劉 慧，謝水波，曾凡勇，孫 波

(1.南華大學(xué)建筑學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

建設(shè)海綿城市已成為了我國目前解決快速城市化所造成的城市雨水災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境惡化、水生態(tài)以及水資源枯竭等問題的主要途徑。然而，海綿城市建設(shè)在我國尚處于試點(diǎn)階段，各大規(guī)劃院同樣處在不斷學(xué)習(xí)和探索期間，在對(duì)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃進(jìn)行編制或者修編過程中如何借助《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)》(以下簡稱《指南》)提供的模型模擬法更好地確定城市各地塊的剛性指標(biāo)及引導(dǎo)性指標(biāo)，也成為了當(dāng)前亟待解決的問題。為此，本研究就模型模擬法分解海綿城市年徑流總量管控指標(biāo)展開深入探索，并通過實(shí)際案例對(duì)指標(biāo)的分解過程進(jìn)行詳盡說明。

1 海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)分解概述

1.1 什么是海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)

1.1.1 海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)分類

《指南》依據(jù)我國的四大治水目標(biāo)(水安全、水生態(tài)、水資源、水環(huán)境)提出了四類規(guī)劃管控指標(biāo)分別為：徑流總量管控、雨水資源利用、徑流污染管控以及徑流峰值管控，如表1。其中，徑流總量管控指標(biāo)的達(dá)成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)其余三項(xiàng)指標(biāo)的功能，因此各地在推進(jìn)海綿城市建設(shè)時(shí)往往將徑流總量管控指標(biāo)——年徑流總量控制率設(shè)為首要的剛性指標(biāo)。海綿城市規(guī)劃中指標(biāo)的分解亦主要是對(duì)年徑流總量控制率的分解,將其分解成下沉式綠地率等引導(dǎo)性指標(biāo)。

表1 海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)分類Tab.1 Classification of control indicators of Sponge City planning

1.1.2 剛性指標(biāo)與引導(dǎo)性指標(biāo)簡介

(1)剛性指標(biāo)——年徑流總量控制率。意義：將本市近30年以上的日值降水?dāng)?shù)據(jù)由小至大排列并刪除小于以及等于2 mm的降水量，推算小于其中某一個(gè)設(shè)計(jì)降雨量的降水總量(大于此降水量的以此降雨量為最大上限累加出其降水總量，而小于此降水量的雨量值則按照其實(shí)際值累加得出降水總量，二者相加得到的總和)占其總降水量的百分比[1]，如圖1。

圖1 年徑流總量控制率計(jì)算方法Fig. 1 Calculating method of annual total runoff control rate

功能：通過年徑流總量控制率實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水徑流體積的控制，促使城鎮(zhèn)開發(fā)后的水文特性接近開發(fā)建設(shè)前，以緩解徑流污染與城市內(nèi)澇等問題。剛性指標(biāo)一旦確定即成為當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)制性規(guī)定。適用條件：《指南》通過對(duì)我國200座城市降水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，已將中國大陸劃分成五個(gè)年徑流總量管控分區(qū)，并給出了各分區(qū)年徑流總量控制率的下限值與上限值，因此城市總年徑流總量控制率的適用不得超過所在分區(qū)的最高值且不得低于最低值。

(2)引導(dǎo)性指標(biāo)——下沉式綠地率、透水鋪裝率等。意義：單位面積內(nèi)LID設(shè)施的覆蓋比例，如下沉式綠地率表示高程低于周邊匯流區(qū)域的綠地占總綠地面積的比例；透水鋪裝率表示廣場、停車場、人行道使用透水鋪裝的面積占其總面積的比例。

功能：使年徑流總量控制率的落實(shí)量化到各個(gè)地塊的LID設(shè)施覆蓋率(即下沉式綠地率、透水鋪裝率等)當(dāng)中，以便于土地出讓后的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)與考核更具可實(shí)操性。同一年徑流總量控制率往往可由一項(xiàng)或多項(xiàng)不同的LID設(shè)施覆蓋率共同實(shí)現(xiàn)，因此引導(dǎo)性指標(biāo)通常作為指導(dǎo)建議。

適用條件：引導(dǎo)性指標(biāo)不適用于存在地質(zhì)問題的區(qū)域，如因雨水的下滲會(huì)引起地面的沉降、路面的垮塌等區(qū)域；不適用于地表徑流不流經(jīng)的區(qū)域，無地表徑流的區(qū)域LID設(shè)施無法發(fā)揮其作用。

1.2 推進(jìn)海綿城市為什么要落實(shí)指標(biāo)分解

指標(biāo)分解的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)層面：一個(gè)是規(guī)劃編制層面的“控”、一個(gè)是規(guī)劃管理層面的“管”。在規(guī)劃編制階段，將海綿城市規(guī)劃管控總指標(biāo)量化，細(xì)分為若干個(gè)具體的子指標(biāo)，可以更合理地指導(dǎo)地塊中LID設(shè)施的規(guī)模；在規(guī)劃管理階段，細(xì)分后的具體子指標(biāo)亦可作為海綿城市建設(shè)后的績效考核量化標(biāo)準(zhǔn)。因此，在海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的編制過程中進(jìn)行指標(biāo)分解，建立起完善的海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)體系，可更好地推進(jìn)我國的海綿城市建設(shè)?！吨改稀犯敲鞔_要求：“規(guī)劃的行政主管部門要在城鄉(xiāng)規(guī)劃的體系中明確海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的空間管控內(nèi)容，編制的城市控制性詳細(xì)規(guī)劃要將年徑流總量控制率列為首要的規(guī)劃管控剛性指標(biāo)并建立起城市各地塊的透水鋪裝率、下凹式綠地率等引導(dǎo)性技術(shù)指標(biāo)”。

1.3 指標(biāo)分解目前存在的問題

《指南》在其表3-1中提出了試算法與模型模擬法分解年徑流總量控制率并給出了應(yīng)用試算法的詳盡計(jì)算流程、公式與分解步驟，但各地在實(shí)踐中反映出其尚存在著一定的不足。

1.3.1 試算法

康丹等[2]認(rèn)為《指南》提供的試算法分解年徑流總量控制率主要存在2個(gè)問題。

(1)剛性指標(biāo)的分解缺乏客觀性。實(shí)踐中，年徑流總量管控率大多直接從城市總體規(guī)劃的地區(qū)分解到城市控制性詳細(xì)規(guī)劃階段的各個(gè)具體地塊，兩者體量差距巨大且分解過程中主觀隨意性較強(qiáng)，致使地區(qū)總指標(biāo)對(duì)具體地塊的管控指標(biāo)引導(dǎo)性差，兩者較難承接。城市總體規(guī)劃需要管控的規(guī)?？筛哌_(dá)數(shù)千平方千米，而城市控制性詳細(xì)規(guī)劃需要管控的規(guī)模多為幾十公頃有時(shí)更小，所以具體地塊的年徑流總量管控率經(jīng)計(jì)算后和海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃管控總指標(biāo)之間易出現(xiàn)偏差，后期的修正工作也十分繁瑣。

(2)適宜的引導(dǎo)性指標(biāo)難以確定。要實(shí)現(xiàn)地塊的年徑流總量管控則需要將指標(biāo)進(jìn)一步分解為綠色屋頂率、透水鋪裝率及下凹式綠地率等一項(xiàng)或多項(xiàng)引導(dǎo)性指標(biāo)共同實(shí)現(xiàn)，但城市控規(guī)層面的海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中如何確定合適的引導(dǎo)性指標(biāo)尚無統(tǒng)一方法。若提出的引導(dǎo)性指標(biāo)組合不具有適宜性，必然對(duì)城市的土地開發(fā)及建設(shè)造成約束。

目前，已有不少學(xué)者為此作出了科研探索，如康丹等[2]提出的三級(jí)分解法、潘笑文等[3]提出的典型年法、姜勇[4]建立的平均分配調(diào)整法、柏云[5]提出的GIS輔助分解法。

1.3.2 模型模擬法

《指南》提出有條件的城市亦可應(yīng)用水文水力模型模擬的方法對(duì)年徑流總量管控指標(biāo)進(jìn)行分解賦值，但由于《指南》尚處于試行階段未對(duì)運(yùn)用模型法如何進(jìn)行分解、具體的分解步驟以及使用何種模擬軟件進(jìn)行分解做詳盡的解答。目前國內(nèi)以SWMM為典型代表的模型模擬研究多集中于徑流污染特性模擬[6]、排水管網(wǎng)優(yōu)化[7-9]等領(lǐng)域，與海綿城市相關(guān)性較高的研究也僅限于使用SWMM模型對(duì)LID設(shè)施的雨洪管控效果進(jìn)行評(píng)估及驗(yàn)證[10,11]，較少使用SWMM模型對(duì)海綿城市年徑流總量管控指標(biāo)進(jìn)行分解。

因此，探索SWMM水文水力模型在分解海綿城市年徑流總量管控指標(biāo)中的應(yīng)用對(duì)今后深化海綿城市規(guī)劃管控指標(biāo)體系有一定的積極意義。

2 技術(shù)路線

針對(duì)上述問題，以海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中的年徑流總量控制率為研究對(duì)象，提出一套SWMM模型輔助下的指標(biāo)分解技術(shù)路線，該技術(shù)路線分為現(xiàn)狀評(píng)估、剛性指標(biāo)分解及引導(dǎo)性指標(biāo)分解三個(gè)階段，各階段意義見表2，技術(shù)路線見圖2。

表2 各指標(biāo)分解階段意義Tab.2 The significance of each index decomposition stage

圖2 指標(biāo)分解技術(shù)路線Fig.2 Technical route of index decomposition

2.1 現(xiàn)狀年徑流總量控制率評(píng)估

首先，通過91衛(wèi)圖助手收集研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)和遙感影像圖并解譯，高程數(shù)據(jù)可在GIS中獲取各子匯水區(qū)的平均坡度、面積等參數(shù)；遙感影像圖則可使用ENVI或者CAD解譯出各子匯水區(qū)的下墊面面積并換算成不滲透百分比；其次，查閱當(dāng)?shù)氐摹逗＞d城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》獲取研究區(qū)域的雨水蒸發(fā)數(shù)據(jù)及暴雨強(qiáng)度公式，通過暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出指定暴雨重現(xiàn)期情景下的逐分鐘降雨數(shù)據(jù)。最后，將各類數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM模型中對(duì)研究區(qū)域的降水、蒸發(fā)、徑流與下滲過程進(jìn)行模擬，計(jì)算出各地塊的現(xiàn)狀徑流控制容積并將其轉(zhuǎn)換為年徑流總量控制率，此值即為現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果。當(dāng)?shù)?%步長的年徑流總量管控率與設(shè)計(jì)降水量可通過查詢相關(guān)規(guī)范直接獲取，5%步長以下的值則需要統(tǒng)計(jì)本市近30年日值降水?dāng)?shù)據(jù)獲得，無法獲取降水?dāng)?shù)據(jù)的情況下可以5%步長的年徑流總量管控率與設(shè)計(jì)降水量為基礎(chǔ)，借助線性插值法估算其5%步長以下的值。

2.2 剛性指標(biāo)分解

根據(jù)現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果及當(dāng)?shù)睾＞d城市的相關(guān)規(guī)范為研究區(qū)域的各類用地分配適宜的剛性指標(biāo)，指標(biāo)賦值需區(qū)分新建地塊和改建地塊。各類用地的剛性指標(biāo)初步賦值后需驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積的要求，由此借助《指南》第八節(jié)2.1容積法對(duì)各用地的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積進(jìn)行核算，若滿足規(guī)劃目標(biāo)對(duì)應(yīng)的總?cè)莘e調(diào)蓄要求則表明賦值成功；若不滿足規(guī)劃目標(biāo)的容積調(diào)蓄要求則重新對(duì)各類用地進(jìn)行指標(biāo)賦值與核算直至滿足目標(biāo)要求，確定各類用地的剛性指標(biāo)。

2.3 引導(dǎo)性指標(biāo)分解

剛性指標(biāo)如何通過適宜的各低影響開發(fā)技術(shù)指標(biāo)落實(shí)則需要借助模型進(jìn)一步探討。首先綜合考慮當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件、水污染防治需求、雨水資源化利用等因素選取合適的LID設(shè)施，影響因素較多的情況下亦可使用層次分析法(AHP)輔助決策。而后在已建好的SWMM水文模型中設(shè)置LID模塊進(jìn)行模擬，核算各子匯水區(qū)的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積并將其換算成年徑流總量管控率。若不能滿足上一個(gè)階段對(duì)各類用地提出的指標(biāo)要求則通過調(diào)整LID設(shè)施的覆蓋比例或參數(shù)重新模擬，直至得出能滿足剛性指標(biāo)要求的模擬結(jié)果，確定研究區(qū)域的引導(dǎo)性指標(biāo)。

3 指標(biāo)分解案例

本案例以萍鄉(xiāng)市主城片區(qū)為研究區(qū)域，東至安源中大道-建設(shè)東路-萍安北大道，南至康莊路，西至濱河?xùn)|路，北至武功山中大道，如圖3，研究區(qū)域總面積為590.8 hm2。依據(jù)《指南》的中國內(nèi)地徑流總量管控分區(qū)圖，萍鄉(xiāng)市地處年徑流總量管控第Ⅲ區(qū)其指標(biāo)取值區(qū)間為75%～85%，結(jié)合萍鄉(xiāng)實(shí)際情況以年徑流總量管控率75%作為規(guī)劃管控總目標(biāo)，基于SWMM模型對(duì)管控總目標(biāo)進(jìn)行分解。分解流程包含現(xiàn)狀評(píng)估、剛性指標(biāo)分解及引導(dǎo)性指標(biāo)分解3個(gè)步驟。

圖3 研究區(qū)域Fig.3 Research area

3.1 現(xiàn)狀年徑流總量控制率評(píng)估

首先，對(duì)研究區(qū)域的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理為建立模型做準(zhǔn)備。逐分鐘降雨數(shù)據(jù)采用萍鄉(xiāng)市暴雨強(qiáng)度公式擬合出芝加哥雨型，重現(xiàn)期為5年一遇，降雨時(shí)長120 min，總降雨量62.63 mm；蒸發(fā)數(shù)據(jù)根據(jù)《江西省海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》(以下簡稱《導(dǎo)則》)附錄10.2獲得；各子匯水區(qū)的平均坡度、面積與特征寬度等參數(shù)通過91衛(wèi)圖助手獲取DEM數(shù)據(jù)后在GIS中提?。桓髯訁R水區(qū)不透水百分比參數(shù)則根據(jù)0.53 m分辨率遙感影像圖在CAD中描繪并統(tǒng)計(jì)建筑、水面、道路、綠化等面積后，依照對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)加權(quán)計(jì)算獲得，如圖4；下滲模型選用霍頓，其他參數(shù)參考SWMM使用手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)[12,13]進(jìn)行取值。其次，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM后建立起研究區(qū)域的雨洪模型，如圖5。

圖4 建筑不透水面面積解譯圖Fig.4 Interpretation of impervious surface area of buildings

圖5 研究區(qū)域SWMM模型概化圖Fig.5 Study area SWMM model generalization diagram

最后對(duì)研究區(qū)域內(nèi)各地塊的降雨、蒸發(fā)、徑流、下滲過程進(jìn)行模擬，得出各地塊的現(xiàn)狀年徑流總量管控率如圖6。依據(jù)《導(dǎo)則》附錄10.1中萍鄉(xiāng)5%步長的年徑流總量管控率與設(shè)計(jì)降水量，借助線性插值法得出整個(gè)研究區(qū)域的現(xiàn)狀年徑流總量管控率為34.7%。研究區(qū)域的滲透性能較差，土壤以壤黏土或砂黏土居多，地勢(shì)較為平坦，總平均坡度為3.9%。該區(qū)域東部的商業(yè)金融用地及居住用地目前為荒地，徑流管控能力有提升空間；西部的公共綠化用地雨水管控能力較強(qiáng)；南部、北部及中部地區(qū)以居住用地為主，地表硬化徑流管控能力較差。

圖6 各地塊現(xiàn)狀年徑流總量控制率評(píng)估圖Fig.6 Assessment chart of current annual total runoff control rate for each region

3.2 剛性指標(biāo)分解

根據(jù)《導(dǎo)則》及現(xiàn)狀評(píng)估的結(jié)果對(duì)研究區(qū)域內(nèi)各類用地進(jìn)行年徑流總量控制率初步分解賦值，借助《指南》容積法核算各個(gè)地塊的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積；各類用地指標(biāo)分解結(jié)果見表3，經(jīng)計(jì)算得出該指標(biāo)體系的總年徑流總量管控率為75.62%，符合規(guī)劃要求，同時(shí)得出研究區(qū)域內(nèi)各地塊的規(guī)劃年徑流總量管控率分布圖，如圖7。

表3 各類用地剛性指標(biāo)分解賦值結(jié)果Tab.3 Result of decomposition of Rigidity Indicators for various types of land use

圖7 各地塊規(guī)劃年徑流總量控制率分布圖Fig.7 Distribution chart of annual total runoff control rate for each block planning

3.3 引導(dǎo)性指標(biāo)分解

首先，結(jié)合現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果及萍鄉(xiāng)市的實(shí)際條件選定下沉式綠地與透水鋪裝作為主要的LID措施。其次，在SWMM中設(shè)置LID模塊的參數(shù)：透水鋪裝表面滯水深度15 mm、曼寧N值0.013、坡度1.5%；透水鋪裝層厚度160 mm、孔隙比0.1；蓄水層厚度250 mm、孔隙比0.3；底部排水層排水系數(shù)3.3、排水指數(shù)0.5。下沉式綠地表面層深度100 mm、植物覆蓋系數(shù)0.5、曼寧N值0.15、坡度1%；土壤層厚度250 mm、孔隙率0.4、產(chǎn)水能力0.2、枯萎點(diǎn)0.1；蓄水層厚度500 mm、孔隙比0.75；底部排水層排水系數(shù)14、排水指數(shù)0.5。最后，在模型中對(duì)各子匯水區(qū)逐個(gè)附加LID模塊并應(yīng)用試錯(cuò)法不斷調(diào)整LID設(shè)施的覆蓋比例，核算各地塊的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積直至得出滿足剛性指標(biāo)要求的引導(dǎo)性技術(shù)指標(biāo)——下沉式綠地率與透水鋪裝率。本研究區(qū)域共107個(gè)子匯水區(qū)，篇幅所限僅展示其中7個(gè)的分解結(jié)果見表4。經(jīng)推算該引導(dǎo)性指標(biāo)體系的實(shí)際控制容積為89 501.71 m3對(duì)應(yīng)的年徑流總量管控率為78.7%，符合規(guī)劃要求,研究區(qū)域總下沉式綠地率為42.19%，總透水鋪裝率為18.47%。

引導(dǎo)性指標(biāo)實(shí)施過程中若某些地塊因不可抗力因素?zé)o法達(dá)到下沉式綠地率的覆蓋范圍，可通過加深下沉式綠地的深度縮小覆蓋比例以達(dá)到相同的年徑流總量管控要求。

表4 部分子匯水區(qū)引導(dǎo)性指標(biāo)分解結(jié)果Tab.4 Decomposition results of Guiding Indicators in partial Subcatchments

4 結(jié)語與展望

在SWMM模型的輔助下對(duì)萍鄉(xiāng)市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的管控指標(biāo)——年徑流總量控制率進(jìn)行了分解賦值，探索了一種更為科學(xué)、高效且具有普遍適用性的指標(biāo)分解賦值方法。當(dāng)前國內(nèi)的海綿城市建設(shè)與規(guī)劃工作尚處于探索期間，模擬技術(shù)作為一種較新穎的方法對(duì)數(shù)據(jù)的需求也與以往不盡相同，本研究使用SWMM模型模擬了城市的水文過程與LID雨水系統(tǒng)，若在有足夠的數(shù)據(jù)支持下亦可增加對(duì)城市雨水管渠系統(tǒng)的模擬，以便在完成海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)分解工作的同時(shí)對(duì)其他專項(xiàng)規(guī)劃的修編也提供指導(dǎo)。

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