量化探索：海綿城市設(shè)施對排水系統(tǒng)提標(biāo)的影響

提高雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期是應(yīng)對城市內(nèi)澇的重要措施，然而城市建成區(qū)難以實現(xiàn)雨水管道大規(guī)模翻建。海綿城市建設(shè)可削減徑流總量和徑流峰值，提高管網(wǎng)排水能力。以上海市中心城區(qū)典型排水系統(tǒng)為例，定量分析了海綿城市設(shè)施對排水系統(tǒng)提標(biāo)的貢獻，提出海綿城市設(shè)施與提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的容積換算方法。

近年來我國城市內(nèi)澇嚴(yán)重，為應(yīng)對城市內(nèi)澇，提高雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期是重要措施?！妒彝馀潘O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021）中根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)、城鎮(zhèn)類型、地形特點和氣候特征等明確了雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期，其中超大城市和特大城市中心城區(qū)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期為3~5年，非中心城區(qū)為2~3年，中心城區(qū)重要地區(qū)為5~10年，中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場等為30~50年。對于新建雨水管渠應(yīng)采用新標(biāo)準(zhǔn)，然而，對于建成區(qū)，由于用地局促、施工對周邊居民影響大等原因，不可能將所有雨水管道全部翻建。此外，2013年以來，我國大力推進海綿城市建設(shè)，海綿城市設(shè)施的“滲、滯、蓄、用”等作用具有削減徑流總量和峰值流量等功能，能在一定程度上能提高區(qū)域排水能力，減少區(qū)域提標(biāo)壓力。而目前，海綿城市設(shè)施對排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用大多停留在研究層面，未能提出定量的換算關(guān)系。根據(jù)規(guī)劃要求，上海將通過建設(shè)“綠灰結(jié)合”雨水調(diào)蓄設(shè)施實現(xiàn)排水系統(tǒng)的提標(biāo)，然而，如何耦合海綿城市設(shè)施和雨水管道調(diào)蓄設(shè)施亟待研究。

本研究以排水系統(tǒng)為對象，以數(shù)學(xué)模型為手段，融合海綿城市建設(shè)與雨水管道提標(biāo)，并以上海市中心城區(qū)典型排水系統(tǒng)為案例，提出海綿城市設(shè)施與雨水管道提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的容積換算方法，以海綿城市建設(shè)降低排水系統(tǒng)提標(biāo)難度，以期為全國其他城市雨水管道提標(biāo)提供參考。

1 研究區(qū)域

上海市從“十三五”開始，從體制機制、規(guī)劃引領(lǐng)、標(biāo)準(zhǔn)編制、強化管控等方面，以臨港國家海綿試點建設(shè)為經(jīng)驗探索，積極在全市范圍內(nèi)開展海綿城市建設(shè)，編制了《上海市海綿城市建設(shè)“十四五”規(guī)劃》，進一步明確全域推進工作，綜合采取滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，制定“源頭-過程-末端”系統(tǒng)整體化治水策略。2020年6月17日，《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2020~2035）》（以下簡稱《排水規(guī)劃》）獲得市政府批復(fù)同意，提出了“綠、灰、藍、管”多措并舉的提標(biāo)策略，并明確了對各類建設(shè)用地調(diào)蓄設(shè)施，按每平方公里1.2萬m3雨水調(diào)蓄能力配置（從1年一遇提高到5年一遇的強排系統(tǒng)）。按照《排水規(guī)劃》的要求，上海在全市范圍內(nèi)推進雨水管道提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的建設(shè)。

1.1 基本情況

選擇上海市中心城排水系統(tǒng)A為研究區(qū)域，面積約68.8hm2，規(guī)劃以公共設(shè)施用地為主，詳見圖1和表1。排水系統(tǒng)A現(xiàn)狀為合流制，設(shè)計重現(xiàn)期為1年一遇。近年來結(jié)合道路改建，部分雨水管隨道路翻建，按5年一遇建設(shè)，現(xiàn)狀雨水管管徑為DN300~2 200?，F(xiàn)狀2個泵站，其中一個泵站已停用，正常運行的泵站位置如圖1所示，流量為8.4m3/s。

圖1 排水系統(tǒng)A用地示意

1.2 模型構(gòu)建

將收集到的雨水管網(wǎng)、下墊面情況等導(dǎo)入模型，整理管網(wǎng)以后分析排水管管徑情況，現(xiàn)狀管徑≤DN600的管網(wǎng)占比約45%，DN800~1 000的管網(wǎng)占比約33%，DN1 200~1 800的管網(wǎng)占比約20%，管徑≥DN2 000的管網(wǎng)占比約2%。模型構(gòu)建如圖2所示。

圖2 排水系統(tǒng)A模型構(gòu)建示意

1.3 參數(shù)率定和模型驗證

按照《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和應(yīng)用規(guī)程》（T/CECS 647-2019）的要求，通過收集3場獨立逐分鐘降雨數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的排水系統(tǒng)泵站前池水位和泵站運行記錄，并對其中2套實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進行對比，開展參數(shù)率定和模型驗證。

1.3.1 參數(shù)率定

選擇2020年6月28日一場降雨進行率定，降雨總量為35mm，對應(yīng)前池的最高水位為2.84m，率定結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)統(tǒng)計分析，率定結(jié)果的納什效率系數(shù)為0.76，滿足大于0.5的要求，結(jié)果如表2所示。

1.3.2 模型驗證

選擇2020年6月15日一場降雨進行率定，降雨總量為70mm，對應(yīng)前池的最高水位為2.23m，驗證結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)統(tǒng)計分析，率定結(jié)果的納什效率系數(shù)為0.78，滿足大于0.5的要求，結(jié)果如表3所示。

2 研究思路和工況設(shè)置

2.1 研究思路

由于海綿城市設(shè)施針對24 h降雨，控制降雨前期雨水；而排水系統(tǒng)針對短歷時降雨（如2 h），應(yīng)對降雨峰值，兩者針對的降雨歷時和雨型都不同。同時，海綿城市設(shè)施的運行效果受降雨情況、設(shè)施分布情況和服務(wù)面積、排水系統(tǒng)情況等多因素共同影響。

為研究海綿城市設(shè)施對排水系統(tǒng)提標(biāo)的定量影響，本研究以數(shù)學(xué)模型為手段，以5年一遇2 h降雨為典型降雨，選取典型中心城區(qū)強排排水系統(tǒng)，重點考察海綿城市設(shè)施不同分布情況、不同服務(wù)面積和不同年徑流總量控制率對排水系統(tǒng)提標(biāo)的效益，進而得到調(diào)蓄容積折算系數(shù)。

按照《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021），主要以積水深度和退水時間來考察積水的影響程度。以排水系統(tǒng)作為研究對象時，由于受地形、管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、管徑等的影響，排水系統(tǒng)內(nèi)不同地點的積水情況均不一樣，難以用積水深度和退水時間這兩個變量考量整個系統(tǒng)的積水情況。綜合排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的統(tǒng)計結(jié)果，以海綿城市設(shè)施為變量，統(tǒng)計由海綿城市設(shè)施變化造成的排水系統(tǒng)的積水量變化，定量分析海綿城市設(shè)施對系統(tǒng)提標(biāo)（即提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施）的貢獻。

根據(jù)海綿城市設(shè)施結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，排除僅降低徑流系數(shù)和起轉(zhuǎn)輸或凈化作用的設(shè)施，重點考察能提供調(diào)蓄容積的設(shè)施，包括生物滯留設(shè)施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地、調(diào)節(jié)塘、雨水罐、延時調(diào)節(jié)設(shè)施、調(diào)蓄設(shè)施、智能型調(diào)蓄設(shè)施。其中，生物滯留設(shè)施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地和調(diào)節(jié)塘等綠色基礎(chǔ)設(shè)施，除了設(shè)施頂部的調(diào)蓄空間外，下層土壤空隙也能提供一部分調(diào)蓄空間；雨水罐、延時調(diào)節(jié)設(shè)施、蓄水池、模塊式調(diào)蓄設(shè)施等調(diào)蓄設(shè)施，往往設(shè)置在地塊內(nèi)部，雨水徑流產(chǎn)生起始階段即流入設(shè)施內(nèi)；而智能型調(diào)蓄設(shè)施能依據(jù)降雨和水位情況自動控制其用途，可以同時兼顧徑流污染和峰值削減功能。本研究以生物滯留設(shè)施等綠色基礎(chǔ)設(shè)施為重點開展研究，而后分析調(diào)蓄設(shè)施和智能型調(diào)蓄設(shè)施的提標(biāo)差異，總結(jié)提出海綿城市設(shè)施與提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施容積的換算方法。

2.2 模擬工況設(shè)置

結(jié)合上海市海綿城市建設(shè)現(xiàn)狀及推進機制，以海綿城市設(shè)施建設(shè)面積占比20%為基礎(chǔ)，考察排水系統(tǒng)內(nèi)海綿城市設(shè)施的分布情況、服務(wù)面積占比和年徑流總量控制率對排水系統(tǒng)提標(biāo)作用的影響，模型中設(shè)置的工況如表4所示。模型中海綿城市設(shè)施均為設(shè)置在綠地的生物滯流設(shè)施，排除因下墊面屬性變化而造成的徑流系數(shù)變化。

3 結(jié)果分析

3.1 源頭海綿設(shè)施不同分布情況對排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用

以排水系統(tǒng)約20%面積集中建設(shè)海綿城市，建成地塊按年徑流總量控制率70%（即18.7mm）計算生物滯留設(shè)施的控制容積，分析排水系統(tǒng)上游、中游和下游集中建設(shè)海綿設(shè)施對排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用。

研究結(jié)果如表5所示。本研究認為，排水系統(tǒng)中僅有海綿城市設(shè)施這一變量，因而積水減少量即為設(shè)施對總調(diào)蓄容積的貢獻，因而提出“容積換算系數(shù)”的概念，即容積換算系數(shù)=積水減少量/海綿城市設(shè)施總調(diào)蓄容量，換算系數(shù)越大，則表明海綿城市設(shè)施的調(diào)蓄量對排水系統(tǒng)的提標(biāo)貢獻則越大。根據(jù)研究結(jié)果，源頭海綿設(shè)施不同分布情況下容積換算系數(shù)范圍0.31~0.55，均值為0.39。排水系統(tǒng)不同位置集中建設(shè)源頭海綿設(shè)施對系統(tǒng)提標(biāo)影響效果差別不大。

3.2 源頭海綿設(shè)施不同服務(wù)面積對排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用

著重分析海綿城市建設(shè)地塊隨機分布下，海綿城市建設(shè)不同面積占比對系統(tǒng)提標(biāo)的作用，建成地塊按年徑流總量控制率70%（即18.7mm）計算生物滯留設(shè)施的控制容積。

模擬結(jié)果如表6所示。隨著服務(wù)面積增加，海綿設(shè)施規(guī)?；б嬖黾樱瑢ο到y(tǒng)提標(biāo)作用增大。特別以面積建設(shè)占比10%為分界線：面積占比大于10%時，容積折算系數(shù)φ范圍0.16~0.38，均值為0.27；面積占比小于10%時，容積折算系數(shù)應(yīng)取低值。

3.3 不同年徑流總量控制率對排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用

以排水系統(tǒng)20.1%面積地塊非集中建設(shè)海綿城市設(shè)施，分析地塊不同年徑流總量控制率對系統(tǒng)提標(biāo)的影響。

結(jié)果如圖5所示。排水系統(tǒng)提標(biāo)的作用與控制降雨量顯著相關(guān)。當(dāng)?shù)貕K年徑流總量控制率大于等于65%時，容積換算系數(shù)范圍為0.32~0.44，均值約0.38；當(dāng)?shù)貕K年徑流總量控制率小于65%時，容積換算系數(shù)范圍為0.19~0.25，均值約0.22。

3.4 調(diào)蓄設(shè)施的提標(biāo)差異

選擇一源頭地塊，根據(jù)海綿城市年徑流總量控制率70%建設(shè)要求計算調(diào)蓄量320m3，分別設(shè)置生物滯留設(shè)施和調(diào)蓄設(shè)施，以分析其對地塊提標(biāo)的差異。

結(jié)果表明，調(diào)蓄設(shè)施峰值流量為1.58m3/s，生物滯留設(shè)施峰值流量為0.99 m3/s（如圖6所示）。由模擬結(jié)果可知，調(diào)蓄設(shè)施削峰效果比生物滯留設(shè)施削峰效果差，其削峰能力、容積利用能力約為生物滯留設(shè)施的63%，主要與生物滯留設(shè)施底部結(jié)構(gòu)層的滯蓄作用相關(guān)。

3.5 智能型調(diào)蓄設(shè)施的提標(biāo)差異

考慮將調(diào)蓄設(shè)施設(shè)為智能型調(diào)蓄設(shè)施，管道滿流時設(shè)施進水。現(xiàn)狀5年一遇降雨下系統(tǒng)總積水量為7043.9m3，按積水量布置調(diào)蓄設(shè)施，總調(diào)蓄量為7000 m3。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)置智能型調(diào)蓄設(shè)施后，系統(tǒng)積水量為1011.1 m3，積水控制率為85.65%，容積折算系數(shù)為0.86。

4 方法提出

4.1 海綿城市設(shè)施與提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施容積的換算方法

根據(jù)海綿城市設(shè)施調(diào)蓄容量計算方法，提出海綿城市設(shè)施與提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施容積的換算方法如下：

式中 V——海綿城市設(shè)施換算成提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的容積，m3；

φn——不同類型的海綿城市設(shè)施換算成提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施的容積換算系數(shù)。

Vn——不同類型海綿城市設(shè)施調(diào)蓄總?cè)莘e，m3；

Vi——單一海綿城市設(shè)施的面積或調(diào)蓄總?cè)莘e，m3，其中生物滯留設(shè)施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地和調(diào)節(jié)塘僅計算頂部蓄水空間的容積。

4.2 容積換算系數(shù)取值

4.2.1 取值范圍

考慮海綿城市設(shè)施的效果受運行維護影響較大，為保障系統(tǒng)排水安全，容積換算系數(shù)在模擬工況結(jié)果的基礎(chǔ)上取一定折減系數(shù)。折減后取值范圍如表7所示。

4.2.2 取值確定

根據(jù)分析結(jié)果，對于同一海綿城市設(shè)施，當(dāng)排水系統(tǒng)中海綿服務(wù)總面積/排水系統(tǒng)面積≥10%，海綿城市設(shè)施所在地塊年徑流總量控制率≥65%時，容積折算系數(shù)可取高值。為保障系統(tǒng)排水安全，建議上述兩個限制條件同時滿足時取高值。

5 結(jié)論與討論

本研究以上海市典型排水系統(tǒng)為例，通過構(gòu)建排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對提供調(diào)蓄容積類的海綿城市設(shè)施提標(biāo)作用進行定量分析，明確提出了海綿城市設(shè)施與提標(biāo)調(diào)蓄設(shè)施容積的換算方法，適用的海綿城市設(shè)施包括生物滯留設(shè)施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地、調(diào)節(jié)塘、雨水罐、延時調(diào)節(jié)設(shè)施、調(diào)蓄設(shè)施、智能型調(diào)蓄設(shè)施。值得注意的是，本研究基于排水系統(tǒng)開展研究，未論證海綿城市設(shè)施對鄰近排水系統(tǒng)的提標(biāo)作用，因而本研究提出的海綿城市設(shè)施換算原則上僅適用于對應(yīng)的服務(wù)排水系統(tǒng)范圍。本方法將加快上海市雨水排水系統(tǒng)建設(shè)與海綿城市建設(shè)融合提供重要技術(shù)參考。

需要說明的是，利用海綿城市設(shè)施進行提標(biāo)，并不是降低雨水管道的標(biāo)準(zhǔn)。新建排水系統(tǒng)和已建排水系統(tǒng)中的新建管道，均應(yīng)嚴(yán)格按照《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021）中提出的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期進行建設(shè)；對于已建雨水管渠的提標(biāo)，可采用綜合的措施，確保雨水管渠滿足設(shè)計重現(xiàn)期下的排水能力要求。此外，應(yīng)加大推廣智慧化建設(shè)，將調(diào)蓄設(shè)施納入城市排水系統(tǒng)管理平臺統(tǒng)一調(diào)度，提升后期運行效率。

致謝：感謝上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會、上海市水務(wù)局、上海市排水管理事務(wù)中心等管理部門的大力支持和指導(dǎo)。