海绵城市设计中容积法与模型模拟差异化分析

陈鑫 喻良 郑飞飞

摘 要：本文以贵阳市某工业园海绵城市示范区为例，分别利用容积法与模型软件法对示范区海绵城市建设效果进行评估。首先对比分析两种方法各自的优缺点，然后深入分析结果差异化产生的原因。结果表明，对海绵城市主要考核指标（年径流总量控制率、污染物去除率）的评估，两者数据偏差分别为3.3%及7.11%，在可接受范围。有其他考核指标的地区（峰值流量削减率、峰现时间、管网排水能力评估、内涝风险评估）必须借助模型软件。研究结论对国内其他海绵城市设计计算具有重要的借鉴意义。

关键词：海绵城市设计;容积法;水文水力模型;差异化

中图分类号：TU992文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0094-06

Abstract： Taking a sponge city demonstration area of an industrial park in Guiyang as an example， this paper evaluated the construction effect of the sponge city in the demonstration area by volume method and model software method respectively. Firstly， the advantages and disadvantages of the two methods were compared and analyzed， and then the reasons for the differences were analyzed in depth. The results showed that the data deviation of the main assessment indicators （annual runoff control rate， pollutant removal rate） of the sponge city were 3.3% and 7.11%， which were within the acceptable range. Areas with other assessment indicators （peak flow reductions， peak times， pipe network drainage assessment， waterlogging risk assessment） must rely on model software. The conclusion of the study is of great significance to the design and calculation of other sponge cities in China.

Keywords：sponge city design;volumetric method;hydrologic and hydraulic model;differentiation

近年來，内涝灾害在我国大中城市凸显，具有普发性、群发性和持续频发性特征，已严重影响城市经济的正常发展。例如，2011年和2012年，北京、上海、武汉、成都、杭州等国内大城市相继遭受暴雨，导致洪水淹城，给居民生活和社会经济带来严重影响。尤其是发生在2012年的北京“7·21”特大暴雨内涝，导致79人死亡，163处不可移动文物不同程度受损，10 660间房屋倒塌，直接经济损失高达116.4亿元。为缓解我国城市内涝问题，同时改善水环境质量，国家提出了海绵城市建设战略方针[1]。海绵城市的核心思想是通过将雨水管理与景观设计相结合，综合采用渗、滞、蓄、净、用等多种措施，达到减轻排水系统负荷及降低水污染的作用[2]。

目前，国内的海绵城市设计尚处于起步阶段。《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（以下简称《指南》）建议通过容积法、流量法或水量平衡法等方法综合计算确定设施规模;有条件的可利用模型模拟的方法确定设施规模[3]。

利用容积法计算海绵设施时，主要考虑LID蓄水层储存水量，认为储存水量没有从排水管网排出，而仅考虑下渗和蒸发。但在实际工程中，LID储存水量也有可能经过下排管重新回到排水管网中，进而从排口排出。而且，容积法无法评估区域内径流峰值消减、管道排水能力以及内涝风险[4]。因此，需要使用排水模型来评估海绵城市的建设效果。

笔者以贵阳市某海绵示范区为研究对象，分别采用容积法和模型软件方法进行模拟计算，比较两种方法各自的优缺点，并对结果差异化产生的原因进行深入分析。研究结果对其他地区海绵城市设计计算具有重要的参考价值和指导意义。

1 研究区域概况

贵阳市某工业园规划用地面积37.4hm2，绿地总面积8.1hm2，绿地率21.6%。该区域地势北高南低，规划用地呈三层阶梯状逐级降低，地面高程差为10m左右。该区域具有明显的高原性季风气候，降雨量充沛，年降雨量为1 150～1 250mm。规划用地类型主要为以电子信息产业为主的办公楼与厂房，下垫面分布图及用地经济指标表分别如图1和表1所示。园区内雨污分流，雨水从北面地势高的区域流向南面较低的区域，雨水在南区经过收集后进入市政管网，雨水管网设计重现期为3年。当地海绵城市设计主要控制指标为：年径流总量控制率为80%;以SS为代表的污染物去除率为50%。

2 海绵城市设计方法

2.1 容积法

《指南》中指出，海绵城市设施以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时，设施具有的调蓄容积一般应满足“单位面积控制容积”的指标要求[3]。设计调蓄容积一般采用容积法进行计算，计算公式如式（1）所示：

2.1.1 计算参数。相关计算参数为：汇水面积F=37.41hm2（规划用地红线面积）;设计降雨量H=27.3mm（当地80%控制率降雨厚度）;综合雨量径流系数[φ]=0.62。将这些数据带入式（1）可计算得出总调蓄雨水量V约为6 332m3。

2.1.2 海绵设施平面布置及子汇水区划分。经过数轮试算及优化调整，最终得到海绵设施布置方案如图2所示。结合建筑室外管网及景观竖向地形划分的子汇水区分区图如图3所示。综合雨量径流系数及子汇水区计算结果如表2所示。

2.1.3 典型海绵设施计算。以简易型下沉绿地为例，下沉绿地构造如图4所示。

材质选用（从上至下）：100mm超高;150mm滞水层;100mm覆盖层，渗透系数为100～200mm/h;500mm厚种植土（换填），渗透系数为20～30mm/h;原土层，渗透系数设计取值为1.0×10-7m/h。

设汇水区域面积为1hm2，简易型下沉绿地面积S=500m2（根据《指南》[1]可知，生物滯留设施面积与汇水面积之比为5%～10%，计算取5%）。

《指南》中提出的渗透功能设施规模计算公式为：

简易型下沉绿地调蓄体积[VS]=滞水层体积+渗透设施顶部和结构内部蓄水空间的容积。由于种植土及人工填料的孔隙率较低，其结构内部蓄水空间的容积可忽略不计。因此，计算得出[VS]=滞水层体积+排水层结构内部蓄水空间的容积=500×0.15=75m3。简易型下沉绿地渗透量[WP]=设施最外层材质的渗透量。由于简易型下沉绿地的最外层材质为原土，渗透系数为1.0×10-7m/h，因此计算得[S渗透面积]=504m2，[WP]=2.2m3。

综上所述：简易型下沉绿地调蓄体积V=75+2.2=77.2m3。单位面积简易型下沉绿地调蓄体积=77.2/500≈0.154m3/m2。

根据本项目所采用的雨水花园的构造详图同理可求得单位面积雨水花园调蓄体积约为0.31m3/m2。

2.1.4 典型子汇水区计算示例。以子汇水分区六（C6）为例，C6海绵设施平面布置见图5。

已知C6汇水分区总面积为74 282m2，其中绿地面积为14 853m2，建筑及构筑物屋面面积为33 077m2，车行道路面积为8 444m2，硬质铺装面积为8 622m2，生态停车场面积为1 140m2，透水铺装面积为8 145m2。根据下垫面类型的加权平均所得C6汇水分区地块综合径流系数[φ]为0.61。同时，根据《指南》中容积法计算所得[VC6]=1 237m3。

根据场地实际情况及结合景观效果，实际布置简易型下沉绿地面积为6 043m2，实际调蓄容积为[V1]=6 043×0.15=906.5m3;实际布置雨水花园面积为1 274m2，实际调蓄容积为[V2]=1 274×0.30=382.2m3;并设置渗透渠，长度为520m，单位调蓄容积为300L/m（取自设备参数），调蓄容积为[V3]=520×0.3=156m3;因此，C6汇水分区的总调蓄容积[V实际=V1+V2+V3]=905.6+382.2+156=1 444m3。经比较，[V实际>VC6]，该区域达标。由容积法反推可求出此布置方案下地块的实际控制降雨厚度为32mm，实际年径流总量控制率约为84%。余下分区按此方法计算，具体数值详见“全区计算一览表”（见表3）。

2.1.5 全区计算一览表。城市径流污染物中，SS与其他污染物指标具有相关性[4]。因此，面源污染消减量采用SS作为主要控制指标，年SS总量去除率可采用《指南》的计算方法：年SS总量去除率=年径流总量控制率×低影响开发设施对SS的平均去除率。

按容积法最终计算得出的年径流总量控制率为83%，以SS为代表的污染物去除率为57%。

2.2 模型方法

2.2.1 模型选择及简介。对于本次研究，选用的模型软件需要具备以下功能：①能模拟产汇流水文过程;②能模拟管道内非恒定非均匀流的水力学过程;③能进行二维积水及洪涝计算;④能进行雨季和旱季连续长期分析;⑤能模拟海绵设施对水文及水质的影响。

Infoworks ICM（以下简称ICM）是由英国Wallingford开发研制，可实现城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实地模拟地下排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用。除了具备上述所有功能外，其还提供了丰富的排水模型构建工具、灵活的水力状况统计分析工具，并且具有强大的模型管理功能。因此，本次研究选用ICM模型软件。

2.2.2 模型构建。为便于分析，本次选用ICM构建了两种情景模型：传统开发模型和海绵开发模型。

2.2.2.1 传统开发模型构建思路。传统开发模型是基于示范区详细规划蓝图，整理园区雨水管道的静态属性数据，最终可将示范区概化为包含8 860m雨水管网、443条管段、443个检查井、7个排出口的模型（见图6），起端管径400mm，最大管径1 500mm。

传统开发雨水工艺流程较简单，硬质区域产流直接通过道路雨水口进入管网排出。将整个区域作为一个汇水区，然后通过泰森多边形确定作为计算单元的子集水区，子集水区划分如图7所示。

2.2.2.2 海绵开发模型构建思路。海绵开发模型是在传统开发模型的基础上，综合考虑海绵设施的布置重新梳理雨水径流路径。海绵开发雨水工艺流程如图8所示。在布置海绵设施前后，分别将屋顶、道路、绿地、海绵设施等进行分块并分别设置为不同的子汇水区，然后在此基础上利用泰森多边形法确定作为计算单元的子集水区，最后设置地面径流在各个设施之间的流动关系，子集水区划分如图9所示。为模拟海绵设施对污染物的去除效果，在模型中模拟6—9月共94d的降雨条件下地表污染物的冲刷量及管道排放污染物总量，并计算污染物去除率。

2.2.3 设计降雨及参数设置。雨型是不同降雨历时内的暴雨强度随时间变化的特征，采用不同降雨历时的降雨过程线型来表达。本次研究通过模拟典型年降雨，得到年径流总量控制率，典型年降雨是需要利用30a日降雨量系列资料通过统计学的方法计算出[5]。但是，由于降雨资料的缺乏，本次研究使用的典型年降雨数据为1996年的贵阳市全年降雨数据;模拟单场设计降雨，得到峰值流量控制，单场设计降雨将设计降雨32mm按照芝加哥雨型制作成历时2h，步长5min的降雨过程线。计算公式为：

不同重现期下2h设计降雨量如表4所示。

2.2.4 模型模拟结果

2.2.4.1 传统开发模型结果。用典型年降雨进行模拟，在1996全年降雨（带蒸发）条件下模拟，可得到传统开发模式下全年径流曲线、年径流总量控制率。结果显示，在总降雨为489 939.3m3的情况下，产生的年径流（外排量）为286 620.3m3，年径流总量控制率仅为41.50%;在32mm场降雨条件下，示范区能形成径流7 641m3，峰值流量约为3.97m3/s。

2.2.4.2 海绵开发模型结果。以场降雨32mm模拟为例，总降雨量12 596m3，增加了低影响开发设施后，峰值产流量为0.59m3/s，出流量为1 737m3，峰值削减百分比为85.1%，峰值延迟5min，雨量控制比达86.2%。

2.2.4.3 传统开发模型与海绵开发模型结果对比分析。对比结果如图10至图12及表5和表6所示。

以上结果表明，示范区在传统开发模式下，下垫面不透水程度大大增加，削减了雨水自然渗透与滞蓄的能力，使得径流量与峰值流量都较大。在海绵开发模式下，由于海绵设施的加入，如透水铺装、下凹绿地及雨水花园等，大幅改善了下垫面的渗透系数，径流量、峰值流量及污染物总量都得到了显著削减。

此外，通过ICM模型对两种开发模式下的管网及内涝的评估，得出如表7所示的数据：海绵开发模式下的场地排水管网的排水能力得到提高（100%满足5a重现期标准），并使场地内涝风险（50a内涝重现期标准[6]）得以降低（红色管段代表管道超负荷），场地内面对超标重现期降雨时积水状况得到显著改善（见图13）。

3 差异化分析

①年径流总量控制率：容积法结果为83%，ICM模型结果为86.3%，模拟结果和容积法结果接近，相比容积法，模型考虑了初期雨水扣损。

②污染物去除率（以SS为例）：容积法结果为57%，ICM模型结果为64.11%，容积法对于单项设施去除率取值偏保守，大部分取下限值。

③径流峰值削减率：ICM模型结果为85.1%，峰值出现时间延迟5min，容积法无法实现。

④管道排水能力及内涝风险评估：ICM模型可以给出直观的管段分布图及内涝积水图，容积法无法实现。

⑤容积法比较容易理解，可操作性强。模型法对建模工程师的素质要求较高，需要一定的学习成本。

⑥对于一个既定的海绵区域，影响容积法结果的参数较少，主要参数为LID蓄水层的高度。而模型法往往還要涉及复杂的水力及水量计算，其结果受较多参数的影响，例如：降雨雨型、产汇流水文模拟参数等。

⑦在年径流总量控制率和污染物方面，容积法更保守。

4 结论和建议

①对于海绵城市建设的主要控制指标（年径流总量控制率、径流污染物去除率），容积法和模型模拟均可以实现，偏差分别为3.3%及7.11%，属于可接受的范围[7]。

②容积法仅能计算实现设计目标所需的海绵设施的调蓄容积，对于峰值控制目标由于需要结合雨型及产流过程线分析，容积法无法表达雨水径流路径的组织并计算海绵设施复杂的水文效应以及评估其峰值削减效应。对于削峰有明确要求的海绵城市设计项目需辅助以模型软件的模拟，模型工具的选择可综合考虑项目的需求。

模型模拟能量化评估海绵设施及其布局方案对雨水径流的控制效果，为海绵设计的优化提供技术支撑。建议采用多年降雨数据和本土参数作为模型输入并在后续实施上结合监测进一步优化参数以更好地指导区域后续项目的工程设计。

参考文献：

[1]刘俊，鞠永茂，杨弘.气候变化背景下的城市暴雨内涝问题探析[J].气象科技进展，2015（2）：63-65.

[2]周倩倩，黄冕眉，刘青，等.基于内涝风险评估的城市低冲击径流控制指标布设[J].中国给水排水，2017（17）：125-129.

[3]住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）（建城函〔2014〕275号）[Z].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4]任心欣，汤伟真，李建宁，等.水文模型法辅助低影响开发方案设计案例探讨[J].中国给水排水，2016（17）：109-114.

[5] Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development（LID） Strategies and Practices：EPA-841-f-07-006 [S]. Washington：US EPA，2007.

[6]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.室外排水设计规范：GB 50014—2006[S].北京：中国计划出版社，2016.

[7] Wastewater Planning Users Group. WaPUG Code of Practice for the Hydraulic Modeling of Sewers[M].3rd ed.Wallingford：Watershed Planning Users Group，2002.