监测+模拟的典型海绵项目评估—智慧排水之乱弹（43）

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小编按：海绵城市评估到底要怎么做？这是一个系统性问题，需要深入的研究和分析。在熊五博士的带领下，小杨通过一系列技术操作，进行了监测与模型综合的项目建设成效评价，现在拿出来供大家参考借鉴。希望能对大家有所帮助。

赶在520的尾巴，与熊五一道向大家表达最崇高的爱意~~

前言：传统城市建设是粗放式、破坏式的，建设完成后地面不透水面积增加，降雨时地表径流大幅增加；海绵城市建设是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化的同时，能够“弹性”的应对洪涝灾害，下雨时对雨水吸、蓄、渗、净，需要时能够将储存的雨水“释放”并加以利用。因此，某种意义上讲，海绵城市建设就是最大限度的争取雨水下渗，减少地表径流，提高年径流总量控制率。监测与模拟技术作为海绵城市的智慧桥梁，把建设过程中分布式的海绵设施进行串联，定量化评估雨水径流情况。

其中，监测数据作为雨水径流计算的基础信息，在长期积累的过程中能够检验各个项目是否达到了规划设计的目标要求。模型的应用则能够客观反映出海绵体的未来运行效果，及时发现运行中的风险及问题，有效支撑了海绵城市建设的全生命周期管理。

今天我们就用一个案例来说，大量监测数据的积累如何完成海绵改造项目的定量化考核，并支持项目模型参数的率定与验证，进一步为海绵设施运行与管理提供最直接的依据。

1.区域概况

研究区域位于成片区域的东北部，属居民小区类海绵改造项目，建筑占地9871m²，道路广场占地16324m²，绿化面积8739m²，共计482户。海绵改造主要包括宅间路面及中心活动广场透水铺装改造，绿地下沉式改造，设置雨水花园、蓄水模块，建筑雨落管断接等。依据前期规划，该地块年径流总量控制率为85%，目标设计降雨量为41.9mm，降雨控制面积为3.49ha。

2.监测方案

研究区域监测方案点位布置包括背景监测与流量监测。背景要素监测为雨量监测，考虑降雨存在很强的时空分布不均匀性，放弃使用区域内公众雨量计，选择在研究区域内安装一台翻斗式THWater雨量计，安装时间为2017年12月。

区域内北低南高，小区雨水管在北侧接入市政雨水管道。根据项目海绵城市设计方案与小区外排口位置，在外排口末端雨水井内设置在线流量计对小区总体的雨水径流控制效果进行监测。研究区域外排口为主路两侧盖板渠，因此，分别在两侧盖板渠末端安装THWater在线流量计，安装时间为2018年8月，安装位置如图所示。

图 1   研究区域雨水径流关系及设备安装图

雨水管网末端排口所布置的在线流量计，可同时实现对液位、流速的连续测量，并采用速度面积法进行流量计算，通过有效监测，应对重力自由流态下的满管、非满管、过载情况，获得有价值的监测数据。流量计设定测量频率为1min，以获取排口的24小时在线流量监测数据，每台设备每天共积累产生1440条监测数据，每年共产生近50万条监测数据。2019年8月11日台风引起的单场次降雨下分钟级数据获取情况如图所示。

图 2   单场次降雨下降雨-流量关系图

3.项目监测效果评估

监测设备安装实施于2018年8月，至2019年11月监测期已包含一个完整的水文年（即2018.9.1至2019.9.1）。

3.1降雨分析

统计项目建设完成后的一个完整水文年的降雨数据（＞2mm）。在线雨量监测数据显示，监测期内试点区累计降雨41场，多发生为中小型降雨，累计降雨量527mm。其中，小于10mm降雨（小雨）24场次；10-25mm降雨（中雨）12场次；25-50mm降雨（大雨）3场次；大于50mm降雨（暴雨）2场次。

同时，该市雨情信息系统发布降雨信息显示2018年9月1日8时-2019年8月31日8时，全市平均降雨量为498.8mm，其中市区平均降雨量为511.8mm，由于降雨时空分布不均匀性及监测时间的不同时，各雨量站降雨量有显著差异，与监测值偏差2.95%，据此降雨量监测值可信。

对研究区域近30年（2008-2017年）降雨量统计计算显示，年平均降雨量为666.94mm。年最大降雨量发生在2007年，为1353.2mm；年最小降雨量发生在2015年，为372.9mm。海绵监测期降雨模比系数Kp=80%，为偏枯水年。近十年降雨数据统计如图所示。

图 3   历史年降雨量统计图

3.2径流控制率评估

海绵项目建设的宗旨是为实现水的渗、滞、蓄、净、用、排。因此对于项目的效果评估功，更着重于实现其关键指标——年径流总量控制率的定量化计算^［3］，根据海绵城市建设评价标准，研究区域径流控制率计算公式1如下：

------------------------------（公式1）

式中：--径流控制率（%）；Q₁--理论径流量（m³/y）；Q₂--监测径流量（m³/y）。

研究区域监测期内的41场降雨中产生明显径流的为13场。在降雨量小于20.0mm的场次降雨中，区域内雨水花园、下沉式绿地等能够完全控制径流雨水，区域排口几乎不出流。排口产流量最大的降雨发生在2019年5月17日，重现期为一年一遇，降雨量为70.2mm，日累计流量为640.36m³，场次降雨控制率为73.86%。水文年内场次降雨与日累计流量关系如图所示。

图 4   降雨量与日累计流量关系图

研究区域共安装两台流量计，在41场次降雨中，统计得到超过10万条数据，由于数据量庞大，采用自动分析算法，对分钟级数据进行运算，得到年径流总量为2597.28m³。根据排口对应区域的面积和相应降雨量数据计算研究区域年径流总量控制率为88.50%，能够满足85%的规划设计要求。

对监测年径流总量控制率满足规划要求的结果，提出两点解释：一是海绵改造设施的施工及运行维护工作较好，研究区域可控制不同水文年下至少85%的径流量；二是研究区域监测期内降雨场次间隔时间大，干期时间较长，年降雨量较少，监测径流结果的代表性存在一定偏差，需借助模型进行丰水年模拟验证。

4.项目模型效果评估

4.1模型构建与率定

模型构建采用SWMM暴雨模型，利用GIS空间地理数据分析技术^［4］，对研究区域所在汇水区域地形和下垫面进行分析，分为3个排水分区，共24个地块，综合径流系数0.58。对不同地块的用地类型综合计算并确定相关产汇流参数，包括各地块面积、坡度、宽度、不透水比例等。

研究区域内的排水体制为雨污分流制，末端为两个0.4×0.5m的盖板渠连接市政雨水管道，对区域内管网结构进行概化，概化后的研究区域共包含雨水井节点25个、子汇水区24个、管渠30个。SWMM模型最终建立如图所示。

图 5   研究区域SWMM模型

选择2019年05月17日降雨数据开展模型参数率定，应用试错法，获得最佳模拟效果对应的参数，计算其纳什效率系数为0.93，满足模型率定要求，将模拟结果与实测结果绘制如图所示。

图 6   SWMM参数率定模型输出-实测结果

4.2模型效果评估

统计研究区域近近年降雨数据，2018年年降雨量746.4mm，为丰水年。模型背景设置为2018年全年连续分钟级雨量数据，运行模拟研究区域降雨出流情况，两个主要外排口流量曲线如图所示。

图 7   SWMM排口模拟流量曲线图

节点54控制面积为9690m²，模拟出流量明显大于节点55。对两个排口流量叠加得到研究区域出流总量为3905.64m³，研究区域内理论径流量为26677.56m³，因此研究区域丰水年下年径流总量控制率为85.36%，可以达到设计规划要求。排口流量叠加曲线与降雨关系如图所示。

图 8   研究区域2018年排口-降雨关系图

5.结论

在这次监测中，我们对某城市制定了系统化监测方案，统计了研究区域近30年降雨，并应用THWater在线监测设备，对2018年以来的降雨实施了监测，获取了相应的监测数据，进而采用自动算法分析了研究区域的年径流总量控制率，同时采用模型模拟方法对海绵改造效果进行了模拟验证。一顿操作猛如虎，最后发现：

(1)系统化监测方案可以有效获得城市降雨年径流总量控制率分析所需的数据，THWater在线监测设备能有效支撑监测方案的实施以及模型模拟所需数据的获取；

(2)针对某城市，在本监测期内的偏枯水年中，41场降雨共获得超过10万条流量有效数据，计算其年径流总量控制率为88.5%，能够达到设计规划要求；

(3)针对某城市，在丰水年，模型模拟评估显示年径流总量控制率为85.36%，也满足规划要求。

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