DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.049

城市绿地系统规划与雨洪管理协同的实现机理

杨帆^{1, 2}，郑伯红¹，陶蕴哲¹，尹芳¹

(1. 中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙，410000；

2. 清华大学 建筑学院，北京，100084)

摘 要：

内涝、水资源短缺等严重生存问题，以海绵城市建设肌体-绿地系统的规划更新方法为基本研究对象，在探究城市暴雨内涝成因的基础上，构建城市绿地规划的雨洪管理体系。运用GIS平台对城市绿地与雨洪管理协同的相关指标进行计算，并梳理城市总体雨洪生态绿量需求、探求斑块绿地雨洪生态拓扑关系、通过绿地蓄水和净化能力等评估进行雨洪数据与地形叠加的城市绿地空间可视模型预演。研究结果表明：在绿地系统规划与城市管网形成有效沟通时，若城市绿地土壤能富集竖向降水，且绿地/斑块产生一定的空间拓扑聚集效应时，可计算出绿地系统雨洪截水量，即绿地系统对城市雨洪的竖向涵养以及对接雨洪管廊的有效排放。这可视为绿地系统规划与雨洪管理双系统协同的基本实现机理。

关键词：

雨洪管理协同；绿地系统规划；生态评估；指标体系；

中图分类号：TU985          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)09-3273-07

Urban green space system planning mechanism based on rain flood collaborative management

YANG Fan^{1, 2}, ZHENG Bohong¹, TAO Yunzhe¹, YIN Fang¹

(1. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410000, China;

2. School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: In order to resolve the serious survival problems of China's urban waterlogging and water shortages, the planning update method of sponge urban construction-green space system was used as the basic research object and the storm water management system of city landscape planning was built after studying the formation cause of the urban rainstorm waterlogging. Meanwhile, GIS platform was used to calculate the relevant indicator of the urban green space and storm water management. Moreover, the visible model rehearsal of urban green space generated by forming superposed landform based on the rainfall data could also be done by several evaluation methods, which included managing the demand of the total amount of rainfall ecological green space in city, the topological relationship of plaque green space and the rain flood ecology, and the water storage and purification ability of green space. The results show that on the premise of forming the effective communication between urban green space planning and urban pipe network superposition, the amount of water intercepted by the green space system can be calculated when the vertical precipitation is gathered by urban greenland soil and the spatial topology aggregation effect of green space/plaque generated. It means the vertical self-restraint of urban rain flood on the green space system and the effective discharge of rain flood through pipe gallery, which can be seen as the dual system coordination mechanism of green space and rain flood management.

Key words: stormwater management synergy; green space system planning; ecological assessment; index system

频发的城市内涝使人们开始探索新的城市建设管理理念——构建“海绵城市-雨洪管理”系统来解决现实问题。海绵城市的工作机制主要体现在城市生态绿地“蓄、渗、滞、净、排”等对地表径流的控制与利用^[1]。随着城市发展速度的加快，建设面积的增加，车辆及外来人口增多产生的城市热岛效应导致城市降水系数骤变^[2]。同时，由于历史发展进程中工业生产对环境不同程度的破坏，城市绿地系统布局不够合理，且缺少生态绿地的有效面积建设带来环境的碳氧失衡等，均引起城市大气中的降雨因子上升，导致降雨系数与雨洪灾害增加^[3]，从统计数据可以看出，国内城市内涝现象普遍比较严重。在各级城市的发展过程中，生态绿地建设缺位，地表铺装过度硬质化，导致地表透水与排水性能几乎丧失。当出现强降雨等极端天气时，城市积水排出困难，地表径流滞留，给城市及人民生命财产安全带来隐患。当前我国城市的建设排水工程建设标准比其他国家的低，其主要内容为对于城市普通地区，重现期最低为0.5 a，最高为3 a。实际上，现在我国各大城市排水系统的重现期都已经超过该标准，尤其是一些工业发展较早的城市及老城区，各种排水设施已经出现各种老化和堵塞问题。除排水系统外，缺乏与城市绿色基础设施的互动也带来城市水环境恶劣及地下水补给不足等问题^[4]。综上可知，排水设施老化、铺装过度硬质化、生态绿地建设量不足是城市雨洪内涝形成的根本原因。

1  基于雨洪管理协同的城市绿地系统规划发展态势

1.1  海绵城市建设下的绿地系统规划

海绵城市理念是指在城市开发过程中，将城市视为一块巨型海绵，具有“水”的自我调节功能^[5]，既可预防内涝和旱灾，又能增加城市雨水的平衡能力。因此，对于“海绵肌体”生态绿地与雨洪管理的协同规划建设是执行此理念的前置问题。城市绿地系统规划是进行生态绿地控制、分配及统筹的法定专项规划，更新发展雨洪管理协同型绿地系统规划是进行海绵城市建设的重要路径之一。

1.2  城市绿地系统规划与雨洪协同的研究进展

根据已公布的统计数据，中国目前的城市化率为55%左右，且正处于城市建设高峰期，在此背景下，越来越多的科研单位开始对城市绿化与城市雨洪管理工程体系进行耦合研究，图1所示^[4-23]为近几年城市绿地系统雨洪管理的相关的研究成果。

图1  城市绿地系统雨洪管理相关研究的发展沿革

Fig. 1  Related research and development in evolution of urban green space system of stormwater management

有效执行城市地表径流管控需要在城市绿地系统规划中增设雨洪控制板块的内容，并进行一系列精细专项设计，包括完善管控架构层次、构建海绵城市绿地规划评价体系、搭建城市绿地系统空间模型指导城市进行LID改造等，引导海绵城市绿地系统规划向“定量型、精确型”发展(表1)。

2  支持城市绿地系统雨洪管理协同实现的关键技术

2.1  制约城市绿地系统对雨洪生态控制的问题

赋予绿地系统雨洪管理协同理念，意味着绿地系统在合理配置各类绿地资源空间、统筹促进城市绿地系统均衡发展的同时应注重提升绿地对城市地表径流的管控效率，发挥绿地系统的综合效应。

目前，已有不少涉及城市绿地蓄滞功能的研究，但与城市雨洪协同仍有一定差距：1) 针对城市绿地系统蓄滞和拦污净化的评估不清晰具体，需要构建海绵生态效益量化评估体系；2) 绿地系统生态空间结构优化对应的绿地形态依据缺失；3) 绿地系统集汇水模型机理及相应的绿地要素数据缺失。

2.2  解决方法及理论依据

2.2.1  绿地系统规划与雨洪管理协同的层次布局策略

传统的城市绿地系统规划思路基本停留在“建筑优先、绿地填空”的滞后状态。而海绵城市体系是站在城市区域整体发展的高度来处理城市雨洪管理问题。针对城市规划区，海绵城市生态绿地系统规划布局可更加全面化、多元化^[24]。

建立海绵城市生态绿地宏观、中观、微观3大综合效益评估视角对应绿地系统雨洪管理体系的总体统筹设计、绿地空间结构、分配指标、城市绿地雨洪管控要素指标等若干内容。

将城市综合径流系数、雨水径流削减量和水质拦截净化作为重要考核因子，建立各层次计量具体考核项目构建分类模数，并结合各层次计量数据得出城市绿地缺口及结构需求。

2.2.2  基于GIS的城市绿地系统雨洪生态空间评估

建设海绵城市的技术关键之一是构建城市的“海绵肌体”绿地生态系统，使其改善并净化地表径流，增加排、蓄水能力。在海绵城市绿地系统开发规划的过程中依托地理信息系统(GIS)技术平台进行3D建模可视化研究，可以看到城市绿地斑廊基的基本形态，并基于此对城市绿地系统雨洪管理进行空间耦合评估，具有科学性和应用性。

此外，不同区域和不同降水量的城市的需求差异极大。在现阶段我国海绵城市建设的规划制定层面更注重政策方针的指导，而相对缺乏控制指导的量化标准和区域设置标准^[25]，可试图通过结合GIS数据库的分析能力并解决现实问题。城市绿地系统规划管控后的地表径流对比见图2，基于GIS的雨洪模型模拟技术流程见图3。

对城市雨洪产生影响的因素众多，包括排水系统的设计与维护、城市径流防洪标准、绿地下渗垫面等因子。基于GIS平台的雨洪模型能结合绿地系统有针对性地进行协同规划处理(表1)。如可将研究目标地区的管廊资料、地质条件和降水情况输入GIS平台，由数据库模拟不同降水条件下排水系统的负荷状态和城市洪涝情况，输出可视化的模拟结果。基于对应空间和数据分配对城市雨洪管理规划改造优化绿地系统，实现两者协同的联动效应。

图2  城市绿地系统规划管控后地表径流对比

Fig. 2  Comparison of surface runoff after urban green space management controlling

3  基于雨洪管理协同的城市绿地系统规划综合数据及工作模拟

3.1  城市总体雨洪生态绿量需求计算

利用GIS平台模拟综合流域尺度的水文、植被、侵蚀和养分动态过程，为大尺度的水文水质模拟提供地理信息^[26]。如在降雨过程中，生态绿地同时存在汇流、下渗、蓄集、蒸发和溢流过程，忽略计算时段内的蒸发量，且计入下沉式绿地的雨水无溢流排放的情况下，存在以下平衡关系：

                (1)

式中：Q为计算时段内生态绿地总入流量，即雨水设计控制容积，m₃；S为计算时段内生态绿地雨水下渗量，m₃；△U为计算时段内生态绿地蓄水量差值，m₃。

生态绿地雨水下渗量S的计算公式为

               (2)

图3  基于GIS的雨洪模型模拟技术流程

Fig. 3  Simulation process of rain flood model based on GIS

表1  城市生态绿地对于地表径流的控制措施

Table 1  Control measures to surface runoff with urban ecological green space

式中：k为土壤稳定入渗速率，m/s；J为水力坡度，垂直下渗时取值为1；F_g为下沉式绿地面积；t为蓄渗计算时间，取降雨历时经验值60 min。

下沉式绿地蓄水量差值△U计算公式为

                (3)

式中：h为下沉式绿地深度，mm。

当土壤稳定入渗系数、下沉式绿地面积、下沉式绿地深度等参数一定时，由式(1)~(3)可以估算出生态绿地控制的设计降雨量，从而确定设计降雨量对应的年径流总量控制率。

3.2  城市斑块绿地生态拓扑关系计算

3.2.1  绿地/斑块类型面积

面积是研究绿地特征的主要参数之一，它直接影响单位面积的生物量、生产力和养分储量以及物种组成和多样性。绿地/斑块类型面积是指绿地斑块大小的构成特征，它反映绿地的动态变化趋势，表明景观的稳定性特征^[27]，其计算公式为

                 (4)

                   (5)

式中：a_m表示斑块m的面积；n为绿地中所有斑块的数目；A为绿地稳定性；T和C分别为整个绿地的总面积、同一绿地类型的所有斑块面积之和，当绿地中只有一种绿地类型时，T=C。

3.2.2  斑块个数N_P

N_P在类型级别上等于绿地中某一斑块类型的斑块总个数，在绿地级别上等于绿地中所有斑块总数，其计算公式为

                 (6)

式中：N_q是绿地类型q中所有斑块的数目，N_P≥1，无上限。斑块数是测算某一绿地类型范围内绿地分离度和破碎度的一项简单指标。

3.3  城市绿地蓄水与净化能力计算

3.3.1  蓄水能力分析

绿地的蓄水能力即土壤饱和贮水量(最大贮水量)，是绿地中土壤的毛管和非毛管孔隙贮水量之和，反映了绿地土壤贮存和调节水分的潜在能力^[28]。其非毛管孔隙可以快速抑制地表径流，对点暴雨的削洪作用比较显著。而非毛管水源还可以沿小透水层由高到低供应湖泊、河流，起着调节流量、稳定水位的作用。毛管水则可以供吸收和蒸发，因此，这部分水量叫涵养水源即有效贮水量。根据下式可以计算绿地实际蓄水量：

             (7)

                 (8)

                 (9)

式中：W为10 cm土层内的实际蓄水高度，mm；H为土层厚度，10 cm；G为土壤容重，g/cm₃；A₀为土壤含水量，%；W₀为10 cm土层内的最大贮水高度，mm；W₁为10 cm土层内的有效贮水高度，mm；V为土壤总空隙，%；V₀为土壤毛管孔隙度，%。

城市绿地通过蓄渗雨水能有效减少暴雨条件下的地表径流。假设降雨开始时绿地土壤贮水饱和，则土壤的稳渗率在减少地表径流中起决定作用，根据下列公式能计算出一定面积、一定稳渗率的土壤蓄渗率 (指区域内绿地对区域内所有径流的蓄水渗透能力和下渗量)：

           (10)

                (11)

式中：N为蓄渗率，%；X为蓄水量，即绿地下凹深度内的蓄水体积，m₃；I为下渗量，m₃；P为降雨量，mm；F₁为非绿地面积，m²；F₂为绿地面积，m²；C_n为非绿地区域综合径流系数，取0.9；PF₁C_n+PF₂为相对绿地汇水而言城市建成区总径流量，m₃；K为土壤稳渗率，mm/min。

3.3.2  净化能力分析

按污染负荷概念，某污染物的径流污染负荷L_i可用地表径流量与该污染物质量浓度的乘积来表示。由于地表径流测试过程一般很难进行连续监测，所以也可近似表示为

            (12)

式中：为第i场降雨第j时间段所测的污染物质量浓度，mg/L；V_j,i为第i场降雨第j时间段中的径流体积，m³；n为第i场降雨时间分段数。

1 a中的多场降雨的污染负荷之和为年污染负荷，即

                 (13)

式中：L_y为年污染负荷。

由于在任意一场降水引起的地表径流过程中，降雨强度随机变化，污染物质量浓度随时间波动剧烈(呈数量级的变化)。所以，污染物浓度可用“径流平均质量浓度”概念进行分析^[29]。C_EMC的定义为：任意一场降雨引起的径流中释放的某污染物M(质量)与总径流C(体积)的比，在实际应用中一般会近似估算。因此，一场降雨径流污染物质量的负荷可由C_EMC与总径流量的积表示。1 a中多场降雨污染负荷之和即为年污染负荷：

               (14)

式中：V_i为第i场降雨的地表径流量，m³；为第i场降雨的EMC质量浓度，mg/L。

只要知道1 a中各场降雨所引起的地表径流污染物的平均质量浓度和各场降雨的径流体积，即可求得年污染负荷。1 a中第i场降雨所引起的地表径流量和降雨量的关系可用表示为

         (15)

式中：V_i为第i场降雨的地表径流量，m³；ψ_i为第i场降雨的地表径流系数；O_i为第i场降雨的集雨面积，m²；t_i为第i场降雨实验计算时间，s；r_i为第i场降雨t时刻的降雨强度，mm/s；P_i为第i场降雨的降雨量，mm。

3.4  雨洪数据与绿地GIS模型的集成演化处理技术

利用SWMM计算模型的处理分析，模拟集汇水区及其滞蓄传输方式，将前述数据分析对象划分为2类，即以绿地汇水区和排水设施为代表的实体信息分析与降水条件、渗透率等非实体信息处理。结合CAD软件的矢量信息，将信息转化后储存于GIS平台中。对信息数据进行整理和设置后，基于次级开发的SWMM计算，分析研究场地绿地系统雨洪管理的运行状况评估(图4)。借助GIS信息管理与空间分析能力，直观获得不同条件下城市雨洪的管理效率。在检验基于绿地规划与雨洪管理积极协同且城市管网有效作用时，城市绿地/斑块在空间的斑块聚集效率与绿地土壤竖向处理含水量呈正比关系，证明了双系统协同的科学性与实际应用性。

图4 基于GIS平台的综合数据与模型集成处理模拟

Fig. 4  Integrated data processing and simulation model integration based on GIS platform

4  结论

1) 通过矛盾主成分分析法和关键问题的梳理，建立了基于GIS的雨洪模型模拟的一般技术流程。

2) 基于数据分析与实践模拟结合的思路，构建量化雨洪管理与绿地系统耦合关系的实现途径。明确总体雨洪生态绿量需求、斑块绿地生态拓扑关系、城市绿地蓄水与净化能力作为雨洪管理与绿地系统协同的6项计算指标。

3) 检验城市绿地系统规划与雨洪管理协同下的防洪减灾功能，结合DEM数字模型，当城市绿地规划与城市管网叠加能形成有效沟通，城市绿地的土壤竖向处理含水量和绿地/斑块在空间的斑块聚集效应均达某一适当比例时，绿地系统便能够进行雨水竖向涵养与雨洪的有效排放。在此种情况下，可以实现城市绿地规划与雨洪管理的协同。

4) 在后续研究中还需要不断深入开展关于叠加地形和管网的城市绿地集排水与传输净化调控要素分析，探究满足实际径流调控需求的城市绿地实验数据。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-09-18；修回日期：2015-11-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51478470) (Project(51478470) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：杨帆，博士(后)，从事海绵城市建设的城市绿地系统生态功能研究；E-mail: yangfancsu@163.com

摘要：为应对中国城市内涝、水资源短缺等严重生存问题，以海绵城市建设肌体-绿地系统的规划更新方法为基本研究对象，在探究城市暴雨内涝成因的基础上，构建城市绿地规划的雨洪管理体系。运用GIS平台对城市绿地与雨洪管理协同的相关指标进行计算，并梳理城市总体雨洪生态绿量需求、探求斑块绿地雨洪生态拓扑关系、通过绿地蓄水和净化能力等评估进行雨洪数据与地形叠加的城市绿地空间可视模型预演。研究结果表明：在绿地系统规划与城市管网形成有效沟通时，若城市绿地土壤能富集竖向降水，且绿地/斑块产生一定的空间拓扑聚集效应时，可计算出绿地系统雨洪截水量，即绿地系统对城市雨洪的竖向涵养以及对接雨洪管廊的有效排放。这可视为绿地系统规划与雨洪管理双系统协同的基本实现机理。