不同水文年型海绵城市径流总量控制率特征研究

刘家宏，丁相毅，邵薇薇，杨志勇，梅 超

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部水资源与水生态工程技术研究中心，北京 100038）

1 研究背景

中国正处于城镇化的快速发展期。2018年底，中国城镇化率接近60%，位于诺瑟姆曲线［1］的中段，即加速阶段，这个时期的城镇化水平和质量将直接决定未来城市的品质。传统的城市开发模式偏重经济社会功能，带来了城市内涝、水体黑臭、热岛效应等一系列水安全、水环境、水生态问题，严重影响可持续发展和城市功能、品位的提升。强调自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”［2］是未来新型城镇化的发展趋势，也是新时代城市生态文明建设的重要抓手，体现了未来城市回归自然的“初心”。海绵城市第一批试点建设到2018年底进入验收考核阶段，其中径流总量控制率［3-4］是建设效果评估的关键指标之一。根据海绵城市建设技术指南［5］要求，年径流总量控制率是通过长序列（一般30年以上）降雨数据排序计算得到的，是一个反映地区长期降雨规律的综合平均值，其对应到考核当年特定的水文年型时，指南没有给出具体的指标确定方法，这给海绵城市建设的效果评价带来了困难。现有的研究主要关注径流总量控制率与美国广泛采用的降雨场次控制率［6］的区别［7-8］；降雨系列长短［9］、气候变化［10］、极端降水事件［11］等对径流总量控制率的影响，以及径流总量控制率的计算［12］及分解落实等问题［13-14］。本文针对不同水文年型提出了一种海绵城市径流总量控制率的量化方法，以解决现有采用多年平均的径流总量控制率指标来考核具体水文年型而产生的不匹配问题。

2 径流总量控制率年际变化特性

根据海绵城市建设技术指南的定义，年径流总量控制率是指“根据多年日降雨量统计数据分析计算，通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸发（腾）等方式，场地内累计全年得到控制（不外排）的雨量占全年总降雨量的百分比”。年径流总量控制率与“设计降雨”［15］具有一一对应关系。由于设计降雨是在长序列（至少30年）日降雨序列的基础上计算出来的，因此它实际上是一个反映地区长期降雨规律的综合平均值。如果把这个“多年综合平均值”对应的设计降雨作用于具体的水文年型（具体计算示意图见图1），就会发现年径流总量控制率在每个具体年份上都是不同的，具有年际变化的特性，这是由降雨的随机性决定的。如图1右侧，以1977年的降雨序列为例，28.7 mm的设计降雨对应当量的径流总量控制率为81.2%，高于多年平均值80%，这是因为1977年逐日降水超过50 mm的暴雨较少，最大日降水也没有超过60 mm。2012年由于有“7.21”特大暴雨事件，暴雨产流难以控制，所以当年28.7 mm对应的径流总量控制率只有70.6%。

图1 设计降雨作用于具体水文年型的方法示意

按照图1所示的方法，本文利用北京市某气象站1977—2012年的降雨数据，扣除日降雨小于2 mm的降雨事件以及降雪事件后，按照从小到大的顺序对剩余的有效降雨进行了排序，计算出80%径流总量控制指标下对应的设计雨量为28.7 mm。计算中先扣除日降水量小于2 mm的降雨事件和降雪事件主要是依据住建部于2014年颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》［5］，该指南规定，在计算年径流总量控制率时，“根据中国气象科学数据共享服务网中国地面国际交换站气候资料数据，选取至少近30年（反映长期的降雨规律和近年气候的变化）日降雨（不包括降雪）资料，扣除小于等于2 mm的降雨事件的降雨量，将降雨量日值按雨量由小到大进行排序，统计小于某一降雨量的降雨总量（小于该降雨量的按真实雨量计算出降雨总量，大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量，两者累计总和）在总降雨量中的比率，此比率（即年径流总量控制率）对应的降雨量（日值）即为设计降雨量”。将28.7 mm的设计降雨逐年作用于1977—2012每年的降雨序列，分别对其逐年的径流总量控制率进行了计算，其结果和日降雨数据系列的对应关系见图2。该站1977—2012年的平均降水量为522.8 mm，从图2可以看出如果按照80%径流总量控制率对应的设计雨量28.7 mm进行海绵城市设计和建设，工程达效后各年的实际径流控制率并非总是能达到80%，其波动范围从60.5%（1994年）到100%（1999年）。基于以上数据分析可以看出，同样的工程调控能力下年径流总量控制率并非一个固定的值，它会随着降雨量和时程分布的不同而变化，即年径流总量控制率客观上受水文年型的影响。因此在制定海绵城市考核指标时，应考虑不同水文年型的影响，不能固守一个指标。

图2 某站1977—2012年日降水序列与设计降水对应的径流总量控制率年际变化过程

3 径流总量控制率的概率分布特征

将1977—2012年共36年的年径流总量控制率分段计数统计，可以得到其出现的概率密度分布曲线（图3）。从图3可以发现其类似贝塔分布，最大似然估计值为82.5%，并非工程规划设计时确定的80%。也就是说在海绵城市建设效果评估时，如果所有海绵设施都按照规划建设并达效后，其评估年份实际的年径流总量控制率出现的最大可能值是82.5%，这时如果用80%去考核，相当于放松了考核要求。进一步地，可以积分统计图3中年径流总量控制率大于80%的年份出现的概率为63.9%，即按照80%的指标考核，即使所有海绵措施都按设计目标达效，其通过的概率仅为63.9%。综合以上两点可以得出以下认识：采用80%的固定指标考核不同水文年型的径流总量控制率是不科学的，正常年份指标要求偏低，丰水年份指标要求偏高，因此需要根据当年的逐日降雨数据序列确定科学合理的考核指标。

图3 年径流总量控制率的概率密度分布曲线

4 特定年份径流总量控制率分析

为了保证海绵城市径流控制目标的实现，针对不同年型的降水过程，须设定不同的年径流总量控制率指标，只有这样才能体现指标的客观性和一致性。基于海绵城市建设技术指南，提出特定年份径流总量控制率的确定方法和步骤如下：

（1）根据海绵城市专项规划确定径流总量控制率指标要求（例如≥80%），选取近期长系列（至少30年）逐日降雨（不包括降雪）数据，采用海绵城市建设技术指南的方法计算对应的设计降雨量P0（例如上述某站的结果为28.7 mm）；

（2）收集考核年份的逐日降雨（不包括降雪）数据，按照海绵城市建设技术指南的要求，扣除小于等于2 mm的降雨事件降雨量，并将有效的逐日降雨量序列Pi按照如下公式计算受控的累计雨量Pc：

式中：n为降雨日数；i为计数指标；Pi为第i日的降雨量，P0为设计降雨量。

IF(logical_text，value1，value2)为条件取值函数，当logical_text值为“真”时，函数返回value1，否则返回value2；

（3）用受控雨量Pc做分子，总有效降水量（扣除降雪和小于等于2 mm的降雨量）做分母，计算考核年的径流总量控制率C=PC/PT。

应用上述的方法和步骤，基于本研究已有的某气象站的逐日降水数据，本文计算了2017年（假定的考核年份）的径流总量控制率指标。图4为2017年该站实测逐日降雨量，扣除降水中的降雪和小于等于2 mm的降水后（图4中的红色短线），得到有效降雨30场（图4中蓝色长线）。利用式（1）计算得Pc=433.6mm，累计有效降水量PT=562.4mm，由此得到2017年的径流总量控制率为C=PC/PT=77.1%。该数值低于规划目标值80%，这是因为该年降雨偏丰，有效降水量562.4 mm高于该站1977—2012年的均值522.8 mm约8%，不利的降水导致其实际径流总量控制率偏低。但仅就工程设计的雨水调控能力而言，只要该年的径流总量控制率达到77.1%，该年就应该算达到设计要求。

图4 某气象站2017年的逐日降水数据（蓝线为＞2mm的降雨，红线为≤2mm的降雨）

5 讨论和结论

年径流总量控制率是海绵城市建设效果评估的关键指标之一，它实际是一个反映了长期（一般30年以上）降雨规律的一个综合平均值，在特定年份其客观值随着降雨量和时程分布的差异而不同。本文以北京市某气象站1977—2012年共36年的逐日降水数据为基础，研究了年径流总量控制率80%目标下（对应的设计雨量28.7 mm），1977—2012年各年径流总量控制率的客观值，发现其客观值并非总能达到80%，其波动范围从60.5%（1994年）到100%（1999年），造成这一现象的主要原因是降水过程具有随机性。1994年径流总量控制率低是因为当年是春旱夏涝的水文年型，1—4月降水总量仅6.6 mm［16］，是1913年以来同期的第四干旱过程。进入汛期又连降暴雨，1994年7月12日北京东部暴雨中心降雨量高达391 mm，这种极端不均匀的降雨时程分布导致径流难以控制，所以出现低值。1999年径流总量控制率高达100%，是因为该年是1841年北京有降水记录以来最旱的一年，当年降水总量只有266.9 mm，仅为多年平均值的一半，当年该站最大一天的降水量仅20.9 mm，低于设计降水28.7 mm，全部被海绵设施控制住了。

1977—2012年径流总量控制率分段统计发现，其在60%～100%之间呈类似贝塔分布，最大似然估计值为82.5%，高于其长序列均值。从概率密度分布图上可以积分得到其年径流总量控制率大于80%的概率为63.9%，即按照80%的指标考核，即使所有海绵措施都按设计目标达效，其通过的概率仅为63.9%，这不客观也不科学；因此需要根据当年的降水数据确定科学合理的考核指标。

基于以上认识，本文提出应考虑降水量和降水时程分布对特定年份的海绵城市径流总量控制率进行科学核算，避免采用固定指标考核带来的结果失真问题。该方法基于海绵城市建设技术指南附录2，计算简便，可操作性强，能够保证考核指标的客观性和一致性。不足之处是：本研究虽然给出了特定年份海绵城市径流总量控制率的客观指标，但这个指标如何通过城市水文监测得到依然是一个难题；还需要进一步研究该指标的监测技术，完善海绵城市建设效果评价的技术方案，为海绵城市绩效评估提供科技支撑。