2016年2月, 国务院发文^[1,2]要求推进海绵城市建设, 而年径流总量控制率是海绵城市建设重要指标, 海绵设施规模及布局均与其直接相关, 对该指标进行深度解读与探讨十分必要。笔者针对以下3个与年径流总量控制率指标有关的问题进行梳理与研究, 以期给海绵城市规划设计应用年径流总量控制率指标提供参考。

一方面, 《海绵城市建设技术指南》 (以下简称指南) 提出, 年径流总量控制率对应设计降雨值的确定, 应选取至少近30年日降雨资料进行统计^[3]。基于浙江省各县市国家气象观测站日降雨数据, 探究浙江省不同暴雨类型区域及数据年限对年径流总量控制率对应设计降雨值统计结果的影响等。

另一方面, 与我国不同的是, 美国的水质控制体积 (WQv) 标准主要通过控制高频率的中小降雨事件来有效控制径流污染, 不同地区采用不同的控制标准, 一般为控制80%~95%年降雨场次, 而90%年场次降雨控制标准在美国东北部地区大致相当于控制降雨初期0.8~1.2inch (1inch=25.4mm) 的降雨量, 部分州直接采用1inch降雨量作为控制标准^[4]。基于浙江省各县市国家气象观测站日降雨数据, 探究浙江省不同暴雨类型区域, 年径流总量控制率与年降雨场次控制率对应设计降雨值的差异、应用等。

再一方面, 合流制系统的溢流次数亦为海绵城市考核指标之一, 探究年径流总量控制率对合流制溢流污染的控制效果。

浙江省暴雨类型主要有台风暴雨、短时强降雨及梅汛期暴雨, 浙江省地形特点主要分为浙东沿海地区、浙西丘陵地区及浙北平原地区, 不同地域特点一般对应于不同暴雨类型, 选取4个不同暴雨类型及地域特点城市, 温州市永嘉县、台州市温岭市、衢州市开化县及杭州市, 探究不同暴雨类型区域及数据年限对年径流总量控制率对应设计降雨统计结果的影响及年径流总量控制率与年降雨场次控制率计算方法的结果差异。

4个代表城市的暴雨类型及地域特点如表1所示。

基于4个代表城市国家气象观测站1981年1月1日~2015年12月31日降水资料, 按照指南中的方法, 统计近10年、15年、20年、25年、30年、35年这6个不同数据年限日降水资料, 得出不同数据年限下、不同年径流总量控制率对应设计降雨量值, 如表2所示。

分析不同统计数据年限对不同暴雨类型地区的75%年径流总量控制率对应设计降雨量值的影响, 分析结果如表3、图1所示, 可得出以下3个结论。

(1) 数据年限对计算结果有一定影响。

(2) 不同类型暴雨典型城市数据年限对计算结果的影响趋同 (近10~30年数据统计结果与近35年数据统计结果相比, 差异均在10%以内) 。

(3) 为减少数据年限影响, 建议数据年限至少取近20年及20年以上 (数据差异在4%以内) 。

年径流总量控制率对应设计降雨值的确定, 按照指南中的方法^[3], 根据我国气象科学数据共享服务网我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≤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。

年降雨场次控制率对应设计降雨值的确定, 首先取决于对于场次降雨的定义, 即何为一场雨, 根据一场雨的定义方法的不同, 分别给出其对应设计降雨值的计算方法, 如表4所示。

基于4个代表城市国家气象观测站近35年 (1981年1月1日~2015年12月31日) 日降水资料, 按照指南中的年径流总量控制率对应设计降雨量计算方法, 及美国WQv年降雨场次控制率计算方法, 分别计算2种不同控制率计算方法下不同的对应设计降雨值, 计算结果如表5所示。

分析不同暴雨类型地区的年径流总量控制率与年降雨场次控制率之间的关系, 如表6所示。

由表5及表6分析结果, 可以得出以下3个结论。

(1) 浙江省典型城市75%年径流总量控制率对应年降雨场次控制率在79%~87%, 与美国各州采用的80%~95%年降雨场次控制率范围基本吻合, 且控制率偏下限。

(2) 90%年场次降雨控制标准在美国东北部地区大致相当于控制降雨初期20.3~30.5 mm的降雨量, 均小于浙江省典型城市90%年场次降雨控制标准对应的33.1~39.8mm的降雨量。

(3) 年径流控制率对应降雨小于场次控制率对应降雨的概率越小、75%年径流总量控制率对应的年降雨场次控制率越大。

基于统一的降水资料———杭州市国家气象观测站近10年 (2006年1月1日~2015年12月31日) 小时降水资料, 按照指南中的年径流总量控制率对应设计降雨量计算方法, 及3种场次降雨定义下的年降雨场次控制率计算方法, 分别计算4种不同计算方法下不同的对应设计降雨值, 计算结果如表7所示。

根据数据分析结果, 可以得出以下3个结论:

(1) 基于杭州市近10年小时降雨资料分析, 75%年径流总量控制率=81%年降雨场次控制率 (美国) =79%年降雨场次控制率 (隔2h) =62%年降雨场次控制率 (隔24h) 。

(2) 美国WQv、间隔2h以上、间隔24h以上3种年降雨场次控制率计算方法下, 杭州市2015年降雨场次分别为121场、112场、59场, 杭州市75%年径流总量控制率下对应可分别可控制98场、88场、37场降雨, 未控制23场、24场、22场降雨, 未控制降雨场次接近。

(3) 美国WQv年降雨场次控制率计算方法与间隔2h以上不降雨视为一场雨的结束对应的年降雨场次控制率计算方法得出的对应设计降雨量结果较为接近, 同一控制率下相差仅0~2.5mm, 且这2种方法计算出的2015年降雨场次也接近, 分别为121场、112场;而间隔24h以上不降雨视为一场雨的结束对应的年降雨场次控制率计算方法得出的对应设计降雨量与前两者相比偏大, 75%降雨场次控制率下偏大约1.7倍, 且计算出的2015年降雨场次仅为59场。

(1) 从计算方法来看, 年径流总量控制率可控每场雨的前期降雨, 偏重于控质;年降雨场次控制率可控部分完整的场雨, 偏重于控量。

(2) 以控制初雨污染为主要目标的前提下, 每场雨的前期雨水均为初雨, 均需控制, 故采用年径流总量控制率指标较为合适;以减少合流制溢流污染次数为主要目标的前提下, 需要控制场雨溢流次数, 故采用年降雨场次控制率更合适。

(3) 美国WQv年降雨场次控制率计算结果与间隔2h以上不降雨视为一场雨的结束对应的年降雨场次控制率计算结果较为接近。间隔2h以上不降雨视为一场雨的结束与浙江省气象部门场雨定义相对应, 当有近20~30年每日小时降雨数据时, 建议采用间隔2h以上不降雨视为一场雨的结束对应的年降雨场次控制率计算方法;当无法获得小时降雨数据时, 采用美国WQv年降雨场次控制率计算方法。

合流制系统的溢流次数亦为海绵城市考核指标之一, 目前国内暂无相关经验数据支撑溢流次数的规划目标如何确定, 亦无相关规范提出相关具体标准, 同时较难考核、管理, 一般按传统的截流倍数界定。年径流总量控制率对合流制溢流污染有一定控制效果, 简易计算其控制效果如下。

以杭州市为例, 基于杭州市2015年日降雨数据分析 (共121场雨) , 简易计算低影响开发设施建设后对合流制溢流污染控制情况。杭州市现状人口360万人, 建设用地330km², 估算污水量115万m³/d, 现状合流管截留倍数取1, 平均到面积上约可控制3.5mm雨水。75%年径流总量控制率对应设计降雨量为21.1mm, 海绵城市建成后, 地块实际可控制21.1+3.5=24.6 (mm) 雨水, 其他溢流。

基于杭州市2015年日降雨数据排频分析, 结合美国WQv年降雨场次控制率计算方法, 经计算, 按75%年径流总量控制率建成海绵城市后, 1km²杭州地块的截流管 (截流倍数取1) 溢流次数可从102次减少至19次, 减少约81%, 合流制溢流污染控制效果明显。

浙江省“五水共治”经验告诉我们, 合流制溢流污染控制是提升河道水环境的重要措施, 加之雨污分流工作困难重重, 故部分县市出现采用封堵雨水出水口来控制合流制溢流污染的不科学做法, 而海绵城市建设、低影响开发设施建设可有效缓解城市合流制溢流污染问题, 助力浙江省“五水共治”工作。

年径流总量控制率作为海绵城市建设重要指标, 直接影响海绵城市建设效果, 笔者针对不同暴雨类型地区及数据年限对年径流总量控制率的影响、年径流总量控制率与年降雨场次控制率比较分析、年径流总量控制率对合流制溢流污染控制效果等3个内容展开相关探讨, 形成以下主要结论, 供其他工程规划参考。

(1) 统计数据年限的不同对年径流总量控制率对应设计降雨值有一定影响, 不同类型暴雨典型城市数据年限对计算结果的影响趋同, 为减少数据年限对结果的影响, 建议数据年限至少取近20年及20年以上。

(2) 浙江省典型城市75%年径流总量控制率对应年降雨场次控制率 (计算方法与美国WQv同) 在79%~87%。

(3) 建议采用与浙江省气象部门场雨定义方法一样的, 间隔2h以上不降雨视为一场雨的结束对应的年降雨场次控制率计算方法来计算对应设计降雨值, 当无法获得小时降雨数据时, 采用美国WQv年降雨场次控制率计算方法。

(4) 从计算方法来看, 年径流总量控制率偏重于控质, 年降雨场次控制率偏重于控量。建议以控制初雨污染为主要目标的, 采用年径流总量控制率指标;以减少合流制溢流污染次数为主要目标的, 采用年降雨场次控制率指标。