维护良性水循环的城镇化LID模式：海绵城市规划方法与技术初步探讨，本文主要内容关键词为：水循环论文,城市规划论文,海绵论文,城镇化论文,模式论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2016-01-04 中图分类号：TV213 文献标志码：A 文章编号：1000-3037(2016)05-0719-13 DOI：10.11849/zrzyxb.20151294 城镇化是人类发展的必然过程，是体现国家经济发展的重要标志。截至2013年底，我国城市化水平已从改革开放初期1978年的17.9%提高到53.7%[1]。但城市化水平远远低于发达国家现阶段的平均水平(85%以上)，尤其是西方发达国家(95%左右)。城镇化依然是当代中国发展的第一要务。加快城镇化进程也是实现我国十八大报告提出的“全面建成小康社会”目标的必由之路。 我国快速城镇化建设已经导致“城市病”问题越来越突出，直接影响城镇化进程的质量。尤其是在资源环境方面，城市防洪排涝设施的建设远落后于城市化进程，内涝已成为我国许多城市遭遇强降雨后的普遍状态。据中国住房和城乡建设部2010年对351个城市专项调研显示，在2008-2010年间62%的城市发生过内涝，灾害超过3次以上的城市有137个[2]。面对资源约束趋紧、环境污染严重和生态系统退化的严峻形势，我国城镇化必须进入以提升质量为主的转型发展新阶段，走新型城镇化道路[3]。 城市内涝问题是新型城镇化建设中的核心问题之一，备受党中央的高度重视。2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上明确指出，“在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”(Sponge City)。随后国家出台了《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》(国发[2013]36号)、《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发[2013]23号)等多项政策和建议。2014年10月22日，住房和城乡建设部正式印发了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，以指导各地海绵城市的建设。目前已有30座城市成为全国海绵城市试点，共有130多个城市制定了海绵城市建设方案。海绵城市建设已成为我国城市化进程中一项重要战略。 海绵城市的概念来源于澳大利亚学者就城市对周边农村人口的吸附效应的研究[4-5]，随后被引入到城市雨洪利用研究中。目前，发达国家已逐步形成了比较完备的具有本国特色的技术规则。在设计理念方面，有美国提出的“低影响开发城市”(Low Impact Development，LID)和“绿色建筑”(Green Infrastructure，GI)[6-7]、澳大利亚和中东提出的“水敏感城市”(Water Sensitive Urban Design，WSUD)[8]、英国的“可持续排水系统”(Sustainable Drainage System，SUDS)[9]、荷兰的“水广场”(Water Square)[10]、新加坡的“活跃、美丽、洁净水项目”(Active、Beautiful and Clean Waters Programme，ABC)[11]、日本的“雨水贮留渗透计划”(Rainfall Storage and Infiltration)[12]等。但在我国，99%的城市排水设计理念是依据管道、泵站等灰色设施的“快排”模式，并没有考虑利用地形和下垫面等绿色措施的调蓄，以及对雨洪进行合理的处理和利用。 此外，城市雨洪模拟是在海绵城市规划和设计中的一项关键性支撑技术，也是当前国际研究的前沿与难题。城市雨洪模拟的研究起步于20世纪70年代，最初由部分政府机构(如美国环保署EPA)和科研机构(如丹麦DHI公司)组织开展研发工作，并多以地表“降水-径流”的水文学关系和管道的水动力学模型相结合。目前已发展了多种模型，如SWMM、STORM、ILLUDAS、IUHM、UCURM、DR3M-QUAL、RisUrSim、Info-WorksCS和MIKE城市模型系列(MIKE-Urban、MIKE-MOUSE、MIKE-SWMM等)。国内城市雨洪模型的研制起步较晚，与国际相比还十分薄弱。目前在城市排水防涝规划设计、LID评估工作等方面多采用简单的径流系数计算方法。在雨洪模型开发方面，主要是借鉴国外模型(如SWMM、STORM、MIKE-URBAN等)进行二次开发。但总体而言，国外模型并不能很好地适应国内数据环境、自然、社会经济等条件，功能上也不能满足当前海绵城市规划和设计所需。此外，我国常规的城市防洪排涝设计理念(“快排”理念)以及技术手段(如径流系数法等)已完全不能支撑海绵城市的设计和建设。因此，本文从良性水循环的角度，探讨我国海绵城市规划的核心内容、关键技术与方法；构建具有自主知识产权的城市雨洪模型；并以首批海绵城市试点常德市为例，具体分析常德市现状下垫面条件和产流情况，识别城市主要内涝范围和道路排水通道，提出一定年径流总量控制率目标下城区不同地区的LID措施方案。 1 海绵城市规划的核心内容 海绵城市规划主要是以探明城市各种防洪排涝设施(如排水管网、泵站、河道水系等)排水、蓄水能力为前提条件，基于现状城市防洪排涝能力，因地制宜通过实施或改造多种LID措施(如渗、滞、蓄、净、用、排等)消纳本地产水量和污染负荷，减小各区外排水量，从而减轻排水管网的排水压力以及初期雨水对受纳水体的污染；而对于超标水量通过地表、城市水系、水塘和湿地等排水和调蓄，提高城市的内涝防治能力，实现雨洪资源的合理利用。采用的研究框架见图1。
图1 基于良性水循环的海绵城市规划框架 Fig.1 A framework for sponge city planning based on the virtuous water cycle 1.1 城市防洪排涝 城市防洪排涝是海绵城市规划和设计的核心内容。传统的“快排”主要是针对3～5a重现期短历时降水设计管道[13]。随着全球变化引起的极端事件增多，“快排”设计理念与城市急剧扩张的现实矛盾愈来愈突出。一方面，随着城市的扩张，“快排”理念势必会导致排水管网汇水区增大，灰色排水设施排水压力增加，管道埋深和管径增大，造价和管理成本也越来越高；另一方面，“快排”理念提高了城市防洪排涝的风险，雨水在短时间内汇入管道，流入城区河流、湖库等水体，任一环节出现险情都将导致洪涝的发生。 海绵城市的防洪排涝设计应遵循因地制宜、就地消纳的原则，充分利用地形、地貌以及自然生态景观等，采用多种工程措施，维系城市良性水循环，减小城市扩张对水循环的影响。城市防洪排涝的核心问题有：城市雨洪模拟、排水设施防洪排涝能力评估、年径流总量控制率的确定以及LID措施优化等。 1.2 城市面源污染控制 面源污染是城市化进程中不可忽视的环境问题之一。城市人口急剧增加将导致汽车尾气排放和生活垃圾的增加，以及大气沉降等都会随降水-径流流入城市排水管网，污染受纳水体，特别是初期雨水冲刷引起的面源污染极为严重。大量研究表明，初期25%～30%的降水径流将带走至少80%以上的污染负荷，其污染负荷浓度远远超过地表水的劣V类评价标准[14-16]。李立青等对武汉汉阳地区监测表明，初期径流中TSS浓度为43.1～88.4mg/L，COD浓度为133.2～268.5mg/L，TN为22.71～38.80mg/L，TP为2.04～4.36mg/L[17]。因此控制初期雨水径流是城市面源污染防控中最有效的途径之一。海绵城市设计的工程措施中，首先要因地制宜确定径流污染控制指标(如TSS、COD等)和主要技术手段等，其中LID措施中下沉式绿地、绿色屋顶、植被缓冲带、初期雨水弃流设施与处理等均对城市面源污染的消解和截留起着重要的作用。 1.3 城市雨洪资源化利用 水资源短缺是限制我国新型城镇化进程的一大瓶颈问题。据2012年调查数据表明，我国约有400个城市缺水，其中114座严重缺水。从1980年到2010年的30a间，我国城市化率每增加1%，城市用水将新增达
[18]。因此合理利用雨洪资源是缓解城市水资源压力的有效途径之一，也是海绵城市设计中的核心问题之一。雨洪资源化利用包括收集、存储、处理和利用等各个环节。海绵城市的设计需要正确处理防洪排涝与雨洪资源化利用之间的关系，明确雨水资源化利用的目标和方式。相关工程措施有下沉式绿地、绿色屋顶、调蓄池、雨水罐等。 2 海绵城市规划的关键技术方法 2.1 城市雨洪模拟技术 城市雨洪模拟技术是海绵城市规划和设计中的核心方法之一，也是当前城市水文学研究领域的前沿和难点。城市地表覆盖差异大，不同用地类型错综复杂，产汇流类型与过程极其复杂多样。基于HIMS分布式模拟系统，定制城市雨洪模型，包括其地表产流模块与坡面汇流模块(运动波)、管网汇流模型(SWMM)、地表汇流模型(三维水动力学模型)、河道汇流马斯京根模型和产污模块等。研发模型框架见图2。
图2 基于HIMS的海绵城市雨洪模型 Fig.2 HIMS urban storm water model for sponge city 上述模型遵循自然产汇流特征，依据需求灵活定制以用地类型为基础的最小计算单元，能够细致考虑城市各种用地类型产流方式，以及坡面、管道、河道和道路等不同方式汇流过程，为海绵城市LID措施的设计和规划提供技术工具。其关键内容包括： 1)计算单元划分及不同类型汇流拓扑关系确定 城市地区高楼林立，下垫面和道路错综复杂，传统流域分布式模型的计算单元划分很难适用于城市；本研究单元划分遵循先自然水系分区，再考虑管网的排水分区，最后到不同用地类型的最小产汇流计算单元。利用GIS和CAD等软件，分析高精度DEM、影像数据以及管网布设数据等，合理确定城区计算单元划分。主要步骤包括： ●首先遵循研究区内自然汇水特征，通过高精度DEM数据和河流水系的数据，提取自然水系；考虑行政区范围和重点控制断面等，划分城市河湖水系自然的汇水单元； ●在自然汇水单元的基础上，依据城市排水管网格局、城市用地类型布局和竖向以及城市总体规划等，合理划分排水区； ●在排水分区的基础上，以道路或管网为边界，依据雨水口位置、道路竖向规划、高精度影像和不同用地类型，划分排水分区内产汇流最小计算单元。 2)不同用地类型的产流产污过程模拟 基于HIMS的城市雨洪模型，产流计算采用笔者提出的降水-入渗公式。该公式是笔者团队在对大量人工降雨试验数据和小流域暴雨径流数据分析的基础上提出的[19]，具有很强的普适性与适用精度。根据地表用地类型分别计算各地块的产流量。每一个计算单元内都包含单一或者多种用地类型，每种用地类型的产流量采用HIMS模型降雨入渗公式计算获得；并叠加不同用地类型的产流量，最终获得这一单元的总产流量。
式中：Q和
分别为地块径流总量(
/s)和第i种用地类型的产流量(mm)；
为第i种用地类型的入渗量(mm)；
为第i种用地类型面积(
)，用地类型的划分主要依据研究区实际情况和LID措施的需要；P为降雨量(mm)；E为蒸散发(mm)；t为时间(s)；
为第i种用地类型的下渗参数，具有明确的物理意义。参数可以通过现场实验或通过参数率定获取。 地面污染物的累积和削减采用指数关系，产污量的估算则依据实验或相关研究获取的产污系数，即
3)管网、河道和道路汇流耦合与模拟 汇流方向的确定是城市雨洪模型最关键的环节之一。受建筑物的拦蓄、雨水口和管网的收集等，城区雨洪的自然汇流特征已受到严重的扰动，机理极为复杂。城市汇流类型包括用地类型的坡面汇流、管网内有压和无压汇流以及河道水系汇流等。坡面汇流模拟不同用地类型的产流量运移到雨水口(或检查井)的过程；管网汇流模拟雨水口(或检查井)收纳的雨水在管网系统中的流动，最终排入河道或其他排洪防涝设施等的过程；河道水系汇流模拟排水管道排出的雨水与上游河道来水叠加演进到下游水系的过程；道路排水通道汇流则模拟超出管道排水能力的雨水沿道路通道运移，汇入低洼的池塘、湖库或水系等的过程。依据已划分的自然汇水区、排水区和产汇流计算单元，利用城市排水管网数据和城市竖向标高数据，确定不同分区的地表和管网之间的水力联系，定制城市雨洪模型的汇流文件。此外，依据雨水口和排水管网的排水能力，确定每个雨水口的最大排水能力和管网有压、无压流的汇流量阈值；并依据竖向标高和排水分区，确定积水区富余水量在地表的汇流关系。 地表坡面汇流是将各计算单元产生的径流转化为计算单元的出流过程。在城市地区，地形通常较为平坦，产生的径流主要是建筑屋顶、道路、场院等硬化表面、排水管道以及河道等汇集。针对这一状况，研究组采用不稳定坡面流连续方程的一种简化形式[19]：
在排水管网中，径流流态可视为明渠均匀流，采用曼宁公式和连续方程构成的非恒定流方程计算：
道路汇流模拟采用三维水动力学模型(New Flood Model)，该方法能够精确模拟缓流、急流、混合流、间断流等复杂流态问题[20]；而河道汇流模拟则采用马斯京根方法等。 水质模拟采用一维水动力学模型。计算单元划分时对管道、道路和河段进行适当概化，对于河道和道路，以每条管道或每条道路为最小单元，而河段则与径流演进的最小单元一致。 2.2 LID措施优化技术 LID措施指在城市开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵“功能[21]。主要工程设施有：透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节池、植草沟、渗管、植被缓冲带、初期雨水弃流设施和人工土壤渗滤等。 LID措施的主要目的是降低地表产流量，实现年径流控制率目标对应降雨条件下各地块产流量不外排。其目标函数表达式为：
3 实例应用 本文以常德市为实例，在年径流控制目标降水条件下，对中心城市各区域降水-径流过程、管道排水情况等进行模拟分析；并分析在特大暴雨情况下的道路排水路径和城区内涝点易发地区；最后以实现年径流总量控制达标为目标，依据各地块用地类型情况，对LID开发措施进行设计和优化。 3.1 区域概况 常德市是湖南省省辖市，湖南省省域副中心城市，环洞庭湖生态经济圈核心城市之一，也是长株潭3+5城市群之一(图3)。2014年城市建成区面积为87
。城区人口为70.7万人，预计2030年城市化水平将达到59%。常德综合实力位居湖南省前列，先后荣获全国文明城市、中国优秀旅游城市、国家卫生城市、国家园林城市、国家环境保护模范城市等称号。
图3 常德地理位置图 Fig.3 Location of Changde City 常德属于中亚热带湿润季风气候向北亚热带湿润季风气候过渡的地带，年平均气温达16.7℃，年降水量在1 200～1 900mm之间，暴雨(日降水量≥50mm)日数年均为4.1d，其中降水主要集中在4—8月，暴雨日数占全年的85.9%。常德城区排水系统由地下管网、护城河、穿紫河水系、机埠和污水处理厂组成。城区排水管道总长约539km，以雨污分流制为主；各类排水设备38台套，服务范围仅为35
[22]。目前，城区雨污水管网设施陈旧，已不能承受排放雨污水的要求。加之城市化的飞速发展，城区面积的迅猛扩张，气候变化导致极端暴雨事件的增加以及沅江防洪压力等，因此，常德城市防洪排涝压力巨大。 常德市委市政府高度重视城市防洪排涝问题。自2009年起，对城区的排水系统进行了升级改造，大大提高了城市的涵水和自洁能力；同时对新建的城区严格实行雨污分流规划。截至2014年底，城区启动的110多个涉水项目中，已完成项目36个，完成投资80亿元；江北城区防洪水平提高到了100a一遇的标准，城区污水处理率提高到86%[22]。城区的排水系统达到了建设部发布的《城市排水工程规划规范》(GB50318—2000)的国家标准。在2015年常德成功入围全国“首批海绵城市建设试点城市”。 3.2 中心城区年径流控制率的确定和径流模拟 依据《海绵城市建设技术指南》的设计，常德市位于年径流控制III区，其控制率应为75%～85%之间。利用常德市气象站近20a逐日降水统计，将市区年径流总量控制率定为78%，对应的3h设计降水总量为21mm。基于芝加哥雨型，将降水总量进行时间分配，得到设计暴雨过程(图4)，其中最大降水强度为0.95mm/min。
图4 E26地块设计雨型、降雨-径流过程、管道入流、出流过程和充满度 Fig.4 The simulated rainfall-runoff processes,inflow,outflow and degree of drainage pipeline in the E26 unit 规划期末常德中心城区建设面积为162.87
。依据常德市主要用地类型和LID措施设计需要，将城区用地类型划分为水系、平屋顶、坡屋顶、开敞空间、集中式绿地和小区绿地共六大类，共划分了九大计算单元(A至I)216个计算单元，单元面积在0.08～3.1
之间(图5)。利用HIMS海绵城市雨洪模型，模拟设计降水情景下不同地块的径流过程。由于缺乏实测资料对参数进行率定和验证，参数的确定主要依据野外实验观测、相似流域和下垫面条件下参数移植等(表1)。各地块的径流系数空间分布见图5。市区各地块径流系数在0.33～0.81之间，平均值为0.64。径流系数较高的区域位于东南部和北部区域，在0.70以上；而在中心城区南部有部分地块径流系数较低，在0.33～0.43之间。此外，还模拟了排水管道汇流过程，如E26地块沿万寿路排水管道入流和出流过程见图4，该管道充满度最大为0.82，为达标管道。由此可见，HIMS雨洪模型能够模拟城市降雨-径流过程，能够满足海绵城市建设、LID措施评估和优化的需要。 3.3 内涝模拟和排水通道识别 为提高道路三维水动力学模块的计算效率，同时考虑各分区之间道路的水力联系，研究将常德中心城区划分为三大部分，即河北区(A至F和I区)、河南G区和H区。根据计算分区和道路分布情况，对整个中心城区道路进行概化，剔除道路宽度小于20m的小路，保留主要干道；并利用高精度分辨率DEM数据获得道路高程数据，并以10m×10m为最小单元对概化的道路进行网格划分。每个计算单元总产水量扣除管道排走水量后，超标水量在小区小路和主干道的交叉口加载到道路三维水动力学模块中。为全面确定中心城区各条主干道路的排水过程和主要的排水通道，研究采用50a一遇的暴雨设计(135.5mm)，降雨历时为3h。以河北区为例(图6)，主要排水通道为东西走向的常德大道、洞庭湖大道和柳叶大道，以及南北走向的朗州路等，总体排水方向为由北到南、由西向东；其中易涝点主要出现在常德大道与洞庭湖大道交汇区域、太阳大道和柴缘路、沾天环湖南路交汇区域、太阳大道和皂果路交汇区域。 3.4 LID措施优化 常德拟采取的LID以渗和滞为主，蓄为辅。主要考虑的工程措施为下沉式绿地、绿色屋顶和渗透铺装；若采用上述3种工程措施没有消纳所有的产流量，则考虑蓄水池。依据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》确定3种措施对径流削减量和污染物去除率参数范围。下沉式绿地、透水铺装和绿色屋顶径流削减量分别为150～300、30和14mm；而SS去除率分别为100%、80%～90%和70%～80%。
图5 常德市计算单元划分和各单元径流系数分布 Fig.5 Calculation units and runoff coefficient distribution in Changde City 为确保完成年径流总量控制率，即21mm降水条件下各地块径流不外排，经优化，各种措施最优面积见图7。各地块下沉式绿地面积在0.24～7.62
之间，总面积为496.75
，下沉式绿地率(下沉式绿地占绿地面积)为2.5%～36.2%；透水铺装面积在0.18～24.77
之间，总面积为1338.15
，透水铺装率(透水铺装占硬化面积)为4.6%～49.8%；而绿色屋顶面积在0.12～13.92
之间，总面积为613.21
，绿色屋顶率(绿色屋顶占建筑屋顶面积)为0.3%～25.0%。这3种LID措施总面积占各地块面积的3.9%～31.4%之间。从年径流总量控制率和污染负荷削减率的结果来看(图8)，年径流总量控制率在67%～78%之间，90%的地块均能达到控制目标。但仍有23个地块略低于控制目标，因此这些地块还需要考虑其他LID措施，如增设调蓄池等措施，调蓄池容积为0.03×
～0.73×
，总容积为6.34×
。污染负荷SS削减率的空间分布比较平均，在45.0%～47.7%之间，平均削减率为46.1%；其中削减率最大的地块在北部D区和E区。因此通过LID措施的实施，中心城区产流量和污染负荷的输出量明显降低，基本达到了年径流控制目标。
图6 河北区排水口分布和最终时刻(3h)道路排水情况 Fig.6 The distribution of drainage outlets and the simulated urban water accumulation depth in northern district
图7 中心城区LID措施的分布情况 Fig.7 The distribution of LID measurements in the urban area 4 结论与展望 海绵城市研究是我国新型城镇化建设中一项重大科技需求，事关国家协调发展与实现“全面建成小康社会”的目标。本文从人与自然和谐的角度提出了维系良性水循环的海绵城市发展理念，探讨了海绵城市规划的核心内容、关键技术与方法；构建了具有自主知识产权的城市雨洪模型；并在常德市进行了实例研究。研究认为海绵城市规划包含城市防洪排涝、面源污染控制以及雨洪资源化利用等三大核心问题，而城市雨洪模拟技术和LID措施优化技术是两大关键技术。现状常德城区平均径流系数为0.64；通过采用渗、滞和蓄等多种LID措施，城区雨洪径流和污染负荷的输出量显著降低，基本能够达到年径流总量控制的目标。 由于海绵城市建设的研究仍处于起步阶段，方兴未艾，还有许多难点问题亟待进一步探索和解决。如：考虑气候变化影响的暴雨强度设计和雨型分配；城市雨洪模型中坡面道路汇流、管网汇流、河道汇流等多种汇流方式的耦合模拟；防洪排涝预警预报和风险评估；“快排”措施与资源化利用措施之间的平衡；城市自然河湖水系与LID措施的联合调配以及与生态景观措施相结合等，都是我们面临的挑战，有待进一步深入研究。
图8 中心城区LID措施后年径流总量控制率和污染负荷削减率 Fig.8 Total annual runoff control rate and pollution load reduction rate after adopting the LID mearesurements 致谢：感谢中国城市规划设计研究院陈利群博士等的建议；感谢贵仁科技有限公司在案例分析中提供的帮助！
标签：海绵城市论文; 雨水收集系统论文; 国家新型城镇化规划论文; 径流系数论文; 城市设计论文; 用地面积论文; 水循环论文; 防洪法论文;
