海綿城市規(guī)劃方法與技術(shù)的相關(guān)探討

(太原市水利科學(xué)研究所，山西 太原 030002)

1 概 述

海綿城市的建立可以有效防止城鎮(zhèn)化進(jìn)程中所出現(xiàn)的資源環(huán)境過度耗竭、環(huán)境污染嚴(yán)重和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題，當(dāng)前海綿城市的概念模式已經(jīng)在國外許多城市得到成功運(yùn)用，如美國的綠色建筑、澳大利亞的水敏感城市、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)、荷蘭的水廣場、新加坡的活躍美麗潔凈水項(xiàng)目、日本的雨水儲(chǔ)留滲透計(jì)劃等。我國的海綿城市建設(shè)理論與實(shí)踐方面都略顯滯后與薄弱，當(dāng)前主要停留在借鑒和引用國外模式階段。本文主要探討了海綿城市規(guī)劃的技術(shù)方法及在太原市城區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用情況。

2 海綿城市規(guī)劃方法與技術(shù)

2.1 城市雨洪模擬技術(shù)

雨洪模擬技術(shù)是進(jìn)行海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，也是城市水文規(guī)劃領(lǐng)域的難點(diǎn)問題之一，城市地表情況錯(cuò)綜復(fù)雜，產(chǎn)匯流過程更是復(fù)雜多樣，結(jié)合HIMS分布式模擬系統(tǒng)便可建立包括地表產(chǎn)流、坡面匯流、管網(wǎng)匯流、地表三維水動(dòng)力匯流等模塊在內(nèi)的城市雨洪模型，詳見下圖。

基于HIMS分布式模擬系統(tǒng)的城市雨洪模型圖

下圖中的城市雨洪模型基于城市自然產(chǎn)匯流特征，結(jié)合城市雨洪設(shè)計(jì)需求與用地類型，以最小計(jì)算單元為單位進(jìn)行不同用地類型城市產(chǎn)流方式、坡面、管道、河道及道路等的匯流過程，可以作為海綿城市規(guī)劃的基本模型工具，該模型包括以下幾方面內(nèi)容。

a.確定計(jì)算單元和不同類型匯流拓?fù)潢P(guān)系。城市下墊面情況異常復(fù)雜，所以傳統(tǒng)模型中單位的劃分方式并不適用于城市，本文基于自然水系分區(qū)結(jié)合管網(wǎng)排水分區(qū)的方式進(jìn)行計(jì)算單元的劃分，再具體到各種類型的產(chǎn)匯流單元。通過GIS和CAD軟件進(jìn)行DEM、影像數(shù)據(jù)和管網(wǎng)布設(shè)數(shù)據(jù)等的分析與量化計(jì)算，進(jìn)而準(zhǔn)確劃分計(jì)算單元。步驟如下：先結(jié)合項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)匯流自然特征，利用高精度DEM數(shù)據(jù)獲取自然水系，并依據(jù)行政區(qū)劃和斷面控制情況進(jìn)行城市河湖水系匯水單元的初步劃分；在此基礎(chǔ)上根據(jù)城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃情況、用地類型和整體規(guī)劃情況，進(jìn)行排水區(qū)劃分；在所劃分的排水區(qū)，建立道路(或管網(wǎng))邊界，并根據(jù)排水口位置、道路規(guī)劃布局、用地類型和高精度DEM影像等，準(zhǔn)確劃分盛水產(chǎn)匯流計(jì)算單元。

b.城市用地類型產(chǎn)匯流和產(chǎn)污過程的模擬?；谏鲜龀鞘杏旰槟Ｐ?，對城市人工降雨進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)并結(jié)合小流域暴雨徑流經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了降水-入滲公式，該公式根據(jù)城市用地類型分別計(jì)算不同地域范圍的產(chǎn)匯流量，最終加總求和得到某一計(jì)算單元內(nèi)的產(chǎn)匯流總量，適用范圍廣泛。公式如下：

(1)

式中Q——城市地塊類型徑流總量,m3/s；

Yi——城市第i種用地類型產(chǎn)流量,mm；

fi——城市第i中用地類型入滲量,mm；

Ai——根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況所劃分的城市第i種用地類型的占地面積,km2；

P——降水量,mm；

E——蒸散發(fā)量,mm；

t——研究時(shí)間,s；

Ri和ri——城市第i種用地類型的下滲系數(shù)。

地面污染物的變動(dòng)呈指數(shù)變動(dòng)趨勢，則根據(jù)類似研究成果所得產(chǎn)污系數(shù)測算產(chǎn)污量，公式如下:

(2)

式中W——地面污染物面源輸出總量,t/s；

B——地面污染物面源輸出累積量,t/s；

Ci——第i種用地類型地面污染物濃度,mg/L；

M1——最大累積量,[t/(s·km2)]；

M2——累計(jì)速率。

c.產(chǎn)匯流耦合與模擬。城市自然產(chǎn)匯流特征受到建筑物攔蓄、管網(wǎng)收集等因素的影響，匯流類型可分為坡面匯流、管網(wǎng)匯流、河道水系匯流和道路排水匯流等。其中坡面匯流是對不同城市用地類型產(chǎn)匯流移至雨水口過程的模擬，管網(wǎng)匯流是對雨水口所收納的雨水在管網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)性運(yùn)行并最終流入排洪防澇設(shè)施全過程的模擬，河道水系匯流是對于排水管道所排雨水和河道來水等疊加演進(jìn)過程的模擬，道路排水匯流是對超過現(xiàn)有城市排水管道排水能力的雨水沿管道運(yùn)移并最終流入低洼水系過程的模擬。根據(jù)上述不同類型的模擬過程和對匯排水區(qū)及產(chǎn)匯流計(jì)算單元的劃分，結(jié)合城市管網(wǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，便可進(jìn)行不同類型區(qū)域地表與管網(wǎng)水力系數(shù)的量化計(jì)算，并確定城市雨洪模型的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

城市不同類型計(jì)算單元徑流轉(zhuǎn)化的過程形成地表坡面匯流，地形平坦的城市匯流主要由屋面、道路、場院等表面、排水管道等匯集而成，鑒于此，可以將不穩(wěn)定坡面匯流連續(xù)方程加以簡化：

(3)

(4)

(5)

式中qm——坡面單寬流量,m2/s；

L2——匯水坡面長度均值,km；

F——流域面積,km2；

I2——坡面坡度均值；

Qm——斷面洪峰流量,m3/s；

A2——坡面流量流失系數(shù)；

V2——匯流流速,m/s；

τ——時(shí)間,s。

排水管網(wǎng)中的徑流流態(tài)近似于明渠均勻流，可以按照曼寧公式連續(xù)方程所構(gòu)成的非恒定流方程加以計(jì)算：

(6)

式中Q——排水管道流量,m3/s；

v——流速,m/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e,m2；

H——水頭,m；

Sf——摩擦坡度；

x——流動(dòng)距離,m。

可以考慮采用三維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行道路產(chǎn)匯流模型的模擬，既能將海綿城市建設(shè)過程中所可能出現(xiàn)的緩流、急流、混合流、間斷流等復(fù)雜的流態(tài)問題充分考慮在模型中，也符合河道產(chǎn)匯模擬所采用的馬斯京根等方法，而運(yùn)用一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行海綿城市建設(shè)過程中對管網(wǎng)、道路、河段等概化及各個(gè)計(jì)算單元的劃分與模擬。

2.2 LID措施優(yōu)化技術(shù)

將海綿城市開發(fā)建設(shè)過程中源頭削減、中途調(diào)蓄、末端處理等集滲、滯、蓄、凈、排等多種技術(shù)于一體，通過構(gòu)建城市水資源良性循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徑流雨水充分滲透、調(diào)蓄、凈化、多次利用，并維持、恢復(fù)和實(shí)現(xiàn)城市“海綿”功能及良性循環(huán)的措施統(tǒng)稱為LID措施，具體而言，該措施優(yōu)化技術(shù)包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、滲透井、雨水濕地、蓄水池、植草溝、雨水棄流設(shè)施、人工土壤雨水管、滲灌等。海綿城市規(guī)劃的LID措施其主要目的是借助地表產(chǎn)流量的降低，控制年徑流量，進(jìn)而控制不同降水情況下城市不同地塊類型的流量，可以將海綿城市規(guī)劃的LID措施目標(biāo)函數(shù)表示為：

minfobj(c1,c2,…,cj,…cn) (j≤n)

(7)

式中fobj——海綿城市規(guī)劃的LID措施目標(biāo)函數(shù)，是城市不同類型地塊c的加權(quán)和或乘積；

cj——第j個(gè)地塊徑流系數(shù)；

n——總地塊數(shù)。

上述目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：

其中Area——城市不同類型地塊的面積,km2；

Area下沉式綠地——下沉式綠地面積，面積,km2；

Area透水鋪裝——透水鋪裝面積,km2；

Area綠色屋頂——綠色屋頂面積,km2；

Area綠地——綠地面積,km2；

Area不透水路面——不透水路面面積,km2；

Area屋頂——屋頂面積,km2；

η綠地——綠地，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值；

η不透水路面——不透水路面，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值；

η屋頂——屋頂，分別采用LID措施的面積占總面積的閾值。

構(gòu)建起目標(biāo)函數(shù)和約束條件后通常采用包括隨機(jī)優(yōu)選、遺傳算法和粒子群算法等在內(nèi)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法進(jìn)行求解。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 區(qū)域概況

太原市是山西省省會(huì)城市，是我國優(yōu)秀旅游城市、國家歷史文化古城、園林城市，太原市包括六個(gè)市轄區(qū)、三個(gè)縣和一個(gè)縣級(jí)市，整個(gè)城市位于山西省中北部的太原盆地。屬于北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱且降水豐富，冬季寒冷干燥，年氣溫均值在9.5℃左右，無霜期為200天左右，年降水量均值為450mm，地形復(fù)雜多樣，海拔高度差異較大，晝夜溫差大。太原城區(qū)排水系統(tǒng)主要包括地下管網(wǎng)、護(hù)城河水系、污水處理廠等部分，城區(qū)范圍內(nèi)排水管道長度約600km，按照雨污分流原則設(shè)計(jì)，排水設(shè)備涉及范圍共48km2左右，當(dāng)前，城區(qū)范圍內(nèi)已有的雨污水管網(wǎng)設(shè)施已經(jīng)陳舊，無法滿足城市雨污水排放的要求，再加上城市的快速發(fā)展，城區(qū)面積不斷拓展，極端天氣導(dǎo)致暴雨事件頻發(fā)等都增加了城市防洪排澇壓力。

2015年10月，太原市規(guī)劃網(wǎng)站公示《太原市排水防澇設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，指出：太原市著力構(gòu)建海綿城市，通過制定并執(zhí)行內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，提高城市雨污管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，確保城市涵水與自潔能力大力提升，新建并完成雨污分流計(jì)劃，力爭到2020年成功入圍全國“海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市”。

3.2 城市年徑流控制率計(jì)算與徑流模擬

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》的相關(guān)規(guī)定，太原市年徑流位于控制Ⅲ區(qū)，控制率在75%～85%范圍內(nèi)，結(jié)合太原市氣象站近年來的降水量資料，可以確定城區(qū)內(nèi)徑流控制率為78%，對應(yīng)的3小時(shí)降水量為21mm，最大降水強(qiáng)度為0.98mm/min。根據(jù)太原市用地類型規(guī)劃和LID措施的設(shè)計(jì)原則，將太原市城區(qū)劃分為水系、平屋頂、坡屋頂、敞開區(qū)、集中式綠地及小區(qū)綠地等6種地類型、9個(gè)計(jì)算單元和200個(gè)具體的計(jì)算單元?！督ㄖc小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》所提供的徑流系數(shù)參數(shù)取值詳見下表。

徑流系數(shù)參數(shù)取值

雨量徑流系數(shù)受降雨時(shí)間及強(qiáng)度影響較大，為確保結(jié)論的科學(xué)性與合理性，應(yīng)采用與總量控制有關(guān)的流量徑流系數(shù)。

LID措施優(yōu)化模型參數(shù)主要有匯水區(qū)、管段、節(jié)點(diǎn)和低影響設(shè)施等，其中降雨、設(shè)計(jì)圖、滲透性能等均取實(shí)測數(shù)據(jù)；匯水區(qū)域面積、坡度、透水性能、管道尺寸、節(jié)點(diǎn)等參數(shù)均取自項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，其他參數(shù)依據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》而定。結(jié)合參數(shù)取值并利用城市雨洪模型(1)進(jìn)行降水條件下不同用地類型徑流過程及水文效應(yīng)模擬，根據(jù)連續(xù)模擬結(jié)果，太原市3年內(nèi)徑流總量控制率在70%以內(nèi)，3年雨量徑流系數(shù)平均值為0.29，完全符合低影響開發(fā)示范城市年徑流總量控制率目標(biāo)的要求。

3.3 LID措施的優(yōu)化

在進(jìn)行海綿城市降雨水文過程分析及雨洪管理措施分析的基礎(chǔ)上，太原市必須根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，選擇恰當(dāng)?shù)恼嫉爻叨纫约熬哂行钏δ芎途坝^效果的雨洪管理措施。太原市海綿城市的構(gòu)建采取LID滲和滯為主，蓄為輔的措施，通過下沉式綠地、綠色屋頂和滲透鋪裝等工程措施進(jìn)行產(chǎn)流量的消納，并輔之以蓄水池?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》對雨水系統(tǒng)開發(fā)措施影響污染物去除率的指標(biāo)范圍作出了明確規(guī)定：下沉式綠地削減徑流量為150～300mm，透水鋪裝削減徑流量為30mm，綠色屋頂削減量為14mm。為了保證太原市20mm降水量條件下的年徑流總量控制率指標(biāo)，LID措施實(shí)施后對于年徑流量的控制率為68%～78%，基本達(dá)到海綿城市建設(shè)的年徑流控制目標(biāo)，模型分析的有效范圍為太原市城區(qū)面積的90%。

4 結(jié) 論

海綿城市的創(chuàng)建理念是對傳統(tǒng)的城市雨水處理模式的創(chuàng)新，基于雨水對城市自然水系和地下水的補(bǔ)充與涵養(yǎng)作用的考慮，進(jìn)行充分的雨水蓄存及循環(huán)利用。文章考慮到城市地表情況錯(cuò)綜復(fù)雜，產(chǎn)匯流過程更是復(fù)雜多樣等客觀情況，結(jié)合HIMS分布式模擬系統(tǒng)建立起包括地表產(chǎn)流、坡面匯流、管網(wǎng)匯流、地表三維水動(dòng)力匯流等模塊在內(nèi)的城市雨洪模型，并以太原市為例，進(jìn)行其城市低影響開發(fā)模式下海綿城市的創(chuàng)建設(shè)計(jì)與探討?？傊＞d城市的創(chuàng)建是一項(xiàng)系統(tǒng)性、綜合性、歷史性工程，有利于徹底解決城市發(fā)展與水資源開發(fā)利用之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)水資源長期可持續(xù)發(fā)展。