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给水排水 |释疑:面对雨水径流总量控制困惑与质疑的阐述
摘要

径流污染控制和开发前自然水文状态恢复是雨水径流总量控制的出发点,径流体积控制是关键途径。总量控制包括径流体积和径流污染物总量,工程设施的工作原理不同,影响实际工程落地效果的因素包括降雨间隔时间与雨型、汇水面不透水率、设施排空时间与规模等。设施规模的确定基于降雨统计分析和模型连续计算,应根据降雨数据精度与方法各自的特点进行选择。实践中应考虑经济性、极端暴雨影响等,因地制宜地确定总量控制目标。总量控制目标的考核方式包括施工图审核与工程踏勘和模型连续计算。期望为我国雨水径流总量控制目标更科学、有效地落地提供指导。
前言
2014年10月《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称“指南”)发布至今,成为全国各城市进行海绵城市规划建设的重要技术参考文件。随着海绵城市相关研究和工程实践不断深入,行业内及相关行业对“指南”中涉及的重要目标之一——雨水径流总量控制仍存有较多困惑甚至质疑,比如,总量控制的目标仅是为了解决径流污染,总量减排就是通过入渗和回用实现“不外排”,我国总量控制目标定得偏高,指标要分解到单项设施,模型计算法比容积法更准确,总量减排会造成河道干涸,总量减排影响因素多、无法考核,海绵城市只考虑总量控制,不考虑峰值、暴雨洪涝控制,等等。针对这些困惑和质疑,本文特别进行阐述和释疑,以期为该目标更科学、有效地落地提供参考。
关于“指南”中“年径流总量控制率目标区域划分”
1.1
径流污染控制与恢复自然水文状态的关系
美国于1972年修订《清洁水法》并试行“国家污染排放许可制度(NPDES)”以后,逐渐开始关注雨水径流污染带来的水环境问题。美国环保局(EPA)于1976主持完成了全国合流制溢流和城市雨水径流排放评价项目,随后,在1979~1983年期间,主持开展了全国性城市径流项目,为国家制定相关雨水管理政策提供了重要数据支撑,1987年,美国国会对《清洁水法》进行修订,将城市雨水径流由面源定义为点源,将城市雨水纳入NPDES管辖范围。

在1983年完成的全国性合流制溢流和城市雨水径流排放评价项目中,EPA利用STORM模型连续模拟(25年小时降雨量数据)的方法,首次借助“年径流(体积)总量控制率”、“年雨量控制率”指标,对“调节-处理”系统控制CSO次数及污染物总量、径流污染物总量的效果及成本等进行了系统的量化评估。

1989年,Ben Urbonas,P.L.与James C.Y.Guo通过逐场降雨的“降雨-径流”计算(25年小时降雨量数据),借助“年径流总量控制率”和“年降雨场次控制率”指标,首次提出了延时调节塘(Extended Detention Pond)水质控制容积(Water Quality Control Volume,WQCv)的优化确定方法,后被广泛用来确定源头LID设施的规模。

2009年,美国环保局发布《联邦项目暴雨管理技术指南》,指出了传统调节塘等峰值控制设施在控制高频率中小降雨的峰值流量、径流体积及径流历时上的不足,指出可通过统计分析95%降雨场次率对应的24小时降雨量,或采用模型连续模拟、文献查阅等方法对开发前水文条件进行评估,以确定总量控制目标及LID、GI设施的滞蓄容积,并提出通过雨水渗透、蒸发和集蓄利用,实现径流历时、流量及体积等恢复到开发前自然水文状态。


截至2011年,美国共有30个州提出了基于场次控制率、径流体积控制率及水质控制容积的雨水滞蓄(retention)和水质处理(treatment)体积控制标准。


2014年,作者以维持城市开发前自然状态下的降雨地表产流率与控制径流污染为出发点,通过统计分析全国大陆地区186个城市30年(1983年~2012年)24小时(20时~20时)降雨量数据的方法,得到年雨量控制率及其对应的24小时雨量(设计降雨量),并综合各因素,给出了年雨量控制率指标分区图以及各分区的控制率取值推荐范围,以指导不同城市确定总量控制目标。

回顾上述美国及我国雨水径流总量控制的里程碑事件,如表1所示。
总结美国雨水管理的发展历程、总量控制率指标及其分析方法等可知,首先,总量控制是基于传统峰值流量控制设施在控制径流污染、恢复自然水文状态上的不足提出来的,但恢复自然水文状态与径流污染控制两个出发点并不冲突,因为两者有着共同的重要实现途径——径流体积控制。其次,“降雨(雨量或场次)-径流”是相互依托的,彼此可通过“降雨-径流”计算或降雨统计分析计算进行数值转换,即无论基于径流污染控制,还是自然水文状态恢复,年径流总量控制率、年降雨场次控制率和年雨量控制率均可以作为其评价指标。
雨水径流控制目标与各控制率指标之间的关系如图1所示。
需特别指出,国内外的研究和长期的发展都一致的是,洪涝控制是一个传统的老话题,也是各国、各城市一直都在努力的重大领域,而且都有相对明确的规范标准、专项规划、技术体系等。随着人们对雨洪综合性问题认识的不断深入和提高,增加并强化了对径流污染总量控制的研究和考虑,这绝不意味就不重视暴雨峰值及其带来的洪涝控制,这应该是一个基本的常识和认知,决不可将两者对立起来,或厚此薄彼。
1.2
基本定义
“指南”中“年径流总量控制率”实为年雨量控制率。考虑年雨量控制率这一表述易让人产生“人工控制降雨”和“人定胜天”的歧义,“指南”中术语选择了“年径流总量控制率”。事实上,在工程实践过程中,该指标的落实是通过控制降雨产生的径流来实现的,相关雨水设施的规模也可按照设计降雨量标准通过径流体积计算确定,即实际工程控制的仍是径流,只是统计分析的是雨量。


此外,虽然从数值上选择了多年降雨资料统计得出的年雨量控制率,针对的是维持城市开发前自然状态下的降雨地表产流率,由上述可知,与另一出发点——控制径流污染并不冲突,但是,若从径流污染控制目标出发,还应依据受纳水体的水环境容量、径流污染控制的总体要求具体确定年雨量控制率指标。


“指南”“年径流总量控制率”术语中的“控制”指的是“总量控制”,即包括径流污染物总量和径流体积。对于具有底部出流的生物滞留设施、延时调节塘等,如图2所示,雨水主要通过渗滤、排空时间Td控制(延时排放以增加SS停留时间)实现污染物总量控制,雨水未直接外排,而是经处理达到一定效果后外排,由于径流污染控制是总量控制的重要内容,故该情形也属于总量控制的范畴。对于“不外排”,事实上,从国际上被广泛认知的基本水文循环看,自然状态下80%~90%的雨水通过入渗、蒸发/蒸腾进入良性水文循环,而只有10%左右形成地表径流排出汇水区域,即绝大部分的雨水实际上就是应该“不外排”,这恰恰就是自然条件下真正海绵的作用,也恰恰是入渗的40%左右的雨水在一定条件可形成壤中流、地下径流,进而流出地表或形成河道基流,加上地表径流及绿色海绵保持、延缓出流的径流,构筑千万条大大小小的溪流河川,最终进入海洋,这也是一个基本的水文常识。


但是,在实际条件,尤其在城市化一些具体条件下,简单说“不外排”容易产生误解和歧义,因此,实践中,应根据实际条件和目标合理选择入渗、集蓄利用、水质处理(过滤、沉淀)等方式控制径流雨水,不应死板、片面的理解和追求“不外排”,在一些特定条件,需要通过合理的设计,实现“处理后外排”。

综上,年雨量控制率(Precipitation Volume Capture Ratio,PVCR)、年降雨场次控制率(Rainfall Event Capture Ratio,RECR)和年径流总量控制率(Runoff Volume Capture Ratio,RVCR)其实是相通的,可分别用式(1)~(3)表示。
PVCR=1-Pto/Ptr(1)
RECR=1-Eto/Etr(2)

RVCR=1-Vto/Vtr(3)

式中Pto——总溢流雨量;

Ptr——形成径流的降雨场次的总降雨量;
Eto——产生溢流的降雨场次数;
Etr——形成径流的总降雨场次数;
Vto——总溢流体积;
Vtr——总径流体积。
1.3
分区依据
考虑不同地区在气候、开发前自然植被状态下降雨产流率上的差异,及工程可实施性、经济合理性等因素,按年雨量控制率将我国大陆地区划分为五个分区,如图3所示。美国农业部的研究表明,城市开发前自然条件下只有10%的降雨产生径流,我国《室外排水设计规范》对公园绿地的流量径流系数定义为0.1~0.2,综合考虑,将城市开发前自然植被状态下理想的降雨产流率定为15%(相应的降雨总量控制率为85%),并以此作为分区的依据之一。事实上,开发前的降雨产流状态与当地气候特征、土壤条件、植被条件及水文地质特征等密切相关,应经过实测分析与模型连续计算等论证后合理确定。考虑到我国城市的具体情况和差别,《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见(国办发[2015]75号)》将指标定为70%。
需指出的是,位于不同分区的城市,不同控制率对应的设计降雨量差异较大,如表2、表3所示;其中,若以85%年雨量控制率为例,按照其对应的设计降雨量不同可将我国分为六个区,如表4所示。由此并进一步考虑,虽然分区考虑了多方面因素,但仍难以全面顾及具体城市、项目的巨大差异,所以,《指南》中指出,各地只能参照此限值,因地制宜的确定本地区的总量控制目标。实践中,在不脱离总量控制在控制径流污染、恢复自然水文状态的主要功能、职责的基础上,应结合实际雨水问题及项目条件,因地制宜确定总量控制目标,不宜一刀切,或简单的套用分区对应的控制率取值。
1.4
与美国95%年降雨场次控制率目标的比较
上述可知,同样以恢复开发前自然水文状态为出发点,美国EPA针对联邦项目,在全国范围内统一采用95%的年降雨场次控制率作为控制目标,而“指南”采用的是年雨量控制率,且进行了分区。以部分城市为例,采用同样的降雨统计方法,85%年雨量控制率与95%年降雨场次控制率对应的设计降雨量如表5所示,可知,前者对应的设计降雨量小于后者,即若采用美国的标准,将高于“指南”标准。
但如前所述,场次控制率和雨量控制率并无原则上的区别,内涵是一致的,最终是为了径流体积和污染物总量控制,因此,可根据使用方便,灵活选择,比如,对应合流制溢流次数控制,降雨场次控制率用起来更为直接。
实际工程落地效果的影响因素
2.1
如何工程落地
2.1.1工程措施
如前所述,雨水总量控制的目的在于控制径流污染、减少径流体积排放(恢复自然水文状态),即总量控制的实施途径除了雨水入渗(回补地下水、维持地下径流及补充河道基流)和集蓄回用,同时增加雨水蒸发(腾)量,以最大程度恢复开发前自然水文状态外,具有径流污染控制功能的渗滤、延时调节、CSO调蓄、城市天然内河湖泊调蓄等水质处理方式,皆可根据实际运行效果纳入总量控制的范畴,且对每个城市、片区和项目,入渗、集蓄回用、水质处理三部分的比例应根据其开发前的水文条件、土壤与地下水条件、突出问题、主要目标及其经济性等因素综合确定。


需注意的是,相比末端集中控制设施,源头分散生态设施在控制初期雨水径流污染上更具优势,因此,新建城区应优先通过源头径流控制进行总量减排达标,老城区条件不足时,可结合部分相对末端的调蓄设施综合达标,总而言之,应该通过不同方案的技术经济比较,来合理确定设施的分散与集中的分配和布局关系。

2.1.2指标分解
上述可知,美国共有30个州提出了基于场次控制率、径流体积控制率或水质控制容积的体积控制标准,这些标准主要以手册(具有规范标准的作用)或雨水排放许可的形式得以落地。目前,我国该指标的落地主要通过规划,以总量控制率指标分解的方式得以落地,如各地正在编制的海绵城市专项规划;在工程项目层面,国家层面的绿色建筑评价标准和雨水控制利用相关地方标准也提出了相应的指标要求。


但在工程实践中,需要考虑具体项目的改造难度,解决和平衡绿色与灰色、地上与地下、分散和集中设施的关系,以达到效益最优,因此,无论规划层面还是工程项目层面,不宜简单、一刀切、绝对化的提出“透水铺装率”、“下沉式绿地率”、“绿色屋顶率”等具体到单项设施的硬性指标要求,一定要考虑指标落地的可操作性和经济合理性,给工程设计阶段留出方案优化的余地。


关于指标分解方法,可采用控制率与面积加权平均的方法,或结合模型模拟进行分解。关于地块指标赋值,对于老城区,应根据实地调研,结合场地条件等确定;对于新区,应根据不同类型用地的开发强度,考虑指标可达性,并兼顾公平性原则等确定,以便于进行规划管控与雨水排放管理制度的实施。

2.2
实际降雨
雨水设施的实际径流控制效果与降雨间隔时间、降雨雨型与强度、汇水面不透水率、雨水设施规模与排空时间等密切相关。


汇水面特征及设施特征一定的情况下,降雨特征成为影响工程总量控制效果的关键因素,首先是连续场降雨(间隔时间短)对设施的冲击。“指南”中年雨量控制率统计分析采用的是前后两日20时至20时的24小时降雨量,美国采用的是凌晨12:00:00,至晚上11:59:59,但皆非场降雨的概念,事实上24小时降雨可能是一场雨、多场降雨,且存在人为的将跨越20时的一场连续降雨划分为两场的情形,这取决于场降雨的定义,如图4所示,若以最小降雨间隔时间(无雨时间)T作为场降雨的划分标准(两场降雨的间隔时间t≥T时,视为两场降雨;t<T时,视为一场降雨),共有3场降雨,若将20时~20时内的降雨作为一场降雨,则共有4场降雨。由此可知,以24小时降雨量进行年雨量控制率的统计分析,忽略了不同间隔时间的场降雨事件对设施控制效果的影响,解决该问题,可按最小降雨间隔时间T进行场降雨划分,而T的取值可选择不小于雨水设施的排空时间Td,如图4所示,这样得到的年均雨量控制率与设计降雨量的量化关系更符合雨水设施在实际降雨下的运行状况,当然,场降雨划分对降雨数据的精度要求较高,至少为小时精度。

以北京1986~2015年30年逐分钟和24小时(20时~20时)降雨数据为例,按最小降雨间隔时间T分别为6 h、12 h、24 h进行场次划分,扣除小于等于2 mm的降雨量/场次,结果如表6所示。
关于设施排空时间,以延时调节设施为例,其水质控制容积的排空时间应根据一定SS去除率需要的沉淀时间确定,研究表明,当排空时间为12 h时,延时调节池的年SS总量去除率可达到65%,排空时间40 h对应的去除率则达到82%。


Urbonas等推荐雨水渗透设施的排空时间宜为12 h,雨水砂滤池的排空时间宜为24 h,延时调节池的排空时间宜为24~48 h,湿塘的排空时间宜为12 h。


另一影响设施径流控制效果的降雨因素是场降雨的雨型与强度。以降雨量基本相同,雨型与强度不同的4场实际降雨为例,通过SWMM模型计算雨水花园的入流、入渗及溢流过程,主要模型参数包括汇水面参数:总面积5 hm2,不透水率74.1%,不透水汇水面洼蓄量2 mm,透水汇水面洼蓄量12 mm;霍顿入渗参数:最大入渗率18 mm/h,最小下渗率1.8 mm/h,衰减系数4,干期7 d;雨水花园参数:面积2 750 m2,占总面积比例为5.5%,蓄水层深度250 mm,蓄水层容积688 m3,排空时间12 h。降雨事件及模拟结果如图5、表7所示。

通过模拟结果可以看出,设施和汇水面特征一定的情况下,对于雨量基本相同的降雨,设施对雨强小且较均匀、雨峰靠前的降雨的径流体积和雨量控制效果优于双雨峰及雨峰靠后的降雨,原因在于,雨水渗透设施的入渗过程、调节设施的底部出流过程,以及设施的溢流过程皆是动态变化的,受雨水设施的入流过程,即汇水面的产汇流过程直接影响,而根本还是受降雨的影响。


此外,设计降雨量一定的情况下,采用容积法与给定雨型下的模型计算法计算得到的设施容积也不同,原因在于,与模型计算法不同,容积法采用雨量径流系数对汇水面的产流过程进行了概化,忽略了汇水面的“植物截留-入渗-洼蓄”产流过程是随降雨过程动态变化的。但雨量径流系数、植物截留量、入渗率、洼蓄量层等参数取值合理的情况下,两者的计算结果差别不大,如在此案例中,根据模型计算结果,设施的设计降雨量约为26.5 mm,而按照容积法进行计算,设计降雨量为25.1 mm,如表7所示。

2.3
工程设施规模确定方法
2.3.1基于模型连续计算
以北京1986~2015年30年逐分钟降雨数据为例,利用SWMM模型计算不同规模的雨水花园对年雨量、降雨场次、径流总量的控制效果如图6所示,SWMM建模同上。
2.3.2基于降雨统计分析
以北京1986~2015年30年逐分钟和24 h(20时~20时)降雨数据为例,分别对24 h降雨数据,逐分钟降雨按最小降雨间隔时间T分别为6 h、12 h、24 h划分场降雨后的场降雨数据进行统计分析,得到设计降雨量与年雨量控制率、年降雨场次控制率的关系如图7所示。
2.3.3两个方法比较
由图6可知,根据模型连续计算法,当雨水花园蓄水层容积为688 m3时,年雨量控制率约为82%。如前所述,分别按SWMM模型(特定雨型)和容积法计算,该规模的雨水花园对应的设计降雨量分别为26.5 mm和25.1 mm;而根据对场降雨数据(T=12 h)和24 h降雨数据的统计分析结果,如图7所示,设计降雨量26.5 mm、25.1 mm对应的年雨量控制率分别约为76%、79%和71%、73%,与82%的模型连续计算结果存在差异。

上述差异同样归因于模型连续计算和降雨统计分析在方法上本质的不同。模型模拟法基于汇水面产汇流过程、设施“入流-入渗/底部出流-溢流”过程的连续水文动态分析,可直接得到设施规模与总量控制率的关系,需要分钟或小时精度的降雨数据;而统计分析法针对的仅是场降雨量或24小时降雨量,不包含产汇流过程计算,而设施规模的确定,需根据统计分析得到的设计降雨量,采用容积法(合理化公式)、SWMM模型计算法(给定雨型)等确定。两种方法的比较如表8所示。
目标优化
3.1
考虑经济性与极端暴雨的影响
根据北京近30年24 h降雨数据的统计结果,设计降雨量与不同重现期1 h降雨量的关系如图8所示,其中85%年雨量控制率对应的设计降雨量为33.6 mm,小于1年一遇1 h降雨量36 mm,对其他城市的计算结果相似,表明总量控制主要针对中小降雨。但对于少数极端暴雨,由于雨量一般较大,对年雨量控制率统计结果的具有一定影响,因此,从总量控制针对中小降雨的特点考虑,统计过程中可扣除少数极端暴雨,如按雨量大小排序,扣除频率小于0.5%的暴雨。
图8设计降雨量与不同重现期1小时降雨量的关系根据对186个城市的统计结果,随设计降雨量的持续增加,年雨量控制率的增加速率将低于设计降雨量的增加速率,当控制率的增加速率与平均增加速率相等时,可认为是最优控制率点,如图9所示。分别以全部24 h降雨和扣除0.5%的极端暴雨的24 h降雨为例,计算186个城市的年雨量控制率的最优值及相应的设计降雨量,结果如图10所示,由图可知,由于我国地区气候差异较大,不同城市暴雨发生的频率不同,导致设计降雨量的变化幅度较大,但最优控制率分别在90%和85%上下浮动,集中在85%~95%、80%~90%,这也从经济性角度,表明将开发前自然植被状态下理想的降雨产流率定为85%是相对合理的。
3.2
因地制宜
“指南”中的控制率分区图仅提供了地区或城市层面总量控制目标的推荐值,实践中,需要综合考虑多方面因素确定。一方面,开发建设前的降雨径流排放量与地表类型、土壤性质、地形地貌、植被覆盖率等因素有关,应通过分析综合确定开发前的径流排放量,确定适宜的总量控制率。另一方面,要考虑当地水资源禀赋情况、水环境与水生态问题及经济发展水平等因素。具体到地块开发或建设项目,要结合本建筑密度、绿地率、雨水设施的利用效率及土地利用布局等因素确定。
目标考核
综上所述,总量控制包括径流体积、径流污染物总量,工程设施的工作原理不同;总量控制率的统计方法包括降雨统计分析和模型连续计算,且特点不同;影响实际工程落地效果的因素包括降雨间隔时间、雨型与强度、汇水面不透水率、设施排空时间与规模等。总量控制的以上特点表明,总量控制目标的考核不能通过几场降雨的监测,根据设计降雨量标准下区域总排口是否“不外排”等方法进行,较为合理的方法有以下两种。
4.1
图纸审核与工程踏勘
 由降雨统计分析方法可知,按照设计降雨量进行设计的工程措施应具备相应的控制容积、排空时间、汇水面积,这要求设施规模、竖向和种植土(生态设施)配比设计等应合理,因此,通过对工程施工图和落地工程的上述内容进行审核、踏勘、测试(土壤渗透性等),即可判断是否达到总量控制目标。
4.2
模型连续计算
对应模型连续计算方法,对汇水区范围进行建模,并利用实际工程中典型设施或区域实际降雨下的监测数据,对模型进行率定和验证后,再对近30年分钟或小时降雨数据进行连续模拟,也可评估是否达到总量控制目标,但不能过分强调或全面要求通过监测进行目标考核。
总结与建议
(1)雨水径流总量控制主要基于径流污染控制和恢复开发前自然水文状态,径流体积控制是关键实现途径。
(2)雨水径流总量控制目标的确定应基于问题导向,综合考虑经济性、极端暴雨的影响、区域或具体项目条件等因素。考虑总量控制工程设施的原理、影响因素不同,目标的考核可采用施工图审核与工程踏勘、模型连续计算两种方法进行。
(3)雨水设施规模的确定方法可基于降雨统计分析或模型连续计算,采用降雨统计分析法时,若具备分钟或小时精度的降雨数据,宜按照落地工程的排空时间,进行降雨场次划分后进行。
(4)总量控制的实施应加强水文数据的共享和研究,为目标和工程设施规模的确定、目标考核等提供支撑,还应加强SWMM等基础模型的规范化应用,综合保障总量控制目标的合理确定与有效落地。
原文标题:雨水径流总量控制目标确定与落地的若干问题探讨,作者:王文亮,李俊奇,车伍,林翔,马京津,杨擎柱,刊登在《给水排水》2016年10期。
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