年径流总量控制率是我国海绵城市建设的一个重要指标。随《住房城乡建设部办公厅关于做好第一批国家海绵城市建设试点终期考核验收自评估的通知》印发的《国家海绵城市建设试点绩效考核指标》中“年径流总量控制率”指标分值为11分, 并要求利用模型评估是否达标。在《海绵城市建设评价标准》 (GB/T 51345-2018) ^[1]中规定“应采用模型模拟法进行评价, 模拟计算排水分区的年径流总量控制率”。因此, 不管是当前的海绵城市建设试点, 还是后试点时代的海绵城市建设, 在规划和设计过程中引入模型工具, 帮助设计师评估规划和设计方案实施效果, 是行业发展的一个趋势。

EPA SWMM (以下简称“SWMM”) 是美国环保局推出的暴雨管理模型软件, 主要用于城市区域径流水量和水质的模拟。从5.0.019版本开始, SWMM引入低影响开发 (以下简称“LID”) 模块, 提供了生物滞留设施、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水桶、屋顶断接和植草沟等8种LID设施的模拟功能。2016年9月, SWMM软件水质模拟原理手册发布^[2], 其中包含LID模拟的诸多细节, 能够帮助用户更好的使用SWMM进行LID模拟。鉴于SWMM软件在全球范围内的影响力, 很多商业模型软件都包含SWMM计算引擎 (含LID功能) 。

在欧美国家的雨水管理实践中, 年径流总量控制率主要用于单个LID设施的设计计算, 很少被作为模型模拟目标值, 例如:加拿大埃德蒙顿市发布的《低影响开发最佳管理实践设计手册》^[3]中, 附录E的LID模型案例就没有对年径流总量控制率进行模拟, 而重点关注径流峰值控制效果。但是, 由于我国已将该指标作为海绵城市建设的重点考核指标, 因此, 探讨如何利用SWMM计算年径流总量控制率, 对提高我国海绵城市规划和设计水平具有现实意义。

从海绵城市理念提出至今, 基于SWMM模拟的海绵城市工程项目和研究论文不时见诸公开报道和期刊杂志, 涵盖海绵城市规划和设计的各个领域。目前看来, 部分成果对年径流总量控制率的理解还存在偏差, 集中表现在将容积法应用于远超出单个LID设施的尺度 (如规划过程中的年径流总量控制率层层分解) 和将年径流总量控制率与年径流系数直接相关, 前者多被用于手工计算中, 后者多被用于模型模拟计算中。

在《海绵城市建设技术指南》^[4] (以下简称指南) 中, 年径流总量控制率的定义是“根据多年日降雨量统计数据分析计算, 通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸发 (腾) 等方式, 场地内累计全年得到控制 (不外排) 的雨量占全年总降雨量的百分比”, 且明确指出低影响开发系统“核心是维持场地开发前后水文特征不变, 包括径流总量、峰值流量、峰现时间等”。因此, 部分业内人士认为年径流总量控制的目的是为了维持开发前后的年径流总量不变, 即年径流总量控制率等于1减去开发前年径流系数 (年径流量和年降水量的比值) 。

年径流系数和年降水量有关, 当年降水量超过800mm时, 年径流系数一般在0.5以上, 部分山区超过0.8;当年降水量为200～800 mm时, 年径流系数一般为0.4～0.6^[5]。对于绝大部分海绵试点城市, 其年降雨量均大于200mm, 则开发前年径流系数一般在0.4以上, 而各地专项规划中的年径流总量控制率均在70%以上, 两者之和大于1。因此, 将年径流总量控制率和年径流系数挂钩, 认为两者之和等于1, 是对年径流总量控制率含义的一种错误理解。

2017年1月, 浙江省住房和城乡建设厅发布《浙江省海绵城市规划设计导则 (试行) 》 (以下简称《浙江导则》) , 对《指南》中的年径流总量控制率定义进行了调整, 明确得到控制的雨水量不仅包括不外排的雨水量, 还包括处理后外排的雨水量^[6]。相比《指南》, 《浙江导则》更加强调年径流总量控制率在径流水质控制中的作用, 某种程度上也更贴合低影响开发设计的宗旨。因此, 后文有关年径流总量控制率的模拟计算将主要基于《浙江导则》中的定义, 而非《指南》中的定义。

为了更加清楚地说明如何使用SWMM模拟年径流总量控制率, 构造一个理想化研究案例。在该案例中, 由于场地下方地下室满铺, 隔断了雨水回补地下水的通道, 因此, 降雨量全部转化为蒸发量和径流量, 而没有下渗量 (这意味着所有LID设施的最底层渗透系数为0) 。案例模型网络结构见图1, 包含9个节点、1个排放口、9根管道和32个子汇水区, 总面积为30 000m²。其中, S16和S17为屋面, S5、S6、S9、S10、S13、S14、S23、S24、S25和S26为道路, S0、S1、S2、S3、S4和S19为绿地, 其余为硬质铺装, 子汇水区全部为单一类型子面积 (即不透水面积百分比要么为0, 要么为100, 并且不透水面积无洼地蓄水百分比为0) , 集水区坡度均为0.001, 透水面积粗糙系数为0.15, 不透水面积粗糙系数为0.02。管道C1、C2、C7和C8长度为75m, 其余为50m, 除C9管径为0.8 m外, 其余管道管径为0.6m, 管底坡度统一为0.002, 起点管内底标高为8.0m。

使用模型软件进行年径流总量控制率模拟时, 降雨事件需采用长期降雨数据, 理想情况下, 降雨事件历时应在10年以上^[1]。但由于长期且连续的降雨数据获取存在一定的困难和障碍, 目前收集到的数据为2017年2月8号至2017年8月17号共计191天的5min间隔降雨数据, 降雨过程线见图2, 纵坐标为5min降雨量。其中, 最大5min降雨量为10.3mm, 最大小时降雨量为35.6mm, 最大24h降雨量为73.5 mm。按当地暴雨强度公式折算后, 最大5min降雨量约为0.33年一遇重现期, 最大小时降雨量约为0.25年一遇重现期。可见, 模型中使用的长期降雨数据无极端降雨事件。因此, 为了分析LID设施在极端降雨事件下的作用, 在模型中增加30年一遇24小时设计降雨过程, 见图3, 纵坐标为5min降雨量。

雨水降落在子汇水区后, 部分形成地面径流, 其余部分以蒸发的形式返回大气中。对于短历时模拟, 通常不考虑蒸发作用, 但在长期降雨事件模拟时, 蒸发量在整体水量平衡中不可忽视。本次研究中, 191d长期降雨事件模拟, 蒸发参数设为常数值3mm/d, 而24h降雨事件模拟, 则不考虑蒸发影响。蒸发参数将在子汇水区洼地蓄水的蒸发和LID设施水量平衡计算中使用。

传统设计方案没有贯彻海绵城市理念, 因此不存在LID设施。由于研究区域内地下室满铺, 子汇水区的土壤渗透系数全部设置为0。但是, 现实情况下透水面积 (绿地) 和不透水面积 (道路、屋面和硬质铺装) 在水文效应方面确有不同, 为了反映这种不同, 将洼地蓄水和土壤蓄水合并, 统一用洼地蓄水表示。对于不透水面积, 洼地蓄水统一设置为5mm, 对于透水面积, 洼地蓄水统一设置为20mm。

当降雨为24h降雨事件时, 模型运行结果为:总降雨量为323mm, 总径流量为316.259mm, 最终洼地蓄水量为7.129mm, 排放口O1的峰值流量为1 298.28L/s。

当降雨为191d长期降雨事件时, 模型运行结果为:总降雨量为981.3mm, 总蒸发量为297.602mm, 总径流量为691.092mm, 最终洼地蓄水量为0.003mm, 径流系数约为0.7 (该值基本符合预期, 可据此认为前文有关洼地蓄水的设置值合理) , 排放口O1峰值流量为472.16L/s。

为了在模型中体现海绵城市理念, 对模型进行以下调整:

(1) S0改为生物滞留设施, 主要参数为:表面层蓄水深度150mm, 粗糙系数0.15, 坡度0.001;土壤层厚度300mm, 孔隙率0.25, 田间持水率0.15, 饱和水力传导率12.5mm/h;蓄水层厚度200mm, 孔隙比0.5, 渗透系数0;未设置底部穿孔管。

(2) S2和S4改为植草沟, 主要参数为:蓄水深度200 mm, 粗糙系数0.15, 底坡0.001, 边坡系数1。

(3) S3和S19改为生物滞留设施, 主要参数为:表面层蓄水深度150 mm, 粗糙系数0.15, 坡度0.001;土壤层厚度300mm, 孔隙率0.25, 田间持水率0.15, 饱和水力传导率12.5mm/h;蓄水层厚度300mm, 孔隙比0.5, 渗透系数0;底部穿孔管C=2, n=0.5, 偏移高度0。

(4) S17改为绿色屋顶, 主要参数为:表面层蓄水深度150mm, 粗糙系数0.15, 坡度0.001;土壤层厚度300mm, 孔隙率0.25, 田间持水率0.15, 饱和水力传导率12.5mm/h;排水垫层厚度75mm, 孔隙分数0.5, 粗糙系数0.1。

(5) S28、S29、S30和S31改为透水铺装, 主要参数为:表面层蓄水深度40mm, 粗糙系数0.03, 坡度0.001;铺装层厚度200mm, 孔隙比0.15, 渗透系数100mm/h, 堵塞因子48;蓄水层厚度300mm, 孔隙比为0.5, 渗透系数0;未设置砂滤层和底部穿孔管。

在上述LID参数设置时, 需要注意以下几点:

(1) 生物滞留设施蓄水层可以选择是否包含底部穿孔管, 在LID应用编辑器中, 可以设置底部穿孔管的排水去向 (节点或汇水区) , 如果未设置该参数, 则排往LID所属子汇水区出口。对于生物滞留设施S3和S19, 底部穿孔管出水分别排往J4和J5, 对于生物滞留设施S0, 出水排往植草沟S2。

(2) 土壤层一般均采用经过改良的种植土, 设计渗透系数取值范围一般为12.5～25mm/h。

(3) 底部穿孔管的参数和生物滞留设施的排空速度有关, C=2和n=0.5的底部穿孔管在蓄水层水位150mm (蓄水层厚度的一半) 时的排水能力为24.5mm/h, 大于土壤层渗透系数, 可以满足设计要求。

(4) 应确保植草沟中的最大水位不超过植草沟深度。在LID应用编辑器中设置详细报告文件可保存LID计算过程数据, 分析该文件可获得植草沟运行过程中的最大水位。

(5) 为减少积水对交通的影响, 道路雨水口设计箅前水深为40mm。基于同样理由, 透水铺装表面层蓄水深度设为40mm。

(6) 假设透水铺装1年内全部堵塞, 年降雨量为1 250mm, 则堵塞因子为1×1 250× (1+0.15) / (200×0.15) ≈48。

基于以上LID参数, 严格按照《指南》中容积法要求, 计算各类LID设施的调蓄容积, 结果见表1。

由于场地下方地下室满铺, 因此假设场地综合径流系数为1。将总调蓄容积折算成单位面积降雨量为1 203m³/30 000m²≈40mm, 折算后的年径流总量控制率超过85% (对应设计降雨量为35.7mm) 。

LID方案贯彻了海绵城市理念, 当按《指南》容积法计算时, 年径流总量控制率超过85%。如果年径流总量控制率等于1减去开发前年径流系数的理解是正确的, 则开发前年径流系数应小于0.15, 要保证开发前后径流系数不变, 则开发后的年径流系数也应小于0.15。

当降雨为24h降雨事件时, 模型运行结果为:总降雨量为323mm, 总径流量为285.365mm, 最终洼地蓄水量为47.731 mm, 雨量径流系数为0.88, 排放口O1的峰值流量为990.17L/s, 和传统方案相比, 峰值流量减小23.7%。

当降雨为191d长期降雨事件时, 模型运行结果为:总降雨量为981.3mm, 总蒸发量为342.606mm, 总径流量为616.61 mm, 最终洼地蓄水量为37.364mm, 雨量径流系数为0.63, 排放口O1峰值流量为302.27L/s, 和传统方案相比, 峰值流量减小36%。

可见, LID设施的加入 (增加40mm蓄水量) 对径流峰值削减有一定效果, 且随着降雨强度的增加, 效果将减弱。虽然长期降雨事件模拟的降雨历时仅有191d, 但其总降雨量超过当地年平均降雨量的75%, 因此可以认为即使采用更长历时的降雨事件, 模拟后的雨量径流系数也不可能低于0.15。因此, 年径流总量控制率和年径流系数之和不等于1。

从雨水径流的流向看, LID设施可分为两类, 一类是独立的LID设施, 其径流全部排向非LID设施, 另一种是LID设施链, 上游LID设施的径流部分或全部排入下游LID设施。案例模型中, S17、S19、S28、S29、S30、S31为独立的LID设施, S0、S2、S3、S4构成LID设施链。191d长期降雨事件模拟的部分计算结果 (年径流总量控制率计算需要数据) 见表2。

表2中, 进流量不为981.3mm的子汇水区数据均经过处理, 处理原则为保证LID设施或设施链总汇水范围进流量等于981.3mm, 从SWMM软件中直接读取的数据需要根据子汇水区面积折算到总汇水面积, 以S19的进流量为例, 从SWMM中获取的进流量数据为4 789.21mm, 折算后为4 789.21×1 000/ (1 000+2 500+1 800+1 000) =760.19 (mm) 。表2中的最终蓄水量随着模拟历时的增加, 一部分转变为蒸发量, 一部分转变为处理后外排量。

对于无外部汇水区的LID设施 (链) , 年径流总量控制率计算公式为:

式中E———LID设施蒸发量, mm;

D———处理后外排量 (必须接入传统排水系统) , mm;

I———下渗量, mm;

P———降雨量, mm。

基于式 (1) , S17的年径流总量控制率为 (396.1+585.74) /981.3=100%, S28、S29、S30和S31的年径流总量控制率为 (578.29+138.83) /981.3=73.1% (最终蓄水量138.83 mm最终将转化为蒸发量) 。

对于有外部汇水区的LID设施 (链) , 年径流总量控制率计算公式为:

式中E_LID———LID设施蒸发量, mm;

E_P———非LID透水子汇水区蒸发量, mm;

D———处理后外排量 (必须接入传统排水系统) , mm;

I———下渗量, mm;

P———降雨量, mm。

和无外部汇水区时计算方法相比, 有外部汇水区的LID设施 (链) 未计入不透水子汇水区上的蒸发量。如果计入该值, 则未经断接的不透水子汇水区年径流总量控制率不为0, 这不符合海绵理念。

基于上式, S19的年径流总量控制率为 (64.22+673.9) /981.3=75.2% (蓄水增量一部分转变为蒸发量, 另一部分转变为处理后外排量, 由于量较少, 计算忽略不计) , S0、S2、S3和S4构成的LID设施链的年径流总量控制率为: (426.11+27.46+118.04+61.48-6.22+7.43+1.35+7.56+1.35) /981.3=65.7% (蓄水增量转化为蒸发量) 。

综合以上计算结果, 研究案例有2 500m²区域年径流总量控制率为100%, 有4 000m²区域年径流总量控制率为73.1%, 有6 300m²区域年径流总量控制率为75.2%, 有5 400m²区域年径流总量控制率为65.7%, 其余11 800m²年径流总量控制率为0, 因为它们都是直接连接不透水面积 (DCIA) , 加权平均后年径流总量控制率为 (2 500×100%+4 000×73.1%+6 300×75.2%+5 400×65.7%) /30 000=45.7%。模型模拟得到的计算结果和采用《指南》容积法计算得到的结果 (大于85%) 完全不同, 这里面既有计算原理的不同, 也有对年径流总量控制率指标含义理解的不同。

如何利用模型软件计算年径流总量控制率是行业关注的热点问题。业内存在一种观点, 认为年径流总量控制率等于1减去模拟后的雨量径流系数 (如果降雨历时为整数年, 即为年径流系数) 。为了推翻或证实该观点, 构造一个无下渗能力的特殊案例, 包含生物滞留设施、绿色屋顶、透水铺装和植草沟4种类型LID设施。基于该案例模型, 采用《浙江导则》的定义计算各LID设施或设施链对应的年径流总量控制率, 并和采用《指南》容积法计算的年径流总量控制率进行对比, 主要结论和建议如下:

(1) 不管是按《指南》还是按《浙江导则》计算得到的年径流总量控制率, 都不等于1减去模拟后的雨量径流系数。因此, 认为年径流总量控制率等于1减去模拟后的雨量径流系数的观点是错误的。

(2) 按《指南》计算得到的年径流总量控制率可用于整个地块, 而模型模拟计算得到的仅能用于单个LID设施或设施链, 不在LID设施或设施链汇水范围内的不透水子汇水区, 其年径流总量控制率为0。依据《海绵城市建设评价标准》中面积加权平均后的年径流总量控制率和《指南》容积法的计算结果差别较大。

(3) 明确给出采用模型计算年径流总量控制率的方法, 可供同行参考和讨论。建议尽快以正式文件形式明确计算方法。