不同水文年型海綿城市徑流總量控制率特征研究

劉家宏，丁相毅，邵薇薇，楊志勇，梅 超

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

中國(guó)正處于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展期。2018年底，中國(guó)城鎮(zhèn)化率接近60%，位于諾瑟姆曲線［1］的中段，即加速階段，這個(gè)時(shí)期的城鎮(zhèn)化水平和質(zhì)量將直接決定未來(lái)城市的品質(zhì)。傳統(tǒng)的城市開(kāi)發(fā)模式偏重經(jīng)濟(jì)社會(huì)功能，帶來(lái)了城市內(nèi)澇、水體黑臭、熱島效應(yīng)等一系列水安全、水環(huán)境、水生態(tài)問(wèn)題，嚴(yán)重影響可持續(xù)發(fā)展和城市功能、品位的提升。強(qiáng)調(diào)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”［2］是未來(lái)新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展趨勢(shì)，也是新時(shí)代城市生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手，體現(xiàn)了未來(lái)城市回歸自然的“初心”。海綿城市第一批試點(diǎn)建設(shè)到2018年底進(jìn)入驗(yàn)收考核階段，其中徑流總量控制率［3-4］是建設(shè)效果評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一。根據(jù)海綿城市建設(shè)技術(shù)指南［5］要求，年徑流總量控制率是通過(guò)長(zhǎng)序列（一般30年以上）降雨數(shù)據(jù)排序計(jì)算得到的，是一個(gè)反映地區(qū)長(zhǎng)期降雨規(guī)律的綜合平均值，其對(duì)應(yīng)到考核當(dāng)年特定的水文年型時(shí)，指南沒(méi)有給出具體的指標(biāo)確定方法，這給海綿城市建設(shè)的效果評(píng)價(jià)帶來(lái)了困難?，F(xiàn)有的研究主要關(guān)注徑流總量控制率與美國(guó)廣泛采用的降雨場(chǎng)次控制率［6］的區(qū)別［7-8］；降雨系列長(zhǎng)短［9］、氣候變化［10］、極端降水事件［11］等對(duì)徑流總量控制率的影響，以及徑流總量控制率的計(jì)算［12］及分解落實(shí)等問(wèn)題［13-14］。本文針對(duì)不同水文年型提出了一種海綿城市徑流總量控制率的量化方法，以解決現(xiàn)有采用多年平均的徑流總量控制率指標(biāo)來(lái)考核具體水文年型而產(chǎn)生的不匹配問(wèn)題。

2 徑流總量控制率年際變化特性

根據(jù)海綿城市建設(shè)技術(shù)指南的定義，年徑流總量控制率是指“根據(jù)多年日降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，通過(guò)自然和人工強(qiáng)化的滲透、儲(chǔ)存、蒸發(fā)（騰）等方式，場(chǎng)地內(nèi)累計(jì)全年得到控制（不外排）的雨量占全年總降雨量的百分比”。年徑流總量控制率與“設(shè)計(jì)降雨”［15］具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于設(shè)計(jì)降雨是在長(zhǎng)序列（至少30年）日降雨序列的基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的，因此它實(shí)際上是一個(gè)反映地區(qū)長(zhǎng)期降雨規(guī)律的綜合平均值。如果把這個(gè)“多年綜合平均值”對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨作用于具體的水文年型（具體計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1），就會(huì)發(fā)現(xiàn)年徑流總量控制率在每個(gè)具體年份上都是不同的，具有年際變化的特性，這是由降雨的隨機(jī)性決定的。如圖1右側(cè)，以1977年的降雨序列為例，28.7 mm的設(shè)計(jì)降雨對(duì)應(yīng)當(dāng)量的徑流總量控制率為81.2%，高于多年平均值80%，這是因?yàn)?977年逐日降水超過(guò)50 mm的暴雨較少，最大日降水也沒(méi)有超過(guò)60 mm。2012年由于有“7.21”特大暴雨事件，暴雨產(chǎn)流難以控制，所以當(dāng)年28.7 mm對(duì)應(yīng)的徑流總量控制率只有70.6%。

圖1 設(shè)計(jì)降雨作用于具體水文年型的方法示意

按照?qǐng)D1所示的方法，本文利用北京市某氣象站1977—2012年的降雨數(shù)據(jù)，扣除日降雨小于2 mm的降雨事件以及降雪事件后，按照從小到大的順序?qū)κＳ嗟挠行Ы涤赀M(jìn)行了排序，計(jì)算出80%徑流總量控制指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量為28.7 mm。計(jì)算中先扣除日降水量小于2 mm的降雨事件和降雪事件主要是依據(jù)住建部于2014年頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》［5］，該指南規(guī)定，在計(jì)算年徑流總量控制率時(shí)，“根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料數(shù)據(jù)，選取至少近30年（反映長(zhǎng)期的降雨規(guī)律和近年氣候的變化）日降雨（不包括降雪）資料，扣除小于等于2 mm的降雨事件的降雨量，將降雨量日值按雨量由小到大進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)小于某一降雨量的降雨總量（小于該降雨量的按真實(shí)雨量計(jì)算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計(jì)算出降雨總量，兩者累計(jì)總和）在總降雨量中的比率，此比率（即年徑流總量控制率）對(duì)應(yīng)的降雨量（日值）即為設(shè)計(jì)降雨量”。將28.7 mm的設(shè)計(jì)降雨逐年作用于1977—2012每年的降雨序列，分別對(duì)其逐年的徑流總量控制率進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果和日降雨數(shù)據(jù)系列的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2。該站1977—2012年的平均降水量為522.8 mm，從圖2可以看出如果按照80%徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量28.7 mm進(jìn)行海綿城市設(shè)計(jì)和建設(shè)，工程達(dá)效后各年的實(shí)際徑流控制率并非總是能達(dá)到80%，其波動(dòng)范圍從60.5%（1994年）到100%（1999年）?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析可以看出，同樣的工程調(diào)控能力下年徑流總量控制率并非一個(gè)固定的值，它會(huì)隨著降雨量和時(shí)程分布的不同而變化，即年徑流總量控制率客觀上受水文年型的影響。因此在制定海綿城市考核指標(biāo)時(shí)，應(yīng)考慮不同水文年型的影響，不能固守一個(gè)指標(biāo)。

圖2 某站1977—2012年日降水序列與設(shè)計(jì)降水對(duì)應(yīng)的徑流總量控制率年際變化過(guò)程

3 徑流總量控制率的概率分布特征

將1977—2012年共36年的年徑流總量控制率分段計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以得到其出現(xiàn)的概率密度分布曲線（圖3）。從圖3可以發(fā)現(xiàn)其類似貝塔分布，最大似然估計(jì)值為82.5%，并非工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)確定的80%。也就是說(shuō)在海綿城市建設(shè)效果評(píng)估時(shí)，如果所有海綿設(shè)施都按照規(guī)劃建設(shè)并達(dá)效后，其評(píng)估年份實(shí)際的年徑流總量控制率出現(xiàn)的最大可能值是82.5%，這時(shí)如果用80%去考核，相當(dāng)于放松了考核要求。進(jìn)一步地，可以積分統(tǒng)計(jì)圖3中年徑流總量控制率大于80%的年份出現(xiàn)的概率為63.9%，即按照80%的指標(biāo)考核，即使所有海綿措施都按設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)效，其通過(guò)的概率僅為63.9%。綜合以上兩點(diǎn)可以得出以下認(rèn)識(shí)：采用80%的固定指標(biāo)考核不同水文年型的徑流總量控制率是不科學(xué)的，正常年份指標(biāo)要求偏低，豐水年份指標(biāo)要求偏高，因此需要根據(jù)當(dāng)年的逐日降雨數(shù)據(jù)序列確定科學(xué)合理的考核指標(biāo)。

圖3 年徑流總量控制率的概率密度分布曲線

4 特定年份徑流總量控制率分析

為了保證海綿城市徑流控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同年型的降水過(guò)程，須設(shè)定不同的年徑流總量控制率指標(biāo)，只有這樣才能體現(xiàn)指標(biāo)的客觀性和一致性?；诤＞d城市建設(shè)技術(shù)指南，提出特定年份徑流總量控制率的確定方法和步驟如下：

（1）根據(jù)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃確定徑流總量控制率指標(biāo)要求（例如≥80%），選取近期長(zhǎng)系列（至少30年）逐日降雨（不包括降雪）數(shù)據(jù)，采用海綿城市建設(shè)技術(shù)指南的方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量P0（例如上述某站的結(jié)果為28.7 mm）；

（2）收集考核年份的逐日降雨（不包括降雪）數(shù)據(jù)，按照海綿城市建設(shè)技術(shù)指南的要求，扣除小于等于2 mm的降雨事件降雨量，并將有效的逐日降雨量序列Pi按照如下公式計(jì)算受控的累計(jì)雨量Pc：

式中：n為降雨日數(shù)；i為計(jì)數(shù)指標(biāo)；Pi為第i日的降雨量，P0為設(shè)計(jì)降雨量。

IF(logical_text，value1，value2)為條件取值函數(shù)，當(dāng)logical_text值為“真”時(shí)，函數(shù)返回value1，否則返回value2；

（3）用受控雨量Pc做分子，總有效降水量（扣除降雪和小于等于2 mm的降雨量）做分母，計(jì)算考核年的徑流總量控制率C=PC/PT。

應(yīng)用上述的方法和步驟，基于本研究已有的某氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，本文計(jì)算了2017年（假定的考核年份）的徑流總量控制率指標(biāo)。圖4為2017年該站實(shí)測(cè)逐日降雨量，扣除降水中的降雪和小于等于2 mm的降水后（圖4中的紅色短線），得到有效降雨30場(chǎng)（圖4中藍(lán)色長(zhǎng)線）。利用式（1）計(jì)算得Pc=433.6mm，累計(jì)有效降水量PT=562.4mm，由此得到2017年的徑流總量控制率為C=PC/PT=77.1%。該數(shù)值低于規(guī)劃目標(biāo)值80%，這是因?yàn)樵撃杲涤昶S，有效降水量562.4 mm高于該站1977—2012年的均值522.8 mm約8%，不利的降水導(dǎo)致其實(shí)際徑流總量控制率偏低。但僅就工程設(shè)計(jì)的雨水調(diào)控能力而言，只要該年的徑流總量控制率達(dá)到77.1%，該年就應(yīng)該算達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 某氣象站2017年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)（藍(lán)線為＞2mm的降雨，紅線為≤2mm的降雨）

5 討論和結(jié)論

年徑流總量控制率是海綿城市建設(shè)效果評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它實(shí)際是一個(gè)反映了長(zhǎng)期（一般30年以上）降雨規(guī)律的一個(gè)綜合平均值，在特定年份其客觀值隨著降雨量和時(shí)程分布的差異而不同。本文以北京市某氣象站1977—2012年共36年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了年徑流總量控制率80%目標(biāo)下（對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量28.7 mm），1977—2012年各年徑流總量控制率的客觀值，發(fā)現(xiàn)其客觀值并非總能達(dá)到80%，其波動(dòng)范圍從60.5%（1994年）到100%（1999年），造成這一現(xiàn)象的主要原因是降水過(guò)程具有隨機(jī)性。1994年徑流總量控制率低是因?yàn)楫?dāng)年是春旱夏澇的水文年型，1—4月降水總量?jī)H6.6 mm［16］，是1913年以來(lái)同期的第四干旱過(guò)程。進(jìn)入汛期又連降暴雨，1994年7月12日北京東部暴雨中心降雨量高達(dá)391 mm，這種極端不均勻的降雨時(shí)程分布導(dǎo)致徑流難以控制，所以出現(xiàn)低值。1999年徑流總量控制率高達(dá)100%，是因?yàn)樵撃晔?841年北京有降水記錄以來(lái)最旱的一年，當(dāng)年降水總量只有266.9 mm，僅為多年平均值的一半，當(dāng)年該站最大一天的降水量?jī)H20.9 mm，低于設(shè)計(jì)降水28.7 mm，全部被海綿設(shè)施控制住了。

1977—2012年徑流總量控制率分段統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其在60%～100%之間呈類似貝塔分布，最大似然估計(jì)值為82.5%，高于其長(zhǎng)序列均值。從概率密度分布圖上可以積分得到其年徑流總量控制率大于80%的概率為63.9%，即按照80%的指標(biāo)考核，即使所有海綿措施都按設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)效，其通過(guò)的概率僅為63.9%，這不客觀也不科學(xué)；因此需要根據(jù)當(dāng)年的降水?dāng)?shù)據(jù)確定科學(xué)合理的考核指標(biāo)。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文提出應(yīng)考慮降水量和降水時(shí)程分布對(duì)特定年份的海綿城市徑流總量控制率進(jìn)行科學(xué)核算，避免采用固定指標(biāo)考核帶來(lái)的結(jié)果失真問(wèn)題。該方法基于海綿城市建設(shè)技術(shù)指南附錄2，計(jì)算簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，能夠保證考核指標(biāo)的客觀性和一致性。不足之處是：本研究雖然給出了特定年份海綿城市徑流總量控制率的客觀指標(biāo)，但這個(gè)指標(biāo)如何通過(guò)城市水文監(jiān)測(cè)得到依然是一個(gè)難題；還需要進(jìn)一步研究該指標(biāo)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，完善海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)的技術(shù)方案，為海綿城市績(jī)效評(píng)估提供科技支撐。