量化探索：海綿城市設施對排水系統提標的影響
提高雨水管渠設計重現期是應對城市內澇的重要措施，然而城市建成區難以實現雨水管道大規模翻建。海綿城市建設可削減徑流總量和徑流峰值，提高管網排水能力。以上海市中心城區典型排水系統為例，定量分析了海綿城市設施對排水系統提標的貢獻，提出海綿城市設施與提標調蓄設施的容積換算方法。
近年來我國城市內澇嚴重，為應對城市內澇，提高雨水管渠設計重現期是重要措施。《室外排水設計標準》（GB 50014-2021）中根據匯水地區性質、城鎮類型、地形特點和氣候特征等明確了雨水管渠設計重現期，其中超大城市和特大城市中心城區雨水管渠設計重現期為3~5年，非中心城區為2~3年，中心城區重要地區為5~10年，中心城區地下通道和下沉式廣場等為30~50年。對于新建雨水管渠應采用新標準，然而，對于建成區，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，海綿城市設施的“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域排水能力，減少區域提標壓力。而目前，海綿城市設施對排水系統提標的作用大多停留在研究層面，未能提出定量的換算關系。根據規劃要求，上海將通過建設“綠灰結合”雨水調蓄設施實現排水系統的提標，然而，如何耦合海綿城市設施和雨水管道調蓄設施亟待研究。
本研究以排水系統為對象，以數學模型為手段，融合海綿城市建設與雨水管道提標，并以上海市中心城區典型排水系統為案例，提出海綿城市設施與雨水管道提標調蓄設施的容積換算方法，以海綿城市建設降低排水系統提標難度，以期為全國其他城市雨水管道提標提供參考。
1 研究區域
上海市從“十三五”開始，從體制機制、規劃引領、標準編制、強化管控等方面，以臨港國家海綿試點建設為經驗探索，積極在全市范圍內開展海綿城市建設，編制了《上海市海綿城市建設“十四五”規劃》，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”系統整體化治水策略。2020年6月17日，《上海市城鎮雨水排水規劃（2020~2035）》（以下簡稱《排水規劃》）獲得市政府批復同意，提出了“綠、灰、藍、管”多措并舉的提標策略，并明確了對各類建設用地調蓄設施，按每平方公里1.2萬m3雨水調蓄能力配置（從1年一遇提高到5年一遇的強排系統）。按照《排水規劃》的要求，上海在全市范圍內推進雨水管道提標調蓄設施的建設。
1.1 基本情況
選擇上海市中心城排水系統A為研究區域，面積約68.8hm2，規劃以公共設施用地為主，詳見圖1和表1。排水系統A現狀為合流制，設計重現期為1年一遇。近年來結合道路改建，部分雨水管隨道路翻建，按5年一遇建設，現狀雨水管管徑為DN300~2 200。現狀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A用地示意
1.2 模型構建
將收集到的雨水管網、下墊面情況等導入模型，整理管網以后分析排水管管徑情況，現狀管徑≤DN600的管網占比約45%，DN800~1 000的管網占比約33%，DN1 200~1 800的管網占比約20%，管徑≥DN2 000的管網占比約2%。模型構建如圖2所示。
圖2 排水系統A模型構建示意
1.3 參數率定和模型驗證
按照《城鎮內澇防治系統數學模型構建和應用規程》（T/CECS 647-2019）的要求，通過收集3場獨立逐分鐘降雨數據及其對應的排水系統泵站前池水位和泵站運行記錄，并對其中2套實測數據和模擬結果進行對比，開展參數率定和模型驗證。
1.3.1 參數率定
選擇2020年6月28日一場降雨進行率定，降雨總量為35mm，對應前池的最高水位為2.84m，率定結果如圖3所示。
經統計分析，率定結果的納什效率系數為0.76，滿足大于0.5的要求，結果如表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，對應前池的最高水位為2.23m，驗證結果如圖4所示。
經統計分析，率定結果的納什效率系數為0.78，滿足大于0.5的要求，結果如表3所示。
2 研究思路和工況設置
2.1 研究思路
由于海綿城市設施針對24 h降雨，控制降雨前期雨水；而排水系統針對短歷時降雨（如2 h），應對降雨峰值，兩者針對的降雨歷時和雨型都不同。同時，海綿城市設施的運行效果受降雨情況、設施分布情況和服務面積、排水系統情況等多因素共同影響。
為研究海綿城市設施對排水系統提標的定量影響，本研究以數學模型為手段，以5年一遇2 h降雨為典型降雨，選取典型中心城區強排排水系統，重點考察海綿城市設施不同分布情況、不同服務面積和不同年徑流總量控制率對排水系統提標的效益，進而得到調蓄容積折算系數。
按照《室外排水設計標準》（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。以排水系統作為研究對象時，由于受地形、管網拓撲結構、管徑等的影響，排水系統內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的積水情況。綜合排水系統數學模型的統計結果，以海綿城市設施為變量，統計由海綿城市設施變化造成的排水系統的積水量變化，定量分析海綿城市設施對系統提標（即提標調蓄設施）的貢獻。
根據海綿城市設施結構及應用，排除僅降低徑流系數和起轉輸或凈化作用的設施，重點考察能提供調蓄容積的設施，包括生物滯留設施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地、調節塘、雨水罐、延時調節設施、調蓄設施、智能型調蓄設施。其中，生物滯留設施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地和調節塘等綠色基礎設施，除了設施頂部的調蓄空間外，下層土壤空隙也能提供一部分調蓄空間；雨水罐、延時調節設施、蓄水池、模塊式調蓄設施等調蓄設施，往往設置在地塊內部，雨水徑流產生起始階段即流入設施內；而智能型調蓄設施能依據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施等綠色基礎設施為重點開展研究，而后分析調蓄設施和智能型調蓄設施的提標差異，總結提出海綿城市設施與提標調蓄設施容積的換算方法。
2.2 模擬工況設置
結合上海市海綿城市建設現狀及推進機制，以海綿城市設施建設面積占比20%為基礎，考察排水系統內海綿城市設施的分布情況、服務面積占比和年徑流總量控制率對排水系統提標作用的影響，模型中設置的工況如表4所示。模型中海綿城市設施均為設置在綠地的生物滯流設施，排除因下墊面屬性變化而造成的徑流系數變化。
3 結果分析
3.1 源頭海綿設施不同分布情況對排水系統提標的作用
以排水系統約20%面積集中建設海綿城市，建成地塊按年徑流總量控制率70%（即18.7mm）計算生物滯留設施的控制容積，分析排水系統上游、中游和下游集中建設海綿設施對排水系統提標的作用。
研究結果如表5所示。本研究認為，排水系統中僅有海綿城市設施這一變量，因而積水減少量即為設施對總調蓄容積的貢獻，因而提出“容積換算系數”的概念，即容積換算系數=積水減少量/海綿城市設施總調蓄容量，換算系數越大，則表明海綿城市設施的調蓄量對排水系統的提標貢獻則越大。根據研究結果，源頭海綿設施不同分布情況下容積換算系數范圍0.31~0.55，均值為0.39。排水系統不同位置集中建設源頭海綿設施對系統提標影響效果差別不大。
3.2 源頭海綿設施不同服務面積對排水系統提標的作用
著重分析海綿城市建設地塊隨機分布下，海綿城市建設不同面積占比對系統提標的作用，建成地塊按年徑流總量控制率70%（即18.7mm）計算生物滯留設施的控制容積。
模擬結果如表6所示。隨著服務面積增加，海綿設施規模化效益增加，對系統提標作用增大。特別以面積建設占比10%為分界線：面積占比大于10%時，容積折算系數φ范圍0.16~0.38，均值為0.27；面積占比小于10%時，容積折算系數應取低值。
3.3 不同年徑流總量控制率對排水系統提標的作用
以排水系統20.1%面積地塊非集中建設海綿城市設施，分析地塊不同年徑流總量控制率對系統提標的影響。
結果如圖5所示。排水系統提標的作用與控制降雨量顯著相關。當地塊年徑流總量控制率大于等于65%時，容積換算系數范圍為0.32~0.44，均值約0.38；當地塊年徑流總量控制率小于65%時，容積換算系數范圍為0.19~0.25，均值約0.22。
3.4 調蓄設施的提標差異
選擇一源頭地塊，根據海綿城市年徑流總量控制率70%建設要求計算調蓄量320m3，分別設置生物滯留設施和調蓄設施，以分析其對地塊提標的差異。
結果表明，調蓄設施峰值流量為1.58m3/s，生物滯留設施峰值流量為0.99 m3/s（如圖6所示）。由模擬結果可知，調蓄設施削峰效果比生物滯留設施削峰效果差，其削峰能力、容積利用能力約為生物滯留設施的63%，主要與生物滯留設施底部結構層的滯蓄作用相關。
3.5 智能型調蓄設施的提標差異
考慮將調蓄設施設為智能型調蓄設施，管道滿流時設施進水。現狀5年一遇降雨下系統總積水量為7043.9m3，按積水量布置調蓄設施，總調蓄量為7000 m3。根據模擬結果，設置智能型調蓄設施后，系統積水量為1011.1 m3，積水控制率為85.65%，容積折算系數為0.86。
4 方法提出
4.1 海綿城市設施與提標調蓄設施容積的換算方法
根據海綿城市設施調蓄容量計算方法，提出海綿城市設施與提標調蓄設施容積的換算方法如下：
式中 V——海綿城市設施換算成提標調蓄設施的容積，m3；
φn——不同類型的海綿城市設施換算成提標調蓄設施的容積換算系數。
Vn——不同類型海綿城市設施調蓄總容積，m3；
Vi——單一海綿城市設施的面積或調蓄總容積，m3，其中生物滯留設施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地和調節塘僅計算頂部蓄水空間的容積。
4.2 容積換算系數取值
4.2.1 取值范圍
考慮海綿城市設施的效果受運行維護影響較大，為保障系統排水安全，容積換算系數在模擬工況結果的基礎上取一定折減系數。折減后取值范圍如表7所示。
4.2.2 取值確定
根據分析結果，對于同一海綿城市設施，當排水系統中海綿服務總面積/排水系統面積≥10%，海綿城市設施所在地塊年徑流總量控制率≥65%時，容積折算系數可取高值。為保障系統排水安全，建議上述兩個限制條件同時滿足時取高值。
5 結論與討論
本研究以上海市典型排水系統為例，通過構建排水系統數學模型對提供調蓄容積類的海綿城市設施提標作用進行定量分析，明確提出了海綿城市設施與提標調蓄設施容積的換算方法，適用的海綿城市設施包括生物滯留設施（含滯蓄型植草溝）、雨水表流濕地、調節塘、雨水罐、延時調節設施、調蓄設施、智能型調蓄設施。值得注意的是，本研究基于排水系統開展研究，未論證海綿城市設施對鄰近排水系統的提標作用，因而本研究提出的海綿城市設施換算原則上僅適用于對應的服務排水系統范圍。本方法將加快上海市雨水排水系統建設與海綿城市建設融合提供重要技術參考。
需要說明的是，利用海綿城市設施進行提標，并不是降低雨水管道的標準。新建排水系統和已建排水系統中的新建管道，均應嚴格按照《室外排水設計標準》（GB 50014-2021）中提出的雨水管渠設計重現期進行建設；對于已建雨水管渠的提標，可采用綜合的措施，確保雨水管渠滿足設計重現期下的排水能力要求。此外，應加大推廣智慧化建設，將調蓄設施納入城市排水系統管理平臺統一調度，提升后期運行效率。
致謝：感謝上海市住房和城鄉建設管理委員會、上海市水務局、上海市排水管理事務中心等管理部門的大力支持和指導。
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