流域尺度視角下海綿城市建設途徑及區域徑流控制

賀弋桓，王建龍,2，仝 賀，趙夢圓

(1.城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室(北京建筑大學)，北京 100044；2.北京建筑大學 北京市可持續城市排水系統構建與風險控制工程技術研究中心，北京 100044)

流域管理是以流域為單元，合理安排農業、林業、牧業、副業等各類用地，通過跨部門、跨地區的多學科、多需求、多元化的科學管控，對流域內水土及其他自然資源進行保護、改善與合理利用，以達到充分發揮流域內水土及其他自然資源生態效益、經濟效益、社會效益的目的[1-3].早期流域管理主要包括流域水資源的開發規劃、工程建設及利用管理，20世紀90年代，中國提出以水資源保護、水生態修復及水安全防護等目標的流域統籌管理理念[4].并在此基礎上形成了現代流域管理以水體健康、污染控制、生態保護、防洪排澇和資源利用為目標的管理體系[5-6].近年來，隨著中國各類土地用地類型的快速變化與發展，區域水文循環過程發生變化，使得流域水安全風險增加、水環境質量降低.趙鐘楠等[7]通過分析流域尺度內城市開發對流域整體的具體補償及綜合補償的辯證統一關系，提出了城市開發對流域尺度所帶來的生態破壞的補償理論和方法.張利超等[8]提出小流域水土保持治理中蓄水池的重要性，并針對鄱陽湖流域建設提出了蓄水池設計標準，如工程布置、容量計算、工程設計的安全性等.Sun等[9]提出流域內地表徑流對水生態系統破壞最嚴重，并針對水污染和水資源問題提出封閉保護、雨水(污水)收集和徑流調節三項管理措施.

隨著城市的快速發展，城市建成區面積急劇增加，建成區下墊面徑流系數一般從開發前的0.2～0.3增加至開發后的0.6～0.7，相同重現期條件下，開發后峰值流量約為開發前的3倍[3]；其次，天然河道及滯洪洼地被填埋擠占，城市原有的蓄滲空間日益減少，雨水匯流時間縮短，峰值時間提前，峰值流量明顯增加，導致洪澇風險增大[10].在流域尺度視角下，上游城市的雨水徑流外排流量增大，造成下游河道高水位，形成河道頂托現象.下游城市雨水無法通過重力流排入行洪河道，甚至發生河水倒灌現象，從而給流域下游城市帶來安全隱患(如圖1).此外，降雨期間雨水徑流中攜帶的各種污染物最終都排入受納水體，給受納水體帶來沖擊性污染，因此，城市化的發展導致降雨期間受納水體的水位升高、流速增大、水質惡化，加劇了流域洪澇風險，降低了水環境質量，破壞了流域原有的水文循環過程.針對上述突出的城市內澇與城市河道污染問題，國內提出了海綿城市建設理念，并逐步在城市土地開發建設中得到廣泛應用[11-13].

圖1 城市開發建設對流域水文過程的影響

海綿城市建設以雨水的綜合控制利用為主要目標.在城市的規劃設計及建設過程中，以匯水或排水分區為基本的單元將建設區域劃分為多個控制地塊，通過識別不同地塊的場地條件及突出雨水問題，確定相應的雨水徑流控制目標與指標[14].但對于流域的水文平衡來講，只注重單一區域的雨水管理指標或單元排水分區內的指標，而忽視了流域中不同城市或排水分區之間在雨水控制利用方面的相互銜接及影響，難以達到區域的整體控制及平衡.因此，流域可持續水文循環系統構建，需要從流域層面統籌考慮不同城市或排水分區之間的相互銜接關系及上下游的統籌管理[15].因此，本文通過分析城市化發展對流域水文過程的影響，探討了基于流域尺度的城市雨水管理體系，系統評估城市化對流域水文循環過程的影響，并將此理念與國內海綿城市建設有機結合，提出基于水量、水質多目標控制的流域尺度雨水管控途徑，以期為流域可持續水循環系統構建和海綿城市建設提供支撐.

1 基于流域尺度的海綿城市建設途徑

1.1 城市化對水文過程的影響

通過上述分析可知，若要實現流域尺度可持續水文循環過程，應對流域內不同城市或排水分區間的雨水徑流響應機理進行系統研究，根據城市上、下游關系，統籌雨水排放安全管理.而如何將流域管理理念與城市建設相結合，將流域目標細化至城市尺度仍是目前流域管理重點研究內容之一[16].一般認為，城市場地開發會給區域帶來外排徑流總量和峰值流量的增加，并使得場地徑流峰值時間提前.因此，在城市開發建設過程中為減輕場地開發對區域水文過程變化的影響，應采取海綿城市建設等有效的措施控制場地開發后帶來的不利水文影響，具體內容包括雨水徑流外排總量控制、峰值流量削減、峰值時刻延遲、雨水徑流污染負荷削減等.場地開發前后水文過程線變化如圖2所示，可以看出，通過海綿城市建設可有效緩解場地開發后對水文過程的影響[17].

圖2 場地開發前后徑流過程線

為有效控制城市開發建設對水文參數的不利影響，實現雨水徑流水量水質多目標控制，應根據海綿城市建設的理念，在排水分區單元，首先遵循不透水面積最小化的原則，通過場地源頭促滲減排措施削減雨水徑流外排總量，并根據雨水徑流污染物沖刷特征，采取生物滯留、環保雨水口等措施有效控制雨水徑流污染，在末端排口采用雨水塘/濕地等調蓄設施削減雨水徑流峰值，從而實現場地開發后水文特征參數影響最小化[18].在流域尺度應根據受納水體的行洪能力和自凈容量，提出各個排口的雨水徑流外排總量、峰值流量和雨水徑流污染負荷控制目標，從而作為各個城市海綿城市建設目標和指標的要求.然后，進一步根據雨水管網分區組成，逐級計算出上游各個排水單元的雨水徑流水量、水質控制要求，并納入相應規劃管控指標體系，形成基于流域管理的城市徑流分擔理念(見圖3).對于已建區域，應在城市更新改造過程中，以問題為導向，結合積水點改造、合流制溢流污染控制、管網提質增效等項目，采取灰、綠結合的措施，逐步實現雨水徑流水量、水質多目標控制[19].

1.2 基于流域管理的海綿城市建設途徑

流域管理是以流域為單元的綜合管理計劃，其在實施過程中綜合考慮了雨水徑流對河湖水岸安全，以及匯水區域水體涵養等多個目標，并進一步落實為流域綜合管理規劃.在流域綜合管理規劃中，依據流域范圍內的城市、河道及雨水的匯流范圍，可將流域劃分為多個匯水分區，并根據河道的最大安全水位計算其流域最大行洪排放能力，確定沿岸各城市開發建設后的最大排水量，即為城市尺度的控制流量，并進一步確定城市排水分區尺度的雨水徑流控制目標，從而構建從源頭到末端的全流程管控體系.在城市-排水分區尺度，以末端排口允許的最大排放流量和徑流污染負荷為主要控制目標，綜合考慮雨季防洪排澇安全等因素，對已建和新建項目進行統籌管理.采用水文評估—方案制定—方案評估—建設后評估—評估后更新的建設途徑，以河道允許的最大行洪能力為邊界條件，確定城市建設區域面積和開發邊界、雨水控制利用設施規模和地塊開發強度等因素.基于流域管理的海綿城市建設應結合場地實際情況統籌考慮流域內水安全、水生態、水環境、水資源等目標，以河道的最大行洪能力和水環境容量為約束條件，以河道為脈，以排水為支，實現年徑流總量控制率、雨水峰值外排量及徑流污染負荷等指標的有效控制，構建源頭、中途、末端全流程的雨水綜合控制利用途徑.具體實施過程中可根據城市定位及開發建設目標，從流域尺度結合用地類型和各管控單元的開發強度合理分配總量控制、峰值控制及徑流污染控制指標，因地制宜地遴選適宜的技術措施，保障流域整體的實施效果.綜上，基于流域管理的海綿城市建設途徑見圖4.可以看出，在流域管理徑流分擔目標約束條件下，城市尺度內海綿城市建設應基于總排口控制目標，從源頭到末端實現雨水徑流的多層級控制.在場地源頭采用透水鋪裝、下凹式綠地等措施，并根據土地利用類型，實現雨水徑流的促滲減排，具體包括滲透補給地下水、雨水徑流污染控制、雨水收集利用等.中途控制以排水管渠、泵站能力提升為主要目標，同時兼顧水質控制需求，采用環保雨水口、旋流沉砂、調蓄池等措施，實現雨水徑流的安全有序傳輸和排放.在末端以水量、水質多目標控制為主，通過雨水塘、雨水濕地、大型調蓄設施等措施，實現整個排水區域的水量和水質綜合控制目標，從而滿足基于流域管理的徑流分擔目標要求.

圖3 流域-城市尺度雨水管理響應關系

圖4 基于流域管理海綿城市建設途徑

2 案例分析

2.1 項目概況

以某開發區域A為例(下文統稱區域A)，通過分析該片區開發建設后對流域水文參數的影響，提出了基于流域管理的海綿城市建設方案.區域A總體地勢為四周高中間低，由東南向西北方向傾斜，如圖5(a)所示，片區內高程在140～570 m.片區位于流域上游位置，內有一條行洪河道.區域A年平均降雨量為665 mm，總用地面積為21.1 km2，用地類型包括商業、居住、公園綠地、生態保護區，如圖5(b)所示，區域A開發后綜合徑流系數為0.30.開發建設區域(商業用地和居住用地)占地面積為4.5 km2，約占區域總面積的18.95%，且處于地勢低點，場地綜合徑流系數為0.55.由于區域A位于流域上游，其土地開發后對下游河道行洪能力和水質將產生較大影響.因此，在土地開發建設過程中從徑流總量、徑流峰值及徑流污染方面對雨水徑流進行有效控制.

圖5 區域A地形圖及用地類型

2.2 海綿城市建設方案

針對區域A場地特點和開發前后水文參數量化評估結果，提出以“蓄、滲”為主，兼顧“凈、用、滯、排”等功能需求的海綿城市建設方案.結合片區內上游山體、建筑與小區、城市道路、綠地與廣場、河流水系等下墊面情況，借助經濟技術分析，優選技術措施及其布局，通過合理布置低影響開發措施，構建源頭減排系統、中途轉輸過程控制系統及末端雨水調蓄排放系統，實現區域A雨水“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿功能，具體方案示意見圖6.依據各功能分區的實際情況，分別制定海綿城市建設途徑，具體如下：

1)商業區，以雨水收集回用為主.通過在商業區等公共建筑附近設置雨水收集、蓄滲設施，將商業區內建筑屋頂、廣場的雨水進行收集回用和蓄滲.

2)居住區，以雨水源頭減排為主.居住區是雨水徑流的主要來源之一，且居住區綠化條件較好，可以通過在居住區構建一整套源頭促滲減排系統，實現雨水的源頭促滲減排.

3)公園區，以雨水凈化調蓄為主.公園區位于河道的兩岸、水庫的下游，該片區的多個雨水管網出口都在公園區里接入末端河道，且公園區地勢低洼.因此，結合中心公園功能需求，設置雨水濕地系統，對雨水進行末端調蓄、凈化及下滲.

4)生態保護區，以水源涵養為主.生態保護區為非建設用地，且位于區域A建設區域的上游，是主要水源涵養區.因此，結合山體、河道等構建魚鱗坑、攔蓄壩等雨水攔截調蓄設施，增加對山體水源的涵養及下滲能力，同時減少下游雨洪壓力.

圖6 區域A海綿城市建設方案

2.3 徑流總量控制

區域A場地面積為21.1 km2，場地開發前下墊面主要為山體及綠地，綜合徑流系數為0.23.而在場地開發后，由于商業區、居住區及公園區的建設，區域硬化面積增加，場地綜合徑流系數變為0.30.根據計算，區域A開發建設前后年雨水徑流總外排量分別為3.227×106和4.209×106m3，場地開發后年雨水徑流外排增加量為9.82×105m3，如圖7所示.

圖7 區域A場地開發前后場地徑流過程線

基于場地徑流總量控制目標，考慮通過海綿城市建設對場地開發后所帶來的徑流增量進行控制.根據開發前的場地條件，以年徑流總量控制率77%作為海綿城市建設目標，對應設計降雨量為22.7 mm.新開發建設區域以目標為導向，通過“源頭、中途、末端”的全流程管控，將各項控制指標落實到各工程項目中，以滿足海綿城市建設目標要求.77%年徑流總量控制率對應的雨水徑流控制容積為5.62×104m3.

2.4 徑流峰值削減及峰值延遲

為保證區域A開發建設對流域水文的干擾最小化，實現區域A場地開發后雨水徑流峰值及總量不大于場地開發前的建設目標，首先采用合理化公式對區域建設后峰值流量進行計算.當地暴雨強度公式為

(1)

式中：q為單位面積峰值流量，L/(s·hm2)；P為設計降雨重現期，a；t為匯流時間，min.

根據開發區域控制性詳細規劃要求，區域A山區排洪河道對應防洪標準為50 a.根據本研究區域場地面積較小、位于山地丘陵地帶的特點，參照加州鐵路局提出的[20]匯流時間計算公式

t=(0.871L3ΔH-1)0.385.

(2)

式中：L為雨水匯流長度，m；ΔH為研究區域場地高差，m.

研究區域場地自然標高在140～570 m，場地高差為430 m.雨水匯流長度約為7 000 m，則根據式(2)有

t=(0.871×7 0003×430-1)0.385=

2 535.8 s=42.26 min.

進而可以計算得到單位面積峰值流量q為

根據合理化公式，進一步計算出研究區域的峰值流量為

Q=φ×F×q.

(3)

式中：Q為峰值流量，m3/s；φ為徑流系數；F為面積，hm2；q為暴雨強度，L/(s·hm2).

經計算，場地開發前峰值流量為160.23 m3/s，開發后峰值流量為208.99 m3/s.為保證區域A的開發建設不會對流域下游造成影響，實現場地開發后50 a峰值流量不大于開發前的建設目標，需建設雨水調蓄設施對降雨形成的峰值徑流量進行控制，調蓄設施容積計算參照《城鎮雨水調蓄工程技術規范》[21]中以下計算公式:

(4)

式中：Qi為調蓄設施上游設計流量(開發后流量)，m3/s；b為暴雨強度公式參數；t為降雨歷時，min;a為脫過系數，取值為調蓄設施場地開發前和開發后流量之比.

經計算區域A所需雨水調蓄設施規模為8.78×104m3.對于本案例，僅靠末端調蓄來落實控制指標，存在項目投資費用高、設施利用率低等問題.因此，在項目建設過程中可將雨水綜合控制指標作為約束條件，將流域管理與海綿城市建設相結合，構建從源頭到末端的全流程管控體系.本區域通過海綿城市建設共形成5.62×104m3的調蓄容積，利用自然山體截洪溝和溝谷攔蓄可形成2.5×104m3的調蓄容積.因此，將流域管理與海綿城市相結合時，只需考慮在河道末端設置規模為6.6×103m3的調蓄容積即可滿足目標要求.對于末端調蓄設施，可優先考慮采用雨水濕地、雨水塘等地表調蓄形式，并可與景觀水體設計結合考慮.

2.5 徑流污染控制

為實現徑流污染控制目標，應綜合考慮河道自凈容量及場地徑流污染排放負荷.根據該項目區域河道自凈能力及污染物擴散能力計算可知，該區域SS凈化容量為101.8 t/a、COD凈化容量為75.6 t/a.

區域A建成區存在過度硬化、污染負荷較高等問題，降雨時污染物隨雨水徑流進入河道，造成了受納水體污染.以SS和COD為例，研究區域A不同下墊面組成及典型降雨條件下污染物平均濃度如表1所示.

表1 區域A建成區不同下墊面污染物平均濃度

根據表1中參數取值，采用雨水徑流年污染負荷評估的方法，計算得到區域A開發建設后不同下墊面年污染負荷，建筑屋面SS排放量為83.9 t/a、COD排放量為64.2 t/a；道路SS排放量為53.7 t/a、COD排放量為36.4 t/a；綠地SS排放量為12 t/a、COD排放量為11 t/a.若保證區域A開發后，排入河道污染負荷不超過其開發前的自凈容量，區域A雨水徑流污染物控制率應達到32%，即SS控制量不低于44.4 t/a、COD控制量不低于32.5 t/a.區域A海綿城市建設中年徑流總量控制率為77%，根據《海綿城市建設技術指南》[22]污染物削減率計算方法，對應污染物削減率約為45%，可滿足區域雨水徑流污染物控制目標.

3 結論與展望

通過量化評估城市化開發建設對流域水文參數的不利影響，提出了基于末端受納水體行洪能力和水環境容量為約束條件的流域尺度海綿城市建設模式，從維持流域水文平衡的角度提出了城市尺度雨水管理規劃設計管控要求，并將流域管理與海綿城市建設相結合，具體實施途徑為：水文評估—方案制定—方案評估—建設后評估—評估后更新.海綿城市建設應以構建流域尺度可持續水文循環過程為根本目標，尊重城市發展規律，保護自然生態系統.在城市尺度應因地制宜、經濟高效地確定海綿城市建設方案，通過源頭減排、過程控制和末端調蓄全流程管控途徑，實現雨水徑流水量、水質的多目標控制.保護和恢復流域可持續水文循環過程，應堅持量質并重，走向精細管理，堅持多元動力，仍需要在今后實踐過程中不斷探索創新.