昆山市海绵城市试点区建设成效核心指标评估研究

文＿杨 森 [宜水环境科技（上海）有限公司，城市水务部经理，工程师]

《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345）中规定了海绵城市建设评价的考核内容和考查内容，其中考核内容包括年径流总量控制率、源头减排项目实施有效性、路面积水控制与内涝防治、城市水环境质量、自然生态格局管控与水体生态岸线保护。海绵城市建设评价应对典型项目、管网、城市水体进行监测，结合现场检查、资料查阅和模型模拟进行综合评价。财政部、住房城乡建设部、水利部于2021—2023年间竞争性选拔了3批共60个海绵城市建设示范城市，截至2023年8月第一批示范城市尚未进入验收考核评估阶段。

目前，国内有学者在海绵城市建设成效评估方面已开展一些研究，如郭效琛等人采用监测与SWMM模型结合的方法对典型住宅小区海绵改造项目的年径流总量控制率进行评估，李佳等人采用调研与SWMM模型模拟的方法对北京房山区海绵城市建设的年径流总量控制率达标区进行评估，沈炜彬等人借助SWMM模型对杭州萧山区世纪城海绵城市建设情况进行模拟并评估年径流总量控制率与年雨水径流SS削减率指标，由阳等人利用GRMS模型对贵州贵安新区中心区海绵城市建设前后年径流总量控制率、平均径流污染去除率等指标进行了评估研究。上述研究对海绵城市建设成效的核心指标评估多侧重于年径流总量控制率和雨水径流污染削减率，对海绵城市建设的排水防涝能力、水环境指标评估及典型设施的污染削减研究不多，对整个片区层面综合评估海绵城市建设核心指标的研究较少。为此，本文以江苏省昆山市省级海绵城市试点区为例，采用监测分析和XpDrainage、InoWokrsICM模型分析的方法，评估设施、项目、片区、试点区四个层级海绵城市建设后的核心指标，包括典型设施的雨水径流污染削减率、典型项目的年径流总量控制率与雨水径流SS削减率、片区和试点区的排水防涝能力及年径流总量控制率，为平原河网地区海绵城市建设评估提供参考。

一、试点区概况

昆山市2016年成为江苏省首批海绵城市建设试点城市，2022年成功入选第二批全国系统化全域推进海绵城市建设示范城市，实现由“试点”向“示范”跨越。

昆山市省级海绵城市建设试点区面积22.91km2，区域内地势平坦，内河网密布，雨水多以重力流就近入河，形成以圩区为单元的排水格局。

在试点建设过程中，昆山市按照规划引领、系统治理、综合施策、精品引路、全面推进的工作思路，统筹开展海绵城市建设，充分结合圩区排水特点，协同源头、过程和末端工程体系，包括河道水系、圩区循环、管网及易涝点整治、地块（新建、改建）和绿地按照海绵城市建设理念开发建设。

（1）河道水系与圩区循环工程，包括防洪堤防加固与河道拓宽2项、圩区排涝闸站建设10项，提升圩区防洪排涝能力；对8条河道开展清淤疏浚，对10条河道开展内源治理和活水畅流，对9条河道实施生态修复工程建设，提升水体生态环境。

（2）管网及易涝点整治工程，包括试点区内6条道路、周边7个小区的雨污分流改造和3个小区的雨污混接改造，以及对3个尚不具备雨污分流改造条件老旧小区的截流工程建设，实现污水零直排；对区域内2处易涝点开展管网提标改造，1处待拆迁低洼小区的临排泵站建设，待后期拆迁时结合规划综合解决。

（3）地块海绵项目及绿地工程共103项，包括道路广场28项、建筑小区46项、公园绿地项目29项。

二、总体技术思路

经过3年的试点建设，昆山市全面完成省级海绵城市试点建设工程，并建立了包括机制和技术导则等在内的非工程体系，评估试点建设成效的核心指标总体思路如图1所示。

图 2 五类下垫面各场次降雨取样监测SS（左）、CODcr（右）对比图

图 3 五类下垫面各场次降雨取样检测的TN（左）、NH3-N（右）对比图

图 4 五类下垫面各场次降雨取样检测TP对比图

图 5 现场配置浓度水样洒水及取盲管水样

（1）收集整理基础数据，掌握海绵设施、项目、排水分区、排水管网、河道水系等基础设施的属性和空间数据。

（2）实施综合监测，包括降雨、河道水质、片区管网水位、典型项目排口流量和水质、典型设施出流水质、典型下垫面径流水质。

（3）开展监测分析与模型构建，包括分析典型下垫面径流污染特征、典型设施径流污染削减效果、河道水质变化情况，构建典型项目XpDrinage评估模型、片区与试点区InfoWorksICM评估模型。

（4）对设施、项目、片区、试点区逐级开展评估，量化海绵城市建设的核心指标。

三、综合监测开展

监测是评估海绵城市建设和运行管理质量的重要方式，一方面可用于量化评估典型设施、项目等的建设效果，另一方面可为模型提供率定数据支撑模拟评估。在海绵城市试点建设过程中，结合试点区内圩区管网排水特征、建设项目分布和设施分布等，开展有针对性的监测。

（1）降雨监测采用数据共享的方式，接入昆山市气象局在海绵试点区内4个降雨监测站点，分别为森林公园站、体育馆站、培本小学站和中华园站，监测频率为1min。结合雨量站空间分布，试点区内雨量站点密度约5.71km2/个，能较好反映降雨空间分布差异。

（2）针对试点区内下垫面分类，分别选择屋顶、道路、绿地、硬地（广场）和裸地5类下垫面，开展雨水径流污染本底特征监测，监测指标包括SS、CODcr、TN、TP、NH3-N指标，为典型项目雨水径流污染削减模型评估提供基础数据。

（3）针对试点区内地块和道路项目使用数量最多的生物滞留设施及面积最大的雨水湿地进行监测，用于评估典型设施的雨水径流污染处理效果。其中生物滞留设施分别采用配置水样洒水实验、实测降雨下采集设施进水水样和设施盲管出流水样，雨水湿地采集进口和出口的水样。监测指标包括SS、CODcr、TN、TP、NH3-N。

（4）针对地块和道路项目分类，选取3种典型项目进行监测，包括博士路海绵改造项目、时代悦府新建住宅小区海绵建设项目、黄泥山小学公建学校海绵建设项目。这3个项目建设中使用了包括生物滞留设施、下凹绿地、植草沟、透水铺装等多元海绵设施。在上述两个地块项目内部雨水管网排入市政道路雨水管前的检查井内安装监测设备，监测雨水流量和SS指标。博士路雨水管网与路边河道连通，常水位下管网水位与河道水位起涨共跌，管网流量较难监测，应监测不受河道水位影响的生物滞留设施的溢流管流量和SS指标。

（5）试点区分为5个圩区排水片区，区域内河网密布，市政道路雨水管网排口均为淹没出流且无拍门设置，管网排水路径较短，不超过500m就能入河，多数管网平日也受圩区河网水位影响而使管内存水，流量监测较为困难。因此，分别选择5个排水片区雨水干管中的11个检查井进行水位监测，为水力模型提供校验数据。

（6）对试点区内河道与试点区边界河道开展逐月水质采样监测，取样点覆盖试点区15条河道及5条圩外边界河道。

四、核心指标评估

海绵城市建设的核心指标评估包括典型设施雨水径流污染削减率评估、典型项目雨水年径流总量控制率及径流污染削减率评估、片区和试点区年径流总量控制率与内涝防治评估。

（一）典型下垫面径流污染特征分析

对屋顶、道路、绿地、硬地（广场）和裸地5类下垫面采用降雨取样监测的方式，采集降雨径流产生后各下垫面30min～150min内的径流水样，采样频率遵循20min～60min内每隔5min～10min采1个样，60min～150min内每隔20min～30min采1个样，共采集到271个水样进行实验室检测，获取下垫面雨水径流污染本底特征数据，为典型项目雨水径流污染削减评估提供基础。五类下垫面SS、CODcr、TN、TP、NH3-N取样检测结果如图2—图4所示。

统计各指标的标准差、中位数、平均数，出于偏保守原则，选用上四分位数的统计值作为各下垫面径流污染特征的代表浓度，如表1所示。

表1 五类下垫面271个水样检测数据的上四分位数浓度统计值

（二）典型设施径流污染削减评估

对位于大渔湖、龙辰院子和体育场的生物滞留设施采用人工配置一定浓度的水样，然后人工洒水实验采集盲管出流水样，采集过程如图5所示；在实验室检测各水质指标，对比各污染物的去除效果见表2所示。结果表明：SS、TN、NH3-N、TP、CODcr的平均去除率分别为95.46%、66.05%、94.77%、75.65%、65.70%，效果较好。

表2 配置水样洒水实验下的生物滞留设施污染物去除效率

除了上述洒水取样实验外，对位于新城路、前进路上的5个生物滞留设施在雨天道路雨水径流汇入进行取样及对设施的盲管出流进行取样，在实验室检测各水质指标。两场降雨下5个生物滞留设施的SS、NH3-N、TP、CODcr的平均去除率如表3所示，分别为90.08%、50.09%、77.35%和39.24%，具体数值如表4所示。

表3 雨水径流经生物滞留设施处理后各指标去除率

表4 生物滞留设施雨天进水和盲管出水取样监测数据

博士路雨水湿地设置在滨河绿地内，道路雨水入河前通过末端雨水井改造抽排入雨水湿地净化后再排放入河，分别在湿地的起端进水口与末端出水口进行11次降雨取样监测，分析SS、CODcr、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为52.61%、28.13%、82.74%、40.26%、42.93%，如图6所示。

图6 博士路雨水湿地对各指标的去除率分布图

（三）典型项目年径流总量控制率及SS削减率评估

利用XpDrainage低影响开发模拟软件分别构建3个项目地块的LID模型，对模型进行校验后评估年径流总量控制率与雨水径流SS削减率，并评估海绵设施建设前后在设计降雨下的径流峰值削减情形，具体包括以下内容。

1.集水区划分及产汇流概化

根据地块项目设计图纸中的排水管网、高程分布及海绵设施的分布与收水范围，划分集水区，结合下垫面特征选择产汇流模型并设置产汇流参数。

2.排水管网概化

根据地块内雨水管网施工图进行雨水井、雨水管网的空间拓扑连接，设置管道和检查井的标高、管径、糙率等属性参数。

3.海绵设施概化

根据项目建设的海绵设施分布进行空间概化，并连接汇水集水区；结合各类设施的施工大样图进行相应参数设置，包括覆盖层、过滤层、过渡层、保水层、排水层的厚度、孔隙率、渗透系数及其他参数。对海绵设施透水盲管及溢流管与雨水管网衔接进行概化。

4.污染物参数设置

设置集水区内各下垫面的SS雨水径流特征浓度（用表1数值）和海绵设施的污染物去除率。

5.模型调试与率定

调试模型计算，利用地块雨水管网排出管的流量和SS监测数据进行模型率定，调整产汇流和SS去除率参数，对比模拟过程与监测过程线如图7所示，满足纳氏效率系数＞0.50的要求。

图7 黄泥山小学雨水管网流量监测与模拟过程对比

图 8 典型项目径流总量控制率和SS削减率对应关系区间分布图

6.年径流总量控制率与SS削减率评估

利用率定后的XpDrainage模型分别模拟典型年（2018年）5min间隔降雨下各项目的雨水径流总量控制率和SS削减效果。模拟结果表明：博士路年径流总量控制率为68.41%，SS削减率为60.02%；时代悦府年径流总量控制率为80.61%，SS削减率为65.54%；黄泥山小学年径流总量控制率为81.72%，SS削减率为63.35%。

7.径流峰值削减率评估

分别模拟3个项目在设计降雨下按照海绵方案建设和无海绵设施情形下的地块外排径流峰值过程，评估外排径流峰值削减效果，模拟结果表明：按照海绵方案建设的地块相比无海绵设施的情形下，外排径流峰值有所减少；在2年一遇24h设计降雨下径流峰值削减率在10.10%～13.90%之间；在3年一遇24h设计降雨下径流峰值削减率在8.10%～10.71%之间；在5年一遇24h设计降雨下径流峰值削减率在5.63%～7.84%之间。

8.径流总量控制率与SS削减率分析

利用率定后的地块模型分别模拟设计降雨下3个地块项目的径流总量控制率和对应的雨水径流SS削减率，模拟结果表明：地块径流总量控制率介于60%～80%时，SS削减率范围介于45%～70%之间，如图8所示。

（四）片区与试点区年径流总量控制率与内涝防治评估

利用InfoWorksICM模型软件构建整个试点区管网与河网耦合的水文水动力耦合模型，结合5个片区管网水位监测对模型进行率定，再利用率定后的模型评估片区与试点区的内涝达标情况和年径流总量控制率，具体包括以下内容。

1.模型网络概化

利用雨水管网和河道普查数据进行模型网络概化，包括管道6145段，长度129.61km；河段431段，长度约70km。

2.集水区划分

根据地形高程、管网收水范围、河道分布划分了4543个集水区，其中位于庙泾片、镇东片、江浦片、吴淞片、城南片的集水区数量分别为1025个、616个、2104个、227个、571个。

3.产汇流模型

根据每个集水区的地表渗透特征，将集水区划分为透水面积和不透水面积，分别计算各个集水区的产流量，求和后即为整体的地表产流量。透水下垫面，如绿地、裸地等降雨产流采用Horton下渗模拟；不透水下垫面，如道路、屋顶、硬地等降雨产流采用固定径流系数法，并考虑初损雨量。汇流模型采用非线性水库法，汇流长度和坡度利用GIS分析地面高程模型得出。

4.水动力模型

地面产汇流进入雨水系统后，在雨水管网与河道中流动状态较为复杂，水动力模型采用动力波法差分求解圣维南方程组，动态模拟雨水系统不同流态的水量运动。

5.一、二维耦合

将一维水动力模型与二维地面漫流模型进行无缝耦合，模拟管渠中的有压流和无压浅水自由表面流，以及内涝积水在地表二维浅水空间内的物理运动过程和地表径流与地下管流间的流量和动量交互，实现超出雨水系统排放能力的地表积水的空间分布与水深模拟。

6.海绵设施概化

将试点区内各类海绵建设项目和相关海绵设施的统计信息进行梳理，在模型各集水区内统计各类海绵设施的面积或容积概化参数，包括海绵设施的类型、表层滞蓄深度、表面糙率、纵坡、土壤类型、土壤孔隙率、土壤透水率、蓄水层厚度、蓄水层空隙率、是否有盲管和盲管尺寸及开孔率、垫层厚度、垫层孔隙率、垫层透水率等参数信息。

7.模型调试与率定

分析筛选试点区内5个片区共11个管网水位监测点与区域内4个降雨站点监测数据，选择暴雨期间管网水位与暴雨过程有相应涨落过程的点位数据用于模型率定。模拟实测降雨下系统运行工况，结合调整产汇流、管网糙率、拓扑连接核查等，对比筛选出的水位监测过程与模拟监测过程，满足纳氏效率系数＞0.50精度要求，率定结果如表5所示。

表5 两场降雨下水位模拟与监测过程的纳氏效率系数统计表

8.片区与试点区年径流总量控制率与内涝防治达标情形评估

模拟试点区在典型年（2018年）降雨下的产汇流并统计5个片区的径流总量控制率，结果表明整个试点区内年径流总量控制率为80%，其中城南片区、江浦片区、庙泾片区、吴淞片区、镇东片区年径流总量控制率分别为66%、84%、73%、81%。模拟试点区在50年一遇24h设计降雨下运行工况，分析地表积水情形，识别积水范围和退水时间。模型成果表明：试点区海绵建设后，地块和道路上无中高风险积水点，仅有的积水中风险区域位于待开发地块中，且积水时间在30min～45min以内消退，具备防治50年一遇内涝的能力。

（五）试点区水环境评估

河道水环境评估采用2020年全年每月人工取样监测数据开展，采用单因子评价试点区内河道水质类别。评估结果显示：试点建设后试点区内河道水质类别稳定在IV～V类水体；对比海绵试点建设期间（2017—2019年）各月份的河道水质指标，圩区部分河道的NH3-N指标呈现逐年改善趋势。由于篇幅所限，试点区15条河道及5条圩外边界河道的逐月TP、NH3-N、CODMn、BOD5、DO水质评估及对比具体数据不再列出。

五、总论与展望

本文介绍了昆山市海绵城市试点建设的区域概况与工程体系，重点研究了监测与XpDrainage和InfoWorksICM模型相结合的技术方法，从设施、项目、片区、试点区4个层级评估了海绵试点建设后的核心指标，为多维度评价海绵试点建设成效提供了量化支撑。从评估结果看，经过3年的海绵试点建设，昆山市省级海绵试点区具备50年一遇防涝能力，试点区无黑臭河道且河道水质在2020年逐月达标率为100%，典型年径流总量控制率达80%，典型下垫面污染底数清晰，典型项目和典型设施对雨水径流SS的去除率介于50%～65%之间。

海绵城市是一种可持续发展的建设理念，在系统化全域化推进海绵城市建设过程中，有针对性地选择设施、项目、片区和区域采用适宜方法开展跟踪评估，有助于海绵城市建设朝着缓解极端强降雨引发的城市内涝为重点方向发展，使城市在适应气候变化、抵御暴雨灾害等方面具有良好的“韧性”。