常德海绵城市示范区建设效果建模分析

唐向东 李运程

常德市住房和城乡建设局 湖南 常德 415000

1 研究背景和现状

常德市位于湖南省西北部，沅江下游和澧水中下游，北与湖北省恩施、宜昌、荆州三地区接壤，西与张家界市相邻，东、南与岳阳、益阳地区毗连，是一座典型的南方丰水城市，市内水网密布、河系发达，突出的水城特点在水运时代曾经助力常德市经济走在前列，但也一度被视为城市发展建设面临的最大隐患[1]。为了有效地解决城市水问题，海绵城市的概念应运而生。海绵城市是指通过城市规划和建设，使城市具备像海绵一样的吸水能力，提高城市水资源的利用效率和安全性[2]。为统筹推进城市建设，2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”，为我国海绵城市的建设提供了重要的指导思想和发展方向[3]。2014年11月，住房和城乡建设部出台了《海绵城市建设技术指南》。同年12月，住建部、财政部、水利部三部委联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申报工作。常德市通过申报，成为全国首批海绵城市建设试点城市之一。

海绵城市已经受到了国内外学者广泛的关注，但是国外对海绵城市的研究较多较深，时间较早，基本形成了完备且发达的体系[4]。美国的雨水BMP评估体系较为完善，主要包含多层次的雨水BMP评估方法和开放性的雨水BMP数据库两部分，可为设施功能评估和日常维护提供科学依据[5]。在国内，基于水文水力模型对城市降雨径流的控制和管理效果进行评估是海绵建设评价的重要方法之一[6]。从2015年至今，全国已有30个城市完成了海绵城市的试点建设，目前都需对海绵城市改造工程的建设效果进行定量评估。Randall等[7]使用SWMM模型以北京城区为研究区域，设置了多个海绵城市源头设施并进行情景分析，结果显示，源头设施的利用率与研究区的年径流总量控制率密切相关。王文亮等[8]通过案例介绍了场地源头设施雨水系统规划过程，并运用SWMM模型对传统管线设计进行了校核，对源头设施内场地径流的控制效果进行了评价。

海绵城市的建设对于城镇水生态、水资源、水环境、水安全良性发展具有重要意义[9]，目前专门针对其设施效能评估的研究较少，在海绵城市绩效考核中关注不足，特别是通过结合监测数据和模型模拟的方法对研究区进行整体建设效果评估的研究少有报道。模型的合理性及可靠性需要实际监测数据的验证，合理可靠的模型才能用于模拟评估研究区域在不同情境下的产汇流情况和污染物负荷累积情况，评价现状雨洪管理设施对水量和水质的控制作用以及评估城市内涝和水体污染风险[10,11]。本文以GB/T51345—2018《海绵城市建设评价标准》为基础[12]，结合常德海绵城市示范区的降雨－径流实际监测数据，应用GRMS模型对海绵城市改造后的示范区进行建设效果分析评估，为优化常德海绵城市实际工程的设计参数提供参考，同时为海绵城市相关规划设计提供依据，确定海绵城市建设目标。可为后续其他片区及城市开展海绵城市建设提供借鉴。

2 技术方法

2.1 监测方案

海绵城市设施效能分析及考核评估需要多种监测数据进行支持，包括雨量监测、流量监测、排水管网监测、水质监测等。在雨量监测方面，为满足分钟级的降雨数据支持，由于降雨具有随机性，为提供降雨数据的准确性，在常德市海绵试点区域内分片区共布设5台在线雨量计。在流量监测方面，选取有代表性的排水分区泵站进口和雨水直排口安装超声波流量计进行流量实时监测。在排水管网监测方面，以分流制管网的监测原则在2-3平方公里的汇水分区设置一个监测点，结合常德市排水分区的面积，在船码头排水分区分别设在线流量计、在线液位计。在水质监测方面，在排水分区末端泵站进口、雨水直排口、生态滤池末端进行水质监测，水质化验分析指标包括pH值、化学需氧量（CODCr）、悬浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等。

为对常德示范区建设效果进行分析评估，目前已安装仪表255台，其中流量计84台、液位计86台、悬浮物仪77台、溶解氧3台、雨量计5台，可实现雨量、液位、流量、SS、DO的在线监测。安装在线水质监测站7套，开展人工水质采样与化验共33个点位（9个泵站排口与24个源头点位），实现PH、氨氮、总磷、总氮、COD、BOD的在线监测。综合以上监测设施，可反映了不同下垫面情况和海棉城市建设与改造前后的差异性，为海绵城市考核评估提供数据支撑。

2.2 数值模型

常德示范区海绵城市数值模型采用了浙江贵仁信息科技股份有限公司自主研发的海绵城市“贵仁模型体系”（GuiRen Modeling System，GRMS），包括自主开发的水文模型、水动力模型、管网模型、水质模型以及耦合模式。该模型的参数主要为产流过程参数、汇流过程参数和水质过程参数三类。产流模块率定的参数包括地表洼蓄量、入渗模型参数和低影响开发设施参数，其中入渗模型采用Modified-Horton渗透模型。汇流模块率定的参数包括曼宁粗糙率。水质模块率定的参数包括污染物（以SS为特征污染物）累积模型参数、冲刷模型参数、降雨浓度、污染物衰减常数等其他污染物参数。模型参数的率定采用人工试错法，反复调整参数取值直至模拟结果与实测结果相接近，进而完成模型参数的标定。模型率定常用的误差指标有Nash-Sutcliffe效率系数（纳什效率系数）和相关参数两种，本方案采用纳什效率系数作为海绵城市模型参数率定的评价指标。

纳什效率系数的计算公式如下：

式中：Q0(t)为在t时刻实测值；Qm(t)为在t时刻模拟值；为实测值的平均值；T为时间序列长度。其中ENS的取值范围：-∞＜ENS＜1，ENS值越接近于1，曲线吻合程度越高。

考虑常德市试点区海绵城市建设情况及相关检测情况，选择柏子园片区雨量计实测2018年5月6日8点56分至2018年5月6日12点15分的12mm降雨和2018年7月2日23点整至2018年7月3日8点整的33mm的降雨及环卫处相应监测点位（111.698°E、29.045°N）的监测数据对模型进行参数率定。运用模型对两场降雨进行模拟计算，并通过对比实测数据与模型模拟结果调整模型相关参数进行模型参数率定。经过调参之后模拟结果如图1所示。

图1 第一场和第二场降雨参数率定结果

通过对比模拟和监测的流量过程线以及降雨趋势可以看出流量过程线趋势基本相同。第一场降雨在9：12和9：36时出现猛涨猛跌的情况以及9：36之后出现有降雨无出流的情况，对比降雨情况分析及现场调查之后认为是由于仪器监测过程中报错和丢数导致的，模型模拟结果流量过程线变化趋势与降雨趋势对应，错峰时间与监测结果基本吻合。分析第二场降雨的模拟结果、监测数据和降雨过程的变化趋势其存在问题与第一场降雨类似，但就整体趋势而言模拟结果基本与监测数据一致。对两场降雨的监测结果的丢值和异常值进行处理之后对比模拟结果进行曲线吻合度分析，其Nash-Sutcliffe效率系数分别为：0.60和0.63，因此可初步认定该模型参数设定比较可靠，满足参数率定要求（最低ENS≥0.5）。

根据模型参数率定获取的模型参数，运用2018/05/26和2018/07/14降雨及流量数据对模型参数率定结果进行模型参数验证，模拟结果如图2所示。

图2 模型验证结果

通过对模拟结果、监测数据及降雨数据进行分析可以看出，2018年5月26号模拟结果和监测数据在降雨的第一个峰值时流量过程线吻合度较高，在后期持续的降雨过程中监测数据再次出现一个较大的峰值，并且在之后的降雨减小并停止时仍有较大的流量数据，分析原因可能是由于监测仪器受现场情况影响导致，并非实际流量变化情况。对比模拟结果与降雨趋势基本符合理论推导。2018年7月14号降雨监测参数率定其结果整体趋势稍差但基本符合要求。对监测数据的异常值进行处理，计算模型验证模拟结果流量曲线和监测流量曲线的纳什系数为0.65、0.5表明模型参数选取基本满足要求，符合示范区特征。考虑实际目前为止符合参数率定要求的有效监测数据较少，经过反复的模型参数率定及验证等到最终参数取值结果如表1所示。

表1 参数率定结果

3 建设效果分析

3.1 海绵设施效果分析

源头减排效果通过三种典型海棉设施（植草沟、透水铺装、雨水花园）下的径流控制率、SS削减率和流量峰值削减率进行评价。植草沟选取常德环境卫生管理处进行研究分析，该地位于滨湖路和朗州路相交西南角位置，其主要建设的源头海绵设施是植草沟。透水铺装选取建设局进行研究分析，该地位于常德市武陵区滨湖路和武陵大道交叉位置，其主要建设的源头海绵设施是透水铺装，汇水面积达到6583m2。雨水花园选取荷塘月色进行研究分析，该地位于武陵区新河路625号，其主要建设的源头海绵设施是雨水花园。径流控制率、SS削减率和流量峰值削减率基于多场次降雨下人工取样化验监测数据（如入流水质和流量、出流水质和流量、出流时间、液位信息等）计算得到。

三种典型海棉设施下的径流控制率、SS削减率和流量峰值削减率如图3所述。植草沟径流总量控制效果均值达到了83.26%，超过设计值14.26%，SS削减率均值达到76.69%，超过设计值31.04%，流量峰值削减均值达到89.95%。透水铺装径流总量控制效果均值达到了98.41%，超过设计值30.41%，SS削减率均值达到93.11%，超过设计值47.46%，流量峰值削减均值达到96.82%。雨水花园径流总量控制效果均值达到了90.36%，超过设计值22.36%，SS削减率均值达到94.81%，超过设计值49.16%，流量峰值削减均值达到95.30%。三种典型海棉设施下对径流控制、SS削减和流量峰值削减效果明显，示范区海绵城市源头建设对降雨径流的控制基本满足要求。

图3 三种典型海棉设施下的径流控制率、SS削减率、流量峰值削减率

3.2 降水径流控制效果

城市开发建设对水文循环过程的影响主要是降水径流。海绵城市建设的目的就是要在城市建设区域空间内保护和恢复自然的水文特征，其实质是恢复原始降雨径流状态，核心在于控制径流。本文从管道达标率、内涝消减率和管道流量消减率三个方面对常德市海绵城市建设后对雨水径流控制效果进行评估。对于管道达标，运用模型对2年一遇设计降雨进行模拟，获取柏子园片区建设前后管道超载情况。针对内涝消减，采用试点区域地形及管网布置情况运用模型对区域内30年一遇设计降雨工况进行模拟计算，对比分析海绵城市源头设施建设前后内涝点积水情况。对于管道流量消减，本文选取2年一遇2小时设计降雨对海绵设施建设前后建设进行模拟计算。通过对常德市海绵城市建设示范区内主干管网内布设的关键节点的液位监测数据，并结合模型对海绵设施建设前后不同设计降雨工况下进行模拟计算。

海绵城市建设前后雨水径流控制效果如表2所示。对比建设前后管道达标情况可知，海绵城市源头设施建设后，管道达标率提高了14.7%，反应出源头设施建设对径流的水量进行了有效的控制。降雨之后通过源头设施控制减少了直排管道的水量，降低了管网排水压力，提高了管道排水能力。在30年一遇的设计降雨工况下，内涝点积水量为1433m3，源头设施建设之后内涝积水量减少为815 m3，内涝减量为618 m3，内涝消减率为43.13%，控制效果较好。在两年一遇2小时设计降雨下，对比建设前后末端管道总出流量进行统计，海绵城市源头设施建设后，管道流量消减率提高了10.84%。达到海绵城市源头设施建设效果。

表2 海绵城市建设前后雨水径流控制效果

3.3 末端水质净化效果

常德海绵城市建设中末端泵站的改造是重点工程之一，通过对末端泵站进行生态处理改造，形成以调蓄池进行水量调蓄与初期净化，以生态滤池对初期雨水进行净化后外排的模式。根据末端控制工艺情况，进行监测与统计分析工作，通过人工采样的方法，选取船码头泵站入水口和柏子园泵站入水口两个采样点的水质进行分析，并结合监测到两个泵站排水口水质指标，计算出生态滤池对于水质指标的削减率，确定船码头排水分区和柏子园排水分区建设生态滤池的水质净化效果。

从表3的分析结果进行对比可以看出，经过生态滤池的净化处理后，监测到出水口的削减率比较高，船码头泵站采样点的生态滤池削减效果总磷削减达到56.70%，氨氮削减率达到94.62%，总氮削减率达到60.26%，悬浮物削减率达到36.44%，化学需氧量削减率达到78.86%。其中悬浮物出口浓度较大的原因可能是在设备取水时带入过多的杂质，导致检测SS较大。柏子园泵站采样点的生态滤池削减效果总磷削减率达到59.54%，氨氮削减率达到85.27%，总氮削减率达到72.03%，悬浮物削减率达到67.07%，化学需氧量削减率达到86.80%。说明两个生态滤池的总磷、氨氮、总氮、化学需氧量等指标都有较好的削减效果。达到海绵城市末端水质净化建设效果。

表3 水质净化效果统计表

4 总结

本文基于常德海绵城市示范区的实际监测数据和数值模型，从海绵设施减排、雨水径流控制、末端水质净化三个方面对海绵城市建设效果进行评估。主要结论如下：

海棉设施减排效果分析表明，植草沟、透水铺装、雨水花园三种典型海绵设施下的径流总量控制率分别达到83.26%、98.41%、90.36%；SS削减率分别达到76.69%、93.11%、94.81%；流量峰值削减率分别为89.95%、96.82%、95.30%，三种典型海绵设施下的源头减排效果显著。

降雨径流控制效果分析表明，海绵城市建设后管道达标率提高了14.7%，内涝积水消减率为43.13%，管道流量消减率提高了10.84%，示范区海绵城市源头建设可降低管网排水压力，提升管网排水效率，较好的控制降雨径流，从而有效缓解城市内涝。

末端水质净化效果分析表明，生态滤池可对总磷、氨氮、总氮、化学需氧量等指标有明显削减作用，其中氨氮、总氮削减效果最佳，其削减率分别可达85.27～94.62%、60.26～72.03%。示范区海绵城市生态滤池建设可有效提升城市排水分区内水质，保障城市水生态、水安全。

本文进行了模型关键参数的率定，但随着时间的推移区域地形地貌、城市的水文特征也会发生相应的变化，因此模型关键参数的率定及校准是一个长期的过程，需要根据监测数据进行动态持续校准，以求能够更精确的对区域降雨径流进行评估。

以上研究可对未来其他城市或区域的海绵建设提供规划设计提供指导与借鉴，并为科学评价海绵城市建设成效提供了一定的支撑。