自2015年我国大规模开展海绵城市以来, 众多省市积极开展海绵城市建设, 海绵城市建设初见成效, 然而如何定量化评估海绵城市建设效果还没有定论。目前, 国内通用的方法一是通过模型模拟, 以模型为手段评估和预测海绵城市建设效果^[1], 二是通过设置在线仪器仪表, 长期监测区域地表水量水质数据, 通过统计分析, 计算区域的雨水控制利用程度。两种方法的适用条件、方法原理、定量方法都存在根本性的不同, 根据待测定区域的特点可自由选择。

　　 新区开展海绵城市建设有很多优势, 如不局限于现状条件、可采用先进的理念、可采用先进的技术等。其中最重要的就是可以对本底条件下, 即城市开发建设前区域的雨水径流控制水平进行评估, 可以模拟在基本相同的用地开发布局下, 海绵城市建设模式和传统控规建设模式下的雨水控制利用效果, 进而可以推算出海绵城市建设后与城市开发建设前, 区域的水文特征变化情况, 本研究以贵州省贵安新区中心区为例, 采用模型模拟的方法对现状、传统开发、海绵开发3种情景进行了评估。

　　 贵安新区是国务院批准设立的第八个国家级新区, 位于贵阳市和安顺市相连的中心地带, 肩负“西部地区重要经济增长极、内陆开放型经济新高地、生态文明示范区”三大使命。中心区位于贵安新区东部, 规划用地面积43.25km²。

　　 规划范围内的现状用地主要由城乡居民点建设用地、区域交通设施用地、特殊用地、工业用地、水域和农林用地构成。规划范围内已建成贵安大道、白马路、金马路、寅贡路等骨干路网, 以及月亮湖公园、清华生态文明创新园、碧桂园一期等几片用地, 见图1。

　　 根据《贵安新区中心区城市设计暨控制性详细规划》 (以下简称“控规”) , 中心区规划用地范围43.25 km², 其中规划建设用地面积总共32.17km², 主要包括居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地、道路与交通设施用地、公用设施用地和绿地与广场用地八大类。“控规”用地如表1所示。

　　 中心区境内发育的主干河流为车田河, 为长江流域水系清水河的一级支流。车田河主要位于贵安新区湖潮乡, 发源于清镇市红枫湖镇的茨菇塘一带, 车田河上游称中八河, 左岸有滴水河、兰花河在龙五寨附近汇入, 寅贡河在百马大道东侧上坝汇入, 右岸有汪官河和湖潮河, 分别于汪官村、湖潮乡汇入车田河, 最后经天河潭景区汇入花溪水库 (见图2) 。

　　 根据“控规”, 在满足城市排涝要求的前提下, 结合月亮湖和星月湖等城市湿地公园的建设, 规划通过筑坝成湖将中心区代表性景观资源串联起来, 塑造都市型滨水景观廊道。车田河上游规划布置月亮湖 (已建, 目前在改扩建) 、卧龙湖、见龙湖、飞龙湖、星月湖 (在建) 、环翠湖、迴龙湖、腾龙湖 (已建) 和车田湖 (已建) 。规划后, 水面率将显著提高, 统计用地平衡表中的水域面积, 占规划范围的6.41%, 符合《城市水系规划规范》“城市适宜水域面积率”表格中Ⅱ区城市适宜水面率宜为3%~8%的要求。

　　 根据GIS对地形的模拟, 参照中心区控制性详细规划的用地布局和排水防涝专项规划中的雨水管线设计, 对中心区进行流域管控分区。分区结果见图3, 各分区的坡度等参数见表2。

　　 本研究采用贵仁科技全力打造的一款拥有自主知识产权、完全国产化的“贵仁模型体系” (GuiRen Modeling System, GRMS) , 包括了自主开发的水文模型、水动力模型、管网模型、水工建筑模型、水质模型以及耦合模式, GRMS基本框架见图4。

　　 在此基础上本研究选取产流模块、汇流模块、产污模块、汇污模块、率定模块进行深化开发, 构建贵安新区中心区海绵城市模型体系。

　　 经综合比较贵安新区中心区附近的的清镇 (57813) 、平坝 (57814) 、花溪 (57914) 3个国家级气象观测站点的气温、降水、日照等数据, 平坝站有自1981~2016年的逐分钟信息化雨量资料, 资料系列满足年限不少于30年, 符合《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》要求, 并且能较好的反映整个地区的降雨特征。因此, 本研究选取平坝站作为贵安新区的代表站。

　　 根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》 (住房和城乡建设部、中国气象局, 2014年4月) , 采用年最大值法每年选一个最大值, 选样简单, 独立性强, 合理地考虑了气象现象以1年为循环的特点, 其概率意义是1年发生一次的频率年值, 理论上比较严密, 因此本研究采用年最大值法进行暴雨强度选样。选样中选取了36年15个降雨历时 (5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45min、60min、90min、120min、150min、180min、240min、360min、720min、1 440min) 每年的最大值, 即每历时36个, 共计540个降雨量数据作为暴雨强度公式的编制样本。

　　 按照现行《室外排水设计规范》 (GB 50014—2006, 2014年版) 对暴雨强度公式编制要求, 采用年最大值法对降雨资料进行选样, 并采用皮尔逊Ⅲ型频率分布曲线、指数频率分布曲线和耿贝尔频率分布曲线进行频率计算。经拟合后对比3种方法的误差, 选择误差相对较小的方法得到长历时暴雨强度总公式见式 (1) :

　　 或见式 (2) :

　　 适用范围为:5 min≤t≤1 440 min, P=2~100年。

　　 式中i———暴雨强度计算值, mm/min;

　　 q———暴雨强度计算值, L/ (hm²·s) , q=167i;

　　 t———降雨历时, min;

　　 P———重现期, 年。

　　 得到短历时暴雨强度公式见式 (3) :

　　 或见式 (4) :

　　 适用范围为:5 min≤t≤180 min, P=2~100年。

　　 本研究采用芝加哥法确定贵安新区短历时暴雨雨型, 采用同频率法确定长历时暴雨雨型。其中, 短历时设计暴雨历时一般选为30 min、60 min、120min、150min、180min (见图5) , 适用于管道排水系统的计算;长历时设计暴雨历时为1 440min, 适用于内涝风险的评估以及雨洪利用蓄水池规模的测算。50年重视期下贵安新区1 440min降雨过程分配结果见图6。

　　 对城市下垫面进行解析是分析城市降雨产汇流机制、构建水文模型的基础。

　　 传统开发模式下, 根据“控规”, 中心区下垫面类型多样, 总体上建筑密度相对较低, 在43.25km² (含水域) 的规划范围内主要为商业、居住、道路和工业用地, 如图1所示。根据贵安新区中心区的各建设地块位置和范围, 分别提取各地块内的不同类型下垫面面积、竖向与坡度、雨水径流进入市政管网的汇流距离等信息;估计各地块内不同类型下垫面的下渗率等产流相关参数, 汇流时间、糙率等汇流相关参数, 形成下垫面概化成果。

　　 海绵开发模式下, 规划区域内的地块布局与控规保持一致, 但是地块内部, 由于布置了低影响开发设施, 下垫面将发生一定程度的变化。根据我院编制的《贵安新区中心区海绵城市建设规划》, 各地块的海绵城市指标包括绿色屋顶率、透水铺装率、下沉式绿地率、单位面积调蓄容积, 因此, 为完成规划中地块内上述指标, 在设计阶段必将对传统控规下垫面进行一定程度的优化和调整。海绵开发模式下的下垫面概化是在控规用地布局的基础上, 通过修改降雨初损、结合较小场降雨初损水量不超过调蓄容积以校核, 估算下渗率、汇流时间、糙率等汇流相关参数, 形成下垫面概化成果。

　　 传统开发和海绵开发两种模式下, 雨水管网系统的布置没有变化, 海绵模式只是通过改变地面下垫面特征, 使传统开发模式下的雨水管网更高效、更完善。根据“控规”, 中心区地下雨水管网包括现状管网和规划管网, 管网总长约277.03km, 其中现状雨水管总长约80.77 km, 规划雨水管总长约196.26km。经统计, 管径在600~1 000 mm的管段长度占总长度的83%, 统计情况见表3, 概化后的雨水管网平面布置见图7。

　　 传统开发模式与海绵开发模式的水系布局不变, 都是保留了“控规”的水面面积及水体形态。以车田河干流2015年实测大断面为基础进行河道概化, 将月亮湖下泄量及寅贡河、滴水河、桃花河、湖潮河等支流入汇量以旁侧入流的形式添加到相应的河段, 概化见图8。

　　 以收集到的平坝站1991~2016年逐小时实测降雨连续系列为年径流总量控制率计算输入条件, 结合平坝站蒸发情况, 利用建立的贵安新区中心区海绵城市模型系统中的产流模块, 分别计算长系列降雨过程下现状、传统开发模式后、海绵城市开发模式 (即LID) 后中心区各地块的总出流量, 得出总降雨控制量, 汇总得到中心区的年径流总量控制率。在这一计算情景下, 各项具有调蓄容积的LID措施均默认为24h内完全排空, 为较好地模拟实际的产汇流情况, 每个计算时段都以上一时段的土壤湿润程度作为计算条件。

　　 贵安新区中心区各地块总面积为4 325.1hm², 折合长系列平均年降雨量总量为5 076.04万m³。根据现状地形图的统计量算, 中心区现状已开发用地占比约为10.6%, 视为不透水面积为主, 未开发用地为透水地块, 长系列平均年降雨出流总量为1 113.2万m³, 降雨径流控制量总量3 962.84万m³, 年径流总量控制率为78.0%。

　　 规划采用传统开发模式下, 中心区各地块长系列平均年降雨出流总量为2 177.66万m³, 降雨径流控制量总量为2 898.38万m³, 年径流总量控制率为57.1%, 见图9。

　　 海绵城市开发模式下, 中心区各地块长系列平均年降雨出流总量为1 171.8万m³, 降雨径流控制量总量为3 904.24万m³, 年径流总量控制率为76.9%, 见图10。

　　 上述水量平衡成果统计见表4。可见现状条件下贵安新区开发强度较小, 水文循环情况尚好, 伴随新区接下来高强度的开发建设, 传统开发模式导致下垫面不透水面积比例持续攀高, 径流量增加, 径流控制率相应减小, 将显著改变原有的水文特征。采用海绵开发模式, 基于对城市生态环境低影响开发建设理念, 合理控制开发强度和方式, 通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种手段实现城市良性水文循环, 控制高频的中小雨来实现径流控制, 可有效维护城市水文循环的可持续性。

　　 依据1991~2016年逐时连续降雨系列, 利用贵安新区中心区海绵城市模型体系中的产污模块, 以SS、COD、TN、TP 4种污染物质为对象进行径流污染控制模拟。其中, 污染物累积模型选择饱和函数累积模型, 污染物冲刷模型选择指数冲刷模型, 参考本地以往相关研究结果及相邻相似区域经验, 本次计算的累积及冲刷参数取值见表5。

　　 海绵开发模式将因地制宜采取多种低影响措施进行建设, 为便于比较, 将传统开发模式作为采取海绵开发模式前的本底条件的估计。根据控规确定的城市用地布局, 分别统计道路和地块的传统开发模式、海绵城市开发模式 (即LID) 下的年径流污染物总量, 以及海绵城市开发模式相对传统开发模式的各项污染物去除率, 见表6。

　　 由表6可见, 海绵开发模式下, LID设施通过对雨水入渗、截流、弃流和净化作用, 有效降低了径流污染物总量, SS、COD、TN和TP的年污染物去除率分别达到44.7%、44.1%、45.3%和45.3%。

　　 洪峰控制和削减是海绵城市规划设计的主要控制目标之一。低影响开发系统能够通过各种设施的渗透和储蓄能力, 将雨水径流纳入地下水层或者储存在种植土壤层的空隙中, 或者暂存在调蓄设施形成的蓄水容积中, 也可通过植物进行截留等, 达到削减延迟洪峰的作用。运用产流模块和管网汇流模块进行耦合计算, 对各汇水分区的管网排水口的流量过程进行汇总统计, 设计降雨历时为2h, 重现期分别为2年、3年、5年和30年。统计海绵开发模式较传统开发模式各汇水分区管网峰值流量的削减率。考虑到径流路径对洪峰控制的影响, 本次计算将地表和绿色屋顶的径流概化为依次经过透水铺装和下沉式绿地, 最后汇至出水口。传统开发和海绵开发模式对各汇水分区的峰值控制效果见表7和图11。

　　 从图12中可以看出, 低影响开发措施对设计暴雨地面和管网径流洪峰切实起到了削减效果, 同时雨量越小削峰效果越显著, 随着降雨强度的增大洪峰流量削减率逐渐减小。同时, 各汇水分区LID的峰值削减效果有所差异, 2年一遇设计降雨下湖潮河分区的削减率最高, 径流峰值削减率达60.6%, 而南部分区30年一遇设计降雨下的径流峰值削减率仅8.2%。

　　 由于LID设施具有一定的滞蓄功能, 海绵城市较传统开发模式下, 雨水管网的峰现时间也将出现一定程度的滞后, 采用3.2节中的模型参数, 模拟得到峰现时间情况如表8和图12所示。

　　 从图12中可以看出, 不同重现期设计降雨条件下, 低影响开发措施对各汇水分区径流峰值峰现时间的延迟效果有所不同, 峰现时间延迟最长的工况为12min, 最短为3min。各汇水分区中, 寅贡河分区、装备园分区的延峰效果相对明显。

　　 各汇水分区径流峰值的控制效果与LID措施的布置占比大小、所形成的调蓄容积容量、雨水管网的管径和管长均密切相关, 从模拟结果看来, 各汇水分区LID措施对径流峰值的削减率、延峰时间不完全一致, 如南部分区的峰值削减率最低, 但其延峰时间并不是最短, 这体现了城市降雨径流汇流和排放的复杂性, 更为精确的模拟则与真实的径流地表漫流路径有关, 建议在设计阶段进一步深化评估。

　　 采用模型法对国家海绵城市首批试点贵安新区中心区的建设效果进行了模拟和评估, 从模拟结果来看, 有以下几方面特征。

　　 (1) 新区开展海绵城市建设效果评估有其特殊性, 若采用在线数据监测的评估方法, 由于大部分地块未开发, 道路未建设, 可能会产生雨水管网系统不完善, 或者雨水管网收不到水的情况, 导致在线监测设备无法捕捉数字信号, 因此无法估算现状径流控制情况, 对于传统和海绵开发模式的预测和评估更是无能为力。因此对于新区的海绵城市建设效果评估, 模型法具有显著的优势。

　　 (2) 模型法可有效模拟城市开发建设前、传统开发模式、海绵城市开发模式3种状态下, 各地块的总出流量, 得出总降雨控制量, 汇总得到中心区的年径流总量控制率。从模拟结果来看, 中心区在传统开发模式下, 年径流总量控制率将从现状未开发状态的78%下降到57.1%, 若以海绵城市建设规划中的指标为地块开发建设依据, 年径流总量控制率将提高到76.9%, 与城市开发前基本保持一致, 实现了城市开发建设前后, 水文条件基本一致。

　　 (3) 与传统开发模式相比, 海绵城市建设模式将有效提高径流总量控制率, 同时, 径流污染、径流峰值、峰现时间均能得到有效控制, 通过模型模拟, 可以在特定条件下定量评估海绵城市建设效果, 在基本资料具备的前提下, 年径流污染削减率, 径流峰值削减率、延峰时间等参数均能定量化表达。

　　 (4) 模型法对于基础数据有较高要求, 在评估过程中, 需要完整的降雨资料、地表下垫面类型、竖向及坡度、管网长度及管径、调蓄设施规模及排空时间等数据, 这些数据的完整性和准确性制约了模型的准确性, 因此在数据不完整的地区使用模型法将受到很大的制约。即便在新区等数据较为完整的地区, 也需要采用概化的手段确定一些模型参数, 这些不确定因素需要在设计层面给予进一步考虑和明确。

　　 (5) 模型法适用于大尺度的、数据量充足且庞大的规划区海绵城市建设效果评估, 对于地块或街坊等小尺度的海绵城市设计, 以及老城区海绵化改造项目, 由于场地条件的成熟和便利, 可以采用在线监测数据法评估海绵城市效果, 评估结果直观、可靠。在这种情况下, 模型法不占优势。

　　 新区与老城区的城市建设有显著不同, 以海绵城市建设为例, 老城区的规划和建设局限于现状条件, 重点在于系统的完善和提升, 而新区的规划和建设是从零开始, 重点在于系统的构建和布局, 因此, 以新区为依托开展海绵城市建设虽然可以采用先进的技术, 实现先进的理念, 但是也更具有复杂性和不确定性^[4,5]。

　　 对新区海绵城市建设效果进行模拟, 由于城市开发建设前的本底条件清楚, 更有利于明确海绵城市建设目标, 评估城市开发建设前后, 水文条件是否一致。以贵安新区中心区为例, 用模型对现状、传统开发模式、海绵开发模式进行模拟和评估, 是验证海绵城市建设效果的有效措施和手段, 对于顶层设计和辅助决策具有重要意义。