关键词：海绵城市；径流总量控制率；径流系数
海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（以下简称《技术指南》）自2014年颁布以来，对指导全国海绵城市设计起到了重要作用。但笔者在工作实践中发现《技术指南》，在如何确定整个城市的海绵城市控制目标方面做了详细的技术指导，但在项目级（如一个小区、一个公园、一条道路等）控制目标计算方面则语焉不详，导致设计人员在设计计算工作中存在许多误区。为此，本文对常见的计算问题进行分析探讨，供设计人员参考。
问题一：海绵城市计算的程序
《技术指南》未针对项目级控制目标计算给出计算程序，常见的计算程序为设计人员首先根据城市规划查询地块的控制目标，再根据所在城市的降雨量（H）—控制率（α）关系曲线得出设计控制雨量，其次由《技术指南》（4-1）V=10ΨHF，确定海绵设施的调蓄容积V，当海绵设施的调蓄容积不少于V时，即认为达到控制目标要求，以上计算过程可以概况如下：
计算程序A：a:确定控制目标—b:确定下垫面径流系数—c:计算海绵城市规模（计算公式为V=10ΨHF）—d：进行海绵设施设计。
但是以上程序无法保证雨水进入海绵设施，也没有考虑海绵设施对初始径流系数的影响，因此，无法保证达到控制目标要求。为了在设计过程中避免以上两个疏漏，笔者认为可通过汇水分区校核雨水是否能够流入海绵设施；通过重新核算径流系数，体现海绵设施对初始径流系数的影响。计算程序如下：
计算程序B：(1)确定控制目标—(2)确定下垫面径流系数—(3)初步划分汇水分区—(4)估算海绵设施规模（计算公式为V=10ΨHF）—(5)进行海绵设施设计（包括海绵设施类型的选择、确定平面位置、确定设施规模等）—(6)重新确定径流系数—(7)重新划分汇水分区—(8)校核控制目标（计算公式为公式（2），公式推导详见问题五），若控制率不达标，则重复（5）-（8），直至达到控制率要求。
整个计算过程可分为估算和校核两个阶段，（1）—（4）属于估算阶段，（6）—（8）属于校核阶段。估算阶段的目的是粗略测算海绵设施总体规模，为海绵设施设计提供依据；校核阶段的目的是根据海绵设施平面布置图和大样图，重新校核径流系数和汇水分区，从而校核总体控制目标。
步骤(6)和步骤（2）的区别和意义：海绵城市计算中径流系数的目的是确定海绵设施需要消纳的雨量，计算步骤（2）是没有进行海绵设施设计之前，确定场地 的初始径流系数；计算步骤（6）计算程序的意义在于考虑了海绵设施对径流系数的影响，其必要性详见问题三；
计算步骤(7) 和步骤（3）的区别和意义：步骤（3）仅根据地形划分汇水分区，目的是确定自然状态下的排水流向，目的是确定各汇水分区的海绵设施规模和海绵设施位置；步骤（7）不仅需要考虑地形划分汇水分区，还需要校核有无转输雨水，目的是确定每个海绵设施的汇水范围，进而确定每个海绵设施的实际能够达到的控制目标。
步骤(8)和步骤（4）的区别和意义：步骤（4）不考虑海绵设施对初始径流系数的影响，粗略估计各汇水分区的海绵设施规模，为步骤（5）提供依据；步骤（8）是根据海绵设计平面图、雨水流向等因素，最终确定项目总体能够达到的控制目标。
步骤（5）需要根据场地条件进行海绵设施设计。由于场地条件影响，不一定能够按步骤（4）的估算结果设计海绵设施，此时需要提高或降低其他汇水分区的控制目标，并通过步骤（6）—（8）的校核程序，保证项目总体径流控制率达到最初设定的目标。
问题二：如何确定海绵城市设计控制目标。
《技术指南》在2.1节给出了我国大陆年径流总量控制率分区图，并在第四章第四节明确通过海绵城市总体规划和控制性详细规划，将整个城市的控制目标分解到各个地块。
由于在规划阶段常常无法考虑到每个项目的具体情况，当开发地块由于受条件限制（如老旧小区改造，绿地受限时；路幅较小的市政道路，无法设置绿化带时）无法达到规划目标时，应该如何恰达地调整规划，不影响整个城市的控制目标？
此时可根据公式（2）进行调整。如某城市既有市政道路宽度为20米，路面面积5000㎡，在不影响交通功能的情况下，控制率仅能达到30%；而该市政道路旁有一公园，面积为4w㎡
该城市海绵城市控制性详细规划原确定市政道路的径流总量控制率不小于60%，公园的径流总量控制率为90%。由于项目的具体情况，需要降低市政道路的海绵城市控制指标，相应调高公园的控制指标，根据公式（2）公园的控制指标应调整为（0.5×0.6+4×0.9-0.5×0.3）/4=93.75%。
问题三：如何确定《技术指南》（4-1）式：V=10ΨHF中的径流系数Ψ？
《技术指南》在对（4-1）式参数取值的解释中提出“Ψ综合雨量径流系数，可参照表 4-3 进行加权平均计算”；实际工作中存在的两个问题
第一个问题：如何确定综合雨量径流系数加权的空间范围？
有设计人员认为应在整个项目用地范围内，采用加权平均的方法，得到用地范围内的综合径流系数。在估算阶段，是为了估算海绵设施的总体规模，可以对整个用地范围进行综合径流系数的加权平均；但在控制目标校核阶段，是为了计算每个海绵设施能达到的实际控制率，应在每个海绵设施的汇水范围内进行综合径流系数的加权平均，而不是项目的用地范围。
第二个问题：海绵设施的径流系数如何取值？
有设计人员认为《技术指南》表4-3提供了各种下垫面类型径流系数的取值范围，对于下沉式绿地，生物滞留设施等海绵设施，等同于绿地，其径流系数应取0.15。
其实，在海绵城市设计中采用V=10ΨHF进行计算的目的是为了确定海绵设施的调蓄容积，而不是为了计算外排雨量，因此不能简单地将径流系数加权平均。
而对于海绵设施，在控制降雨量的情况下，降落到自身的雨水不但不能外排，还需要有剩余的调蓄容积容纳外来雨水，即调蓄容积=自身需要消纳的雨水+需要消纳的外来雨水，如下图所示：
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用数学公式表达为
V=fH+ΨHF （1）
由此可见，Ψ在《技术指南》（4-1）中的准确含义对于海绵设施其径流系数区应为1；其他下垫面的径流系数按《技术指南》表4-3提供的数据取值。
案例一：某城市《海绵城市设计导则》给出透水铺装控制雨量计算公式为：
A为透水铺装的面积，d为透水铺装结构层的厚度，n为透水铺装孔隙率，Ψ综合雨量径流系数，F为透水铺装汇水面积。透水铺装一般只消纳自身雨水，不接纳客水，即A=F。
错误算法：常规人行道透水砖的整个结构层厚度约200mm厚，孔隙率约0.3，综合径流系数为0.15，因此得到透水砖的控制雨量为400mm！得出远远大于最大降雨量的荒唐结果！
正确的算法：计算海绵设施的控制雨量时，其自身径流系数应取1，得到的透水砖控制雨量为60mm。
问题四：如何校核径流总量控制率
在《技术指南》中未给出径流总量控制率计算的数学公式，仅在附录1主要术语中给出了径流总量控制率的定义，即“场地内全年得到控制（不外排）的雨量占全年降雨总量的百分比”
将此定义用数学公式表达即为
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（2）
—径流总量控制率；
—单个海绵设施i的全年调蓄雨量m3；
—各汇水分区径流控制率；
—各汇水分区地范围内的全年降雨量（m3）
—各个汇水分区的汇水面积
—汇水分区面积总和（m3）。
H—全年降雨量（在相当大的范围内，可认为各处全年降雨量均相同）；
—整个场地范围内的全年降雨量（m3）。
由于《技术指南》未对控制率的计算给出数学公式，导致存在以下两种不同的计算方法：
错误算法一：
有设计人员认为根据《技术指南》（4-1）式：V=10ΨHF，自然得出H=V/10ΨF，其中V为所有海绵设施调蓄容积的总和，Ψ项目场地的综合径流系数，F为场地面积，H控制雨量，再根据控制降雨量（H）—控制率（α）曲线即可得出总控制率。
此种方法没有体现汇水分区（地形、海绵设施平面布置）对控制率的影响，只校核了总调蓄容积，不能保证达到控制目标要求，因此是不正确的。
错误算法方法二：
有设计人员认为可根据《技术指南》第22页提到的“各地块低影响开发雨水系统的年径流总量控制率经汇水面积与各地块综合雨量径流系数的乘积加权平均，得到城市规划范围低影响开发雨水系统的年径流总量控制率”，将此段话用数学公式表达即为：
相比式（2），此种方法在没项后面多乘了一个径流系数。径流系数是为了计算外排雨量，在对控制率进行加权平均时，乘以径流系数时毫无意义的，与从径流总量控制率的定义推导出的公式不一致，因此也是不正确的。
案例二：某项目拟对停车场进行海绵化改造，整个场地以中轴线最高点往东西两侧放坡，场地条件如下图所示：
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整个项目的径流控制率目标为60%，通过公式V=10ΨHF计算，得到整个项目需要设置100m3的调蓄水池，调蓄水池位于场地西侧。
错误算法一：若通过H=V/10ΨF反算，自然得到控制率能达到60%。
可是只要稍加分析，就会发现场地中轴线东侧地块没有任何海绵设施，雨水并没有进入调蓄水池，东侧地块的径流控制率应为零；只有西侧地块的雨水进入了调蓄水池，西侧地块的径流控制率可达到95%，两个地块的总控制率仅为47.5%，因此应通过公式（2）校核控制率指标。
就此案例而言，应在东侧地块边缘设置截水沟以及连接截水沟和调试水池的排水暗槽，将东侧地块的雨水引入调蓄水池。
结语：海绵城市设计计算过程应划分为估算和校核两个阶段，估算阶段的计算对象是原始场地条件，粗略估算海绵设施的总体规模；校核阶段的计算对象是设计成果，考虑了场地条件、地形、每个海绵设施位置、规模等因素，复核设计能达到的控制指标。
建议《海绵城市建设技术指南》修编时，对计算参数、概念定义等尽量采用数学公式表达，以免产生混乱。
参考文献：
[1]住房和城乡建设部，《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统[S]构建（试行）》北京：中国建筑工业出版社.
作者简介：李林健（1979-），工程师，硕士，长期从事市政工程规划、设计、审查工作。
论文作者: 李林健
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷23期
论文发表时间:2020/4/3
标签：径流论文; 海绵论文; 汇水论文; 系数论文; 设施论文; 雨量论文; 目标论文; 《建筑实践》2019年38卷23期论文;