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.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部水資源與水生態工程技術研究中心，北京 100038）

1 研究背景

中國正處于城鎮化的快速發展期。2018年底，中國城鎮化率接近60%，位于諾瑟姆曲線［1］的中段，即加速階段，這個時期的城鎮化水平和質量將直接決定未來城市的品質。傳統的城市開發模式偏重經濟社會功能，帶來了城市內澇、水體黑臭、熱島效應等一系列水安全、水環境、水生態問題，嚴重影響可持續發展和城市功能、品位的提升。強調自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”［2］是未來新型城鎮化的發展趨勢，也是新時代城市生態文明建設的重要抓手，體現了未來城市回歸自然的“初心”。海綿城市第一批試點建設到2018年底進入驗收考核階段，其中徑流總量控制率［3-4］是建設效果評估的關鍵指標之一。根據海綿城市建設技術指南［5］要求，年徑流總量控制率是通過長序列（一般30年以上）降雨數據排序計算得到的，是一個反映地區長期降雨規律的綜合平均值，其對應到考核當年特定的水文年型時，指南沒有給出具體的指標確定方法，這給海綿城市建設的效果評價帶來了困難?，F有的研究主要關注徑流總量控制率與美國廣泛采用的降雨場次控制率［6］的區別［7-8］；降雨系列長短［9］、氣候變化［10］、極端降水事件［11］等對徑流總量控制率的影響，以及徑流總量控制率的計算［12］及分解落實等問題［13-14］。本文針對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，以解決現有采用多年平均的徑流總量控制率指標來考核具體水文年型而產生的不匹配問題。

2 徑流總量控制率年際變化特性

根據海綿城市建設技術指南的定義，年徑流總量控制率是指“根據多年日降雨量統計數據分析計算，通過自然和人工強化的滲透、儲存、蒸發（騰）等方式，場地內累計全年得到控制（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“設計降雨”［15］具有一一對應關系。由于設計降雨是在長序列（至少30年）日降雨序列的基礎上計算出來的，因此它實際上是一個反映地區長期降雨規律的綜合平均值。如果把這個“多年綜合平均值”對應的設計降雨作用于具體的水文年型（具體計算示意圖見圖1），就會發現年徑流總量控制率在每個具體年份上都是不同的，具有年際變化的特性，這是由降雨的隨機性決定的。如圖1右側，以1977年的降雨序列為例，28.7 mm的設計降雨對應當量的徑流總量控制率為81.2%，高于多年平均值80%，這是因為1977年逐日降水超過50 mm的暴雨較少，最大日降水也沒有超過60 mm。2012年由于有“7.21”特大暴雨事件，暴雨產流難以控制，所以當年28.7 mm對應的徑流總量控制率只有70.6%。

圖1 設計降雨作用于具體水文年型的方法示意

按照圖1所示的方法，本文利用北京市某氣象站1977—2012年的降雨數據，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對剩余的有效降雨進行了排序，計算出80%徑流總量控制指標下對應的設計雨量為28.7 mm。計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住建部于2014年頒布的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》［5］，該指南規定，在計算年徑流總量控制率時，“根據中國氣象科學數據共享服務網中國地面國際交換站氣候資料數據，選取至少近30年（反映長期的降雨規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行排序，統計小于某一降雨量的降雨總量（小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和）在總降雨量中的比率，此比率（即年徑流總量控制率）對應的降雨量（日值）即為設計降雨量”。將28.7 mm的設計降雨逐年作用于1977—2012每年的降雨序列，分別對其逐年的徑流總量控制率進行了計算，其結果和日降雨數據系列的對應關系見圖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%徑流總量控制率對應的設計雨量28.7 mm進行海綿城市設計和建設，工程達效后各年的實際徑流控制率并非總是能達到80%，其波動范圍從60.5%（1994年）到100%（1999年）?；谝陨蠑祿治隹梢钥闯?，同樣的工程調控能力下年徑流總量控制率并非一個固定的值，它會隨著降雨量和時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時，應考慮不同水文年型的影響，不能固守一個指標。

圖2 某站1977—2012年日降水序列與設計降水對應的徑流總量控制率年際變化過程

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數統計，可以得到其出現的概率密度分布曲線（圖3）。從圖3可以發現其類似貝塔分布，最大似然估計值為82.5%，并非工程規劃設計時確定的80%。也就是說在海綿城市建設效果評估時，如果所有海綿設施都按照規劃建設并達效后，其評估年份實際的年徑流總量控制率出現的最大可能值是82.5%，這時如果用80%去考核，相當于放松了考核要求。進一步地，可以積分統計圖3中年徑流總量控制率大于80%的年份出現的概率為63.9%，即按照80%的指標考核，即使所有海綿措施都按設計目標達效，其通過的概率僅為63.9%。綜合以上兩點可以得出以下認識：采用80%的固定指標考核不同水文年型的徑流總量控制率是不科學的，正常年份指標要求偏低，豐水年份指標要求偏高，因此需要根據當年的逐日降雨數據序列確定科學合理的考核指標。

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的實現，針對不同年型的降水過程，須設定不同的年徑流總量控制率指標，只有這樣才能體現指標的客觀性和一致性?；诤＞d城市建設技術指南，提出特定年份徑流總量控制率的確定方法和步驟如下：

（1）根據海綿城市專項規劃確定徑流總量控制率指標要求（例如≥80%），選取近期長系列（至少30年）逐日降雨（不包括降雪）數據，采用海綿城市建設技術指南的方法計算對應的設計降雨量P0（例如上述某站的結果為28.7 mm）；

（2）收集考核年份的逐日降雨（不包括降雪）數據，按照海綿城市建設技術指南的要求，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按照如下公式計算受控的累計雨量Pc：

式中：n為降雨日數；i為計數指標；Pi為第i日的降雨量，P0為設計降雨量。

IF(logical_text，value1，value2)為條件取值函數，當logical_text值為“真”時，函數返回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，計算考核年的徑流總量控制率C=PC/PT。

應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數據，本文計算了2017年（假定的考核年份）的徑流總量控制率指標。圖4為2017年該站實測逐日降雨量，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（圖4中藍色長線）。利用式（1）計算得Pc=433.6mm，累計有效降水量PT=562.4mm，由此得到2017年的徑流總量控制率為C=PC/PT=77.1%。該數值低于規劃目標值80%，這是因為該年降雨偏豐，有效降水量562.4 mm高于該站1977—2012年的均值522.8 mm約8%，不利的降水導致其實際徑流總量控制率偏低。但僅就工程設計的雨水調控能力而言，只要該年的徑流總量控制率達到77.1%，該年就應該算達到設計要求。

圖4 某氣象站2017年的逐日降水數據（藍線為＞2mm的降雨，紅線為≤2mm的降雨）

5 討論和結論

年徑流總量控制率是海綿城市建設效果評估的關鍵指標之一，它實際是一個反映了長期（一般30年以上）降雨規律的一個綜合平均值，在特定年份其客觀值隨著降雨量和時程分布的差異而不同。本文以北京市某氣象站1977—2012年共36年的逐日降水數據為基礎，研究了年徑流總量控制率80%目標下（對應的設計雨量28.7 mm），1977—2012年各年徑流總量控制率的客觀值，發現其客觀值并非總能達到80%，其波動范圍從60.5%（1994年）到100%（1999年），造成這一現象的主要原因是降水過程具有隨機性。1994年徑流總量控制率低是因為當年是春旱夏澇的水文年型，1—4月降水總量僅6.6 mm［16］，是1913年以來同期的第四干旱過程。進入汛期又連降暴雨，1994年7月12日北京東部暴雨中心降雨量高達391 mm，這種極端不均勻的降雨時程分布導致徑流難以控制，所以出現低值。1999年徑流總量控制率高達100%，是因為該年是1841年北京有降水記錄以來最旱的一年，當年降水總量只有266.9 mm，僅為多年平均值的一半，當年該站最大一天的降水量僅20.9 mm，低于設計降水28.7 mm，全部被海綿設施控制住了。

1977—2012年徑流總量控制率分段統計發現，其在60%～100%之間呈類似貝塔分布，最大似然估計值為82.5%，高于其長序列均值。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%的指標考核，即使所有海綿措施都按設計目標達效，其通過的概率僅為63.9%，這不客觀也不科學；因此需要根據當年的降水數據確定科學合理的考核指標。

基于以上認識，本文提出應考慮降水量和降水時程分布對特定年份的海綿城市徑流總量控制率進行科學核算，避免采用固定指標考核帶來的結果失真問題。該方法基于海綿城市建設技術指南附錄2，計算簡便，可操作性強，能夠保證考核指標的客觀性和一致性。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，但這個指標如何通過城市水文監測得到依然是一個難題；還需要進一步研究該指標的監測技術，完善海綿城市建設效果評價的技術方案，為海綿城市績效評估提供科技支撐。