馬 秘， 楊云川,2,3,4， 黎倩云， 周津羽， 韋姣崟， 廖麗萍,2,3,4， 韋鈞培

(1.廣西大學 土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004； 2.廣西巖溶區(qū)水安全與智慧調(diào)控工程研究中心，廣西 南寧 530004； 3.廣西大學 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530004；4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

1 研究背景

針對快速城市化過程中出現(xiàn)的雨洪內(nèi)澇、水體黑臭、水資源短缺等突出城市水問題，我國于2013年12月正式提出“海綿城市”建設(shè)舉措，旨在實現(xiàn)城市雨洪的有效綜合管理[1-2]及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)提升[3]，并先后遴選了兩批共30個海綿城市建設(shè)試點城市，試點建設(shè)范圍最大的是上海市，建設(shè)面積為79 km2，其次為南寧市，建設(shè)面積為60.2 km2。歷經(jīng)7年科學研究和建設(shè)實踐證實，我國現(xiàn)有海綿城市建設(shè)對城市區(qū)域的徑流峰量、污染物、利用率等均具有不同程度的調(diào)控效果，可謂初見成效[4-6]；但也暴露了其對1 a及以上重現(xiàn)期暴雨產(chǎn)生的徑流只能實現(xiàn)部分控制[7-8]，因而眾多城市暴雨內(nèi)澇依然頻發(fā)。由此引發(fā)了社會各界反思[9-10]，凸顯了我國海綿城市建設(shè)中對考慮城市微氣象循環(huán)、下墊面及管網(wǎng)因素的城市水文學機理的認識和應(yīng)用不足[11-13]，這就需要以海綿城市系統(tǒng)為頂層設(shè)計，識別系統(tǒng)流域范圍并逐級細化子流域及匯水分區(qū)，進而揭示各分區(qū)水文過程及其相互作用機理、定量化海綿設(shè)施對雨洪的“滲、滯、蓄、凈、用、排”綜合效果[1,10]。鑒于城市降雨及下墊面徑流系數(shù)的高度非均勻性，分析海綿城市的設(shè)計降雨及其徑流總量控制率時空分異特征，評估不同時段、不同分區(qū)的徑流量控制率水平，是有效指導(dǎo)我國海綿城市建設(shè)的一個首要科學問題。

我國現(xiàn)行海綿城市建設(shè)主要依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南：低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[14](以下簡稱《指南》)和《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法(試行)》執(zhí)行[15]，廣泛采用“年徑流總量控制率”分析設(shè)計降雨及其徑流量調(diào)控問題，而在《海綿城市建設(shè)評價標準》(GB/T 51345—2018)[16](以下簡稱《標準》)中將該指標改為“雨水年徑流總量控制率”，這也進一步明確了該徑流量控制率實際為“年降雨總量控制率”。按《指南》所述，一方面，與設(shè)計降雨對應(yīng)的徑流總量控制率是多年平均值，且根據(jù)單個氣象站點日降雨量計算所得，而由于城市降雨的時空非均勻性[17]，并非每年乃至每月、也并非城市的每個區(qū)域都能滿足該目標[8,18-20]；另一方面，隨著城市化及海綿城市建設(shè)的推進，其下墊面土地利用不斷變化，即海綿城市的徑流系數(shù)具有時變和空間非均勻的顯著特征[9,20-21]，因而《指南》中的徑流量控制率指標不具備評估海綿城市建設(shè)水平及識別與目標值的差距的功能，即不能有效指導(dǎo)海綿城市建設(shè)的有效推進和體現(xiàn)空間非均勻性。此外，《指南》中定義該徑流量控制率指標為“不外排”的降雨總量控制率[20]，而為滿足考核目標值，浙江省、重慶市等已將外排雨水量也納入該指標范疇[22-23]，而事實上，設(shè)計控制的雨量并非期望控制不外排的徑流量，因此，該指標中是否考慮外排也是一個值得探討的問題。

針對上述問題，本文以第一批試點建設(shè)的南寧市為例，基于海綿城市規(guī)劃建設(shè)的總體范圍，識別海綿城市系統(tǒng)的流域范圍并進行逐級細化子流域及匯水分區(qū)，根據(jù)研究區(qū)精細化土地利用計算各分區(qū)綜合徑流系數(shù)，分析降雨時空變異性，并重點探討了南寧市設(shè)計降雨及其總量控制率時空異質(zhì)性特征、現(xiàn)狀下墊面調(diào)蓄及管網(wǎng)排水對年降雨總量控制率的影響。該研究旨在構(gòu)建設(shè)計降雨-徑流系數(shù)-下墊面調(diào)蓄及管網(wǎng)排水-降雨總量控制率之間的多情景組合函數(shù)關(guān)系，為有效指導(dǎo)和推進海綿城市建設(shè)提供科學支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

南寧市位于北回歸線以南，屬南亞熱帶濕潤季風氣候，終年輻射強，夏長高溫多雨、冬短溫暖干燥；多年平均氣溫為21.6 ℃，多年平均降雨量為1 298.8 mm，最大年降雨量為1 970.1 mm，最小年降雨量為952.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 264.3 mm。南寧市地形屬于以河谷為中心的盆地，盆地向東開口，西、南、北三面均為山地圍繞，地貌分為平地、低山、石山、丘陵、臺地5種類型，其中平地占主要部分。近20余年來，南寧城市化發(fā)展迅猛[24]，建設(shè)用地從1995年的94.33 km2增加到2020年的437.41 km2；而相應(yīng)的水利工程設(shè)施滯后、城市洪澇、水環(huán)境惡化、水資源利用率低等問題日益突出。為此，“綠城”南寧市于2010年提出了“中國水城”建設(shè)規(guī)劃(2012-2020年)[25]，整體水系結(jié)構(gòu)為“一江、兩庫、兩渠；六環(huán)、十八河、一百湖”，即以邕江水系為主軸核心，通過老口和邕寧梯級水庫提供內(nèi)河補水，對18條城市內(nèi)河進行水系環(huán)境綜合整治；又于2015年5月啟動海綿城市試點建設(shè)，總體構(gòu)建了城市自然生態(tài)空間格局和海綿功能分區(qū)，并制定了海綿城市建設(shè)的總體策略，總面積約為870 km2(圖1)[24]。但其試點落地建設(shè)示范區(qū)僅為60.2 km2(不足整個南寧市市轄范圍的1/10)，年降雨總量控制率按75%執(zhí)行，其對應(yīng)的日設(shè)計降雨量僅為27.9 mm[15]，小于0.25年一遇的設(shè)計暴雨強度34.9 mm/h，更小于1年一遇的設(shè)計暴雨強度50.7 mm/h，與該城市雨洪內(nèi)澇防治標準要求提高到20年一遇[26]的相應(yīng)設(shè)計暴雨強度84.7 mm/h相差甚遠，市區(qū)雨洪內(nèi)澇每年頻繁發(fā)生即是必然現(xiàn)象。

針對上述南寧市市區(qū)雨洪內(nèi)澇及我國海綿城市建設(shè)普遍缺乏反映城市水文學機理的總體流域范圍頂層設(shè)計問題[1,10,27]，本文基于30 m DEM(digital elevation model)和2.23 m空間分辨率的Quick Bird谷歌高清影像解譯的土地利用分類數(shù)據(jù)，借助SWAT(soil and water assessment tool)中的Watershed Delineator功能及現(xiàn)場調(diào)查修正，最終獲得南寧市海綿城市建設(shè)的流域研究范圍總面積為1 322.69 km2，高程范圍為41～467 m。南寧市市區(qū)流域范圍高程、水系及CMFD降雨格點(18個)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文中采用的30 m DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)；研究區(qū)2020年土地利用數(shù)據(jù)來源于SXEarth_pro4.6.1軟件下載的Quick Bird遙感影像，其空間分辨率為2.23 m；降雨數(shù)據(jù)來源于中國科學院青藏高原研究所開發(fā)的中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集(China Meteorological Forcing Dataset, CMFD；http://tpdc.ac.cn)，該數(shù)據(jù)集是一套近地面氣象與環(huán)境要素綜合的再分析數(shù)據(jù)[28]；通過Python編程批量提取研究區(qū)1981-2010年18個0.1°×0.1°格點的逐日降雨，同時采用南寧市氣象站點的同時段逐日降雨對其進行校正(來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心http://data.cma.cn/)。研究中為便于計算與分析，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一重投影至WGS 1984 UTM 48N坐標系。

圖1 南寧市市區(qū)流域范圍高程、水系及CMFD降雨格點(18個)示意圖

2.3 研究方法

2.3.1 研究區(qū)土地利用分類 采用ENVI5.3軟件提取南寧市市區(qū)流域范圍2020年的Quick Bird遙感影像并進行裁剪、拼接和分類，將研究區(qū)土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域以及未利用地6類，同時借助谷歌地球高清影像對錯分的地區(qū)進行修正，最終的土地利用分類結(jié)果見圖2(a)，分類精度為91.83%。

2.3.2 研究區(qū)子流域劃分 基于30 m DEM和水系數(shù)據(jù)，首先借助Arc SWAT的Watershed Delineator工具將研究區(qū)劃分為17個一級子流域(如圖2(b)所示)；由于《室外排水設(shè)計標準》(GB 50014—2021)[29]指出城市區(qū)域面積大于2～5 km2時應(yīng)該考慮降雨的空間非均勻性，為了更好地表達研究區(qū)設(shè)計降雨量、徑流系數(shù)等要素的空間異質(zhì)性，又將一級流域進一步細化為294個二級子流域(如圖2(c)所示)。在上述子流域劃分中，均結(jié)合土地利用的藍、綠、灰景觀格局及行政區(qū)劃等因素綜合修正。

圖2 南寧市市區(qū)流域2020年土地利用分類及子流域劃分

2.3.3 研究區(qū)設(shè)計降雨量計算 根據(jù)《指南》，本文選取研究區(qū)1981-2010年18個格點的CMFD日降雨序列，逐格點計算設(shè)計降雨。(鑒于按照1981-2010年日降雨數(shù)據(jù)與1979-2018年日降雨數(shù)據(jù)分別計算出的設(shè)計降雨數(shù)值僅相差1.2%，故為了與《指南》中計算設(shè)計降雨所采用的日降雨數(shù)據(jù)保持一致性，本文采用1981-2010年共30 a的日降雨數(shù)據(jù)進行分析。)

CMFD格點數(shù)據(jù)能更好地反映設(shè)計降雨量及其總量控制率的空間分異特征，而針對CMFD格點降雨量與地面觀測降雨量在數(shù)值上存在的偏差，文中采用南寧市地面氣象站點觀測的同時段日降雨序列計算的設(shè)計降雨量Pc(27.19 mm，該數(shù)值與《指南》中的27.90 mm對應(yīng)，因采用的氣象站點日降雨序列不同而略有差異)與最近的CMFD格點設(shè)計降雨量Pd(19.47 mm)相對比進行校正，最終得出校正后的CMFD逐格點設(shè)計降雨量及其總量控制率。校正計算公式如下：

(1)

式中：Pai、Pbi分別為校正前、后的CMFD某格點設(shè)計降雨量，mm；i為CMFD格點序號，i=1, 2, …, 18。

2.3.4 研究區(qū)子流域綜合徑流系數(shù)及現(xiàn)狀降雨總量控制率確定 基于《室外排水設(shè)計標準》(GB 50014—2021)[29]中不同類型土地利用的徑流系數(shù)參考取值(表1)，結(jié)合研究區(qū)2020年Quick Bird土地利用分布圖，采用《指南》中按土地利用類型面積加權(quán)計算區(qū)域綜合徑流系數(shù)的方法(公式(2))，最終獲得研究區(qū)各二級子流域的綜合徑流系數(shù)，則現(xiàn)狀年降雨總量控制率=1-綜合徑流系數(shù)。

(2)

式中：αc為綜合徑流系數(shù)；m為下墊面種類數(shù)；αi為第i類下墊面的徑流系數(shù)；Ai為第i類下墊面面積，km2；A為區(qū)域總面積，km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 南寧市市區(qū)日降雨量時空分異

基于1981-2010年CMFD格點日降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計研究區(qū)不同等級逐格點多年平均降雨日數(shù)并用ArcGIS空間插值得出降雨頻次空間分布，如圖3所示。由圖3可知，研究時段內(nèi)，南寧市市區(qū)小雨(0.1～10 mm/d)、中雨(10～25 mm/d)、大雨(25～50 mm/d)、暴雨(>50 mm/d)的年均降雨日數(shù)分別為109、36、14、4 d，分別占年均降雨總?cè)諗?shù)的66.87%、22.09%、8.59%、2.45%。按《指南》中南寧市日設(shè)計降雨量27.90 mm的取值(對應(yīng)75%降雨總量控制率)，說明南寧市海綿城市建設(shè)的降雨總量控制目標主要為中、小降雨，而對大、暴雨的控制有限，因而歷年發(fā)生過多次雨洪內(nèi)澇。由圖3中空間分布可以看出，研究區(qū)的中、小降雨發(fā)生日數(shù)總體呈東部多(C1、C2、C7、C16流域)西南少(C11、C14、C13、C15、C17流域)的分布格局，而大、暴雨發(fā)生日數(shù)則呈南部多(C14、C16流域)北部少(C1、C2、C3、C4、C5流域)的分布格局。此外，計算的全局Moran’s I指數(shù)(I)值變化范圍為0.82～0.88(文中所有Moran’s I指數(shù)計算結(jié)果的p值均小于0.01顯著水平，置信度達到99%，均通過顯著性檢驗，z值均超過了臨界值2.58)，亦表明各等級降雨事件的頻次空間分布呈現(xiàn)正自相關(guān)，具有顯著的空間異質(zhì)性。

3.1.1 時間分異 1981-2010年南寧氣象站多年平均的逐日、逐月降雨量如圖4所示。由圖4可見，南寧市年內(nèi)逐日、逐月降雨量時間分配極不均勻，序列變異系數(shù)分別達到了0.70和0.79，表明時間變化異質(zhì)性顯著。其中，7月降雨量最大，為235.49 mm(占全年18.30%)，12月降雨量最小，為24.66 mm(占全年1.92%)，5-9月降雨量占全年的71.48%，12-2月降雨量僅占全年的8.86%；在季節(jié)分配上，降雨量從大到小依次為夏季623.97 mm(48.48%)、春季334.32 mm(25.97%)、秋季214.79 mm(16.69%)、冬季114.03 mm(8.86%)。

3.1.2 空間分異 基于1981-2010年校正后的CMFD格點逐日降雨數(shù)據(jù)，分別計算各格點逐月的日平均降雨量并進行插值得到空間分布，如圖5所示。

圖3 1981-2010年南寧市市區(qū)各等級日降雨事件多年平均降雨頻次空間分布

圖4 1981-2010年南寧氣象站多年日平均及月平均降雨量

圖5 1981-2010年南寧市市區(qū)各月及全時段日平均降雨量空間分布

由圖5可知，南寧市區(qū)的春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月的日均降雨量空間分布在各季節(jié)內(nèi)具有較好的一致性，而冬季12、1、2月的日均降雨量空間分布均有較大差異；各季節(jié)間，春季與夏季空間分布最為接近、夏秋及春秋間次之、冬季與其他各季節(jié)之間的差異最大；全年日均降雨量空間分布受春、夏、秋季節(jié)的綜合影響較大而具有相對一致性；在日均降雨量數(shù)值上，大小排序基本為夏季各月>秋季各月>春季各月>冬季各月。此外，計算的全局Moran’s I指數(shù)(I)變化范圍為0.69～0.90，表明南寧市市區(qū)各月及全年日降雨均值在空間分布上均呈現(xiàn)正自相關(guān)，加之日降雨發(fā)生頻次及年內(nèi)分配的時間變異性，可知研究區(qū)次降雨具有顯著的時空異質(zhì)性特征。因此，細化研究區(qū)的基本計算單元(即5 km2以內(nèi)的294個二級子流域)，并考慮下墊面精細化土地利用類型，獲得反映年內(nèi)逐月時變差異及空間異質(zhì)性的設(shè)計降雨量及其總量控制率成果，是有效指導(dǎo)海綿城市建設(shè)的一個關(guān)鍵途徑。

3.2 南寧市市區(qū)設(shè)計降雨量及其降雨總量控制率時空分布

根據(jù)海綿城市建設(shè)《指南》及《標準》的定義，先以南寧市氣象站點、研究區(qū)18個CMFD格點1981-2010年逐日降雨分別按各月及全時段計算設(shè)計降雨量及其降雨總量控制率，再按2.3節(jié)的研究方法對CMFD格點的設(shè)計降雨量結(jié)果進行校正，最終獲得南寧市市區(qū)海綿城市試點建設(shè)核心區(qū)域——竹排沖流域設(shè)計降雨量及其總量控制率的逐月時間變化及南寧市市區(qū)設(shè)計降雨量及其總量控制率的逐月及全年空間分布。

3.2.1 時間分異 圖6為南寧市海綿城市試點建設(shè)的核心區(qū)域竹排沖流域(C3流域)的日設(shè)計降雨量與降雨總量控制率關(guān)系曲線。由圖6可知，按《指南》中75%降雨總量控制率，竹排沖流域在不同月份對應(yīng)的日設(shè)計降雨量存在較大差異。具體地，如春季的3-4月、夏季的8月、秋季的10-11月、冬季12-2月的日設(shè)計降雨量均小于全時段的25.69 mm，其中2月僅為9.72 mm，即這些月份若按全時段的設(shè)計降雨量考核，其對應(yīng)的降雨總量控制率必然顯著大于75%，完全達標；而其他月份如春夏季的5-7月、秋季的9月的日設(shè)計降雨量均大于全時段的25.69 mm，其中7月的設(shè)計降雨量最大，為32.05 mm，這些月份按75%的降雨總量控制率考核則明顯不達標。由此說明，南寧市僅以多年時段確定的單一設(shè)計降雨量來指導(dǎo)海綿城市建設(shè)，會在不同月份中存在達標與不達標并存的現(xiàn)象，因此，海綿城市建設(shè)成效考核的設(shè)計降雨量及其降雨總量控制率有必要考慮年內(nèi)各月的日降雨或場次降雨分配差異，并結(jié)合全年時段制定更為合理或動態(tài)變化的設(shè)計參數(shù)和考核指標，以期更好地實現(xiàn)城市雨洪管理的下墊面系統(tǒng)海綿功能。

圖6 南寧市市區(qū)竹排沖流域日設(shè)計降雨量與降雨總量控制率關(guān)系曲線

3.2.2 空間分異 按照上文中所述方法對日設(shè)計降雨量及降雨總量控制率進行計算并校正，二者在各月及全時段的空間分布如圖7所示(圖中僅顯示典型月份，即分布一致時僅顯示某一月份分布圖)。由圖7可知：(1)在日設(shè)計降雨量方面，春季3-5月、秋季9-11月、冬季的12及2月總體表現(xiàn)為西南大東北小的空間分布特征；夏季6-8月及全年時段呈南大北小、冬季的1月呈東大西小的分布格局；而日設(shè)計降雨數(shù)值在2月最低的9.59 mm至7月最高的34.68 mm之間變化。由此說明，南寧市市區(qū)按75%的單一降雨總量控制率指標考核，會在研究區(qū)不同子流域上出現(xiàn)差異較大的設(shè)計降雨量閾值，而計算的全局Moran’s I指數(shù)(I)的變化范圍為0.78～0.91，表明各月及全年的日設(shè)計降雨量在空間分布格局上均呈現(xiàn)正自相關(guān)，即研究區(qū)日設(shè)計降雨量存在顯著的空間異質(zhì)性特征。(2)在降雨總量控制率方面，其空間格局分別表現(xiàn)為東高西低(如3、10、11、12月)、東北高西南低(如4、5、9月)、北高南低(如6、7、8月及全年時段)、西南高東北低(1月)以及周邊高中心低(2月)等多種分布特征；其數(shù)值在67.68%(7月最小值)～96.78%(11月最大值)之間變化。由此說明，若南寧市市區(qū)按日設(shè)計降雨量27.19 mm計算對應(yīng)的降雨總量控制率，則在研究區(qū)不同子流域存在顯著高于或低于75%控制率閾值的問題，計算的全局Moran’s I指數(shù)(I)變化范圍為0.76～0.90，表明各月及全年降雨總量控制率在空間分布格局上均呈現(xiàn)正自相關(guān)，即研究區(qū)降雨總量控制率因降雨量差異亦存在顯著的空間異質(zhì)性。

綜上所述，南寧市的海綿城市建設(shè)及考核應(yīng)進一步考慮降雨量及其總量控制率的空間異質(zhì)性特征，制定更為有效和精準的考核指標體系，而非單一的指標閾值。

圖7 南寧市市區(qū)典型月及全時段的日設(shè)計降雨量及降雨總量控制率空間分布

3.3 南寧市市區(qū)現(xiàn)狀降雨總量控制率空間分布

按海綿城市建設(shè)《指南》中所述的南寧市日設(shè)計降雨量27.90 mm及其對應(yīng)的75%降雨總量控制率，僅是考慮南寧市降雨特征的海綿城市建成考核的目標閾值，而并未涉及現(xiàn)狀水平的實際控制率水平。通過2017年南寧市海綿城市建設(shè)成效考核發(fā)現(xiàn)，主城區(qū)實際降雨總量控制率約為52%，80%以上的區(qū)域未達到75%的目標[26]。因此，為更有效地推進海綿城市建設(shè)，亟待考慮現(xiàn)狀城市下墊面徑流系數(shù)時空分布特征，明確設(shè)計降雨量-下墊面藍、綠、灰景觀格局-徑流系數(shù)-年降雨總量控制率之間的定量關(guān)系[9,21]。為此，本文分別計算了每個子流域的現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)及年降雨總量控制率，結(jié)果如圖8所示。

圖8 南寧市市區(qū)現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)及年降雨總量控制率空間分布

由圖8可知，南寧市市區(qū)現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)總體呈市中心(高值)逐漸向四周遞減(低值)、年降雨總量控制率總體呈市中心(低值)逐漸向四周遞增(高值)的空間分布格局。具體地，現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)在主城區(qū)的朝陽溪、鳳凰江、水塘江等流域及其周邊區(qū)域達到0.60～0.79(占研究區(qū)面積的19.66%)，數(shù)值在0.40～0.60、0.25～0.40、0.10～0.25的區(qū)域面積占比分別為18.59%、22.20%、39.55%(圖8(a))。而現(xiàn)狀年降雨總量控制率在主城區(qū)主要為0～50%(占研究區(qū)面積的31.99%)，數(shù)值在50%～75%的區(qū)域主要分布在主城區(qū)周邊(面積比例為28.46%)，數(shù)值在75%～90%的區(qū)域則主要為整個市區(qū)周邊尚在逐步開發(fā)的區(qū)域(面積比例為39.55%)(圖8(b))。此外，計算二者的全局Moran’s I指數(shù)(I)均為0.75，表明其空間分布均呈正自相關(guān)，即研究區(qū)現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)及年降雨總量控制率均存在顯著的空間異質(zhì)性。綜上可知，南寧市主城區(qū)現(xiàn)狀年降雨總量控制率普遍低于50%(對應(yīng)徑流系數(shù)普遍高于0.5)，且主要都是以不透水面為主的老城區(qū)，僅靠有限的綠色LID(low impact development)設(shè)施難以實現(xiàn)75%的控制率目標，亟待挖掘藍色(水體空間)與灰色(滯蓄設(shè)施)LID設(shè)施潛力來提高降雨總量控制率水平。

4 討 論

鑒于上述問題，進一步挖掘下墊面調(diào)蓄設(shè)施和管網(wǎng)排水兩個方面的潛力是提高降雨總量控制率的主要途徑。本節(jié)即針對這兩個方面進行定量估算，并建立二者與年降雨總量控制率之間的對應(yīng)關(guān)系。

4.1 南寧市市區(qū)下墊面調(diào)蓄量及其空間分布

基于研究區(qū)2020年土地利用及子流域劃分及2.3節(jié)公式(2)計算的綜合徑流系數(shù)，本節(jié)采用《指南》中所述容積法計算各子流域的調(diào)蓄容積。計算公式如下：

V=10H·φ·F

(3)

式中：V為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計降雨量，mm，該研究取各二級子流域降雨總量控制率75%對應(yīng)的全時段設(shè)計降雨量，mm；φ為綜合徑流系數(shù)；F為各二級子流域面積，hm2。

為方便橫向?qū)Ρ?，將公?3)計算的各二級子流域總調(diào)蓄容積轉(zhuǎn)化為單位面積的調(diào)蓄容積V1，即V1=V/F，研究區(qū)單位面積調(diào)蓄容積V1的空間分布見圖9。此外，以竹排沖流域中的70號二級子流域為例，建立了該子流域年降雨總量控制率及其相應(yīng)的單位面積調(diào)蓄容積V1、所需的單位面積調(diào)蓄容積W1與設(shè)計降雨量的定量關(guān)系，如圖10所示。

由圖9可知，為滿足75%的年降雨總量控制率目標，南寧市市區(qū)單位面積所需要的調(diào)蓄容積最大為211 m3/hm2、最小為0(控制率已達75%區(qū)域)；主城區(qū)調(diào)蓄容積主要在120～211 m3/hm2(面積占比34.25%)，周邊區(qū)域在0～120 m3/hm2之間變化(面積占比27.45%)，其余地區(qū)為0；其全局Moran’s I指數(shù)(I)為0.74，表明其空間分布呈現(xiàn)正自相關(guān)，總體具有顯著的空間異質(zhì)性特征。圖10反映了不同設(shè)計降雨量和年降雨總量控制率目標下實現(xiàn)海綿城市調(diào)控雨洪徑流所需的單位面積調(diào)蓄容積(如70號子流域按75%控制率目標，還需要建設(shè)的LID設(shè)施調(diào)蓄容積為169.03 m3/hm2)，由此即可定量化各子流域海綿城市還需要建設(shè)的藍、綠、灰LID設(shè)施。

4.2 南寧市市區(qū)下墊面管網(wǎng)排水能力空間分布

按《指南》中定義的年徑流總量控制率為“不外排”的降雨總量控制率[20]，諸多海綿城市(尤其是老城區(qū))建設(shè)試點區(qū)域面臨著考核難以達標的現(xiàn)實。為此，浙江省、重慶市等已將外排雨水量也納入該控制率指標范疇[22-23]。本節(jié)即針對該控制率是否考慮外排，結(jié)合4.1節(jié)的結(jié)果，綜合討論滿足控制率指標所需要的調(diào)蓄容積空間分布及其與年降雨總量控制率之間的對應(yīng)關(guān)系。首先估算研究區(qū)各二級子流域的單位面積排水能力V2，結(jié)果見圖11；然后按公式(4)、(5)計算考慮外排后各二級子流域所需的單位面積調(diào)蓄容積W1，結(jié)果見圖12。

W=10H(φ-φ0)F

(4)

W1=W/F

(5)

式中：W為扣除外排后還需控制及利用的雨水徑流總量，m3；φ0為外排徑流系數(shù)，這里的φ0即為徑流峰值控制所對應(yīng)的徑流系數(shù)(也即流量徑流系數(shù))，按《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400—2016)所述，其取值一般根據(jù)區(qū)域規(guī)劃確定，當區(qū)域規(guī)劃中沒有給出該值時，可取0.2～0.4，本文中基于該取值范圍，按各二級子流域不透水率插值確定(如不透水率42%對應(yīng)的φ0值為0.28)。

圖9 南寧市區(qū)各子流域單位面積調(diào)蓄容積V1的空間分布 圖10 年降雨總量控制率、W1、V1與設(shè)計降雨量關(guān)系曲線(70號子流域)

圖11 南寧市區(qū)各子流域單位面積排水能力V2的空間分布 圖12 南寧市區(qū)各子流域所需的單位面積調(diào)蓄容積W1 (考慮外排后)

由圖11可知，南寧市主城區(qū)單位面積的管網(wǎng)排水能力在70～103 m3/hm2之間(面積占比38.42%)，研究區(qū)周邊尚在開發(fā)中的大部分區(qū)域管網(wǎng)排水能力為0(面積占比38.30%)，其余局部區(qū)域的管網(wǎng)排水能力在40～70 m3/hm2之間(面積占比23.28%)。圖12則反映出進一步考慮外排雨量后，提高年降雨總量控制率水平還需要的下墊面LID設(shè)施調(diào)蓄容積，如60～108 m3/hm2的主城區(qū)面積比例為23.75%，0～60 m3/hm2的區(qū)域面積比例為37.95%，其余地區(qū)為0。針對具體的70號二級子流域，扣除外排雨量后，還需要建設(shè)的LID單位面積調(diào)蓄容積為80.91 m3/hm2，由此即可構(gòu)建在考慮外排的不同年降雨總量控制率目標下，實現(xiàn)海綿城市調(diào)控雨洪徑流所需的單位面積調(diào)蓄容積。此外，研究區(qū)排水能力及考慮排水后的調(diào)蓄容積空間分布的全局Moran’s I指數(shù)(I)分別為0.67和0.75，表明二者的空間分布均呈現(xiàn)正自相關(guān)，即總體存在顯著的空間異質(zhì)性。

綜上所述，針對當前南寧市海綿城市建設(shè)的年降雨總量控制率成效考核普遍不達標、雨洪徑流量調(diào)控指標單一且未考慮時空異質(zhì)性等諸多問題，首先應(yīng)考慮降雨量的時空分異特征來細化《指南》中的設(shè)計降雨量及其年降雨總量控制率目標閾值；其次，進一步考慮現(xiàn)狀下墊面調(diào)蓄與排水能力空間分異格局，最終構(gòu)建南寧市各子流域的設(shè)計降雨量-年降雨總量控制率-徑流系數(shù)-排水能力-藍、綠、灰LID調(diào)蓄容積之間的定量函數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，才能在現(xiàn)狀水平下定量化指導(dǎo)和推進南寧市海綿城市的LID設(shè)施建設(shè)。

5 結(jié) 論

本文通過對南寧市區(qū)日降雨量、設(shè)計降雨量及其年降雨總量控制率的時空分異特征分析，并按75%控制率目標討論了其現(xiàn)狀下墊面調(diào)蓄及管網(wǎng)排水對年降雨總量控制率的定量影響和對應(yīng)關(guān)系，得出以下主要結(jié)論：

(1)南寧市市區(qū)日降雨量、設(shè)計降雨量及其年降雨總量控制率均具有顯著的時空異質(zhì)性特征。年內(nèi)88.96%的日降雨為小雨和中雨，降雨量在年內(nèi)分配極不均勻，5-9月降雨量占全年的71.46%；5、6、7、9月的日設(shè)計降雨量(竹排沖流域)均大于多年平均閾值25.69 mm，其他月份則小于該閾值。為進一步指導(dǎo)南寧市下墊面全域化調(diào)控雨洪徑流的小、中、大海綿建設(shè)，其設(shè)計降雨量及年降雨總量控制率的時空異質(zhì)性亟待量化。

(2)南寧市市區(qū)現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)總體呈現(xiàn)以市區(qū)中心的0.60～0.79逐漸向四周遞減的空間分異格局；年降雨總量控制率在市區(qū)中心因高不透水面積比率較大而均小于50%，僅靠有限的綠色LID設(shè)施難以實現(xiàn)75%的年降雨總量控制率目標，挖掘藍色(水體空間)與灰色(滯蓄設(shè)施)的LID設(shè)施潛力是進一步提高控制率的重要途徑。

(3)是否考慮管網(wǎng)外排對實現(xiàn)南寧市年降雨總量控制率75%目標值及其空間異質(zhì)性影響顯著，因此，針對現(xiàn)狀下墊面藍、綠、灰LID格局，建立考慮時空分異的不同控制率目標-調(diào)蓄容積-管網(wǎng)外排之間的定量函數(shù)關(guān)系，是進一步優(yōu)化和提升海綿城市系統(tǒng)調(diào)控雨洪徑流能力的關(guān)鍵。