海綿城市建設(shè)年徑流總量控制率指標(biāo)的分解優(yōu)化

喬夢(mèng)曦，王 晨，常 魁，王澤深，石國(guó)強(qiáng)

(中規(guī)院〈北京〉規(guī)劃設(shè)計(jì)公司，北京 100037)

1 研究背景

根據(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)》[1](簡(jiǎn)稱指南)，海綿城市規(guī)劃的控制目標(biāo)一般包括徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等。鑒于徑流污染控制目標(biāo)、雨水資源化利用目標(biāo)大多可通過徑流總量控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，且年徑流總量控制指標(biāo)易于量化目標(biāo)，也易于量化控制效果[2-3]，因此，在海綿城市規(guī)劃中通常采用徑流總量控制目標(biāo)作為首要的控制目標(biāo)。

在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，徑流總量控制目標(biāo)的取值和分解是海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4]。徑流總量控制率的取值過低，達(dá)不到污染防治和緩解內(nèi)澇的效果；取值過高，可能破壞原有的水文平衡，造成投資效益降低、設(shè)施規(guī)模過大等問題。指標(biāo)的取值也較少考慮場(chǎng)地不同建設(shè)階段的影響，像老舊小區(qū)改造，改造空間受限，很難達(dá)到較高控制率的要求或?yàn)榱诉_(dá)到控制率目標(biāo)，建設(shè)大量灰色設(shè)施，造成指標(biāo)落地性差、施工難度大等問題[5-6]。因此，徑流總量控制率的合理取值對(duì)海綿城市建設(shè)至關(guān)重要。

對(duì)于年徑流總量控制率的目標(biāo)分解，基礎(chǔ)資料完備的城市可以通過水文、水力模型模擬的方法進(jìn)行分解；在不具備條件的地區(qū)，常用試算分解法進(jìn)行指標(biāo)分解。試算分解法的計(jì)算流程如圖1所示。首先確定規(guī)劃區(qū)的年徑流總量控制率目標(biāo)，然后根據(jù)城市控制性詳細(xì)規(guī)劃階段提出的各地塊綠地率、建筑密度等規(guī)劃控制指標(biāo)，初步提出各地塊的低影響開發(fā)控制指標(biāo)，可采用下沉式綠地率及其下沉深度、透水鋪裝率、綠色屋頂率、其他調(diào)蓄容積等單項(xiàng)或組合控制指標(biāo)，分別計(jì)算各地塊低影響開發(fā)設(shè)施的總調(diào)蓄容積。通過加權(quán)計(jì)算，得到各地塊的綜合雨量徑流系數(shù)，確定地塊低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)降雨量，對(duì)照年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)雨量的關(guān)系，確定各地塊年徑流總量控制率。各地塊年徑流總量控制率經(jīng)匯水面積與各地塊綜合雨量徑流系數(shù)的乘積加權(quán)平均，得到規(guī)劃區(qū)域的年徑流總量控制率。通過調(diào)整控制指標(biāo)，反復(fù)試算直到滿足總體規(guī)劃階段提出的控制率目標(biāo)要求[1,7]。

圖1 年徑流總量控制指標(biāo)分解試算法流程Fig.1 Flow Chart of Decomposition Test Algorithm for Total Annual Runoff Control Index

試算分解法相對(duì)簡(jiǎn)單，不論新老地塊按照統(tǒng)一原則進(jìn)行分解，較少考慮到地塊建設(shè)階段的影響；該方法也忽略了當(dāng)?shù)厮摹⑺h(huán)境的影響，沒有充分考慮到雨水的流動(dòng)性和海綿節(jié)點(diǎn)調(diào)蓄上游超標(biāo)雨水的能力。為計(jì)算簡(jiǎn)便，排水分區(qū)常以道路為邊界劃分計(jì)算單元，與依據(jù)豎向和管網(wǎng)劃定的排水分區(qū)有一定的出入[8]，也會(huì)造成一定的計(jì)算偏差。因此，通過試算法分解的指標(biāo)，未充分利用場(chǎng)地的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，在實(shí)施層面易導(dǎo)致指標(biāo)落地性差，難以滿足上位規(guī)劃的目標(biāo)要求。為解決上述問題，對(duì)試算分解法提出優(yōu)化。

2 指標(biāo)分解優(yōu)化思路與技術(shù)路線

本文考慮到場(chǎng)地的不同建設(shè)階段對(duì)指標(biāo)取值的影響，對(duì)新建用地和老舊城區(qū)分別取值。城市新區(qū)、各類園區(qū)、成片開發(fā)區(qū)等新建用地的年徑流總量控制率指標(biāo)以目標(biāo)為導(dǎo)向，保護(hù)生態(tài)本底，合理控制開發(fā)強(qiáng)度，“自上而下”確定指標(biāo)取值。老舊城區(qū)由于其開發(fā)強(qiáng)度高、硬化面積比例高、綠地率低、管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、改造實(shí)施空間有限等原因，易造成內(nèi)澇、水體黑臭等問題，老舊城區(qū)海綿建設(shè)目標(biāo)的選取應(yīng)以問題為導(dǎo)向，“自下而上”地確定適宜的年徑流總量控制率指標(biāo)。

圖2 年徑流總量控制指標(biāo)優(yōu)化分解技術(shù)路線Fig.2 Optimized Decomposition Technical Route of Total Annual Runoff Control Index

指標(biāo)分解的校核，經(jīng)試算后，規(guī)劃區(qū)年徑流總量控制率若不滿足城市總體目標(biāo)的要求，可通過調(diào)整新建用地的指導(dǎo)性指標(biāo)，調(diào)整海綿節(jié)點(diǎn)的調(diào)蓄能力，或是調(diào)整灰色基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模等方式，重新計(jì)算規(guī)劃區(qū)的年徑流總量控制率，使其滿足城市的總體目標(biāo)要求。由于老城區(qū)現(xiàn)狀條件有限，其指導(dǎo)性指標(biāo)是根據(jù)現(xiàn)狀條件確定的可以實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，在后續(xù)的試算調(diào)整中就不再調(diào)整老城區(qū)的指導(dǎo)性指標(biāo)。下文以珠海市洪灣保稅一體化區(qū)域?yàn)槔瑢?duì)其海綿城市年徑流總量指標(biāo)分解進(jìn)行優(yōu)化。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)域?yàn)橹楹Ｊ泻闉潮６愐惑w化區(qū)域(下文簡(jiǎn)稱一體化區(qū)域)，位于珠海市南灣區(qū)南部，由中等山體、坡積地和洪積地3種類型構(gòu)成，地勢(shì)東高西低、南高北低。一體化地區(qū)總面積為25.66 km2，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為2 271.6 mm，每年4月—9月為雨季，降水日數(shù)占全年降水日數(shù)的80%以上。

3.2 指標(biāo)初步確定

3.2.1 城市總體目標(biāo)的確定

確定規(guī)劃區(qū)年徑流總量控制率的總體目標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量。年徑流總量控制目標(biāo)可依據(jù)《指南》中控制率分布圖的推薦值或是遵循LID理念“恢復(fù)到開發(fā)前自然水文狀態(tài)”等統(tǒng)籌考慮[9-10]。珠海市根據(jù)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕75號(hào))中海綿城市建設(shè)要求，確定了海綿城市建設(shè)目標(biāo)要求，其中年徑流總量控制率要求，2020年規(guī)劃區(qū)內(nèi)建成區(qū)30%面積達(dá)到年徑流總量控制率≥70%，2030年規(guī)劃區(qū)內(nèi)建成區(qū)80%面積達(dá)到年徑流總量控制率≥70%。

3.2.2 流域單元和排水分區(qū)的劃分

根據(jù)規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)自然地形、河流水系流向、排水管渠系統(tǒng)和行政區(qū)劃分等因素劃定流域分區(qū)。一體化區(qū)域按流域單元進(jìn)行劃分，利用ArcGIS中的水文分析工具從一體化區(qū)域DEM中提取流域水文特征進(jìn)行流域劃分，包括DEM的預(yù)處理→水流方向的確定→水流量積累提取→河網(wǎng)的提取→集水區(qū)的提取，最后進(jìn)行流域劃分，再綜合考慮路網(wǎng)、控規(guī)等內(nèi)容，將洪灣保稅一體化區(qū)域劃分為6個(gè)流域，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)匯流特征分析Fig.3 Characteristic Analysis of Runoff and Confluence

綜合現(xiàn)狀河涌水系的布局、地形豎向與衛(wèi)星測(cè)繪資料、現(xiàn)狀和控規(guī)雨水管網(wǎng)資料、現(xiàn)狀與規(guī)劃城市用地等情況，劃定各個(gè)流域單元內(nèi)的排水分區(qū)，并進(jìn)行編號(hào)，作為指標(biāo)分解的計(jì)算單元。以一體化區(qū)域VI流域?yàn)槔?圖4)，VI流域共確定14個(gè)排水分區(qū)。

圖4 排水分區(qū)劃分示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Drainage Zoning

3.2.3 排水分區(qū)分類

3.內(nèi)容構(gòu)成。習(xí)作題材在小學(xué)習(xí)作中包括寫人、事、景、物四大類，這幾種類型幾乎是在每一學(xué)年都會(huì)有，只是要求逐漸提高。此外，每個(gè)年級(jí)的下冊(cè)都有一次不限題材的自由習(xí)作，這是人教版小學(xué)語文習(xí)作的一大特點(diǎn)。習(xí)作的體裁主要有記敘文、應(yīng)用文、說明文、議論文四種體裁。低年級(jí)主要以記敘文為主，在中高年級(jí)雖慢慢增加了其他三類的體裁習(xí)作，但還是以記敘文為主，只有寫“讀后感”劃分為議論文。

根據(jù)排水分區(qū)內(nèi)場(chǎng)地條件和建設(shè)模式，分成新建用地和老舊城區(qū)改造2類，分別對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)分解。老舊城區(qū)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，梳理統(tǒng)計(jì)下墊面情況，包括綠地、裸土、道路、建筑、水域和鋪裝等。新建用地結(jié)合控制性詳細(xì)規(guī)劃等相關(guān)基礎(chǔ)資料，梳理統(tǒng)計(jì)流域范圍內(nèi)各類建設(shè)用地情況，用地類型包括居住用地、公共設(shè)施用地、公園綠地和工業(yè)用地等。

3.2.4 新建用地指標(biāo)的確定

新建用地主要根據(jù)年徑流總量控制率目標(biāo)和宗地特性，以目標(biāo)為導(dǎo)向，初步確定宗地不同用地類型的單項(xiàng)指導(dǎo)性指標(biāo)。單項(xiàng)指導(dǎo)性指標(biāo)包括下沉式綠地率、下沉深度、透水鋪裝率、綠色屋頂率等。一體化區(qū)域參考同類型城市單項(xiàng)指導(dǎo)性指標(biāo)的取值范圍，如表1所示。

表1 單項(xiàng)措施的指導(dǎo)性指標(biāo)Tab.1 Guiding Indicators for Individual Measures

以一體化區(qū)域某一新建排水分區(qū)為例，該場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為農(nóng)田和水塘，如圖5所示。根據(jù)控規(guī)，該區(qū)域?qū)㈤_發(fā)建設(shè)成以產(chǎn)業(yè)為主兼有商業(yè)和居住功能的區(qū)域，根據(jù)排水分區(qū)的劃分，確定每個(gè)宗地在排水分區(qū)所占的比例和面積，宗地性質(zhì)如表2所示。

考慮到排水分區(qū)內(nèi)有海綿措施，單項(xiàng)指標(biāo)確定為可取范圍值的下限，采用容積法計(jì)算每個(gè)宗地的調(diào)蓄容積，不同匯水面通過加權(quán)平均計(jì)算宗地海綿建設(shè)后的徑流系數(shù)，得到各宗地的控制降雨量以及對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率，如表3所示。

初步試算出該排水分區(qū)的現(xiàn)狀年徑流總量控制率為59%，設(shè)計(jì)降雨量約為19.4 mm。通過控制排水分區(qū)內(nèi)地面豎向，確定超標(biāo)雨水徑流通道，將宗地內(nèi)超標(biāo)雨水沿著徑流通道排至末端的海綿措施進(jìn)行再消納。根據(jù)末端海綿措施的面積和調(diào)蓄深度，增加調(diào)蓄空間約為857 m3，整體提升了排水分區(qū)內(nèi)的徑流控制能力，該排水分區(qū)年徑流總量控制率提升至69%。

圖5 新建用地排水分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Newly Built Drainage Zoning

表2 新建排水分區(qū)宗地信息Tab.2 Parcel Land Information of Newly Built Drainage Zoning

表3 新建排水分區(qū)指標(biāo)分解計(jì)算Tab.3 Index Decomposition Calculation of Newly Built Drainage Zoning

3.2.5 已建設(shè)用地指標(biāo)的確定

通過查看一體化區(qū)域的衛(wèi)星圖片和實(shí)地調(diào)研，對(duì)于已開發(fā)建設(shè)的排水分區(qū)，針對(duì)該排水分區(qū)所面臨的水環(huán)境問題，結(jié)合控規(guī)要求，對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行改造，考慮到建設(shè)難度，判別老城區(qū)可改造的程度，確定可改造區(qū)域。以一個(gè)已開發(fā)用地的排水分區(qū)為例，如圖6所示。

圖6 已建城區(qū)排水分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Built Drainage Zoning

該排水分區(qū)北側(cè)有一片建筑密度高的老舊城區(qū)，地勢(shì)低洼且下游管網(wǎng)排水不暢，常年易內(nèi)澇積水。通過容積法試算該排水分區(qū)的現(xiàn)狀年徑流總量控制率為52%。近期以緩解內(nèi)澇問題為導(dǎo)向，識(shí)別老城區(qū)下游一處坑塘可作為海綿措施，坑塘附近通過雨水溝改造，盡可能將周圍的雨水通過地表流入坑塘，其他區(qū)域通過管線改造和加大泵站排水能力，抽排至坑塘或下游管網(wǎng)。經(jīng)近期改造后，坑塘增加了分區(qū)內(nèi)雨水的調(diào)蓄能力，提升排水分區(qū)的現(xiàn)狀年徑流總量控制率至56%。遠(yuǎn)期根據(jù)控規(guī)圖則，該區(qū)域?qū)⒈桓脑鞛樾碌淖≌瑓^(qū)，宗地信息如表4所示。

表4 已建排水分區(qū)宗地信息Tab.4 Parcel Land Information of Built Drainage Zoning

遠(yuǎn)期結(jié)合控規(guī)，宗地的指導(dǎo)性指標(biāo)選取參考新建設(shè)用地的單項(xiàng)指導(dǎo)性指標(biāo)，僅考慮宗地內(nèi)源頭的海綿措施，排水分區(qū)的年徑流總量控制率為66%，設(shè)計(jì)降雨量為25 mm，再疊加過程中徑流通道的構(gòu)建和末端海綿措施的調(diào)控，整個(gè)排水分區(qū)的年徑流總量控制率提高至71%，如表5所示。

表5 已建排水分區(qū)指標(biāo)分解計(jì)算Tab.5 Index Decomposition Calculation of Built Drainage Zoning

3.3 試算校核調(diào)整

根據(jù)排水分區(qū)的開發(fā)建設(shè)階段，將所有排水分區(qū)劃分為新建和已建用地，分別確定控制指標(biāo)。通過加權(quán)平均的方法，試算流域單元年徑流總量控制率和規(guī)劃區(qū)的年徑流總量控制率。經(jīng)第一次試算后，若結(jié)果等于或略高于目標(biāo)值，即可認(rèn)為試算完成；若結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目標(biāo)值，可適當(dāng)調(diào)整指導(dǎo)性指標(biāo)的選取范圍，同時(shí)校核海綿措施的調(diào)蓄能力以及上游徑流的可達(dá)性；若結(jié)果低于目標(biāo)值，可適當(dāng)提高新建用地的指導(dǎo)性指標(biāo)，或增加海綿措施的調(diào)蓄能力，同時(shí)保證上游徑流的可達(dá)性，已建用地根據(jù)現(xiàn)狀條件確定指導(dǎo)性指標(biāo)，故不調(diào)整已建用地指標(biāo)。

一體化區(qū)域通過指標(biāo)分解優(yōu)化計(jì)算，第一次試算年徑流總量控制率為71%，滿足目標(biāo)值的要求，且更好地協(xié)調(diào)了綠色與灰色、地上與地下、分散與集中措施的關(guān)系，增強(qiáng)了指標(biāo)的落地性。

4 結(jié)論

針對(duì)海綿城市常用指標(biāo)分解方法存在落地性差的問題，對(duì)常用的分解試算法進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)根據(jù)場(chǎng)地的不同建設(shè)階段，分為新建用地和已建用地分別進(jìn)行指標(biāo)分解。新建用地參考常用的指標(biāo)分解方法；已建用地結(jié)合現(xiàn)狀問題，識(shí)別可改造區(qū)域，確定可改造程度，從而確定指標(biāo)取值，增強(qiáng)了老城區(qū)改造指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。

(2)指標(biāo)分解計(jì)算以排水分區(qū)為計(jì)算單元，其中，排水分區(qū)需要考慮水系、地形、場(chǎng)地豎向、管網(wǎng)和用地等因素科學(xué)劃定，從而真正實(shí)現(xiàn)“源頭-過程-末端”的管控。在排水分區(qū)內(nèi)，充分利用綠色基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)平衡地上與地下、分散與集中的關(guān)系，使指標(biāo)分解更為合理。

(3)根據(jù)目標(biāo)反復(fù)試算調(diào)整的過程中，只調(diào)整新建用地的指標(biāo)，不改變已建用地的指標(biāo)，確保已建用地改造指標(biāo)落地的可實(shí)現(xiàn)性。

通過珠海洪灣一體化區(qū)域?yàn)槔捎蒙鲜龇椒▽?duì)指標(biāo)分解試算優(yōu)化，增強(qiáng)一體化區(qū)域指標(biāo)分解的科學(xué)性；與常用試算法相比，充分利用了地上的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，為后續(xù)項(xiàng)目落地制定更合理的指標(biāo)管控要求。