基于水文控制目标的中小尺度海绵城市改造方案评价

陈 垚，何智伟，张 琦，段玲红，秦 宇，熊 毅

(1.重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074； 3.重庆西恒工程咨询有限公司，重庆 401120)

近年来，传统城市开发模式显著改变了局部地区的自然水文循环过程，导致地面径流量增加，峰值提前，河流地貌及其水文情势改变，并最终造成水生栖息地退化、水体水质恶化和生物多样性丧失等一系列生态环境问题[1-3]。为提高城市可持续性和宜居性，改善雨水排放系统的生态完整性，我国提出了海绵城市这一新型城市雨洪管理理念，其核心途径为低影响开发(LID)[4-5]，旨在从源头上通过雨水滞留、渗透、蒸发和回用等循环过程模拟自然水文功能，实现控制地表径流和削减峰值流量、延缓产流时间、改善下渗特性、增加生态基流和净化污染物的目的[1,3-4,6-7]，以期恢复城市水文过程和河流径流情势至近自然状态[3,8]。LID措施包括透水路面、雨水花园、植草沟、绿色屋顶、雨水塘等分散式雨水控制措施。LID措施作为径流控制措施，从源头上削减雨水径流，是一种适用于城市区域的小规模、分散式的雨水管理措施。作为目前城市雨洪管理的技术措施，LID能否真正实现我国海绵城市建设目标，是目前最为关心的问题，而解决这一问题的途径在于构建一种用于评价中小尺度海绵城市改造方案中LID措施效益和性能的方法[9]。国外学者对LID措施的评价方法主要基于水文模型方法，并以此开发了SUSTAIN、BMPDSS等评价模型[10-11]。这些模型虽可用于不同尺度下LID措施的评价分析，提出单位径流控制成本最低的LID布设方案，但仅考虑建设成本，并未考虑雨水资源利用价值、景观价值和生态功能价值等社会效益，以及LID措施的综合水文性能[12]。国内鲜见LID技术措施的性能评价方法研究，且主要集中在利用SUSTAIN、BMPDSS等模型在国内案例中的应用评价[9,11]。

虽然众多学者针对LID措施性能方案评价提出了一套相应的指标体系，但大多集中在LID措施的成本效益评价研究上，缺少针对中小尺度下LID布设方案与经济成本、水文控制性能、社会效益等目标的耦合评价研究，鲜有研究直接以LID设施水文调控性能为目标，通过构建LID布设方案的评价体系提出LID措施优化组合方案。我国海绵城市建设刚起步，缺乏对LID 设施水文控制效果监测的系统研究，同时，受气候特征和地域条件等基本国情的影响，难以直接照搬相关研究结论和技术标准。海绵城市建设时间紧且考核任务重，往往要求实施LID措施后便能满足相应的考核目标，因此，亟须建立一套适合于中小尺度LID改造方案的综合性能评价体系。为确保海绵城市建设实施措施的有效性，并及时调整实施方案，本文通过布点实测和利用SWMM模型分析秀山县海绵城市改造区域的实施效果，构建基于水文调控目标的LID措施综合性能评价体系，并对LID 设施的实施方案进行扩容与组合优化评价，以期为我国海绵城市建设提供参考。

1 研究区域概况

秀山县为重庆市3个市级试点海绵城市之一，实施的试点区域位于秀山城区南部新城，由16个相对独立的排水片区组成，分3期建设，总面积为8.08 km2。秀山地处武陵山区腹地，为典型的亚热带湿润气候区，降雨充沛集中，伏旱明显。根据秀山气象站55年(1960—2014年)的逐月降水量数据统计，城区多年平均降水量约1 350 mm，降雨主要集中在6—9月，降水量占全年的55%，且夏季降雨多以暴雨形式出现，发生暴雨的主雨峰靠前，降雨历时短，易发生内涝灾害。本文研究区域为传统开发模式的建成区，位于梅江河以西，建有渝秀大道(东西)和学府大道(南北)两条交通主干道，以及政府大楼、中学、体育公园和居住小区，占地61 hm2。建成区内建有完善的雨污分流排水设施，雨水管管径为1 000～2 000 mm，管道总长约4.5 km。为获得SWMM模型所需的水文气象数据，在城建大楼楼顶和渝秀大道2处雨水排口位置分别安装有1处雨量站和2套流量监测仪器，自2016年12月1日起开始为期1年的降水量与径流量实时监测。研究区域位置见图1。

图1 研究区域位置

2 模型构建

根据管网数据资料和水文气象数据(降雨和径流量实测数据)，结合研究区域地形和土地利用类型图，构建SWMM模型，将研究区域概化为27个子汇水区、36个节点、33个管段和2个总排水口(图2)。模型构建时，LID设施的结构参数主要根据模型手册典型值[13]和实际设计参数设定(表1)，而模型的水文参数则根据实际资料、模型手册典型值范围[13]和相关文献设定[14-15]。首先利用摩尔斯分类筛选法[16]对模型的不确定参数进行局部灵敏性分析。在确定敏感水文参数后，采用人工试错法对敏感参数值进行调整，并利用2017年7月8日实测降雨径流数据(中雨)率定模型参数，经过6次参数调整后，模型的Nash-Sutcliffe 效率系数(NS值)为0.772，表明模拟结果与实测值相吻合(图3)。为进一步提高模型应用的准确性和可信性，采用2017年6月5日、6月22日和9月27日3场实测降雨径流数据(大雨和暴雨)进行模型验证，模型的NS值均大于0.75，模型预测的降雨径流过程曲线基本与实测值相重合(图3)，满足模型应用的精度要求。最终得到适用于研究区域的各参数值(表2)。

图2 模型概化

LID措施过程层参数参数值雨水花园表 层蓄水深度400mm植被覆盖0.8表面粗糙系数0.28表面坡度0土壤层厚 度600mm孔隙率0.6产水能力0.2导水率180mm/h蓄水层厚 度300mm孔隙率0.55导水率18mm/h暗 渠排水系数3.5排水指数10偏移高度2mm植草沟表 层蓄水深度200mm植被覆盖0.75表面粗糙系数0.25表面坡度1.0%透水铺装表 层蓄水深度15mm表面粗糙系数0.22表面坡度2%路面层厚 度100mm孔隙率0.25渗透性30mm/h找平层厚 度30mm孔隙率0.5导水率20mm/h吸水头3.5蓄水层厚 度430mm孔隙率0.35导水率15mm/h暗 渠排水系数3.3排水指数0.6偏移高度2mm

(a)2017年7月8日(中雨，NS6值为0.772)

(b)2017年6月5日(大雨，NS值为0.891)

(c)2017年6月22日(暴雨，NS值为0.881)

(d)2017年9月27日(暴雨，NS值为0.760)

表2 模型水文参数灵敏性与率定结果

注：“#”表示水文参数对峰值流量具有灵敏性；“&”表示水文参数对径流总量具有灵敏性。

相关研究指出，降雨场次控制率较年径流总量控制率更有实用意义，一般而言90%～95%降雨场次控制率大致对应80%～85%年径流总量控制率[17-20]。根据当地气象站1962—2017年日降雨数据，扣除降水量小于2 mm的日降雨事件后[19]，共计5 630场次降雨事件，统计分析后可得设计降水量与场次控制率的对应曲线如图4所示。

图4 降雨场次控制率-设计降水量曲线

秀山海绵城市建设径流总量控制目标为75%，其所对应降雨场次控制率约为85%，即有效控制降水量不超过25 mm的场次降雨，使中、小雨等级的降雨不产生积水内涝。由于在利用IBM SPSS Statistics软件的多元线性逐步回归法分析不同降雨事件中降水量、降雨峰值、平均降雨峰值和降雨历时等因素对径流的影响时，发现降水量、降雨峰值和降雨历时3个参数对降雨径流影响显著，因此，在控制降水量不超过25 mm的中、小雨时，应根据降雨历时和降雨峰值分析不同降雨强度的场次降雨事件。

3 现有LID措施布局方案及水文调控效果

3.1 现有LID措施布局方案

研究区域现存LID设施雨水花园、植草沟和透水铺装3种，具体空间布局见表3。研究区域经LID改造后，将下垫面划分为绿地、雨水花园、植草沟、透水铺装、硬地路面和房屋建筑等6种土地利用类型。其中，透水铺装面积79 770 m2，占13.1%；雨水花园4 742 m2，占0.8%；植草沟3 036 m2，占0.5%；绿地191 549 m2，占31.4%；硬地路面206 901 m2，占33.9%；房屋建筑124 002 m2，占20.3%。

3.2 现有LID措施对降雨径流的水文调控效果

通过对2016年12月至2017年12月为期1年的径流量监测数据统计分析，发现研究区域进行LID措施改造后，径流总量控制率和峰值流量削减率分别为67.4%和59.7%，并未达到75%年径流总量控制率目标。为验证这一结论，将25 mm设计降水量(对应85%降雨场次控制率和75%年径流总量控制率目标)按24 h、6 h和2 h 3种降雨历时进行降雨过程设计，并运用SWMM模型分析现有LID设施改造后对降雨径流的水文调控效果，结果见图5。

研究结果表明，现有LID措施改造后研究区域在不同降雨情形下均无法满足降雨场次控制率要求，即无法达到75%的年径流总量控制目标。通过对各子汇水区域降水量、下渗量、径流量与峰值流量等雨洪参数的分析，认为现有LID设施布局方案存在如下不足：①LID设施占比规模过小，仅为14.4%，特别是有些不透水率较大的区域尚未进行LID改造；②LID设施组合不合理，雨水花园和植草沟等生物滞留设施占比仅为1.3%，仅为透水铺装设施占比的10%，而单项LID措施的实测与模拟数据均表明透水铺装仅对峰值流量起削减作用，而生物滞留设施对径流总量的削减效果更佳。因此，需对现有LID措施进行扩容与组合优化，同时2 h历时的降雨径流模拟更能反映当地短历时雨型的降雨特征，根据该降雨条件下各子汇水区域产流情况，需重点对S1、S2、S3、S8、S9、S11、S13和S21等子汇水区域进行LID措施的扩容与重新组合。

表3 现有LID措施布局

(a)24 h

(b)6 h

(c)2 h

4 LID措施改造方案

城市化后地表产流能力显著增强，产流过程显著加快，容易产生内涝等问题，因此需要对其进行LID改造。为满足研究区域LID改造后区域年径流控制率不低于75%的要求，应尽可能对传统硬地路面和绿地在满足其功能用途的条件下增加LID改造比例，主要通过控制雨水花园比例、植草沟比例、透水铺装比例及其组合方式得出各类设施的控制指标值，并根据实际方案布置各类设施的控制比例。LID措施的扩容布设方案见图6。①方案1：人行道和市政广场全部改造为透水铺装；将雨水花园(2%)+植草沟(3%)组合形式布设于低洼、径流终端、建筑物附近等区域的传统绿地上。②方案2：人行道以透水铺装(96%)+植草沟(4%)组合形式进行改造；市政广场以透水铺装(97%)+植草沟(3%)组合形式进行改造，植草沟布设于道路两侧或建筑物附近；传统绿地以雨水花园(3%)+植草沟(2%)组合形式改造。③方案3：人行道以透水铺装(94%)+植草沟(6%)组合形式改造；市政广场以雨水花园(2%)+植草沟(1%)+透水铺装(97%)组合形式改造，雨水花园主要布设于建筑物四周；传统绿地以雨水花园(4%)+植草沟(1%)组合形式改造。④方案4：人行道以透水铺装(92%)+植草沟(8%)组合形式改造；市政广场以雨水花园(3%)+透水铺装(97%)组合形式改造；传统绿地仅采用雨水花园改造。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4

图6 LID措施扩容改造布局方案

5 LID措施改造方案评价方法

5.1 评价指标体系建立

海绵城市中LID措施是一项涵盖水文、生态、经济和社会效益的雨洪管理技术，可将LID措施综合性能具体量化为径流控制(A1)、径流污染削减(A2)、建设成本(A3)、维护管理成本(A4)和利用效益(A5)等指标进行评价。其中，生态效益主要体现在LID措施对径流污染量的削减，以实现对水系生态功能的保护与修复，故采用A2指标对其生态效益进行评价；经济效益采用A3和A4两个指标进行综合评价。结合LID措施的结构特性和功能特点，对5个指标进行分析、赋值与评价，构建LID措施性能的评价指标体系。

a. 径流控制(A1)。LID措施的径流控制性能又可采用径流量控制(A11)、峰值流量削减(A12)和洪峰延迟(A13)等3个二级指标体系进行评价分析。由于LID措施对径流的控制可通过滞留(a1)、吸附(a2)、入渗(a3)、过滤(a4)、蒸发蒸腾(a5)和植物吸收(a6)等6个水文途径实现，因此，在评价LID措施径流控制性能时，首先结合国内外对LID措施技术特点的理论研究与实践经验，对LID措施各水文途径在径流控制中所起的作用效果进行量化分析，然后再根据水文途径在A11、A12和A13指标上的控制能力予以赋值。在赋值时，将水文途径作用效果及其对径流的控制能力划分为很好、好、较好、一般、差等5个等级，分别赋值2.5、2.0、1.5、1.0和0.5，若无效果则赋值为0，赋值结果如表4所示。单位面积LID措施在径流控制性能上的评价得分则根据式(1)计算得到，结果如表5所示。

Rik=∑xijyjk

(1)

式中：Rik为第i种LID措施在第k项二级径流控制指标上的得分值；xij为第i种LID措施在第j项水文途径上的原始得分；yjk为第j项水文途径在第k项二级径流控制指标上的原始得分。

表4 径流控制指标量化

表5 单位面积LID措施径流控制性能评价

b. 径流污染削减(A2)。虽然LID措施可去除径流中的SS、COD、TN、TP等多种污染物，但我国海绵城市建设一般以SS削减率作为径流污染削减的考核指标。因此，根据研究区域内对已建成LID措施净化效能的研究结果，将SS去除率中位数作为单位面积LID措施在径流污染削减指标上的赋值依据，并对单位面积LID措施在径流污染削减性能进行评价分析，结果见表6。

表6 单位面积LID措施径流污染削减性能评价

c. 建设成本(A3)与维护管理成本(A4)。经济效益是选择LID措施时需要考虑的一项重要因素，包括建设成本(A3)和管理维护成本(A4)两项评价指标。根据国内实际项目资料调研，并参考国外资料[21]，对LID措施单位建设成本和维护管理成本进行了总结。为使A3和A4在单位上保持一致性，需对其无量纲化处理，并以5、4、3、2、1进行赋值，分值越低，则费用越高。单位面积LID措施经济性能评价结果见表7。

表7 单位面积LID措施经济性能评价

d. 利用效益(A5)。LID措施的社会效益以利用效益(A5)进行评价，主要包括雨水资源利用价值(A51)、景观价值(A52)和生态功能价值(A53)3个二级指标体系。根据LID措施的功能特点和国内外应用实践效果，将利用效益划分为无效益、低效益、较低效益、中效益、较高效益、高效益等6个等级，并分别以0、1、2、3、4、5进行赋值，可得到单位面积LID措施利用效益评价结果如表8所示。

表8 单位面积LID措施利用效益评价

为在同一尺度下对不同LID措施进行综合性能的量化评价，需对各评价指标综合得分按式(2)进行线性归一化处理，结果见表9。

(2)

式中：rij为第i种LID措施在第j个指标的归一化值；xij为第i种LID措施在第j个指标上的原始得分；xij,max为LID措施在第j个指标上的得分最大值。

表9 单位面积LID措施性能评价指标归一化值

5.2 LID 措施综合性能评价方法

利用层次分析法对雨水花园、植草沟和透水铺装3种LID措施的综合性能进行评价。根据层次分析结构模型，采用标度法对同层指标的重要程度进行赋值，构建判断矩阵并采用求和法计算得到权向量矩阵W和B(一致性比率均小于0.1)

W=(0.50,0.29,0.05,0.07,0.09)

其中，权重矩阵W中的数值即为各性能评价指标权重Wj，而两矩阵相乘便可求得雨水花园、植草沟和透水铺装等LID措施的权重Wi，分别为0.441、0.288和0.257。

5.3 评价结果

根据各方案中LID措施面积、性能评价指标及其求得的Wi、Wj，按式(3)求得方案1、2、3、4的综合得分分别为37 606.79、37 760.71、37 897.79和38 009.02。

Z=∑(AjrijWiWj)

(3)

式中：Z为总得分；Aj为各LID设施的占地面积；rij为各性能评价指标归一化值。

综合评价结果表明，方案4为LID措施扩容改造的最优方案。研究区域经LID措施扩容改造后，LID措施面积占比从14.4%增至25.6%，不透水性降至43.5%。其中，透水铺装、雨水花园和植草沟面积3种措施的面积占比分别为22.8%、1.9%和0.9%。

6 SWMM模拟验证

6.1 不同方案的水文调控效果

为进一步验证评价结果的正确性，对4种扩容改造方案和原LID措施布设方案在不同设计重现期(2 a、10 a和50 a)下的水文调控效果进行模拟，结果见表10。从水文调控效果来看，方案4在径流总量控制率、峰值流量削减率和峰值流量延迟时间等水文调控特性上均达到最佳，且各扩容改造方案的调控效果与评价结果显著正相关。以重现期2 a为例，LID措施综合性能评价体系评分越高，水文调控效果越好，径流总量控制率和峰值流量削减率与评分值相关性最为显著，R2均接近于1。研究结果表明，构建的LID措施综合性能评价体系可用于区域、街区等中小尺度下海绵城市改造方案的优选评价。

6.2 LID措施扩容改造后的径流水文调控特性

由表10可知，LID措施扩容改造后对雨洪控制的效果显著提升，特别是最优方案4对2年一遇小重现期暴雨的水文调控更有效，径流总量控制率和峰值流量削减率较现有LID措施布局分别提高了34.4%和42.6%，并显著延缓了峰值出现时间。利用SWMM模型对LID措施扩容改造后在3种降雨过程(25 mm场次降水量)下的地表产流过程进行模拟分析，以验证该方案满足75%年径流总量控制率的要求，结果见图7。

研究区域经LID措施扩容优化后，在降雨历时分别为24 h和6 h条件下(对应降雨峰值5.1 mm/h和24.2 mm/h)并未产生地表径流，可就地消纳85%年平均场次降雨。而当降雨历时为2 h时，降雨峰值增至76.9 mm/h，研究区域有少量地表径流出现，透水铺装暗渠开始外排雨水。研究结果表明，扩容改造方案在短历时强降雨条件下，主要起水文调控作用，并不能完全控制径流不外排。由于当地降雨峰值在60 mm/h及以下的年平均降雨场次达86.9%，即可认为该方案能满足85%年降雨场次控制率要求，可实现75%年径流总量控制率目标。

(a)24 h

(b)6 h

(c)2 h

6.3 管网承载能力改善情况

研究区域排水设施经LID设施扩容改造后的管网承承载能力得到显著改善，当暴雨设计重现期为2 a和10 a时，排水管网无管段超载与节点溢流，且地表径流能得到有效控制。随着重现期增为50 a时，虽然地表径流控制效果有所减弱，排水管网也将出现少量管段超载(超载率为3.03%)和节点溢流现象(节点溢流率5.56%，最大溢流时间3.2 min)，但研究区域的总体内涝风险较低。

表10 不同LID设施布局的水文调控特性

7 结 论

a. 现有LID措施改造后，研究区域的年径流控制率低于75%，且在设计降水量25 mm(对应降雨场次控制率为85%)的不同降雨条件下均无法满足降雨场次控制率要求。现有LID措施改造方案主要存在LID设施面积占比过小和组合方式不合理等问题。

b. 将LID措施的水文、生态、经济和社会效益具体量化为径流控制、径流污染削减、建设成本、维护管理成本和利用效益5个指标，其权重分别为0.50、0.29、0.05、0.07和0.09，结合单项LID措施性能评价指标体系与权重，构建了LID措施改造方案综合评价体系。

c. 不同LID措施改造方案的综合评分与径流总量控制率、峰值流量削减率等水文控制指标显著正相关，确定LID扩容改造最优方案为：人行道以透水铺装(92%)+植草沟(8%)组合形式改造，市政广场以透水铺装(97%)+雨水花园(3%)组合形式改造，传统绿地以雨水花园改造。水文模拟分析表明，LID措施扩容改造后对雨洪控制的效果显著提升，研究区域排水管网的承载能力显著得到改善。研究结果证实构建的LID措施综合性能评价体系可用于中小尺度下海绵城市改造方案的优选评价。