海绵城市监测对象体系建立与实施——以镇江为例

王 燕,虞美秀,陆智聪

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.苏州宇鸿水务科技有限公司,江苏 苏州 215000)

2015年开始中国进行海绵城市建设，分别选取了覆盖全国范围的30个城市进行试点，并以水生态中的年径流总量控制率和水环境中的面源污染削减率作为核心指标指导海绵城市建设各项工作。为有效测算海绵项目施工质量，全面分析海绵城市实施效果，需要借助监测手段获取所需基础数据。海绵城市建设开始之前，已有城市雨水径流观测以市政检查井系统为主，针对75%控制率对应规模场次降雨的水量和污染特性观测较少。海绵城市专项监测工作是宏观与微观的高度融合，是城市水文自然和社会循环研究的重要基础[1-2]。

海绵城市建设过程中需要借助监测及模型辅助规划、设计、验收、运行、调度、抢险全过程。基于此需求镇江已建成基于最大日负荷总量(Total Maximum Daily Load，TMDL)思想的模型体系，包括设施级模型(HydroCAD、MIDS Calculator)、项目(地块)级模型(SWMM、PCSWMM)、汇水区级模型(HSPF)及河湖水体模型(HEC-RAS、EFDC)。监测对象体系的建立为各级模型的构建、率定、验证、应用提供数据基础，以此支撑海绵城市规划、设计、建设、评估、运营、应急等各项工作。

相较于常规的监测对象体系，海绵城市监测增加了源头绿色设施观测，纵观国内外源头绿色设施监测的研究进展，结合国内外低影响开发(Low Impact Development，LID)设施监测的研究进展来看，加拿大的Credit Valley Conservation (简称CVC)公司在海绵设施监测方面做了较为深入的研究，并积累了近10年的研究成果，提出峰值控制、径流控制、污染削减等监测指标体系，规范监测方案制定，并结合案例展示海绵设施监测方法和结果分析方法，对于中国海绵设施监测具有很高的参考价值[3]。此外,EPA等多个水环境研究机构建立了International Storm Water BMP(Best Management Practice) DataBase (简称BMPDB)[4]，该学术组织旨在提供BMP相关基础信息，以推进全世界城市雨水管理工作发展，其中监测部分形成了名为“Urban Storm Water BMP Performance Monitoring”手册，共分为监测计划制定、水文水动力监测、水质监测、监测实施、数据管理与报告编制、数据分析、低影响开发设施监测、低影响开发设施数据分析、低影响开发设施监测案例等章节，该手册内容涵盖了海绵城市监测的诸多内容，对于中国监测工作具有重要指导作用。中国在LID建设和研究方面起步相对较晚，但也有众多研究成果见诸期刊，如西安理工大学李家科教授长期从事LID设施效果监测，并以生物滞留技术(雨水花园、生态滤沟等)、人工湿地技术、植被过滤带技术为重点开展长期实验观测，形成了众多具有参考价值的科研成果，其中生物滞留技术水量调控对于中小雨(<25 mm)削减率基本可达到60%以上，污染物去除方面，负荷削减率均在50%以上，并随着监测时间的推移呈降低趋势[5]。

中国幅员辽阔，国外以及国内部分地区监测数据无法满足各地应用需求，因此需要建立不同地区监测体系，采集相关基础数据，为海绵城市建设提供数据保障。以镇江为代表的长江中下游流域海绵监测对象体系建立的探索与实践，将对全域实施海绵城市建设提供充分的数据与经验积累。

1 海绵城市监测对象体系

海绵城市建设总体目标为控制径流总量、提升水质、缓解内涝，研究内容为从降雨到地表径流，再到管网转输、受纳水体排放的整个过程。与之相对的海绵城市监测对象体系由降雨、下垫面、陆域(海绵设施、项目地块、排水分区)、河湖、流域共同构成(图1)，其中海绵设施、项目地块、排水分区三者之间在空间上属于层层递进包含关系，每个排水分区由多个项目地块组成，每个项目地块中包含了多种海绵设施。

海绵城市建设在常规排放系统上新增有源头、过程、末端设施。因此，主要监测内容包括气象(降雨)、下垫面、海绵设施、市政管网、受纳水体监测。

a)气象(降雨)监测。作为城市雨洪的主要来源，降雨是雨洪过程的重要驱动。

b)下垫面监测。下垫面污染负荷是面源污染的重要来源，不同类别和空间分布的下垫面污染负荷各异，是水环境治理的难点。

c)海绵设施监测。根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》单项设施主要有透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节塘、调节池、植草沟、渗管/渠、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤等。海绵设施按所处的位置和作用可分为源头、过程和末端设施。根据顶层设计和目标分解，镇江市海绵城市总体目标最终落实到每一个设施上，因此设施的设计目标和建成后的效果是监测服务的重点。

d)市政管网监测。与常规雨洪管理监测相似，市政管网监测着重考虑项目(地块)、排水分区关键节点及出口的水量水质特征。

e)受纳水体监测。镇江市的主要受纳水体为三河一湖(运粮河、古运河、虹桥港和金山湖)，城市所有地表径流最终汇入受纳水体，对于受纳水体的监测可从全流域的角度研究城市水环境质量状况。

1.1 气象(降雨)监测

气象(降雨)是城市排水系统重要的驱动条件，因此需要对当地的气象和雨量进行监测分析。降雨观测的主要方式有普通雨量计观测、雷达降水观测、气象卫星降雨估计[6]。通常情况下，采用普通雨量计观测的方式，考虑雨量空间分布不均的特点，每5 km2内需布设一个雨量监测站点。如站点不足，可通过内插法和正比法进行适当补充[7]。雨量的监测通常的做法为强度观测，即在单位时间内的降雨深度观测。气象观测较为专业，对管理与维护人员要求较高。因此，在条件不足时，建议直接采用当地气象部门提供的数据。根据上述要求，在镇江29.28 km2范围内均匀布设了11个雨量监测站点。

1.2 下垫面污染负荷监测

当点源污染得到有效控制后，面源污染成为城市水质主要污染源。非降雨期污染物在下垫面上进行累积，降雨开始后各种污染源随着初始冲刷进入城市雨水排放系统，超标部分溢流进水体，造成水体水质下降。为了提升城市水环境质量需要充分了解污染源和污染量，需要对下垫面污染负荷进行监测。

下垫面的主要类型为屋面、路面、草坪等。选择不同区域(人流集中、车流集中、人流量小)的不同下垫面进行降雨期间的水质采集，从而了解污染负荷情况。目前下垫面污染负荷采样主要为人工采样的方式。

镇江主城多为高密度老城区，为充分掌握主城范围各类下垫面污染负荷特性，对主城范围内各下垫面进行梳理，从典型性及可操作性两方面考虑，筛选各类典型下垫面采样点(表1)。

1.3 海绵设施监测

结合国内外研究实践，对海绵设施效果的监测共有4种思路，分别为时间上的对比监测、空间上的对比监测、监测效果与官方数据对比、入流和出流监测对比[8]。本研究主要采用最后一种思路，在监测对象的出入流处进行对比监测海绵设施效果。

1.3.1雨水花园监测

LID源头削减设施的入流为漫地流，对于入流流量的监测较为困难，建议选择漫地流的典型入流点进行监测，其他入流点根据监测点进行估算。在上述条件都不允许的情况下，可用合理化公式、曲线号码及模型模拟的方法推估入流流量。雨水花园入流多为小流量，常规的流量监测设备不适用，因此采用对小流量较为敏感的三角堰流量监测法进行监测。

采用三角堰流量计监测LID设施入流流量时，在设备安装前需要对堰高度进行计算，并对液位和流量之间的换算关系公式参数进行率定。堰的高度取决于设施收水范围在一定强度降雨下峰值流量的大小。LID设施出流监测点需布设在盲管进溢流井及溢流井进下游市政井处，出流量较小，建议使用堰式流量计进行监测。

表1 下垫面监测详细信息

1.3.2过程、末端海绵设施监测

镇江的过程、末端海绵设施，主要为雨水湿地，包含多级生物滤池和重力流湿地2种形式，该类设施较为关注设施的水质去除效果，以某一重力流湿地为例，其构造见图2，雨水进入沉沙过滤池后再均匀进入湿地。净化后雨水再通过盲管和溢流井出流进入河道。为监测重力流湿地净化效果，在进水入口及盲管出流处分别进行水量和水质监测(图2中红色点位)。

1.4 项目(地块)、排水分区监测

项目(地块)、排水分区在海绵城市规划、建设、运行阶段，是包含海绵设施在内更上一个层级的研究对象，在该尺度上可以更好地分解总体目标、评估建设效果。对于项目(地块)、排水分区的监测同样使用出入流对比监测方法。其中入流在无客水时等于降雨量，出流处选择总排口处，排水分区汇流范围较大时在市政干管关键位置增加监测点。设备选取方面，流量较小时使用堰式流量计，流量较大时可采用多普勒超声波流量计。水质监测以人工采样为主。

根据上述内容，陆域部分共布设降雨、下垫面、海绵设施、项目地块、排水分区5类监测点，各类监测点分布见图3。

1.5 受纳水体监测

受纳水体水质提升是实现海绵城市建设的总体目标最直接的体现之一。作为城市整个水循环的末端，水体的环境质量直接代表了城市水环境污染治理效果。受纳水体监测应满足受纳水体模型率定和验证的需求。镇江河湖监测点分布见图4。

以上不同监测项目的监测指标、布点原则、监测频率等信息汇总见表2。

表2 海绵城市监测项目、监测指标、监测频率和监测布点原则

续表2 海绵城市监测项目、监测指标、监测频率和监测布点原则

2 数据采集、集成与分析

2.1 数据自动采集

所有在线监测设备保证降雨期间5 min一个值的数据采集频率，非降雨期间河道采样数据可根据需要适当调整数据采集间隔。

2.2 水质数据人工采集

2.2.1采样方法

监测对象体系中涉及到下垫面、海绵设施出入流、项目排口、河道排口、河道断面水质水样采集工作，采样过程参照下垫面采样要求。自监测点产(出)流开始监测，建议于第0、5、10、15、30、60、90、120 min进行采样。如果某次降雨历时较长，则对于降雨历时超过120 min的部分，降雨历时每增加120 min增加采样一次，不足120 min在降雨结束前增加一次采样；如果某次降雨历时小于120 min，可根据实际情况酌情减少采样数量，但每场降雨的水样数量不少于8个(主要为前期的径流水样)，直至降雨产流结束。采样时记录采样时刻，根据相关采样规范进行科学采样。河道非雨期采集水样不少于5次。

2.2.2采样过程管理

为规范采样工作，所有采样人员在手机终端关注流量监测设备数据，自有流量数据开始，扫描现场二维码，新建采样事件，编号为XX地点20170613。采样开始后，上载采集工作照片和水样照片及水样编号，编号方式为XX:XX，同时在水样上标注编号。采样结束后按照样品采集先后顺序放置一排拍照存档，用XX地点20171211命名，提交到手机终端。

2.2.3水质化验及数据填报

水质指标主要包含SS、COD、TN、TP、氨氮。数据分析化验宜参照表3中所示的各种方法。道路采样点记录清扫时间和清扫方式以及交通流量，采样点务必远离垃圾桶，避免样品受到其他因素污染。

表3 关键指标监测方法

2.3 数据集成与初步分析

考虑到后期的海绵城市建设和管理需求，需要建立镇江市海绵城市监控系统对所有监测数据进行统一管理和维护。除满足城市自查、省级评价与部级抽查要求外，还为镇江市智慧海绵系统监测提供基础监测平台，在各类监测数据的基础上建设镇江市海绵城市大数据中心；并通过通信系统、计算机网络系统和决策支持系统的建设，建立海绵城市综合监控系统；研究数据中心大量自动监测数据和人工采集数据、结构化数据和非结构化数据的存储、可视化和应用模式；将数据应用研究结果自动用于模型率定、验证和建成效果评估，以全面保障海绵城市建设效果，同时为数据应用于公众、城市监管和运营等部门提供接口(图5)。

3 镇江市海绵城市绩效评估

3.1 评估思路与方法

镇江海绵城市试点区面积为29.28 km2，根据地形地貌及排水管网系统，将试点区划分为11个排水分区，各排水分区结合自身特点，因地制宜地选择绿色-灰色雨水基础设施、源头-过程-末端控制措施相结合的技术手段，实现各排水分区水质、水量目标的耦合。

根据海绵设施、项目地块、排水分区空间上自下而上的层层包含关系，每个排水分区目标自上而下进行分解到每个项目中，为项目的规划、设计、施工提出要求。因此，结合监测方案，对于海绵设施的效能评估依据为从顶层设计方案分解到项目和设施级别的径流总量控制、污染控制等目标。

根据评估依据，海绵设施效能评估的总体思路分为四级，分别为总体效能评估、排水分区效能评估、项目级别效能评估、设施级别效能评估。通过这四级粗细有别、重点突出的差异性评估，可实现对海绵建成效果进行多级别、多角度的全面评估。

根据GB/T 51345—2018《海绵城市建设评价标准》[9]，海绵城市建成效果评价方法分为年径流总量控制率容积核算法、流量监测法和“监测+模型计算”评估法。上述各评估方法降雨条件为全年实测降雨数据序列，所需数据时间跨度大、精度要求高。在实际的监测评估过程中，为了解单场降雨效能，通常采用场次降雨评估法。

该评估方法的指标定义为场次降雨控制百分比，计算公式为：

P=(VP-VO)/VP×100%

(1)

式中P——场次降雨控制百分比；VP——场次降雨总体积；VO——径流外排总体积。

需注意出流为雨水径流出流量，如监测对象汇流范围有污水混入需进行扣除。

本次评估根据数据情况及对象复杂性采样不同方法，其中排水分区因涉及内容较多，采用模型法以全年实测降雨数据作为输入进行评估，项目地块采样模型法以场次降雨作为输入进行评估，海绵设施因边界清晰数据准确完整，故以场次降雨监测数据进行直接评估。

3.2 评估示例

3.2.1排水分区评估

镇江海绵城市建设顶层设计采用完整的陆域河湖模型体系进行方案达标分析，其中陆域部分采用SWMM模型进行模拟。为保障目标分解的合理性，需要对每一个排水分区模型进行率定，验证达标的模型参数才可用于目标方案论证。鉴于此选取代表性(汇流边界明确，为高密度老城区)排水分区排口——中山桥上游排水口(图6)2019年数据质量较好的3场降雨过程数据进行SWMM模型关键参数率定(表4)，其中3场降雨的模拟峰值皆拟合较好，6月6日和7月6日退水部分的拟合较差，8月10日整体拟合程度皆较好(图7)。

曼宁n值不透水面透水面管道吸力水头/mm0.1500.3000.015209洼蓄量/mm不透水面透水面饱和传导率/(mm·h-1)初始缺失率3510.3

通过率定好的参数结果输入模型，以水平年降雨作为边界条件，对排水分区进行评估，COD、NH3-N、TP单位面积负荷量分别为0.207 0、0.003 0、0.000 5 t/(a·hm2)，年溢流次数为26，平均溢流时长为3.6 h。

3.2.2项目地块评估

根据镇江市海绵城市建设试点实施方案要求，从江滨汇水区分解到华润新村小区的目标为：年径流总量控制率为86.7%，对应设计降雨量为39.24 mm；排水防涝标准达到有效应对30年一遇降雨；面源污染削减率达到60%。

采用2017年6—8月的6场降雨及流量监测数据进行华润新村小区LID模型参数率定验证，相对均方误差均小于10%，监测值与模拟值拟好度较好(图8)，可用于小区地块方案建设绩效评估。

采用2007—2016年的连续降雨数据进行华润新村年径流总量控制率及TSS径流污染模拟分析，进行源头LID海绵方案绩效评估。①年径流总量控制率。华润新村10 a的降雨总量为75.8万m3，径流总量为14.7万m3，其中包括通过LID盲管净化后缓释的径流量(4.52万m3)，因此没有通过自然蒸发、下渗及LID设施净化的未控制径流量为10.2万m3，即10 a内通过自然及人工手段控制径流量为65.6万m3，实现86.5%年径流总量控制率，基本满足控制目标。②TSS污染削减率。2017年通过对华润新村排口TSS进行7场降雨浓度监测，估算TSS年均浓度(AMC)约为81.5 mg/L，华润新村未改造前10年径流量约为34.1万m3，则未改造时TSS污染总量为27.8 t。未控制径流中TSS总量为10.2万m3×81.5 mg/L=8.3 t，LID设施对TSS浓度削减率为85%，因此，通过LID净化后外排径流量所包含的TSS总量约为4.52万m3×81.5 mg/L×15%=0.55 t，TSS污染削减率=(27.8-8.3-0.55)/27.8×100%=68%，满足径流污染控制目标。

3.2.3海绵设施评估

经过自上而下的目标分解，细化到每一个海绵设施都有一定的贡献度要求，因此需要对海绵设施进行达标分析。镇江采用的海绵设施类型主要有雨水花园、植草沟、绿色屋顶、雨水湿地、透水铺装等，从可实施角度出发，本次对其中部分雨水花园和雨水湿地进行了进出口流量和水质监测。以其中一处——江滨新村二区雨水花园为例(具有较好的完整场次降雨出流水量水质数据)进行效果评估。

在对该处雨水花园进行连续在线观测过程中，捕捉到2017年8月8日降雨过程完整出流数据(图9)。依据综合径流系数计算雨水花园汇流范围总径流量为90.92 m3，监测总出流量为5.06 m3(盲管处)，3处峰值流量分别为2.73、1.82、2.66 m3/h，雨峰延滞时间分别为30、10、100 min。溢流井对应的滞峰效果跟盲管出流一致(图9)。综合雨水花园盲管与溢流井总出流量为6.31 m3，雨水花园对本场降雨的径流控制率为93.06%。同期对出流水质进行监测，小区路面、小区屋顶、空白雨水、雨水花园出流径流量分别为20.10、30.03、40.79、6.31 m3，结果见表5。由表可知，雨水花园对本场降雨的水质去除率在89%以上，COD、NH3-N、TP、TSS水质去除率分别为90.492%、91.137%、89.023%、96.389%，其中TSS去除效果最明显。

表5 2017年8月8日场次降雨下垫面污染情况及雨水花园出流水质情况

4 结语

完善的监测对象体系是海绵城市设计、效果评估、运行调度的重要基础。本文重点阐述了镇江市海绵城市监测对象体系构成、监测内容、监测方法及监测结果应用等内容，并与模型体系相结合形成可复制的技术模式，可为更多城市的海绵建设提供参考。