年径流总量控制率是《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》中提出的核心指标，表征了场地中全年降雨的渗透、集蓄、利用、蒸发、蒸腾等作用控制的降雨体积，与传统的雨量、流量径流系数既有差异又有联系。从2015年海绵城市建设试点城市申报情况来看，各地同等年径流总量控制率提出的径流系数指标差异较大，客观影响指标的合理性和目标可达性。为此，采用SWMM模型，分析达到年径流总量控制率的建筑与小区类低影响开发示范项目在各种降雨条件下的雨量径流系数，从而探讨其与年径流总量控制率之间的内在联系，旨在为其他城市结合本地条件开展类似研究提供参考。
海绵城市建设提倡推广和应用低影响开发建设模式，加大对城市雨水径流源头水量、水质的刚性约束，使城市开发建设后的水文特征接近开发前，有效缓解城市内涝、控制面源污染，最终改善和保护城市生态环境，实现新型城镇化下城市建设与生态文明的协调发展。在“源头减排、过程控制、末端治理”的海绵城市建设全过程中，雨水的渗、蓄、滞、净、用等综合效益，主要依托对降雨的体积控制来实现，体现在年径流总量控制率这一核心指标中。
2015年国家海绵城市建设试点城市申报要求试点城市年径流总量控制率不得低于70%。但给排水技术人员并不熟悉降雨体积控制的设计参数，更常用对应流量设计的径流系数，因此在申报过程中，部分城市同时将年径流总量控制率目标、径流系数作为并列的地块控制指标，整理如表1所示。
表1试点城市核心指标
径流系数的影响因素较多，除与下垫面组成有关外，还同降雨强度或降雨重现期密切相关。从表1可知，各地技术人员对其理解不一，造成各地在几乎同等的年径流总量控制率下提出的径流系数差异较大，影响到指标纳入控制性详细规划，作为规划管控刚性指标的可操作性和可达性。鉴于此，笔者结合国家水专项“低影响开发雨水系统综合示范与评估课题”（2010ZX07320-003），利用数学模型，探讨在深圳的自然、水文等条件下，径流总量控制率指标与径流系数的内在联系，以期为其他城市结合本土条件开展类似研究以及海绵城市建设提供参考。
1、指标关联性分析
年径流总量控制率指标是指通过自然和人工强化的渗透、集蓄、利用、蒸发、蒸腾等方式，场地内累计全年得到控制（不外排）的雨量占全年总降雨量的比例。按此定义，年径流总量控制率=100%-全年外排的径流雨量占全年总降雨量的比例。年径流总量控制率可通过日降雨量统计分析，折算到设计降雨量：选取至少近30年（反映长期的降雨规律和近年气候的变化）日降雨（不包括降雪）资料，扣除≤2mm的降雨事件的降雨量（一般不产生径流），将日降雨量由小到大进行排序，统计小于某一降雨量的降雨总量在总降雨量（小于该降雨量的按实际雨量计算出降雨总量，大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量，两者累计总和）中的比率，此比率（即年径流总量控制率）对应的降雨量（日值）即为设计降雨量H。
径流系数包括流量径流系数和雨量径流系数，后者比前者略小。用于管道设计流量计算的径流系数为流量径流系数，即形成高峰流量的历时内产生的径流量与降雨量之比；用于雨水径流总量计算的为雨量径流系数，即设定时间内产生的径流总量与总雨量之比。《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400—2006）总结经验，给出表2供参考，并同时指出流量径流系数Ψm对应的重现期为2年左右；雨量径流系数Ψc的上限值为一次降雨的雨量径流系数（雨量为30mm左右），下限值为年均值。
表2径流系数
由上述定义可知，径流系数受降雨强度、降雨时间的影响较大。如要推广地块的低影响开发，对地块的控制指标应采用与总量控制相关的年均雨量综合径流系数，而非采用与流量相关的流量径流系数。部分试点城市在表1中提出的径流系数从数值上来看，主要为流量径流系数，且没有说明对应的降雨条件，从而造成既无法与年径流总量控制率指标相衔接，也难以模拟和实测的困境。即便采取雨量综合径流系数，受雨型、雨强的影响，其变化幅度也较大，下文将进行案例研究，通过模型进一步分析。
2、模型构建与基础数据
国家水专项“低影响开发雨水系统综合示范与评估课题”（2010ZX07320-003）以深圳市为基地，试点建设了覆盖各类典型建设项目的低影响开发建设项目，其年径流总量控制率目标为60%~70%，对应的设施设计降雨量为19~25mm。这些示范项目，利用EPA-SWMM搭建了数学模型，并结合监测数据率定参数，确保参数选取的合理性，下文以其中的建筑与小区示范项目为例进行详细分析。
2.1、建筑与小区类模型构建
以深圳某采用低影响开发理念设计的建筑与小区类项目为例，构建数学模型，其模型界面见图1。
图1建筑与小区类SWMM模型界面
项目主要采用的低影响开发设施包括绿色屋顶、雨水花园、下沉式绿地、透水铺装四类；模型中低影响开发设施的布置采用子汇水区层面的布置方式，即定义一种类型的LID设施，将其覆盖至整个汇水区，从而能够详细表达整个项目的雨水径流路径。图1模型中汇水区个数为122个、管段为51段、节点为51个，其中设置9个绿色屋顶子汇水区、18个雨水花园汇水区、19个下沉式绿地汇水区、26个透水铺装汇水区。
2.2模型参数与基础数据
如表3所示，选取不同的降雨作为模型降雨数据。其中，场降雨和3年降雨为实际监测的降雨数据（1min间隔）；1~10年一遇2h降雨根据深圳市短历时设计雨型求得，2~10年一遇24h降雨根据深圳市长历时设计雨型求得。
表3降雨数据
模型参数主要包括汇水区、管段、节点以及低影响设施相关参数，如表4所示，其中降雨量、地形图、土壤的渗透性等来源于实测数据；汇水区的面积、坡度、不透水性，管道的尺寸、埋深，节点的深度、高程，低影响开发设施的主要参数等来源于项目的设计资料，其他参数借鉴SWMM用户手册（部分可以从手册获取的参数，未在表4中列出）。
表4模型参数
3、不同降雨条件下控制指标模拟分析
3.1年径流总量控制率模拟
根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》推荐的方法，采用模型推求建筑与小区类建设项目的年径流总量控制率。本项目采用连续3年的降雨数据（1min间隔雨量）模拟水文效应，其中2012年、2013年和2014年的降雨量分别约为1723、2048、1795mm，接近深圳多年平均降雨量值（1935mm），代表了近年来典型的降雨情况。连续模拟结果显示，该建设项目3年的径流总量控制率为72%，即3年平均雨量径流系数为0.28，达到了低影响开发示范项目70%的年径流总量控制率目标。
3.2不同重现期下的雨量径流系数模拟
变换降雨雨型，模拟不同设计重现期下的雨量径流系数，结果如表5所示。
表5不同重现期的雨量径流系数
随着降雨重现期的增加，雨量径流系数逐渐升高，由1年一遇的0.29升至10年一遇的0.51。同一设计重现期下，不同降雨历时的雨量径流系数亦不同，24h降雨的雨量径流系数明显大于2h降雨，相差约40%，这主要是因为降雨时间的延长，使得地表土壤渗透能力已从初渗变为稳渗，降雨初始损失占降雨量的比例较小，且低影响开发设施功能已饱和。由此可见，低影响开发示范项目在不同重现期、不同历时的降雨雨量径流系数存在一定的比例关系和修正系数，与赵萍等提出的选取径流系数时应区分高低暴雨重现期和长短历时结论一致。
同时，对比年径流总量控制率模拟结果发现，较为接近年径流总量控制率的降雨条件为短重现期、短历时，如本项目3年径流总量控制率为72%，1年一遇2h的雨量径流系数为0.29（即场径流总量控制率为71%）。研究结果表明，雨量径流系数与降雨频率、降雨量、降雨历时均有关系，在确定雨量径流系数目标时，需明确降雨条件（比如2年一遇2h降雨），否则容易造成概念模糊，无法评估。
3.3不同降雨历时下的雨量径流系数
从深圳市历年降雨数据中选取降雨历时为1h、降雨总量为37mm的单场降雨作为基础数据。根据研究需要，将该场降雨量平均转换为2、4、8、12、18、24h降雨，从而考察不同降雨历时和降雨强度对雨量径流系数的影响，结果如表6所示。
表6不同降雨历时下的雨量径流系数
由表6可见，雨量径流系数与降雨历时和降雨强度存在一定的关系，降雨强度越弱，则雨量径流系数就越低，场径流总量控制率就越高，这主要是由于地表产流与降雨强度、土壤入渗能力有关，降雨强度超过土壤入渗能力则容易产生径流。由上述案例可见，同一雨量不同雨强对雨量径流系数的影响变化幅度在20%左右，且存在一定的极限点，高于或低于某个雨强时变化幅度变小，趋近于零。
4、海绵城市指标体系的合理应用要点
由上述分析和模拟可知，在海绵城市指标体系应用过程中，应注意以下要点：
①按照海绵城市建设理念，在指标体系中采用的核心指标应是年径流总量控制率或年均综合雨量径流系数等表征体积或总量控制的参数，应避免采用流量径流系数、径流系数或场综合雨量径流系数替代年径流总量控制率。
②在不具备条件进行水文模型计算的条件下，核心指标主要采用年径流总量控制率（转化为对应的设计降雨量）进行设施规模的优化设计。在设计时，可按表2取雨量径流系数的上限值，结合下垫面种类及其比例，加权计算出项目的场次综合雨量径流系数Ψc，按V=10HΨcF计算出产流量。再设计具有一定调蓄容积（≥V）用于储存、蓄、渗、回用雨水径流的低影响开发设施（包括生物滞留设施、渗透塘、湿塘、雨水湿地、下沉式绿地等）、收集回用设施等，从而使项目的整体规模达到设计降雨量要求。采用这种计算方法的不足是，Ψc应为对应设计日降雨量为H时、一定雨型下的雨量径流系数，但因该值各地目前尚未有监测与评估，故用规范中推荐的30mm左右的雨量径流系数值近似替代。
③在有足够经验和条件的地区，应结合自身水文条件，通过水文模拟，同步将下垫面、低影响开发设施纳入模型，输入典型年或多年的实际降雨进行模拟，反复优化调整设施规模，确保项目的多年径流总量控制率达标。这种情况可以避免上一种方法中的雨量径流系数带来的误差，但不可避免地面临模型率定和参数设置带来的其他不确定性问题。
④在有足够降雨、水文资料的地区，应用年均综合雨量径流系数时，为简化设计，便于设计人员应用习惯的加权算法，除常规下垫面按表2取雨量径流系数的下限值外，可结合自身水文条件，对不同情景下的低影响开发设施进行多年降雨量的连续模拟，得到设施各种应用条件下的年均雨量径流系数，供设计人员直接应用，加权计算得到近似于模型计算的年综合雨量径流系数结果。表7为笔者团队在编制《光明新区建设项目低影响开发规划设计导则》时，对深圳光明新区雨水花园在控制不同比例硬化下垫面雨水径流时的年雨量径流系数模拟结果。同理，如能利用本土条件，充分研究，也可提供其他类型低影响开发设施的年综合雨量径流系数，从而达到一定程度上简化设计和审批管理的目的。
表7雨水花园年综合雨量径流系数推荐表
5结语
在海绵城市建设过程中，指标体系需合理确定，这将直接关系到后续建设项目规模的合理性和可实施性。在设定指标体系时，应将年径流总量控制率（一定程度上约等同于多年平均雨量径流系数）作为核心指标进行分解至地块，作为刚性约束条件。其他径流系数、流量径流系数、场雨量径流系数仅能反映一定降雨条件下峰值流量或场径流控制效果，可作为辅助指标同时提出，但不应作为替代年径流总量控制率的指标。在提出指标时，应设定好对应的降雨条件，对能达到年径流总量控制率的典型项目进行监测或模型分析，分析其径流系数值的合理区间和范畴，避免指标之间存在逻辑的悖论，从而使指标相互衔接、互为支撑，可信度高、可实施性强。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第13期“城市雨水管理”栏目）
原标题：海绵城市年径流总量控制率等指标应用初探
