心區(qū)流域分區(qū)劃定

根據(jù)GIS對地形的模擬，參照中心區(qū)控制性詳細規(guī)劃的用地布局和排水防澇專項規(guī)劃中的雨水管線設(shè)計，對中心區(qū)進行流域管控分區(qū)。分區(qū)結(jié)果見圖3，各分區(qū)的坡度等參數(shù)見表2。

2模型開發(fā)應(yīng)用及模擬計算準備

2.1模型開發(fā)及應(yīng)用

本研究采用貴仁科技全力打造的一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、完全國產(chǎn)化的“貴仁模型體系”（GuiRen Modeling System，GRMS），包括了自主開發(fā)的水文模型、水動力模型、管網(wǎng)模型、水工建筑模型、水質(zhì)模型以及耦合模式，GRMS基本框架見圖4。

在此基礎(chǔ)上本研究選取產(chǎn)流模塊、匯流模塊、產(chǎn)污模塊、匯污模塊、率定模塊進行深化開發(fā)，構(gòu)建貴安新區(qū)中心區(qū)海綿城市模型體系。

2.1模型模擬計算準備

2.1.1降雨資料及分析

經(jīng)綜合比較貴安新區(qū)中心區(qū)附近的的清鎮(zhèn)（57813）、平壩（57814）、花溪（57914）3個國家級氣象觀測站點的氣溫、降水、日照等數(shù)據(jù)，平壩站有自1981~2016年的逐分鐘信息化雨量資料，資料系列滿足年限不少于30年，符合《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》要求，并且能較好的反映整個地區(qū)的降雨特征。因此，本研究選取平壩站作為貴安新區(qū)的代表站。

根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國氣象局，2014年4月），采用年最大值法每年選一個最大值，選樣簡單，獨立性強，合理地考慮了氣象現(xiàn)象以1年為循環(huán)的特點，其概率意義是1年發(fā)生一次的頻率年值，理論上比較嚴密，因此本研究采用年最大值法進行暴雨強度選樣。選樣中選取了36年15個降雨歷時（5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min、240 min、360 min、720 min、1 440 min）每年的最大值，即每歷時36個，共計540個降雨量數(shù)據(jù)作為暴雨強度公式的編制樣本。

按照現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006,2014年版）對暴雨強度公式編制要求，采用年最大值法對降雨資料進行選樣，并采用皮爾遜Ⅲ型頻率分布曲線、指數(shù)頻率分布曲線和耿貝爾頻率分布曲線進行頻率計算。經(jīng)擬合后對比3種方法的誤差，選擇誤差相對較小的方法得到長歷時暴雨強度總公式見式：

i=16.733×(1+0.7lgP)(t+22.3)0.740（1）

或見式（2）：q=2 794.411×(1+0.7lgP)(t+22.3)0.740（2）

適用范圍為：5 min≤t≤1 440 min，P=2～100年。

式中 i——暴雨強度計算值，mm/min；

q——暴雨強度計算值，L/（hm2·s），q=167i；

t——降雨歷時，min；

P——重現(xiàn)期，年。

得到短歷時暴雨強度公式見式（3）：

i=17.061×(1+0.700lgP)(t+22.6)0.743（3）

或見式（4）：q=2 849.187×(1+0.700lgP)(t+22.6)0.743（4）

適用范圍為：5 min≤t≤180 min，P=2～100年。

本研究采用芝加哥法確定貴安新區(qū)短歷時暴雨雨型，采用同頻率法確定長歷時暴雨雨型。其中，短歷時設(shè)計暴雨歷時一般選為30 min、60 min、120 min、150 min、180 min（見圖5），適用于管道排水系統(tǒng)的計算；長歷時設(shè)計暴雨歷時為1 440 min，適用于內(nèi)澇風(fēng)險的評估以及雨洪利用蓄水池規(guī)模的測算。50年重視期下貴安新區(qū)1 440 min降雨過程分配結(jié)果見圖6。

2.1.2下墊面解析及概化

對城市下墊面進行解析是分析城市降雨產(chǎn)匯流機制、構(gòu)建水文模型的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)開發(fā)模式下，根據(jù)“控規(guī)”，中心區(qū)下墊面類型多樣，總體上建筑密度相對較低，在43.25 km2（含水域）的規(guī)劃范圍內(nèi)主要為商業(yè)、居住、道路和工業(yè)用地，如圖1所示。根據(jù)貴安新區(qū)中心區(qū)的各建設(shè)地塊位置和范圍，分別提取各地塊內(nèi)的不同類型下墊面面積、豎向與坡度、雨水徑流進入市政管網(wǎng)的匯流距離等信息；估計各地塊內(nèi)不同類型下墊面的下滲率等產(chǎn)流相關(guān)參數(shù)，匯流時間、糙率等匯流相關(guān)參數(shù)，形成下墊面概化成果。

海綿開發(fā)模式下，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的地塊布局與控規(guī)保持一致，但是地塊內(nèi)部，由于布置了低影響開發(fā)設(shè)施，下墊面將發(fā)生一定程度的變化。根據(jù)我院編制的《貴安新區(qū)中心區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃》，各地塊的海綿城市指標包括綠色屋頂率、透水鋪裝率、下沉式綠地率、單位面積調(diào)蓄容積，因此，為完成規(guī)劃中地塊內(nèi)上述指標，在設(shè)計階段必將對傳統(tǒng)控規(guī)下墊面進行一定程度的優(yōu)化和調(diào)整。海綿開發(fā)模式下的下墊面概化是在控規(guī)用地布局的基礎(chǔ)上，通過修改降雨初損、結(jié)合較小場降雨初損水量不超過調(diào)蓄容積以校核，估算下滲率、匯流時間、糙率等匯流相關(guān)參數(shù)，形成下墊面概化成果。

2.1.3地下雨水管網(wǎng)系統(tǒng)分析概化

傳統(tǒng)開發(fā)和海綿開發(fā)兩種模式下，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的布置沒有變化，海綿模式只是通過改變地面下墊面特征，使傳統(tǒng)開發(fā)模式下的雨水管網(wǎng)更高效、更完善。根據(jù)“控規(guī)”，中心區(qū)地下雨水管網(wǎng)包括現(xiàn)狀管網(wǎng)和規(guī)劃管網(wǎng)，管網(wǎng)總長約277.03 km，其中現(xiàn)狀雨水管總長約80.77 km，規(guī)劃雨水管總長約196.26 km。經(jīng)統(tǒng)計，管徑在600～1 000 mm的管段長度占總長度的83%，統(tǒng)計情況見表3，概化后的雨水管網(wǎng)平面布置見圖7。

傳統(tǒng)開發(fā)模式與海綿開發(fā)模式的水系布局不變，都是保留了“控規(guī)”的水面面積及水體形態(tài)。以車田河干流2015年實測大斷面為基礎(chǔ)進行河道概化，將月亮湖下泄量及寅貢河、滴水河、桃花河、湖潮河等支流入?yún)R量以旁側(cè)入流的形式添加到相應(yīng)的河段，概化見圖8。

3模擬計算與結(jié)果

3.1徑流總量控制

以收集到的平壩站1991~2016年逐小時實測降雨連續(xù)系列為年徑流總量控制率計算輸入條件，結(jié)合平壩站蒸發(fā)情況，利用建立的貴安新區(qū)中心區(qū)海綿城市模型系統(tǒng)中的產(chǎn)流模塊，分別計算長系列降雨過程下現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)模式后、海綿城市開發(fā)模式（即LID）后中心區(qū)各地塊的總出流量，得出總降雨控制量，匯總得到中心區(qū)的年徑流總量控制率。在這一計算情景下，各項具有調(diào)蓄容積的LID措施均默認為24 h內(nèi)完全排空，為較好地模擬實際的產(chǎn)匯流情況，每個計算時段都以上一時段的土壤濕潤程度作為計算條件。

貴安新區(qū)中心區(qū)各地塊總面積為4 325.1 hm2，折合長系列平均年降雨量總量為5 076.04萬m3。根據(jù)現(xiàn)狀地形圖的統(tǒng)計量算，中心區(qū)現(xiàn)狀已開發(fā)用地占比約為10.6%，視為不透水面積為主，未開發(fā)用地為透水地塊，長系列平均年降雨出流總量為1 113.2 萬m3，降雨徑流控制量總量3 962.84萬m3，年徑流總量控制率為78.0%。

規(guī)劃采用傳統(tǒng)開發(fā)模式下，中心區(qū)各地塊長系列平均年降雨出流總量為2 177.66萬m3，降雨徑流控制量總量為2 898.38萬m3，年徑流總量控制率為57.1%，見圖9。

海綿城市開發(fā)模式下，中心區(qū)各地塊長系列平均年降雨出流總量為1 171.8萬m3，降雨徑流控制量總量為3 904.24萬m3，年徑流總量控制率為76.9%，見圖10。

上述水量平衡成果統(tǒng)計見表4。

可見現(xiàn)狀條件下貴安新區(qū)開發(fā)強度較小，水文循環(huán)情況尚好，伴隨新區(qū)接下來高強度的開發(fā)建設(shè)，傳統(tǒng)開發(fā)模式導(dǎo)致下墊面不透水面積比例持續(xù)攀高，徑流量增加，徑流控制率相應(yīng)減小，將顯著改變原有的水文特征。采用海綿開發(fā)模式，基于對城市生態(tài)環(huán)境低影響開發(fā)建設(shè)理念，合理控制開發(fā)強度和方式，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種手段實現(xiàn)城市良性水文循環(huán)，控制高頻的中小雨來實現(xiàn)徑流控制，可有效維護城市水文循環(huán)的可持續(xù)性。

3.2徑流污染控制

依據(jù)1991～2016年逐時連續(xù)降雨系列，利用貴安新區(qū)中心區(qū)海綿城市模型體系中的產(chǎn)污模塊，以SS、COD、TN、TP 4種污染物質(zhì)為對象進行徑流污染控制模擬。其中，污染物累積模型選擇飽和函數(shù)累積模型，污染物沖刷模型選擇指數(shù)沖刷模型，參考本地以往相關(guān)研究結(jié)果及相鄰相似區(qū)域經(jīng)驗，本次計算的累積及沖刷參數(shù)取值見表5。

海綿開發(fā)模式將因地制宜采取多種低影響措施進行建設(shè)，為便于比較，將傳統(tǒng)開發(fā)模式作為采取海綿開發(fā)模式前的本底條件的估計。根據(jù)控規(guī)確定的城市用地布局，分別統(tǒng)計道路和地塊的傳統(tǒng)開發(fā)模式、海綿城市開發(fā)模式（即LID）下的年徑流污染物總量，以及海綿城市開發(fā)模式相對傳統(tǒng)開發(fā)模式的各項污染物去除率，見表6。

由表6可見，海綿開發(fā)模式下，LID設(shè)施通過對雨水入滲、截流、棄流和凈化作用，有效降低了徑流污染物總量，SS、COD、TN和TP的年污染物去除率分別達到44.7%、44.1%、45.3%和45.3%。

3.3徑流峰值控制

洪峰控制和削減是海綿城市規(guī)劃設(shè)計的主要控制目標之一。低影響開發(fā)系統(tǒng)能夠通過各種設(shè)施的滲透和儲蓄能力，將雨水徑流納入地下水層或者儲存在種植土壤層的空隙中，或者暫存在調(diào)蓄設(shè)施形成的蓄水容積中，也可通過植物進行截留等，達到削減延遲洪峰的作用。運用產(chǎn)流模塊和管網(wǎng)匯流模塊進行耦合計算，對各匯水分區(qū)的管網(wǎng)排水口的流量過程進行匯總統(tǒng)計，設(shè)計降雨歷時為2 h，重現(xiàn)期分別為2年、3年、5年和30年。統(tǒng)計海綿開發(fā)模式較傳統(tǒng)開發(fā)模式各匯水分區(qū)管網(wǎng)峰值流量的削減率�？紤]到徑流路徑對洪峰控制的影響，本次計算將地表和綠色屋頂?shù)膹搅鞲呕癁橐来谓?jīng)過透水鋪裝和下沉式綠地，最后匯至出水口。傳統(tǒng)開發(fā)和海綿開發(fā)模式對各匯水分區(qū)的峰值控制效果見表7和圖11。

從圖12中可以看出，低影響開發(fā)措施對設(shè)計暴雨地面和管網(wǎng)徑流洪峰切實起到了削減效果，同時雨量越小削峰效果越顯著，隨著降雨強度的增大洪峰流量削減率逐漸減小。同時，各匯水分區(qū)LID的峰值削減效果有所差異，2年一遇設(shè)計降雨下湖潮河分區(qū)的削減率最高，徑流峰值削減率達60.6%，而南部分區(qū)30年一遇設(shè)計降雨下的徑流峰值削減率僅8.2%。

3.4峰現(xiàn)時間控制

由于LID設(shè)施具有一定的滯蓄功能，海綿城市較傳統(tǒng)開發(fā)模式下，雨水管網(wǎng)的峰現(xiàn)時間也將出現(xiàn)一定程度的滯后，采用3.2節(jié)中的模型參數(shù)，模擬得到峰現(xiàn)時間情況如表8和圖12所示。

從圖12中可以看出，不同重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下，低影響開發(fā)措施對各匯水分區(qū)徑流峰值峰現(xiàn)時間的延遲效果有所不同，峰現(xiàn)時間延遲最長的工況為12 min，最短為3 min。各匯水分區(qū)中，寅貢河分區(qū)、裝備園分區(qū)的延峰效果相對明顯。

各匯水分區(qū)徑流峰值的控制效果與LID措施的布置占比大小、所形成的調(diào)蓄容積容量、雨水管網(wǎng)的管徑和管長均密切相關(guān)，從模擬結(jié)果看來，各匯水分區(qū)LID措施對徑流峰值的削減率、延峰時間不完全一致，如南部分區(qū)的峰值削減率最低，但其延峰時間并不是最短，這體現(xiàn)了城市降雨徑流匯流和排放的復(fù)雜性，更為精確的模擬則與真實的徑流地表漫流路徑有關(guān)，建議在設(shè)計階段進一步深化評估。

4分析與討論

采用模型法對國家海綿城市首批試點貴安新區(qū)中心區(qū)的建設(shè)效果進行了模擬和評估，從模擬結(jié)果來看，有以下幾方面特征。

（1）新區(qū)開展海綿城市建設(shè)效果評估有其特殊性，若采用在線數(shù)據(jù)監(jiān)測的評估方法，由于大部分地塊未開發(fā)，道路未建設(shè)，可能會產(chǎn)生雨水管網(wǎng)系統(tǒng)不完善，或者雨水管網(wǎng)收不到水的情況，導(dǎo)致在線監(jiān)測設(shè)備無法捕捉數(shù)字信號，因此無法估算現(xiàn)狀徑流控制情況，對于傳統(tǒng)和海綿開發(fā)模式的預(yù)測和評估更是無能為力。因此對于新區(qū)的海綿城市建設(shè)效果評估，模型法具有顯著的優(yōu)勢。

（2）模型法可有效模擬城市開發(fā)建設(shè)前、傳統(tǒng)開發(fā)模式、海綿城市開發(fā)模式3種狀態(tài)下，各地塊的總出流量，得出總降雨控制量，匯總得到中心區(qū)的年徑流總量控制率。從模擬結(jié)果來看，中心區(qū)在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，年徑流總量控制率將從現(xiàn)狀未開發(fā)狀態(tài)的78%下降到57.1%，若以海綿城市建設(shè)規(guī)劃中的指標為地塊開發(fā)建設(shè)依據(jù)，年徑流總量控制率將提高到76.9%，與城市開發(fā)前基本保持一致，實現(xiàn)了城市開發(fā)建設(shè)前后，水文條件基本一致。

（3）與傳統(tǒng)開發(fā)模式相比，海綿城市建設(shè)模式將有效提高徑流總量控制率，同時，徑流污染、徑流峰值、峰現(xiàn)時間均能得到有效控制，通過模型模擬，可以在特定條件下定量評估海綿城市建設(shè)效果，在基本資料具備的前提下，年徑流污染削減率，徑流峰值削減率、延峰時間等參數(shù)均能定量化表達。

（4）模型法對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有較高要求，在評估過程中，需要完整的降雨資料、地表下墊面類型、豎向及坡度、管網(wǎng)長度及管徑、調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模及排空時間等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的完整性和準確性制約了模型的準確性，因此在數(shù)據(jù)不完整的地區(qū)使用模型法將受到很大的制約。即便在新區(qū)等數(shù)據(jù)較為完整的地區(qū)，也需要采用概化的手段確定一些模型參數(shù)，這些不確定因素需要在設(shè)計層面給予進一步考慮和明確。

（5）模型法適用于大尺度的、數(shù)據(jù)量充足且龐大的規(guī)劃區(qū)海綿城市建設(shè)效果評估，對于地塊或街坊等小尺度的海綿城市設(shè)計，以及老城區(qū)海綿化改造項目，由于場地條件的成熟和便利，可以采用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)法評估海綿城市效果，評估結(jié)果直觀、可靠。在這種情況下，模型法不占優(yōu)勢。

5結(jié)語

新區(qū)與老城區(qū)的城市建設(shè)有顯著不同，以海綿城市建設(shè)為例，老城區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)局限于現(xiàn)狀條件，重點在于系統(tǒng)的完善和提升，而新區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)是從零開始，重點在于系統(tǒng)的構(gòu)建和布局，因此，以新區(qū)為依托開展海綿城市建設(shè)雖然可以采用先進的技術(shù)，實現(xiàn)先進的理念，但是也更具有復(fù)雜性和不確定性。

對新區(qū)海綿城市建設(shè)效果進行模擬，由于城市開發(fā)建設(shè)前的本底條件清楚，更有利于明確海綿城市建設(shè)目標，評估城市開發(fā)建設(shè)前后，水文條件是否一致。以貴安新區(qū)中心區(qū)為例，用模型對現(xiàn)狀、傳統(tǒng)開發(fā)模式、海綿開發(fā)模式進行模擬和評估，是驗證海綿城市建設(shè)效果的有效措施和手段，對于頂層設(shè)計和輔助決策具有重要意義。

微信對原文有刪減，原文標題：模型法海綿城市建設(shè)效果評估——以貴州省貴安新區(qū)中心區(qū)為例；作者：由陽、朱玲、朱淑蘭；刊登在《給水排水》2018年1期海綿城市建設(shè)探索與示范——貴州省貴安新區(qū)專欄。

來源： 搜狐 網(wǎng)