基于监测及排水模型的海绵城市片区建设效果评估

洪德松

《全国海绵城市建设规范化评价手册（2020）》与《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345—2018）要求海绵城市建设评价应以排水分区达标为考核标准，评价排水分区及建成区整体的海绵效应，鼓励采用“监测+模型”的评估方式。

为及时定量化评估海绵城市建设效果和绩效考核，近年来国家级试点城市及部分省级试点城市已开展了一系列监测评估工作[1]。海绵城市监测和评估涉及规划、设计、工程、设备、模型以及管理等多个方面，现阶段基于监测的海绵城市片区达标评估的研究工作刚起步，还面临一定的困难和挑战。例如，如何合理布置监测点，如何确定模型参数，如何有效进行效果评估等，都是亟待解决的问题[2]。本文以深圳市龙岗区某中心城区为例，通过构建海绵城市监测评价体系，科学评价区域内的海绵城市建设成效，一方面可以为海绵城市相关规划设计建设提供技术支持，另一方面也可以积累本地化参数。

1 项目概况

1.1 研究区概况

研究片区位于深圳市龙岗区二级排水分区内，总面积为494 万m2，其中，位于生态控制线内的面积为206 万m2，建设用地面积为288 万m2。片区内公园绿地面积为145.45 万m2，水域面积为11.4 万m2，合计占比31.76%。片区降水时空分布不均，降雨主要分布在4 ～9月，全年降雨量变化较大，多年平均降雨量约2 000 mm。片区内有一级支流爱联河，但已经暗渠化。

1.2 监测评价指标

结合目前国内海绵城市监测评估相关研究，确定片区、典型项目以及水体3大监测评价对象，片区整体评价年径流总量控制率情况，典型项目评价年径流总量控制率、年径流污染控制率以及径流峰值控制情况，水体评价水质情况[3，4]。相应的监测对象和指标如表1 所示。

表1 监测对象和指标

2 模型构建

2.1 模型搭建

本研究采用MIKE 系列软件，构建含有管网、地形以及河道等多种要素的区域海绵城市模型。一维管网模型将片区管网、雨水井、排放口以及汇水区等要素相关联，二维模型将地形要素与管网耦合，考虑到建筑物对二维水流的阻碍作用，相应拔高处理计算单元内的建筑，并挖低处理路网[5]。监测评估区域模型如图1 所示。

图1 监测评估区域模型（来源：作者自绘）

2.2 模型率定

模型率定是指调整模型参数以使实测资料拟合达到最优化，任何模型的任一参数都可以通过参数率定方法来确定。模型率定采用误差指标纳什效率系数（Nash—Sutcliffe）。

式中，Q0(t)代表在t时刻的实测值，Qm(t)代表在t时刻的模拟值。其中，ENS的取值范围为（—∞，1），ENS值越接近1，表明曲线吻合程度越高。通过调整模型参数对模型进行率定，提高模型的准确度，本次研究模型参数主要有管网模型参数和二维地表模型参数。

2.2.1 管网模型参数

管网模型参数主要有径流系数、汇水区粗糙系数、汇水区洼地蓄水参数、入渗系数以及管道粗糙系数等。一是径流系数。径流系数基于各汇水区不同下垫面（建筑、道路、水体、绿地、广场等）按面积加权综合计算得出。二是汇水区粗糙系数。不透水粗糙系数为0.018，透水粗糙系数为0.25。三是汇水区洼地蓄水参数。不透水洼地蓄水量1.26 mm，透水洼地蓄水量为3 mm。四是入渗系数。最大入渗率为85 mm/h，最小入渗率为7 mm/h，衰减常数为4/h。五是管道粗糙系数。根据不同材质取值为0.008 ～0.014。

2.2.2 二维地表模型参数

二维地表模型参数主要有时间步长、地形精度、模拟干湿水深、涡粘系数以及地表糙率等。第一，时间步长取1 s。第二，地形精度网格大小为2 m×2 m。第三，干、湿水深分0.002 m 和0.005 m。第四，涡粘系数取32。第五，地表糙率取0.013。

3 监测评估分析

3.1 排水分区监测评估方案

3.1.1 监测思路

片区的监测指标为水量指标，包括降雨量指标和市政管网的流量指标。在区域内本项目河道排口和雨水管网关键节点处安装在线流量计，连续监测1 年的流量指标。

3.1.2 监测点布置

片区布置雨量监测点1处（监测点1），流量监测点6 处，包括管网节点监测点5处、管网入河排口点监测点1 处（监测点4）。具体监测点布置见图2。

图2 监测评估区域监测点布置图（来源：作者自绘）

3.1.3 监测评估结论

选取2020 年10 月～2021 年10 月的降雨数据评估海绵城市径流的控制效果。年径流总量控制率60%对应设计降雨深度21.6 mm，年降雨量1 875 mm。通过监测和模型分析，片区雨水系统的最后出流量为685 mm，计算出片区的年径流总量控制率为63.5%，满足60%的目标要求。

3.2 典型项目监测方案

3.2.1 监测思路

选择具有海绵城市建设理念的建筑小区、道路广场以及公园绿地等项目进行监测评价。对接入市政管网、水体的溢流排水口或检查井处的排放水量、水质进行连续1 年的监测。水质指标为悬浮物（Suspended Solids，SS），SS 浓度采用《水质 悬浮物的测定 重量法》（GB 11901—89）进行测定。

3.2.2 监测点布置

选取研究区内的建筑小区类、公园绿地以及道路广场类典型项目各一个，每个项目的每个监测点同时进行流量和水质监测，总计布置17 个监测点。第一，建筑小区类（深圳北理莫斯科大学，新建）：8 处水量水质监测点位，其中有5处管网排口监测点，如图3（a）所示。第二，公园绿地类（大运公园，新建）：3 处水量水质监测点位，如图3（b）所示。第三，道路广场类（国际大学园路，改建）：6 处水质水量监测点位，如图3（c）所示。

图3 各类项目监测点位置示意图（作者自绘）

3.2.3 监测评估结论

（1）径流总量控制率和径流污染控制率。通过监测和模型评估分析，深圳北理莫斯科大学项目年径流总量控制率为62.3%，满足60%的要求，SS 污染的控制率为72.5%，满足70%的要求；大运公园项目年径流总量控制率为79%，满足75%的要求，SS 污染的控制率为75%，满足70%的要求；国际大学园路项目年径流总量控制率为64.9%，满足60%的要求，SS 污染的控制率为47.5%，满足40%的要求。

（2）径流峰值控制。根据对深圳北理莫斯科大学5 个排口的径流峰值控制进行评估，改造后相比改造前外排径流峰值流量削减率分别为6.5%、10.7%、9.1%、10.1%、4.6%，所有监测点处均满足改造后不高于改造前的要求。

3.3 城市水环境监测评估方案

3.3.1 监测思路

水环境监测指标主要包括透明度、溶 解 氧（Dissolved Oxygen，DO）、氧化还原电位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）和氨氮（NH3-N）。根据《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345—2018），将采样点设于置水面下0.5 m 处，水深不足0.5 m 时应设置在水深的1/2处。每7～14 d应至少取样1次，且降雨量等级不低于中雨的，降雨结束后1 d 内至少取样1 次，连续测定1 年；采样时段自采样点产流开始，150 min内采样10 次，分别在0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min、90 min、120 min、150 min 时采样。如果降雨历时较短，则采样至产流结束。实际采样时间点可根据实际降雨和产流情况灵活调整。

3.3.2 监测评估结论

通过监测数据分析，片区水体的各项水质指标均满足表1 中的要求。

4 结语

综上所述，通过“监测+模型”手段可以有效评估片区海绵城市建设效果和典型海绵项目的建设成效，经过评估，研究片区径流总量控制达到63.5%，满足60%的目标要求，且典型项目径流总量控制率、径流污染控制率以及径流峰值削减等指标均满足要求；通过监测手段，可以动态监测片区内水体水环境情况，均满足相关要求；通过开展监测评估工作，可以科学合理评估片区海绵城市建设成效，从规划、设计以及建设等各个环节更好地管控海绵城市建设项目。在后续监测评估中，可逐渐减少监测设备的安装，减少财政资金投入。