海绵城市建设的雨水径流控制效果评估——以济南市兴隆试点区为例

谭怡然，明瑞平，赵日祥，张中泽，孟博雯，张 炯

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061；2．中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；3．济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司，山东 济南 250003)

21世纪以来，随着中国城市化进程加快，建筑及交通用地需求急剧增加，城市土地覆被率持续降低，地表入渗能力大幅减小[1]。城市土地覆盖率的持续降低导致降雨转化为径流的比例增加，地表汇流量显著增大，城市排水和蓄水体系压力倍增，城市内涝和非点源污染现象愈发严重[2]。在这种情况下，仅依赖传统的市政雨水管道改造等手段无法从源头上解决城市内涝和非点源污染问题[3]。近年来，低影响开发作为一种以源头调控为核心、末端处理相辅助的创新型土地管理方法，在国内得到推广。2014年住房和城乡建设部把低影响开发雨水系统推荐为新型城镇化建设的重要技术[4]，基于低影响开发的海绵城市建设效果吸引了众多学者的深入研究。张建云等[5]认为降雨特征(总量和时程分布)对海绵城市的径流控制效果有直接影响，在计算径流控制指标时应考虑区域降雨特征。徐多[6]以萍乡市北星小学为例，基于SWMM(Storm Water Management Model)建立低影响开发改造前后的水文水质模型，模拟分析了海绵校园的径流控制效果，得知选择合理的低影响开发组合措施可以克服海绵校园改造面积有限等问题。胡彩虹等[7]以贵安新区示范区为例，研究得出低影响开发组合措施对降雨过程中径流系数、洪峰流量和峰现时间的改善效果比较明显。刘家宏等[8]认为在对海绵城市的径流总量控制率进行核算时应综合考虑降水时程分布因素，提高指标考核的准确性和代表性。国内诸多案例均表明，低影响开发措施的建设能调节和改善城市雨水-径流关系，有效解决雨水径流峰值流量高、径流系数大等城市径流问题[9-10]。

1 研究区域

本研究区域位于济南市。济南市作为中国海绵城市建设的试点城市，温带季风气候特征明显，三面靠山，夏季热空气和水汽易回流后聚集，降雨偏多，年均降水量550～750 mm，降雨主要集中在7、8月，平均降雨强度8.0～8.5 mm/d，夏季降雨强度可达11.6～13.2 mm/d。

主要研究对象为已完成低影响开发的山东大学兴隆山校区。该校区位于兴隆-土屋村强渗漏带，是济南市海绵城市设计中重要的源头控制段。选取校区东南角为研究区域，总汇水面积为15.41万m2，其中建筑屋顶28 640 m2、绿化86 019 m2、道路29 944 m2、硬质铺装6 344 m2、水面3 177 m2，绿地率达56%，不透水比例50.4%。研究区域采取的低影响开发措施主要有雨水花园、透水铺装、生物滞留单元和植草沟。对照组位于校区以外，未进行低影响开发措施建设。

2 模型构建

2.1 雨型设计

实际降雨数据通过室外雨量计收集，分别收集了2017年7月16日、7月18日、8月2日和2018年8月18日的4场降雨数据。根据历年降雨资料，济南市降雨主要集中在夏秋两季，降雨曲线以单峰为主。本研究中设计降雨历时取2 h，雨峰系数r取0.4，选择芝加哥雨型[11-12]为设计雨型，依据济南市暴雨强度公式(式1)计算得到重现期为1、2、3、5、10 a共5种形式的设计降雨[13]，不同设计降雨特征曲线见图1。

图1 设计降雨特征曲线

(1)

式中：Q为设计雨强，L/(s·hm2)；t为时间，min；P为降雨重现期，a。

2.2 SWMM模型

遵循模型概化原则[14]，研究区域校核模型中共有子汇水区26个、管道27段。SWMM模型概化结果如图2所示。

图2 研究区SWMM模型概化结果

SWMM模型主要包括径流和汇流两大模块，水文模拟参数主要有气候、水文、水力和水质参数。各项参数来源见表1。

表1 水文参数

水文参数需根据实测降雨径流数据进行模拟试算，通过Morris筛选法来调整敏感参数值直至满足水文预报要求[15]。本研究中，根据实测降雨事件率定所得的研究区域各项水文参数值如表2、3所示。

表2 各项水文参数值

表3 低影响开发措施参数

2.3 模型校核

参数率定后的SWMM水文模型可用于实际降雨径流模拟。本研究选择4次降雨情况对研究区域进行模拟，再次校核模型的稳定性和准确性，模拟结果如图3所示。

图3 试验组降雨径流测量与模拟

采用Nash-Sutcliff确定性系数Ns来表示雨洪过程的模拟精度，计算公式为

(2)

根据国家水文情报预报规范，Ns≥0.7，该水文模型及模拟结果是有效的。本研究中研究区域4次降雨事件下Ns值分别为0.93、0.92、0.82、0.98，故率定所得研究区域的SWMM模型模拟结果具备参考价值，可用作水文评估和预报。

3 雨水径流控制效果评估

3.1 场径流总量控制率

作为海绵城市建设效果考核指标，年径流总量控制率有着极为重要的作用[16]。场径流总量控制率指标C，即研究区域单场降雨受到控制(不外排)的雨量占该场降雨总量的比例，其值越高，表示海绵城市建设的效果越好。C值计算公式为

C=(R-D)/R×100%

(3)

式中：C为场径流总量控制率，%；R为总降雨量，mm；D为总径流深，mm。

对于不同的设计降雨事件，由率定后的水文模型进行降雨径流过程模拟可得研究区域改造前后的C值，见表4。

表4 设计降雨场径流总量控制率

由表4可知，重现期为1～10 a的2 h短历时降雨事件下，无低影响开发措施研究区域C值为26.4%～43.8%，改造后C值提升至70.9%～85.5%，1～10 a重现期设计降雨事件下C值提升幅度分别为41.7、43.0、43.5、44.2、44.5百分点。C值的增加是因为低影响开发后研究区域透水地表占比增加，地表入渗能力增强。随着降雨重现期的不断增大，研究区域的C值减小，改善雨水径流关系的作用降低，但重现期10 a的设计降雨事件中，经过低影响开发措施改造后研究区域场C值仍达到70.9%，符合《海绵城市建设技术指南》中对雨水径流控制的规定。

3.2 排放口出流

重现期为1～10 a的2 h短历时强降雨事件下，研究区域进行海绵城市建设前后排放口出流数值模拟结果对比见图4。

图4 研究区域在海绵城市建设前后的雨水径流数值模拟结果对比

海绵城市建设前研究区域排放口径流峰值为245.5～340.0 L/s，建设后峰值为29.7～321.6 L/s；海绵城市建设前径流峰值时刻出现在降雨事件开始后的50～51 min，建设后出现在53～70 min；海绵城市建设使排放口径流峰值分别降低87.9%、69.6%、49.9%、25.3%和5.4%，径流峰值时刻分别滞后20、14、9、6和3 min，削减了研究区域雨水径流峰值，延后了径流峰值出现时刻。

3.3 径流水质监测

水质监测的指标主要有固体悬浮物、总氮、溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量和有机碳等。对2017年8月2日降雨事件下的研究区域降雨水样和两处排水口出流水样进行水质指标检测，依据国家现行水质检测标准，分别通过称重法、纳氏试剂比色法、分光光度法测得水样中的各项指标见表5。

表5 水质监测结果

由表5可知，未经低影响开发措施改造研究区域内排水口降雨径流中的氨氮、总氮、总磷及固体悬浮物平均浓度值分别为7.789、8.372、0.433 mg/L和2.643 g/L；经低影响开发措施改造研究区域内排水口降雨径流中各指标的平均浓度分别为3.091、3.499、0.247 mg/L和0.286 g/L，分别下降了60.32%、58.21%、42.96%和89.18%。由此可知，海绵城市建设对研究区域雨水径流水质有着明显的改善效果。

为进一步评估各项低影响开发措施的径流水质改善效果，在研究区域内选取原状不透水路面、生物滞留单元等，用原水将各类地表污染物冲刷干净，5天后再用相同流速和体积的原水冲刷地表，对经过相同流场的末端水样进行水质检测分析，各类地表水质指标分析结果如表6所示。

表6 模拟径流水质指标监测结果

由试验结果可知，对比原状路面末端出流中总磷、总氮、氨氮和固体悬浮物浓度检测结果，生物滞留单元末端出流水样中各项指标浓度值分别下降52.17%、56.71%、51.12%和28.74%，透水路面末端出流水样中各项指标浓度值分别下降32.61%、42.56%、38.90%和59.84%，雨水花园末端出流水样中各项指标浓度值分别下降45.65%、52.55%、46.76%和 20.81%；而生物滞留单元、透水路面和雨水花园末端出流水样中溶解氧浓度值相较原状不透水路面分别增加19.65%、27.73%和41.05%。该试验结果表明：在土壤孔隙结构和植被根系的影响下，生物滞留单元和雨水花园这两类措施对总磷、总氮和氨氮污染物有着较好的滞留和吸收效果；透水路面因具备连通孔隙结构，能够有效滞纳固体悬浮物，其末端出流中固体悬浮物浓度降低幅度最为明显。

4 结论和展望

本次研究主要得出以下结论：①海绵城市建设后，研究区域雨水-径流关系得到改善。在1～10 a的降雨重现期历时2 h的降雨事件下，研究区域场径流总量控制率对比未进行海绵城市建设分别提升了41.7、43.0、43.5、44.2、44.5百分点；场径流总量控制率伴随着降雨重现期的增加而降低，但海绵城市建设依旧对雨水-径流关系有极大的改善作用。②同一降雨事件下，海绵城市建设后，研究区域径流峰值下降，峰值时刻延后。在降雨重现期为1、2、3、5、10 a历时2 h的降雨事件下，海绵城市建设后研究区域排放口径流峰值分别降低5.4%～87.9%，峰值时刻滞后3～20 min。③试验研究结果表明，海绵城市建设能有效改善区域降雨径流的水质。与传统的不透水路面相比，各项低影响开发措施均能有效削减雨水径流中总氮、总磷、氨氮和固体悬浮物等污染物的浓度。

本研究以实际案例论证了可通过海绵城市建设解决城市内涝和非点源污染问题，推动城市生态系统持续健康发展。随着时代的发展和进步，今后我国应继续完善海绵城市建设理论和管理制度；根据不同城市特点，科学合理规划城市低影响开发措施；改善现有水文模型，对海绵城市建设后区域径流量和径流水质状况进行长期监测分析，全方位更加深入地对海绵城市建设进行评估。