專家釋疑：海綿城市面對雨水徑流總量控制困惑與質(zhì)疑的闡述

總結(jié)美國雨水管理的發(fā)展歷程、總量控制率指標及其分析方法等可知，首先，總量控制是基于傳統(tǒng)峰值流量控制設施在控制徑流污染、恢復自然水文狀態(tài)上的不足提出來的，但恢復自然水文狀態(tài)與徑流污染控制兩個出發(fā)點并不沖突，因為兩者有著共同的重要實現(xiàn)途徑——徑流體積控制。

其次，“降雨(雨量或場次)-徑流”是相互依托的，彼此可通過“降雨-徑流”計算或降雨統(tǒng)計分析計算進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，即無論基于徑流污染控制，還是自然水文狀態(tài)恢復，年徑流總量控制率、年降雨場次控制率和年雨量控制率均可以作為其評價指標。

雨水徑流控制目標與各控制率指標之間的關系如圖1所示。

需特別指出，國內(nèi)外的研究和長期的發(fā)展都一致的是，洪澇控制是一個傳統(tǒng)的老話題，也是各國、各城市一直都在努力的重大領域，而且都有相對明確的規(guī)范標準、專項規(guī)劃、技術體系等。隨著人們對雨洪綜合性問題認識的不斷深入和提高，增加并強化了對徑流污染總量控制的研究和考慮，這絕不意味就不重視暴雨峰值及其帶來的洪澇控制，這應該是一個基本的常識和認知，決不可將兩者對立起來，或厚此薄彼。

1.2基本定義

“指南”中“年徑流總量控制率”實為年雨量控制率�？紤]年雨量控制率這一表述易讓人產(chǎn)生“人工控制降雨”和“人定勝天”的歧義，“指南”中術語選擇了“年徑流總量控制率”。事實上，在工程實踐過程中，該指標的落實是通過控制降雨產(chǎn)生的徑流來實現(xiàn)的，相關雨水設施的規(guī)模也可按照設計降雨量標準通過徑流體積計算確定，即實際工程控制的仍是徑流，只是統(tǒng)計分析的是雨量。

此外，雖然從數(shù)值上選擇了多年降雨資料統(tǒng)計得出的年雨量控制率，針對的是維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率，由上述可知，與另一出發(fā)點——控制徑流污染并不沖突，但是，若從徑流污染控制目標出發(fā)，還應依據(jù)受納水體的水環(huán)境容量、徑流污染控制的總體要求具體確定年雨量控制率指標。

“指南”“年徑流總量控制率”術語中的“控制”指的是“總量控制”，即包括徑流污染物總量和徑流體積。對于具有底部出流的生物滯留設施、延時調(diào)節(jié)塘等，如圖2所示，雨水主要通過滲濾、排空時間Td控制(延時排放以增加SS停留時間)實現(xiàn)污染物總量控制，雨水未直接外排，而是經(jīng)處理達到一定效果后外排，由于徑流污染控制是總量控制的重要內(nèi)容，故該情形也屬于總量控制的范疇。

對于“不外排”，事實上，從國際上被廣泛認知的基本水文循環(huán)看，自然狀態(tài)下80%~90%的雨水通過入滲、蒸發(fā)/蒸騰進入良性水文循環(huán)，而只有10%左右形成地表徑流排出匯水區(qū)域，即絕大部分的雨水實際上就是應該“不外排”，這恰恰就是自然條件下真正海綿的作用，也恰恰是入滲的40%左右的雨水在一定條件可形成壤中流、地下徑流，進而流出地表或形成河道基流，加上地表徑流及綠色海綿保持、延緩出流的徑流，構筑千萬條大大小小的溪流河川，最終進入海洋，這也是一個基本的水文常識。

但是，在實際條件，尤其在城市化一些具體條件下，簡單說“不外排”容易產(chǎn)生誤解和歧義，因此，實踐中，應根據(jù)實際條件和目標合理選擇入滲、集蓄利用、水質(zhì)處理(過濾、沉淀)等方式控制徑流雨水，不應死板、片面的理解和追求“不外排”，在一些特定條件，需要通過合理的設計，實現(xiàn)“處理后外排”。

綜上，年雨量控制率(Precipitation Volume Capture Ratio，PVCR)、年降雨場次控制率(Rainfall Event Capture Ratio，RECR)和年徑流總量控制率(Runoff Volume Capture Ratio，RVCR)其實是相通的，可分別用式(1)~(3)表示。

PVCR=1-Pto/Ptr(1)

RECR=1-Eto/Etr(2)

RVCR=1-Vto/Vtr(3)

式中Pto——總溢流雨量;

Ptr——形成徑流的降雨場次的總降雨量;

Eto——產(chǎn)生溢流的降雨場次數(shù);

Etr——形成徑流的總降雨場次數(shù);

Vto——總溢流體積;

Vtr——總徑流體積。

1.3分區(qū)依據(jù)

考慮不同地區(qū)在氣候、開發(fā)前自然植被狀態(tài)下降雨產(chǎn)流率上的差異，及工程可實施性、經(jīng)濟合理性等因素，按年雨量控制率將我國大陸地區(qū)劃分為五個分區(qū)，如圖3所示。

美國農(nóng)業(yè)部的研究表明，城市開發(fā)前自然條件下只有10%的降雨產(chǎn)生徑流，我國《室外排水設計規(guī)范》對公園綠地的流量徑流系數(shù)定義為0.1~0.2，綜合考慮，將城市開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為15%(相應的降雨總量控制率為85%)，并以此作為分區(qū)的依據(jù)之一。

事實上，開發(fā)前的降雨產(chǎn)流狀態(tài)與當?shù)貧夂蛱卣鳌⑼寥罈l件、植被條件及水文地質(zhì)特征等密切相關，應經(jīng)過實測分析與模型連續(xù)計算等論證后合理確定�？紤]到我國城市的具體情況和差別，《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見(國辦發(fā)[2015]75號)》將指標定為70%。

需指出的是，位于不同分區(qū)的城市，不同控制率對應的設計降雨量差異較大，如表2、表3所示;其中，若以85%年雨量控制率為例，按照其對應的設計降雨量不同可將我國分為六個區(qū)，如表4所示。

此并進一步考慮，雖然分區(qū)考慮了多方面因素，但仍難以全面顧及具體城市、項目的巨大差異，所以，《指南》中指出，各地只能參照此限值，因地制宜的確定本地區(qū)的總量控制目標。

實踐中，在不脫離總量控制在控制徑流污染、恢復自然水文狀態(tài)的主要功能、職責的基礎上，應結(jié)合實際雨水問題及項目條件，因地制宜確定總量控制目標，不宜一刀切，或簡單的套用分區(qū)對應的控制率取值。

1.4與美國95%年降雨場次控制率目標的比較

上述可知，同樣以恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)為出發(fā)點，美國EPA針對聯(lián)邦項目，在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一采用95%的年降雨場次控制率作為控制目標，而“指南”采用的是年雨量控制率，且進行了分區(qū)。以部分城市為例，采用同樣的降雨統(tǒng)計方法，85%年雨量控制率與95%年降雨場次控制率對應的設計降雨量如表5所示，可知，前者對應的設計降雨量小于后者，即若采用美國的標準，將高于“指南”標準。

但如前所述，場次控制率和雨量控制率并無原則上的區(qū)別，內(nèi)涵是一致的，最終是為了徑流體積和污染物總量控制，因此，可根據(jù)使用方便，靈活選擇，比如，對應合流制溢流次數(shù)控制，降雨場次控制率用起來更為直接。

實際工程落地效果的影響因素

2.1如何工程落地

2.1.1工程措施

如前所述，雨水總量控制的目的在于控制徑流污染、減少徑流體積排放(恢復自然水文狀態(tài))，即總量控制的實施途徑除了雨水入滲(回補地下水、維持地下徑流及補充河道基流)和集蓄回用，同時增加雨水蒸發(fā)(騰)量，以最大程度恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)外，具有徑流污染控制功能的滲濾、延時調(diào)節(jié)、CSO調(diào)蓄、城市天然內(nèi)河湖泊調(diào)蓄等水質(zhì)處理方式，皆可根據(jù)實際運行效果納入總量控制的范疇，且對每個城市、片區(qū)和項目，入滲、集蓄回用、水質(zhì)處理三部分的比例應根據(jù)其開發(fā)前的水文條件、土壤與地下水條件、突出問題、主要目標及其經(jīng)濟性等因素綜合確定。

需注意的是，相比末端集中控制設施，源頭分散生態(tài)設施在控制初期雨水徑流污染上更具優(yōu)勢，因此，新建城區(qū)應優(yōu)先通過源頭徑流控制進行總量減排達標，老城區(qū)條件不足時，可結(jié)合部分相對末端的調(diào)蓄設施綜合達標，總而言之，應該通過不同方案的技術經(jīng)濟比較，來合理確定設施的分散與集中的分配和布局關系。

2.1.2指標分解

上述可知，美國共有30個州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率或水質(zhì)控制容積的體積控制標準，這些標準主要以手冊(具有規(guī)范標準的作用)或雨水排放許可的形式得以落地。目前，我國該指標的落地主要通過規(guī)劃，以總量控制率指標分解的方式得以落地，如各地正在編制的海綿城市專項規(guī)劃;在工程項目層面，國家層面的綠色建筑評價標準和雨水控制利用相關地方標準也提出了相應的指標要求。

但在工程實踐中，需要考慮具體項目的改造難度，解決和平衡綠色與灰色、地上與地下、分散和集中設施的關系，以達到效益最優(yōu)，因此，無論規(guī)劃層面還是工程項目層面，不宜簡單、一刀切、絕對化的提出“透水鋪裝率”、“下沉式綠地率”、“綠色屋頂率”等具體到單項設施的硬性指標要求，一定要考慮指標落地的可操作性和經(jīng)濟合理性，給工程設計階段留出方案優(yōu)化的余地。

關于指標分解方法，可采用控制率與面積加權平均的方法，或結(jié)合模型模擬進行分解。關于地塊指標賦值，對于老城區(qū)，應根據(jù)實地調(diào)研，結(jié)合場地條件等確定;對于新區(qū)，應根據(jù)不同類型用地的開發(fā)強度，考慮指標可達性，并兼顧公平性原則等確定，以便于進行規(guī)劃管控與雨水排放管理制度的實施。

2.2實際降雨

雨水設施的實際徑流控制效果與降雨間隔時間、降雨雨型與強度、匯水面不透水率、雨水設施規(guī)模與排空時間等密切相關。

匯水面特征及設施特征一定的情況下，降雨特征成為影響工程總量控制效果的關鍵因素，首先是連續(xù)場降雨(間隔時間短)對設施的沖擊。

“指南”中年雨量控制率統(tǒng)計分析采用的是前后兩日20時至20時的24小時降雨量，美國采用的是凌晨12:00:00，至晚上11:59:59，但皆非場降雨的概念，事實上24小時降雨可能是一場雨、多場降雨，且存在人為的將跨越20時的一場連續(xù)降雨劃分為兩場的情形，這取決于場降雨的定義，如圖4所示，若以最小降雨間隔時間(無雨時間)T作為場降雨的劃分標準(兩場降雨的間隔時間t≥T時，視為兩場降雨;t

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24小時(20時～20時)降雨數(shù)據(jù)為例，按最小降雨間隔時間T分別為6 h、12 h、24 h進行場次劃分，扣除小于等于2 mm的降雨量/場次，結(jié)果如表6所示。

關于設施排空時間，以延時調(diào)節(jié)設施為例，其水質(zhì)控制容積的排空時間應根據(jù)一定SS去除率需要的沉淀時間確定，研究表明，當排空時間為12 h時，延時調(diào)節(jié)池的年SS總量去除率可達到65%，排空時間40 h對應的去除率則達到82%。

Urbonas等推薦雨水滲透設施的排空時間宜為12 h，雨水砂濾池的排空時間宜為24 h，延時調(diào)節(jié)池的排空時間宜為24～48 h，濕塘的排空時間宜為12 h。

另一影響設施徑流控制效果的降雨因素是場降雨的雨型與強度。以降雨量基本相同，雨型與強度不同的4場實際降雨為例，通過SWMM模型計算雨水花園的入流、入滲及溢流過程，主要模型參數(shù)包括匯水面參數(shù)：總面積5 hm2，不透水率74.1%，不透水匯水面洼蓄量2 mm，透水匯水面洼蓄量12 mm;霍頓入滲參數(shù)：最大入滲率18 mm/h，最小下滲率1.8 mm/h，衰減系數(shù)4，干期7 d;雨水花園參數(shù)：面積2 750 m2，占總面積比例為5.5%，蓄水層深度250 mm，蓄水層容積688 m3，排空時間12 h。降雨事件及模擬結(jié)果如圖5、表7所示。

通過模擬結(jié)果可以看出，設施和匯水面特征一定的情況下，對于雨量基本相同的降雨，設施對雨強小且較均勻、雨峰靠前的降雨的徑流體積和雨量控制效果優(yōu)于雙雨峰及雨峰靠后的降雨，原因在于，雨水滲透設施的入滲過程、調(diào)節(jié)設施的底部出流過程，以及設施的溢流過程皆是動態(tài)變化的，受雨水設施的入流過程，即匯水面的產(chǎn)匯流過程直接影響，而根本還是受降雨的影響。

此外，設計降雨量一定的情況下，采用容積法與給定雨型下的模型計算法計算得到的設施容積也不同，原因在于，與模型計算法不同，容積法采用雨量徑流系數(shù)對匯水面的產(chǎn)流過程進行了概化，忽略了匯水面的“植物截留-入滲-洼蓄”產(chǎn)流過程是隨降雨過程動態(tài)變化的。但雨量徑流系數(shù)、植物截留量、入滲率、洼蓄量層等參數(shù)取值合理的情況下，兩者的計算結(jié)果差別不大，如在此案例中，根據(jù)模型計算結(jié)果，設施的設計降雨量約為26.5 mm，而按照容積法進行計算，設計降雨量為25.1 mm，如表7所示。

2.3工程設施規(guī)模確定方法

2.3.1基于模型連續(xù)計算

以北京1986～2015年30年逐分鐘降雨數(shù)據(jù)為例，利用SWMM模型計算不同規(guī)模的雨水花園對年雨量、降雨場次、徑流總量的控制效果如圖6所示，SWMM建模同上。

2.3.2基于降雨統(tǒng)計分析

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24 h(20時～20時)降雨數(shù)據(jù)為例，分別對24 h降雨數(shù)據(jù)，逐分鐘降雨按最小降雨間隔時間T分別為6 h、12 h、24 h劃分場降雨后的場降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到設計降雨量與年雨量控制率、年降雨場次控制率的關系如圖7所示。

2.3.3兩個方法比較

由圖6可知，根據(jù)模型連續(xù)計算法，當雨水花園蓄水層容積為688 m3時，年雨量控制率約為82%。如前所述，分別按SWMM模型(特定雨型)和容積法計算，該規(guī)模的雨水花園對應的設計降雨量分別為26.5 mm和25.1 mm;而根據(jù)對場降雨數(shù)據(jù)(T=12 h)和24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，如圖7所示，設計降雨量26.5 mm、25.1 mm對應的年雨量控制率分別約為76%、79%和71%、73%，與82%的模型連續(xù)計算結(jié)果存在差異。

上述差異同樣歸因于模型連續(xù)計算和降雨統(tǒng)計分析在方法上本質(zhì)的不同。模型模擬法基于匯水面產(chǎn)匯流過程、設施“入流-入滲/底部出流-溢流”過程的連續(xù)水文動態(tài)分析，可直接得到設施規(guī)模與總量控制率的關系，需要分鐘或小時精度的降雨數(shù)據(jù);而統(tǒng)計分析法針對的僅是場降雨量或24小時降雨量，不包含產(chǎn)匯流過程計算，而設施規(guī)模的確定，需根據(jù)統(tǒng)計分析得到的設計降雨量，采用容積法(合理化公式)、SWMM模型計算法(給定雨型)等確定。兩種方法的比較如表8所示。

目標優(yōu)化

3.1考慮經(jīng)濟性與極端暴雨的影響

根據(jù)北京近30年24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，設計降雨量與不同重現(xiàn)期1 h降雨量的關系如圖8所示，其中85%年雨量控制率對應的設計降雨量為33.6 mm，小于1年一遇1 h降雨量36 mm，對其他城市的計算結(jié)果相似，表明總量控制主要針對中小降雨。

但對于少數(shù)極端暴雨，由于雨量一般較大，對年雨量控制率統(tǒng)計結(jié)果的具有一定影響，因此，從總量控制針對中小降雨的特點考慮，統(tǒng)計過程中可扣除少數(shù)極端暴雨，如按雨量大小排序，扣除頻率小于0.5%的暴雨。

圖8設計降雨量與不同重現(xiàn)期1小時降雨量的關系根據(jù)對186個城市的統(tǒng)計結(jié)果，隨設計降雨量的持續(xù)增加，年雨量控制率的增加速率將低于設計降雨量的增加速率，當控制率的增加速率與平均增加速率相等時，可認為是最優(yōu)控制率點，如圖9所示。

分別以全部24 h降雨和扣除0.5%的極端暴雨的24 h降雨為例，計算186個城市的年雨量控制率的最優(yōu)值及相應的設計降雨量，結(jié)果如圖10所示，由圖可知，由于我國地區(qū)氣候差異較大，不同城市暴雨發(fā)生的頻率不同，導致設計降雨量的變化幅度較大，但最優(yōu)控制率分別在90%和85%上下浮動，集中在85%～95%、80%～90%，這也從經(jīng)濟性角度，表明將開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為85%是相對合理的。

3.2因地制宜

“指南”中的控制率分區(qū)圖僅提供了地區(qū)或城市層面總量控制目標的推薦值，實踐中，需要綜合考慮多方面因素確定。一方面，開發(fā)建設前的降雨徑流排放量與地表類型、土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋率等因素有關，應通過分析綜合確定開發(fā)前的徑流排放量，確定適宜的總量控制率。另一方面，要考慮當?shù)厮�資源稟賦情況、水環(huán)境與水生態(tài)問題及經(jīng)濟發(fā)展水平等因素。具體到地塊開發(fā)或建設項目，要結(jié)合本建筑密度、綠地率、雨水設施的利用效率及土地利用布局等因素確定。

目標考核

綜上所述，總量控制包括徑流體積、徑流污染物總量，工程設施的工作原理不同;總量控制率的統(tǒng)計方法包括降雨統(tǒng)計分析和模型連續(xù)計算，且特點不同;影響實際工程落地效果的因素包括降雨間隔時間、雨型與強度、匯水面不透水率、設施排空時間與規(guī)模等�？偭靠刂频囊陨咸攸c表明，總量控制目標的考核不能通過幾場降雨的監(jiān)測，根據(jù)設計降雨量標準下區(qū)域總排口是否“不外排”等方法進行，較為合理的方法有以下兩種。

4.1圖紙審核與工程踏勘

由降雨統(tǒng)計分析方法可知，按照設計降雨量進行設計的工程措施應具備相應的控制容積、排空時間、匯水面積，這要求設施規(guī)模、豎向和種植土(生態(tài)設施)配比設計等應合理，因此，通過對工程施工圖和落地工程的上述內(nèi)容進行審核、踏勘、測試(土壤滲透性等)，即可判斷是否達到總量控制目標。

4.2模型連續(xù)計算

對應模型連續(xù)計算方法，對匯水區(qū)范圍進行建模，并利用實際工程中典型設施或區(qū)域?qū)嶋H降雨下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進行率定和驗證后，再對近30年分鐘或小時降雨數(shù)據(jù)進行連續(xù)模擬，也可評估是否達到總量控制目標，但不能過分強調(diào)或全面要求通過監(jiān)測進行目標考核。

總結(jié)與建議

(1)雨水徑流總量控制主要基于徑流污染控制和恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)，徑流體積控制是關鍵實現(xiàn)途徑。

(2)雨水徑流總量控制目標的確定應基于問題導向，綜合考慮經(jīng)濟性、極端暴雨的影響、區(qū)域或具體項目條件等因素。考慮總量控制工程設施的原理、影響因素不同，目標的考核可采用施工圖審核與工程踏勘、模型連續(xù)計算兩種方法進行。

(3)雨水設施規(guī)模的確定方法可基于降雨統(tǒng)計分析或模型連續(xù)計算，采用降雨統(tǒng)計分析法時，若具備分鐘或小時精度的降雨數(shù)據(jù)，宜按照落地工程的排空時間，進行降雨場次劃分后進行。

(4)總量控制的實施應加強水文數(shù)據(jù)的共享和研究，為目標和工程設施規(guī)模的確定、目標考核等提供支撐，還應加強SWMM等基礎模型的規(guī)范化應用，綜合保障總量控制目標的合理確定與有效落地。

原文標題：雨水徑流總量控制目標確定與落地的若干問題探討，作者：王文亮，李俊奇，車伍，林翔，馬京津，楊擎柱，刊登在《給水排水》2016年10期。

車伍等《給水排水》撰文：對年徑流總量控制率等“海綿城市”指標、一些困惑的釋疑！

摘要

徑流污染控制和開發(fā)前自然水文狀態(tài)恢復是雨水徑流總量控制的出發(fā)點，徑流體積控制是關鍵途徑�？偭靠刂瓢�括徑流體積和徑流污染物總量，工程設施的工作原理不同，影響實際工程落地效果的因素包括降雨間隔時間與雨型、匯水面不透水率、設施排空時間與規(guī)模等。設施規(guī)模的確定基于降雨統(tǒng)計分析和模型連續(xù)計算，應根據(jù)降雨數(shù)據(jù)精度與方法各自的特點進行選擇。實踐中應考慮經(jīng)濟性、極端暴雨影響等，因地制宜地確定總量控制目標。總量控制目標的考核方式包括施工圖審核與工程踏勘和模型連續(xù)計算。期望為我國雨水徑流總量控制目標更科學、有效地落地提供指導。

前言

2014年10月《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）》（以下簡稱“指南”）發(fā)布至今，成為全國各城市進行海綿城市規(guī)劃建設的重要技術參考文件。隨著海綿城市相關研究和工程實踐不斷深入，行業(yè)內(nèi)及相關行業(yè)對“指南”中涉及的重要目標之一——雨水徑流總量控制仍存有較多困惑甚至質(zhì)疑，比如，總量控制的目標僅是為了解決徑流污染，總量減排就是通過入滲和回用實現(xiàn)“不外排”，我國總量控制目標定得偏高，指標要分解到單項設施，模型計算法比容積法更準確，總量減排會造成河道干涸，總量減排影響因素多、無法考核，海綿城市只考慮總量控制，不考慮峰值、暴雨洪澇控制，等等。針對這些困惑和質(zhì)疑，本文特別進行闡述和釋疑，以期為該目標更科學、有效地落地提供參考。

關于“指南”中“年徑流總量控制率目標區(qū)域劃分”

1.1

徑流污染控制與恢復自然水文狀態(tài)的關系

美國于1972年修訂《清潔水法》并試行“國家污染排放許可制度（NPDES）”以后，逐漸開始關注雨水徑流污染帶來的水環(huán)境問題。美國環(huán)保局（EPA）于1976主持完成了全國合流制溢流和城市雨水徑流排放評價項目，隨后，在1979～1983年期間，主持開展了全國性城市徑流項目，為國家制定相關雨水管理政策提供了重要數(shù)據(jù)支撐，1987年，美國國會對《清潔水法》進行修訂，將城市雨水徑流由面源定義為點源，將城市雨水納入NPDES管轄范圍。

在1983年完成的全國性合流制溢流和城市雨水徑流排放評價項目中，EPA利用STORM模型連續(xù)模擬（25年小時降雨量數(shù)據(jù)）的方法，首次借助“年徑流（體積）總量控制率”、“年雨量控制率”指標，對“調(diào)節(jié)-處理”系統(tǒng)控制CSO次數(shù)及污染物總量、徑流污染物總量的效果及成本等進行了系統(tǒng)的量化評估。

1989年，Ben Urbonas,P.L.與James C.Y.Guo通過逐場降雨的“降雨-徑流”計算（25年小時降雨量數(shù)據(jù)），借助“年徑流總量控制率”和“年降雨場次控制率”指標，首次提出了延時調(diào)節(jié)塘（Extended Detention Pond）水質(zhì)控制容積（Water Quality Control Volume，WQCv）的優(yōu)化確定方法，后被廣泛用來確定源頭LID設施的規(guī)模。

2009年，美國環(huán)保局發(fā)布《聯(lián)邦項目暴雨管理技術指南》，指出了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)塘等峰值控制設施在控制高頻率中小降雨的峰值流量、徑流體積及徑流歷時上的不足，指出可通過統(tǒng)計分析95%降雨場次率對應的24小時降雨量，或采用模型連續(xù)模擬、文獻查閱等方法對開發(fā)前水文條件進行評估，以確定總量控制目標及LID、GI設施的滯蓄容積，并提出通過雨水滲透、蒸發(fā)和集蓄利用，實現(xiàn)徑流歷時、流量及體積等恢復到開發(fā)前自然水文狀態(tài)。

 

截至2011年，美國共有30個州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率及水質(zhì)控制容積的雨水滯蓄（retention）和水質(zhì)處理（treatment）體積控制標準。

 

2014年，作者以維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率與控制徑流污染為出發(fā)點，通過統(tǒng)計分析全國大陸地區(qū)186個城市30年（1983年～2012年）24小時（20時～20時）降雨量數(shù)據(jù)的方法，得到年雨量控制率及其對應的24小時雨量（設計降雨量），并綜合各因素，給出了年雨量控制率指標分區(qū)圖以及各分區(qū)的控制率取值推薦范圍，以指導不同城市確定總量控制目標。

回顧上述美國及我國雨水徑流總量控制的里程碑事件，如表1所示。

總結(jié)美國雨水管理的發(fā)展歷程、總量控制率指標及其分析方法等可知，首先，總量控制是基于傳統(tǒng)峰值流量控制設施在控制徑流污染、恢復自然水文狀態(tài)上的不足提出來的，但恢復自然水文狀態(tài)與徑流污染控制兩個出發(fā)點并不沖突，因為兩者有著共同的重要實現(xiàn)途徑——徑流體積控制。其次，“降雨（雨量或場次）-徑流”是相互依托的，彼此可通過“降雨-徑流”計算或降雨統(tǒng)計分析計算進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，即無論基于徑流污染控制，還是自然水文狀態(tài)恢復，年徑流總量控制率、年降雨場次控制率和年雨量控制率均可以作為其評價指標。

雨水徑流控制目標與各控制率指標之間的關系如圖1所示。

需特別指出，國內(nèi)外的研究和長期的發(fā)展都一致的是，洪澇控制是一個傳統(tǒng)的老話題，也是各國、各城市一直都在努力的重大領域，而且都有相對明確的規(guī)范標準、專項規(guī)劃、技術體系等。隨著人們對雨洪綜合性問題認識的不斷深入和提高，增加并強化了對徑流污染總量控制的研究和考慮，這絕不意味就不重視暴雨峰值及其帶來的洪澇控制，這應該是一個基本的常識和認知，決不可將兩者對立起來，或厚此薄彼。

1.2

基本定義

“指南”中“年徑流總量控制率”實為年雨量控制率。考慮年雨量控制率這一表述易讓人產(chǎn)生“人工控制降雨”和“人定勝天”的歧義，“指南”中術語選擇了“年徑流總量控制率”。事實上，在工程實踐過程中，該指標的落實是通過控制降雨產(chǎn)生的徑流來實現(xiàn)的，相關雨水設施的規(guī)模也可按照設計降雨量標準通過徑流體積計算確定，即實際工程控制的仍是徑流，只是統(tǒng)計分析的是雨量。

 

此外，雖然從數(shù)值上選擇了多年降雨資料統(tǒng)計得出的年雨量控制率，針對的是維持城市開發(fā)前自然狀態(tài)下的降雨地表產(chǎn)流率，由上述可知，與另一出發(fā)點——控制徑流污染并不沖突，但是，若從徑流污染控制目標出發(fā)，還應依據(jù)受納水體的水環(huán)境容量、徑流污染控制的總體要求具體確定年雨量控制率指標。

 

“指南”“年徑流總量控制率”術語中的“控制”指的是“總量控制”，即包括徑流污染物總量和徑流體積。對于具有底部出流的生物滯留設施、延時調(diào)節(jié)塘等，如圖2所示，雨水主要通過滲濾、排空時間Td控制（延時排放以增加SS停留時間）實現(xiàn)污染物總量控制，雨水未直接外排，而是經(jīng)處理達到一定效果后外排，由于徑流污染控制是總量控制的重要內(nèi)容，故該情形也屬于總量控制的范疇。對于“不外排”，事實上，從國際上被廣泛認知的基本水文循環(huán)看，自然狀態(tài)下80%~90%的雨水通過入滲、蒸發(fā)/蒸騰進入良性水文循環(huán)，而只有10%左右形成地表徑流排出匯水區(qū)域，即絕大部分的雨水實際上就是應該“不外排”，這恰恰就是自然條件下真正海綿的作用，也恰恰是入滲的40%左右的雨水在一定條件可形成壤中流、地下徑流，進而流出地表或形成河道基流，加上地表徑流及綠色海綿保持、延緩出流的徑流，構筑千萬條大大小小的溪流河川，最終進入海洋，這也是一個基本的水文常識。

 

但是，在實際條件，尤其在城市化一些具體條件下，簡單說“不外排”容易產(chǎn)生誤解和歧義，因此，實踐中，應根據(jù)實際條件和目標合理選擇入滲、集蓄利用、水質(zhì)處理（過濾、沉淀）等方式控制徑流雨水，不應死板、片面的理解和追求“不外排”，在一些特定條件，需要通過合理的設計，實現(xiàn)“處理后外排”。

綜上，年雨量控制率（Precipitation Volume Capture Ratio，PVCR）、年降雨場次控制率（Rainfall Event Capture Ratio，RECR）和年徑流總量控制率（Runoff Volume Capture Ratio，RVCR）其實是相通的，可分別用式（1）~（3）表示。

PVCR=1-Pto/Ptr（1）

RECR=1-Eto/Etr（2）

RVCR=1-Vto/Vtr（3）

式中Pto——總溢流雨量；

Ptr——形成徑流的降雨場次的總降雨量；

Eto——產(chǎn)生溢流的降雨場次數(shù)；

Etr——形成徑流的總降雨場次數(shù)；

Vto——總溢流體積；

Vtr——總徑流體積。

1.3

分區(qū)依據(jù)

考慮不同地區(qū)在氣候、開發(fā)前自然植被狀態(tài)下降雨產(chǎn)流率上的差異，及工程可實施性、經(jīng)濟合理性等因素，按年雨量控制率將我國大陸地區(qū)劃分為五個分區(qū)，如圖3所示。美國農(nóng)業(yè)部的研究表明，城市開發(fā)前自然條件下只有10%的降雨產(chǎn)生徑流，我國《室外排水設計規(guī)范》對公園綠地的流量徑流系數(shù)定義為0.1~0.2，綜合考慮，將城市開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為15%（相應的降雨總量控制率為85%），并以此作為分區(qū)的依據(jù)之一。事實上，開發(fā)前的降雨產(chǎn)流狀態(tài)與當?shù)貧夂蛱卣�、土壤條件、植被條件及水文地質(zhì)特征等密切相關，應經(jīng)過實測分析與模型連續(xù)計算等論證后合理確定�？紤]到我國城市的具體情況和差別，《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見（國辦發(fā)［2015］75號）》將指標定為70%。

需指出的是，位于不同分區(qū)的城市，不同控制率對應的設計降雨量差異較大，如表2、表3所示；其中，若以85%年雨量控制率為例，按照其對應的設計降雨量不同可將我國分為六個區(qū)，如表4所示。由此并進一步考慮，雖然分區(qū)考慮了多方面因素，但仍難以全面顧及具體城市、項目的巨大差異，所以，《指南》中指出，各地只能參照此限值，因地制宜的確定本地區(qū)的總量控制目標。實踐中，在不脫離總量控制在控制徑流污染、恢復自然水文狀態(tài)的主要功能、職責的基礎上，應結(jié)合實際雨水問題及項目條件，因地制宜確定總量控制目標，不宜一刀切，或簡單的套用分區(qū)對應的控制率取值。

1.4

與美國95%年降雨場次控制率目標的比較

上述可知，同樣以恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)為出發(fā)點，美國EPA針對聯(lián)邦項目，在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一采用95%的年降雨場次控制率作為控制目標，而“指南”采用的是年雨量控制率，且進行了分區(qū)。以部分城市為例，采用同樣的降雨統(tǒng)計方法，85%年雨量控制率與95%年降雨場次控制率對應的設計降雨量如表5所示，可知，前者對應的設計降雨量小于后者，即若采用美國的標準，將高于“指南”標準。

但如前所述，場次控制率和雨量控制率并無原則上的區(qū)別，內(nèi)涵是一致的，最終是為了徑流體積和污染物總量控制，因此，可根據(jù)使用方便，靈活選擇，比如，對應合流制溢流次數(shù)控制，降雨場次控制率用起來更為直接。

實際工程落地效果的影響因素

2.1

如何工程落地

2.1.1工程措施

如前所述，雨水總量控制的目的在于控制徑流污染、減少徑流體積排放（恢復自然水文狀態(tài)），即總量控制的實施途徑除了雨水入滲（回補地下水、維持地下徑流及補充河道基流）和集蓄回用，同時增加雨水蒸發(fā)（騰）量，以最大程度恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)外，具有徑流污染控制功能的滲濾、延時調(diào)節(jié)、CSO調(diào)蓄、城市天然內(nèi)河湖泊調(diào)蓄等水質(zhì)處理方式，皆可根據(jù)實際運行效果納入總量控制的范疇，且對每個城市、片區(qū)和項目，入滲、集蓄回用、水質(zhì)處理三部分的比例應根據(jù)其開發(fā)前的水文條件、土壤與地下水條件、突出問題、主要目標及其經(jīng)濟性等因素綜合確定。

 

需注意的是，相比末端集中控制設施，源頭分散生態(tài)設施在控制初期雨水徑流污染上更具優(yōu)勢，因此，新建城區(qū)應優(yōu)先通過源頭徑流控制進行總量減排達標，老城區(qū)條件不足時，可結(jié)合部分相對末端的調(diào)蓄設施綜合達標，總而言之，應該通過不同方案的技術經(jīng)濟比較，來合理確定設施的分散與集中的分配和布局關系。

2.1.2指標分解

上述可知，美國共有30個州提出了基于場次控制率、徑流體積控制率或水質(zhì)控制容積的體積控制標準，這些標準主要以手冊（具有規(guī)范標準的作用）或雨水排放許可的形式得以落地。目前，我國該指標的落地主要通過規(guī)劃，以總量控制率指標分解的方式得以落地，如各地正在編制的海綿城市專項規(guī)劃；在工程項目層面，國家層面的綠色建筑評價標準和雨水控制利用相關地方標準也提出了相應的指標要求。

 

但在工程實踐中，需要考慮具體項目的改造難度，解決和平衡綠色與灰色、地上與地下、分散和集中設施的關系，以達到效益最優(yōu)，因此，無論規(guī)劃層面還是工程項目層面，不宜簡單、一刀切、絕對化的提出“透水鋪裝率”、“下沉式綠地率”、“綠色屋頂率”等具體到單項設施的硬性指標要求，一定要考慮指標落地的可操作性和經(jīng)濟合理性，給工程設計階段留出方案優(yōu)化的余地。

 

關于指標分解方法，可采用控制率與面積加權平均的方法，或結(jié)合模型模擬進行分解。關于地塊指標賦值，對于老城區(qū)，應根據(jù)實地調(diào)研，結(jié)合場地條件等確定；對于新區(qū)，應根據(jù)不同類型用地的開發(fā)強度，考慮指標可達性，并兼顧公平性原則等確定，以便于進行規(guī)劃管控與雨水排放管理制度的實施。

2.2

實際降雨

雨水設施的實際徑流控制效果與降雨間隔時間、降雨雨型與強度、匯水面不透水率、雨水設施規(guī)模與排空時間等密切相關。

 

匯水面特征及設施特征一定的情況下，降雨特征成為影響工程總量控制效果的關鍵因素，首先是連續(xù)場降雨（間隔時間短）對設施的沖擊。“指南”中年雨量控制率統(tǒng)計分析采用的是前后兩日20時至20時的24小時降雨量，美國采用的是凌晨12:00:00，至晚上11:59:59，但皆非場降雨的概念，事實上24小時降雨可能是一場雨、多場降雨，且存在人為的將跨越20時的一場連續(xù)降雨劃分為兩場的情形，這取決于場降雨的定義，如圖4所示，若以最小降雨間隔時間（無雨時間）T作為場降雨的劃分標準（兩場降雨的間隔時間t≥T時，視為兩場降雨；t＜T時，視為一場降雨），共有3場降雨，若將20時～20時內(nèi)的降雨作為一場降雨，則共有4場降雨。由此可知，以24小時降雨量進行年雨量控制率的統(tǒng)計分析，忽略了不同間隔時間的場降雨事件對設施控制效果的影響，解決該問題，可按最小降雨間隔時間T進行場降雨劃分，而T的取值可選擇不小于雨水設施的排空時間Td，如圖4所示，這樣得到的年均雨量控制率與設計降雨量的量化關系更符合雨水設施在實際降雨下的運行狀況，當然，場降雨劃分對降雨數(shù)據(jù)的精度要求較高，至少為小時精度。

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24小時（20時～20時）降雨數(shù)據(jù)為例，按最小降雨間隔時間T分別為6 h、12 h、24 h進行場次劃分，扣除小于等于2 mm的降雨量/場次，結(jié)果如表6所示。

關于設施排空時間，以延時調(diào)節(jié)設施為例，其水質(zhì)控制容積的排空時間應根據(jù)一定SS去除率需要的沉淀時間確定，研究表明，當排空時間為12 h時，延時調(diào)節(jié)池的年SS總量去除率可達到65%，排空時間40 h對應的去除率則達到82%。

 

Urbonas等推薦雨水滲透設施的排空時間宜為12 h，雨水砂濾池的排空時間宜為24 h，延時調(diào)節(jié)池的排空時間宜為24～48 h，濕塘的排空時間宜為12 h。

 

另一影響設施徑流控制效果的降雨因素是場降雨的雨型與強度。以降雨量基本相同，雨型與強度不同的4場實際降雨為例，通過SWMM模型計算雨水花園的入流、入滲及溢流過程，主要模型參數(shù)包括匯水面參數(shù)：總面積5 hm²，不透水率74.1%，不透水匯水面洼蓄量2 mm，透水匯水面洼蓄量12 mm；霍頓入滲參數(shù)：最大入滲率18 mm/h，最小下滲率1.8 mm/h，衰減系數(shù)4，干期7 d；雨水花園參數(shù)：面積2 750 m²，占總面積比例為5.5%，蓄水層深度250 mm，蓄水層容積688 m³，排空時間12 h。降雨事件及模擬結(jié)果如圖5、表7所示。

通過模擬結(jié)果可以看出，設施和匯水面特征一定的情況下，對于雨量基本相同的降雨，設施對雨強小且較均勻、雨峰靠前的降雨的徑流體積和雨量控制效果優(yōu)于雙雨峰及雨峰靠后的降雨，原因在于，雨水滲透設施的入滲過程、調(diào)節(jié)設施的底部出流過程，以及設施的溢流過程皆是動態(tài)變化的，受雨水設施的入流過程，即匯水面的產(chǎn)匯流過程直接影響，而根本還是受降雨的影響。

 

此外，設計降雨量一定的情況下，采用容積法與給定雨型下的模型計算法計算得到的設施容積也不同，原因在于，與模型計算法不同，容積法采用雨量徑流系數(shù)對匯水面的產(chǎn)流過程進行了概化，忽略了匯水面的“植物截留-入滲-洼蓄”產(chǎn)流過程是隨降雨過程動態(tài)變化的。但雨量徑流系數(shù)、植物截留量、入滲率、洼蓄量層等參數(shù)取值合理的情況下，兩者的計算結(jié)果差別不大，如在此案例中，根據(jù)模型計算結(jié)果，設施的設計降雨量約為26.5 mm，而按照容積法進行計算，設計降雨量為25.1 mm，如表7所示。

2.3

工程設施規(guī)模確定方法

2.3.1基于模型連續(xù)計算

以北京1986～2015年30年逐分鐘降雨數(shù)據(jù)為例，利用SWMM模型計算不同規(guī)模的雨水花園對年雨量、降雨場次、徑流總量的控制效果如圖6所示，SWMM建模同上。

2.3.2基于降雨統(tǒng)計分析

以北京1986～2015年30年逐分鐘和24 h（20時～20時）降雨數(shù)據(jù)為例，分別對24 h降雨數(shù)據(jù)，逐分鐘降雨按最小降雨間隔時間T分別為6 h、12 h、24 h劃分場降雨后的場降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到設計降雨量與年雨量控制率、年降雨場次控制率的關系如圖7所示。

2.3.3兩個方法比較

由圖6可知，根據(jù)模型連續(xù)計算法，當雨水花園蓄水層容積為688 m³時，年雨量控制率約為82%。如前所述，分別按SWMM模型（特定雨型）和容積法計算，該規(guī)模的雨水花園對應的設計降雨量分別為26.5 mm和25.1 mm；而根據(jù)對場降雨數(shù)據(jù)（T=12 h）和24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，如圖7所示，設計降雨量26.5 mm、25.1 mm對應的年雨量控制率分別約為76%、79%和71%、73%，與82%的模型連續(xù)計算結(jié)果存在差異。

上述差異同樣歸因于模型連續(xù)計算和降雨統(tǒng)計分析在方法上本質(zhì)的不同。模型模擬法基于匯水面產(chǎn)匯流過程、設施“入流-入滲/底部出流-溢流”過程的連續(xù)水文動態(tài)分析，可直接得到設施規(guī)模與總量控制率的關系，需要分鐘或小時精度的降雨數(shù)據(jù)；而統(tǒng)計分析法針對的僅是場降雨量或24小時降雨量，不包含產(chǎn)匯流過程計算，而設施規(guī)模的確定，需根據(jù)統(tǒng)計分析得到的設計降雨量，采用容積法（合理化公式）、SWMM模型計算法（給定雨型）等確定。兩種方法的比較如表8所示。

目標優(yōu)化

3.1

考慮經(jīng)濟性與極端暴雨的影響

根據(jù)北京近30年24 h降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，設計降雨量與不同重現(xiàn)期1 h降雨量的關系如圖8所示，其中85%年雨量控制率對應的設計降雨量為33.6 mm，小于1年一遇1 h降雨量36 mm，對其他城市的計算結(jié)果相似，表明總量控制主要針對中小降雨。但對于少數(shù)極端暴雨，由于雨量一般較大，對年雨量控制率統(tǒng)計結(jié)果的具有一定影響，因此，從總量控制針對中小降雨的特點考慮，統(tǒng)計過程中可扣除少數(shù)極端暴雨，如按雨量大小排序，扣除頻率小于0.5%的暴雨。

圖8設計降雨量與不同重現(xiàn)期1小時降雨量的關系根據(jù)對186個城市的統(tǒng)計結(jié)果，隨設計降雨量的持續(xù)增加，年雨量控制率的增加速率將低于設計降雨量的增加速率，當控制率的增加速率與平均增加速率相等時，可認為是最優(yōu)控制率點，如圖9所示。分別以全部24 h降雨和扣除0.5%的極端暴雨的24 h降雨為例，計算186個城市的年雨量控制率的最優(yōu)值及相應的設計降雨量，結(jié)果如圖10所示，由圖可知，由于我國地區(qū)氣候差異較大，不同城市暴雨發(fā)生的頻率不同，導致設計降雨量的變化幅度較大，但最優(yōu)控制率分別在90%和85%上下浮動，集中在85%～95%、80%～90%，這也從經(jīng)濟性角度，表明將開發(fā)前自然植被狀態(tài)下理想的降雨產(chǎn)流率定為85%是相對合理的。

3.2

因地制宜

“指南”中的控制率分區(qū)圖僅提供了地區(qū)或城市層面總量控制目標的推薦值，實踐中，需要綜合考慮多方面因素確定。一方面，開發(fā)建設前的降雨徑流排放量與地表類型、土壤性質(zhì)、地形地貌、植被覆蓋率等因素有關，應通過分析綜合確定開發(fā)前的徑流排放量，確定適宜的總量控制率。另一方面，要考慮當?shù)厮�資源稟賦情況、水環(huán)境與水生態(tài)問題及經(jīng)濟發(fā)展水平等因素。具體到地塊開發(fā)或建設項目，要結(jié)合本建筑密度、綠地率、雨水設施的利用效率及土地利用布局等因素確定。

目標考核

綜上所述，總量控制包括徑流體積、徑流污染物總量，工程設施的工作原理不同；總量控制率的統(tǒng)計方法包括降雨統(tǒng)計分析和模型連續(xù)計算，且特點不同；影響實際工程落地效果的因素包括降雨間隔時間、雨型與強度、匯水面不透水率、設施排空時間與規(guī)模等�？偭靠刂频囊陨咸攸c表明，總量控制目標的考核不能通過幾場降雨的監(jiān)測，根據(jù)設計降雨量標準下區(qū)域總排口是否“不外排”等方法進行，較為合理的方法有以下兩種。

4.1

圖紙審核與工程踏勘

 由降雨統(tǒng)計分析方法可知，按照設計降雨量進行設計的工程措施應具備相應的控制容積、排空時間、匯水面積，這要求設施規(guī)模、豎向和種植土（生態(tài)設施）配比設計等應合理，因此，通過對工程施工圖和落地工程的上述內(nèi)容進行審核、踏勘、測試（土壤滲透性等），即可判斷是否達到總量控制目標。

4.2

模型連續(xù)計算

對應模型連續(xù)計算方法，對匯水區(qū)范圍進行建模，并利用實際工程中典型設施或區(qū)域?qū)嶋H降雨下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進行率定和驗證后，再對近30年分鐘或小時降雨數(shù)據(jù)進行連續(xù)模擬，也可評估是否達到總量控制目標，但不能過分強調(diào)或全面要求通過監(jiān)測進行目標考核。

總結(jié)與建議

（1）雨水徑流總量控制主要基于徑流污染控制和恢復開發(fā)前自然水文狀態(tài)，徑流體積控制是關鍵實現(xiàn)途徑。

（2）雨水徑流總量控制目標的確定應基于問題導向，綜合考慮經(jīng)濟性、極端暴雨的影響、區(qū)域或具體項目條件等因素�？紤]總量控制工程設施的原理、影響因素不同，目標的考核可采用施工圖審核與工程踏勘、模型連續(xù)計算兩種方法進行。

（3）雨水設施規(guī)模的確定方法可基于降雨統(tǒng)計分析或模型連續(xù)計算，采用降雨統(tǒng)計分析法時，若具備分鐘或小時精度的降雨數(shù)據(jù)，宜按照落地工程的排空時間，進行降雨場次劃分后進行。

（4）總量控制的實施應加強水文數(shù)據(jù)的共享和研究，為目標和工程設施規(guī)模的確定、目標考核等提供支撐，還應加強SWMM等基礎模型的規(guī)范化應用，綜合保障總量控制目標的合理確定與有效落地。

原文標題：雨水徑流總量控制目標確定與落地的若干問題探討，作者：王文亮，李俊奇，車伍，林翔，馬京津，楊擎柱，刊登在《給水排水》2016年10期。

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