宁波市海绵城市在线监测体系构建及应用

城市化进程的加快导致了人口激增以及城市不透水下垫面比例的增加,对城市水循环及水环境产生负面影响^[1],伴随着短历时强降雨等极端气候的增加,城市内涝问题频发。为应对一系列城市雨洪管理存在的问题,基于美国低影响开发(LID),我国提出了海绵城市建设理念,并出台了《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》,利用有效的监测数据对海绵城市进行客观定量评价起到了重要支撑作用^[2]。

随着在线监测设备和系统的不断完善,越来越多的海绵城市构建了在线监测体系对海绵城市进行评估。通过在线监测获得的数据与传统人工采样有所不同,由于实时在线动态传输而以时间序列的形式存在,且数据量繁多,因而以在线监测数据为基础的海绵城市评估分析方法也有所差异,但目前相关研究及工程报告中对如何利用在线监测数据支持海绵城市建设效果评价的讨论相对较少。各海绵城市有不同的本地特点和考核要求,其在线监测体系也应有所不同,但在整体思路上可以相互借鉴:对于我国南方城市,由于河网密布、排口众多,难以对所有排口及分区节点进行在线监测设备的布置,主要从效果评价角度进行监测点的选择^[3];而对于产汇流关系相对清晰的北方城市,则可以对各关键要素节点都进行布置^[4]。本文以宁波市海绵城市为例,通过制定合理的在线监测方案,实现动态有效的数据收集,并对监测数据进行应用,以支持建设效果等多方面的考核与评估。

在线监测方案主要针对宁波市海绵城市试点区。试点区位于江北区, 南至姚江北岸,东、北至倪家堰路-北环西路-慈城连接线-宁波绕城高速-慈江-东城河-慈湖中学一线,西至慈城西城河-中横河-沈海高速-长阳路延伸段,总面积约30.95 km²,涉及8个汇水分区,如图1所示。

海绵城市在线监测对象主要为排水系统(管网、排口及河道等),往往含有硫化氢等有毒易爆气体、湿度大、杂物多、水波干扰大。这就要求设备具有极高的工业防护等级,能够在恶劣环境下保持正常运行。另外,由于管网检查井多位于市政道路中间,高速车辆多,如果采用市电,则需要与多部门进行沟通,且在施工时需要开挖路面,增加时间和人力成本,因而在线监测设备需要实现自供电。与此同时,大部分在线监测设备是布置在检查井内,具有较强的密闭性,为保障数据的实时传输,需保障良好的通信能力^[5]。考虑海绵城市从规划建设到后期长时间的管理与运营,在监测设备安装完成后需要长期的维护,才能保障数据的准确性和有效性^[6]。综合设备性能各方面的要求,宁波市海绵城市在线监测选择国产THwater系列设备,具有较高的性价比,以及软硬一体、快速安装、长期稳定等特点。

在线监测系统主要包括在线监测设备、信息传输通讯以及数据展示管理。目前不少研究都针对城市排水系统提出了在线监测系统的构建框架并进行了尝试应用^[5,7,8]。系统整体框架如图2所示。

基于在线监测系统,针对海绵城市需要构建的是综合管理系统,采用B/S(浏览器/服务器)和M/S(手机端/服务器)混合体系结构,系统程序和数据存放在服务器端,普通用户只需1台安装有浏览器并能连到服务器的终端设备便可进行交互式系统操作,而无需客户端的安装与维护,并支持通过手机端进行现场数据填报与海绵城市建设考核信息查询。

结合宁波市海绵城市绩效评价与考核需求,主要针对水量和水质两方面指标进行监测与分析,其中水量采用在线监测的形式,水质指标则以在线监测与人工采样相结合的方式,本文侧重讨论在线监测部分的内容。

根据降雨径流的汇流过程,宁波市海绵城市试点区的监测按照“本底—源头—过程—末端”的思路进行布点。在最终受纳水体进行水量和水质的监测,评估整个试点区内径流总量控制和面源污染控制情况,体现海绵城市建设的整体效果。过程端监测主要包括雨水排口和管网的监测,各雨水排口对应具体的排水分区,对该排水分区的情况进行整体的衡量;管网关键节点的液位及流量监测可以为各排水分区提供过程数据。源头监测主要针对试点区内的各个项目,包括项目排口及项目内设施的监测,对项目整体建设情况和各设施效果评估提供依据。

为构建完善的在线监测体系,支持海绵城市建设与考核评估,监测点的选取充分考虑实用性、分散与集中相结合、代表性和可行性^[5,7,8]。在线监测设备主要包括雨量计、温度计、液位计、流量计、SS检测仪和DO仪,各监测设备安装点的选择如表1所示。

监测点布置采用固定监测与临测数据服务相结合的模式,提高综合效益,避免资源浪费。通过分析试点区基础资料,如海绵城市试点区详细规划说明、系统化方案说明等,对水系、湖泊以及排水管网和排口的情况进行梳理,对海绵建设项目进行汇总,并基于实地踏勘,制定完整监测布点方案,如图3所示。

获取数据后,只有对数据进行专业化的分析评估,才能发挥监测数据的价值。根据海绵城市的建设情况,分析监测期内雨量、温度、液位、流量和水质等指标,对海绵城市建设效果进行量化评估。目前已有不少学者结合海绵城市绩效考核6方面18项指标进行了分析^{[9,10,11]9～11]},其中针对核心指标年径流总量控制率的计算与分析进行了大量的讨论。

宁波市海绵城市监测项目自2018年4月12日开始进行在线监测设备的安装,截止到2018年8月30日,共完成209台在线设备安装。本文以海绵城市绩效考核与评估的要求为基础,结合宁波市在线监测数据获取情况,从试点区整体考核、排水分区考核、典型项目效果分析和典型设施效果分析等方面综合评价海绵城市建设效果,重点评价雨水径流量的控制,并以长期持续在线监测数据为依据,辅助管网的长效运行管理。

海绵城市建设的主要目标之一即保障城市水安全、降低城市内涝风险。根据示范区内所有具有液位监测功能的设备在场次降雨下的实时监测数据,可对示范区范围内的内涝风险进行评估。

选择2018年6月20日作为典型降雨进行分析,当日降雨过程变化见图4,为多峰型降雨, 24 h累计降雨总量为59.4 mm,峰值雨强为1 mm/min,达到暴雨级别。

具备液位数据监测的设备为流量计、水质仪和液位计,从项目、管网、排口3个相对应的层级对当日暴雨期间液位情况进行分析。定义降雨当天液位最大值与井深的比值为溢流风险值,作为内涝风险的评估项,当溢流风险值大于0.8时,则认为该监测点溢流的可能性较大,存在较大内涝风险的监测点如表2所示。对于溢流风险较大的点及附近区域,在海绵城市建设中应进行重点关注,从而保障整个试点区的水安全。

根据《海绵城市建设评价标准》,片区径流控制效果的评估采取以监测数据和模型模拟相结合的方式。以慈城新城西汇水分区为例,该汇水分区共6个排口,各排口上游汇水区域如表3所示。

慈城新城西汇水分区的6个主要排口在2018年8月完成流量计的安装与布设,在8月12日降雨条件下,统计各排口的监测出流量,结合排口汇水面积,计算慈城新城西汇水分区的场次降雨径流控制率,如表4所示。

利用在线监测数据除了可直接进行场次降雨径流控制率的计算与评估,更为重要的是可支持片区模型的率定与验证,从而通过模型的连续模拟,综合考虑不同降雨条件下的径流控制情况,能够对片区年径流总量控制率进行更为客观的计算与评估。

根据《海绵城市建设评价标准》,已监测项目应连续自动监测至少1个雨季,获得“时间-流量”序列监测数据,筛选至少2场满足要求的降雨量,基于实际监测数据进行评价;其他项目则主要通过查阅项目施工图设计文件进行评估。对于已监测项目,选择接近设计雨量的降雨,且确保降雨事件有较长间隔可确保设施排空,进行径流流量控制分析,通过对比实际径流控制体积与目标径流控制体积,判断项目是否达标。计算方法如式(1)～式(3)所示:

$\begin{array}{l}V{}_a=V{}_t-V{}_m(1)\\ V{}_t=RA\phi (2)\\ \alpha =V{}_a/V{}_t(3)\end{array}$

式中 V_a——实际径流控制体积,m³;

V_t ——理论出流量,m³;

V_m ——监测出流量,m³;

R ——场次降雨深度,mm;

A ——汇水范围,km²;

φ ——综合径流系数;

α ——场次径流控制率,%。

选取2018年5月26日、5月31日和6月29日3场降雨,对试点区某源头减排项目进行径流控制的评估,如表5所示。

从表5中可以看出当累积降雨量增加时,该项目降雨径流的控制率有所减小,一方面是由于项目中LID设施在不同降雨强度下的效能有所差异,另一方面,结合现场调研情况分析判断部分雨水未流经海绵设施,造成降雨发生后不久雨水直排产生了出流。建议对项目加强雨水收集效率,避免部分雨水未经海绵设施消纳净化而直排,从而提高项目整体的雨水径流控制效果。

对设施进行单场降雨的效能评估,计算设施所能控制的雨量总体积,在考虑通过设施的理论出流量时,不仅包括设施本身占地所直接接纳的降雨量,还应考虑外部汇水区域所接纳的降雨量。

某小区透水停车场设施面积为187.5 m²,根据设计方案,目标年径流总量控制率为70%,对应设计雨量为17.8 mm,则该设施所需控制的径流体积为17.8/1 000×187.5=3.34(m³)。在其出水口进行在线流量监测,在7月23日降雨条件下,雨水控制情况如表6所示。

通过7月23日降雨可看出透水停车场在该场降雨条件下控制的雨水总体积为5.75 m³,大于设计目标所对应的3.34 m³,径流控制效果可达到设计标准。

构建在线监测体系获取在线监测数据除了在降雨期间可获得相关监测数据支持海绵城市建设效果的评估外,长期持续的监测还可进一步支持排水系统的长期运行与管理。经过长期持续的流量监测数据积累,排水系统存在的问题主要可归纳为3种类型:雨水管网中短时偷排、下游管道或排口淤积和河道或下游水位顶托。

以某排口2018年5月1～30日的监测数据为例,流量及液位变化如图5所示。该监测点在非降雨期间,液位和流量监测值应以零值为主,但在个别时间则有明显水流。其中5月14日累计出流量高达815 m³,且持续时间较长;5月25～30日,该监测点也监测到间歇性的出流,但持续时间较短,属于短时污水偷排。

通过实时监测数据发现可能问题后,在非降雨时段对现场进行核实,旱天排口有明显出流,进一步证实了偷排现象的存在。

管道或排口的淤积会直接导致上游水流输送不通,严重时会引起城市道路内涝现象的发生。管道或末端的淤积一般由混流污水的沉积物及携带的生活垃圾造成,也有一部分由雨水篦子中进入的垃圾堵塞造成。某排口的流量监测数据如图6所示,可以看出降雨前期排口液位值一直处于0.45 m左右,但没有流量数据,说明此时有一定的淤积,水流不畅。6月13日降雨期间,有明显流量,液位升高后降为0,之后一段时间保持为0,说明降雨发生时,水流将垃圾冲击到下游,管道疏通。

当降雨发生时,河道水位上升,对部分排口产生倒灌,排口处于淹没状态而造成上游水流输送不通,易导致上游管道出现溢流风险。某排口监测数据如图7所示,液位长期保持在0.33 m左右,当日发生降雨时,河道液位上涨,监测到负流量,说明河水倒灌进入雨水管网。

雨后现场查看排口上游对应检查井内水位极高,几乎到达井口,对降雨条件下河道顶托进行了现场的验证。

在线监测技术的应用使得数据形式发生巨大变化,数据分析的思路也有所改变。以宁波市海绵城市在线监测数据为例,从试点区整体考核、排水分区考核、典型项目效果分析和典型设施效果分析方面对海绵城市在雨水径流水量的控制效果进行了综合评价,并以长期持续在线监测数据为依据,分析判断雨水管网中短时偷排、下游管道或排口淤积和河道或下游水位顶托等问题,辅助管网的长效运营管理。随着排水管网在线监测技术的成熟,管网监测可以获得实时、有效、动态的监测数据,广泛应用在海绵城市的建设及考核评估中,为海绵城市的定量化考核评估以及持续的运行与管理提供数据基础。