北京未来科技城LID分块配置与径流削减效果监测

申红彬，张书函，徐宗学

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.北京市水科学技术研究院 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048；3.北京师范大学 水科学研究院 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875）

1 研究背景

低影响开发（Low Impact Development，LID）是美国Maryland州于1990年代在最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）基础上提出的一种新型雨水管理理念。LID能够对地表降雨径流与污染物输移产生不同程度的削减，对于防治城市暴雨内涝与地表径流污染具有积极的作用。目前，LID理念已在美国、瑞典、新西兰、加拿大、日本和澳大利亚等国家被人们广泛接受与应用。我国住房与城乡建设部于2014年10月发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》中，明确指出将低影响开发雨水系统作为海绵城市建设的重要基础组成部分之一。

LID强调通过大量分散、小规模的源头控制措施（如：绿色屋顶、植物蓄留池（雨水花园）、透水铺装、植被草沟、调蓄池等）来实现对降雨所产生径流和污染的控制[1-5］。区域特征（包括：位置条件、土壤条件、地下水特征、地形地势、汇水区特征和空间需求等）是LID措施选择的首要限制条件[6］。LID单体措施的服务面积有限（0～40 hm2），对于大尺度区域的LID就需要综合考虑采用多种单体措施，这就涉及到LID措施的组合配置问题。地块（按用地类型分为：居住区、商业区、道路、广场、绿地等）作为城市规划建设的基本单元，大尺度区域可以分解成为不同的地块组成。地块类型不同对应的适用LID措施集合也不同[7］，这就有必要按地块分类来进行LID措施配置。

监测是检验LID效果的重要手段。多年来LID雨水径流监测经验表明，监测工作不仅需要花费大量的时间和精力，监测位置与仪器的选择也至关重要，而且监测结果的不确定性往往也会影响监测的效果[8］。当前，LID监测对象多为单体措施，少有对城市大尺度区域已建不同LID组合措施综合效果的监测与评价，相关监测方法与经验积累明显不足。近些年来，北京、上海、深圳和杭州等不少城市通过借鉴国外BMPs、LID等理念已经建成了数十个雨水调蓄与利用综合示范区。不过，对这些示范区的实际运行效果多未开展系统的监测与评价，导致后期缺失“监测-评价-改进”的机制。

多年来，北京在雨水利用方面始终走在全国前列。北京未来科技城位于北京市昌平区东南部，面积达到约1024.35 hm2，如何在如此大尺度区域上全面贯彻LID理念是一个重要的问题。本文介绍未来科技城按地块分类选择LID措施组合配置的方法，并探索开展大尺度区域上不同LID组合措施综合效果的监测工作，重点对降雨径流的削减效果进行分析与评价。相关成果可为国内外大尺度区域上的LID规划、建设、监测与评价等提供参考。

2 LID分类地块配置方法

2.1 LID分块配置建设流程LID分块配置建设流程如图1所示，主要包括以下阶段：（1）确定LID总体规划目标。对于大面积区域，可将目标分解于不同子区域；（2）分类地块配置方案设计。根据城市用地分类与规划建设用地标准，对规划（子）区域进行合理的地块划分。基于不同类型地块适建LID措施集合，结合区域条件，选择若干LID措施组合方案，合理选择相关措施尺寸及汇流路径，确定不同地块之间的汇流路径；（3）方案模拟优选。选择合理模型对不同LID措施组合方案效果进行模拟，结合成本-效益分析，确定最优LID方案；（5）施工建设。根据最优LID方案分地块开展施工建设；（5）运营维护。在LID设施建成后投入运营，并对相关设施加强维护管理；（6）效果监测。制定合理监测方案、选择监测仪器，对LID效果进行监测；（7）评价改进。基于监测结果，开展设计、施工、效果评价，判断是否达到预定目标，如果达到则作为经验加以推广，如果没有达到则分别判断是施工还是设计问题，并分别加以改进。

图1 LID分块配置建设流程

2.2 未来科技城LID分块配置方案北京未来科技城于2009年陆续开工建设，一期规划建设面积约1024.35 hm2。根据北京未来科技城土地利用控制性详细规划，开发建设前后，全区除水面以外区域内不透水面积比例将由21%增至45%。参考《室外排水设计规范》，基于不同类型用地径流系数，并按不同类型用地面积比例加权平均，综合估算如不采用LID措施未来科技城径流系数将由0.35增至0.59[9］，见表1。LID径流控制目标是以开发建设后降雨径流排放量接近开发建设前自然地貌时的降雨径流排放量为标准。因此，为减少径流排放、提高内涝防治能力，未来科技城采用LID措施后径流系数应控制在0.35以下。

为达到未来科技城LID降雨径流控制目标，未来科技城LID采用分区分块的配置方法（示意见图2），具体如下：

（1）鉴于未来科技城规划区域面积较大，结合雨水控制利用总体目标，将科技城划分为2类6个雨水利用子目标区域：①雨水零排放区，包括：北部雨水零排放区、滨河雨水零排放区和京承雨水零排放区；②雨水控制排放区，包括：北部雨水控排区、东南雨水控排区和西南雨水控排区。

表1 北京未来科技城开发建设前后用地类型统计

（2）根据科技城土地利用规划，归纳分类为3种类型地块：①开发建设地块，包括教育科研用地、居住用地、商业金融用地、多功能用地、市政公用设施和医疗卫生用地等进行开发建设的地块；②地块周边道路，指开发建设及绿地地块周边的各种道路，包括主干路、次干路和支路等；③公共绿地。

（3）对不同类型地块提出不同LID措施组合方案：①开发建设地块，严格限制雨水外排，依据“优先入渗、注重滞蓄调控、适当集蓄回用”原则将雨水就地消纳，选用LID措施包括：下凹式绿地、透水地面及入渗集用、植物蓄留池（雨水花园）、雨水收集回用、调控排放等；②地块周边道路，以控制透水铺装和下凹式绿地比例为重点，通过入渗、滞蓄、渗蓄自灌、集蓄灌溉等措施减少道路雨水外排、削减污染负荷，选用LID措施包括：透水铺装人行道、人行道雨水渗集自灌行道树、透水非机动车道、下凹式绿化带及生物滞留槽、生态沟等；③公共绿地，坚持以滞蓄和入渗为主，在保证消纳自身雨水的同时，力争调蓄入渗一部分外来径流，选用LID措施包括：下凹式绿地、生态沟槽、滞蓄坑塘等。

图2 北京未来科技城雨水利用方案

3 LID径流削减效果监测

3.1 监测目的与区域选择监测是检验未来科技城LID降雨径流削减效果以及后期持续改进的重要手段。为监测全区LID组合措施的综合效果，降雨径流监测区域选择应根据雨水管网分布情况，优先合理选择若干封闭代表子流域，并分别在各子流域出口处进行监测。

根据《未来科技城外部雨污水排除规划》，未来科技城排水区域以温榆河为界分为北区和南区，南区以第九水厂输水管线与定泗路东段为界，分为西南区和东南区。综合比较3个区域排水情况：

（1）北区除东南部小部分区域内的雨水向东排入方氏渠外，绝大部分雨水均集中向南排入温榆河，形成一个相对独立的排水区域。

（2）东南区是一个相对独立的排水区域，雨水向南排入鲁疃西沟。

（3）西南区排水管网西与北七家镇雨水管网相接，并非一个相对独立的排水区域，区内雨水向北排入温榆河老河湾。

因此，监测区域宜选为：北区（入温榆河排水区域）与东南区。参见图3。

3.2 监测布局与仪器选择监测位置布局：降雨监测位置选在温榆河南侧“绿洲”办公楼前（图3位置O），作为整个监测区域内降雨量代表数据。径流监测位置分别选在北区、东南区排水出口断面处（图3位置A、B1、B2）。为进一步细化监测，根据需要分别在北区及东南区内部合适位置布设了6个监测点（图3位置1—6）。对每场降雨均需要进行监测，每场降雨为一个流量连续监测过程。

图3 北京未来科技城降雨径流监测布置

表2 北京未来科技城北区降雨径流情况统计

监测仪器选择：雨量监测仪器采用翻斗式雨量计，性能符合《翻斗式雨量计》（GB/T11832-2002）和《水文测报装置遥测雨量计》（GB/T11831-2002）相关要求。管道径流量基于流速面积法采用流量计进行监测（GB 50179-1993、ISO 748：2007）。流量监测仪器选用德国Hydro Vision公司生产的满管/非满管高精度多普勒超声波流量计，流速测量范围为：±5.2 m/s，精度分别好于：±1%（未经补偿修正）、±0.2补偿修正，稳定性：0.005 m/s。

3.3 降雨径流过程数据采集2016年4—9月期间，对北京未来科技城降雨径流过程进行了连续监测，共计监测到9场有效降雨径流数据。表2为北区的降雨径流监测数据，图4为2016.7.20大雨北区出口A监测径流流量过程示例。对不同降雨径流流量过程积分计算可以得到相应径流量，同列于表2。由于未来科技城北区构成一个相对独立的排水区域（无外来排水管网接入），出口A作为整个北区排水管网的总出口，所测径流包含了整个监测汇水区域内的全部径流量。

4 LID径流削减效果评价

4.1 径流削减效果评价径流系数的定义为场次降雨在汇水面积上产生的径流深和降雨量的比值：

式中：α为径流系数；P为降雨量；R为径流深，等于径流量与汇水面积的比值。

基于式（1），根据北京未来科技城北区降雨径流监测数据，可以统计得到9场降雨的径流系数，见表3。其中，未来科技城北区面积约为272 hm2。截至2016年，区内尚余少量未开发和正在施工建设的地块。经统计，未建区域面积约为319 984.31m2、正在施工建设区域面积约为150 485 m2。这些地块有围墙围挡，内部没有雨水管网，雨水就地消纳不外排入雨水管网，在分析计算径流系数时应考虑消除其影响。根据当时正在施工建设区域实际下垫面情况，将60%在建区域面积归为未建设区。综上所得，扣除未建、在建区域面积，未来科技城北区能够产生径流外排的实际汇水面积约为230.97 hm2。对表3分析可知：监测期间，未来科技城北区各场次降雨径流系数介于0.04～0.40之间。其中，各场次降雨径流系数总体随降雨量增大而增大，同时受降雨持续时间、平均/最大降雨强度、场次降雨间隔时间等多种因素的影响。如：对比2016.6.6降雨（编号：1）与2016.6.28降雨（编号：5），两者降雨量相差不大，不过前者降雨持续时间约为185 min、平均/最大降雨强度均较小，后者降雨持续时间50 min、平均/最大降雨强度均较大，以致前者比后者径流系数相差近1倍；对比2016.6.12降雨（编号：3）与2016.7.14降雨（编号：6），两者降雨量、降雨持续时间、平均降雨强度均相差不大，但后者最大降雨强度较大，导致后者比前者径流系数增大近1倍；对比2016.7.18降雨（编号：7）与2016.7.19降雨（编号：8），两者降雨量相差不大，后者降雨持续时间（505 min）长于前者（45 min）、平均/最大降雨强度也小于前者，但由于后者距前者降雨间隔时间较短（不足18 h），导致后者比前者径流系数有所增大；对于2016.7.20大雨（编号：9），降雨总量大（高达195 mm）、距上次2016.7.19降雨（编号：8）间隔时间短（不足6 h）均造成径流系数明显偏大，不过由于降雨持续时间过长（长达1735 min），且降雨过程中大部分时间雨强较小，除部分雨水超渗产流外，不少雨水损失于入渗，导致径流系数并不太大，约为0.402。对各场次降雨径流系数取平均值，约为0.13，达到控制在0.35以下的目标。相比不采用LID措施的径流系数0.59，削减率可以达到78%。

表3 北京未来科技城北区降雨径流系数统计

4.2 雨水综合利用探讨北京未来科技城雨水利用总体上主要以入渗为主、滞蓄为辅，少量收集用以灌溉。对于雨强较小的降雨过程，地表径流多来源于不透水地表产流。在对北京未来科技城北区开展降雨径流监测过程中，现场调查发现建设地块内不透水屋顶降雨产流多经雨水管转输引至周边绿地加以消纳，而道路地块内机动车不透水道路旁下凹式绿化带下凹深度多存在不足、雨水口未按汇流路径规划位置布设，导致不透水路面降雨产流直接排入雨水管网，参见图5（a）。

图5 北区不透水道路产流情况

对北区不同类型用地面积统计结果表明，不透水路面面积占汇水面积比例约为0.1。根据表3，未来科技城北区监测期间各场次小雨的径流系数多小于0.1或在0.1附近（见图5（b）），说明各场次降雨径流主要来源于不透水路面的降雨产流。对于各场次降雨中的不外排水量，除去不透水路面降雨径流填洼、蒸散发等水量损失外，多以入渗、集蓄等方式加以利用，所占比例约为0.9（除去不透水路面以外区域面积所占比例），相应雨水综合利用率在0.9左右。

对于“2016.7.20”大雨，降雨径流系数远大于0.1，主要是由于降雨历时较长，不透水路面以外雨水控制利用区域后期出现超渗产流所致。对于“2016.7.20”大雨径流过程，根据质量守恒原理，Δt时段内降雨、径流之间有如下关系：

式中：I为输入雨强，mm/min；Q为出口位置A输出流量，转化为径流深，mm/min；Δt为时段，min；ΔW为Δt时段内不外排水量，控制机理包括填洼、入渗、滞蓄等，转化为水深单位，mm。

对式（2）右侧ΔW进行逐时段累加，即可得到不外排水量累计值随时间的发展过程，如图6所示。其中，由于地表填洼水量在降雨初始时段内一般会快速趋于最大并不再增加，不外排水量累计曲线与降雨量累计曲线发生明显分离的时刻可视为超渗产流开始时刻；超渗产流时刻后，降雨量累计曲线与不外排水量累计曲线之间的分离程度逐渐增大，说明超渗产流量逐步增大；不外排水量累计曲线在径流结束前某一时刻增至最大值后有所下降，这主要为地表滞蓄水量排出所致；超渗产流时刻后，不外排水量累计曲线增至最大值前的增长幅度远较增至最大值后的下降幅度为大，说明地表滞蓄水量在不外排水量中所占比例不大，多为入渗水量。

根据《雨水控制与利用工程设计规范》“新开发区域年径流总量控制率（年雨水综合利用率）不低于85%”，年径流总量控制率（年雨水综合利用率）是多年统计的概念，并与设计降雨量存在一一对应关系。根据多年日降雨量数据，统计小于某一降雨量的降雨总量占总降雨量的比率，该比率（即年雨水综合利用率）对应的降雨量即为设计降雨量[10-12］。经统计，北京地区年雨水综合利用率为0.85对应的降雨量为32.5 mm[9］。根据图6，未来科技城北区除不透水路面以外雨水控制利用区域在“2016.7.20”大雨超渗产流前累计控制不外排雨水量（调蓄容积）可以达到44 mm，高于设计降雨量32.5 mm，相应年雨水综合利用率可以达到0.85以上。对于未来科技城北区“2016.7.20”大雨过程中外排径流率（累计外排径流量/累计降雨量）随时间的发展情况，如图7所示。可以看出，超渗产流前不透水道路外排径流率最高达到0.1，约占整场降雨径流系数0.402的1/4。后期应结合原设计方案对不透水道路旁绿化带加以下凹改造，充分发挥下凹式绿化带对不透水路面产流的调蓄入渗削减作用，以进一步提高雨水控制利用率。

图6 北区累计雨量、进出水量差值变化情况（2016.7.20大雨）

图7 北区外排径流率随时间变化情况（2016.7.20大雨）

5 结论

根据本文研究工作，可以得到以下几点结论：（1）一个完整的LID建设流程应包括：目标规划、配置设计、方案优选、施工建设、运行维护、效果监测以及评价改进共计7个阶段；（2）对于大尺度区域LID，可基于总体目标分解到不同子目标区域，并结合土地利用类型分为不同类型地块，按地块类型分类进行LID措施配置；（3）结合北京未来科技城LID实例，介绍了分区分块的LID配置方法。对未来科技城LID径流削减效果监测结果表明达到了预定目标；（4）对北京未来科技城雨水综合利用情况进行了探讨，结果表明雨水利用主要以入渗补给为主，并针对施工存在的问题提出了后期改进建议。