基于GIS和LID的雨水集蓄技術(shù)研究
——以山東省濱河小鎮(zhèn)營(yíng)丘鎮(zhèn)為例

王浩程, 王 琳, 衛(wèi)寶立

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266100; 2.青島市勘察測(cè)繪研究院, 山東 青島266011)

近年來(lái)，我國(guó)城市化水平和國(guó)民經(jīng)濟(jì)呈高速發(fā)展趨勢(shì)[1]，但在城市規(guī)劃過(guò)程中，規(guī)劃人員仍依賴于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，居住區(qū)、街道、廣場(chǎng)等建筑用地大多采用水泥、瀝青等不透水材料，嚴(yán)重破壞了地表物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)[2]。不透水面面積的增加，大幅度削減了地表徑流停留時(shí)間，降低了地下水位，改變了環(huán)境原有水文循環(huán)過(guò)程，給雨洪調(diào)蓄造成很大壓力，并進(jìn)而導(dǎo)致水資源短缺和城市洪澇災(zāi)害問(wèn)題[3-6]。傳統(tǒng)的雨水管理方法以“排”作為應(yīng)對(duì)暴雨的指導(dǎo)思想[7]，致使城市排水管網(wǎng)不堪重負(fù)的同時(shí)，也造成雨水資源極大浪費(fèi)。因此，2013年，習(xí)近平總書(shū)記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中提出：“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來(lái)，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的理論。借鑒美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家的雨洪管理技術(shù)，如(低影響開(kāi)發(fā))LID[8]、(英國(guó)可持續(xù)排水系統(tǒng))SUDS[9]、(澳大利亞水敏感性城市設(shè)計(jì))WSUD[10]等研究，國(guó)內(nèi)也由此進(jìn)行了大量研究與應(yīng)用。截止目前，我國(guó)現(xiàn)有雨水資源化利用方案的實(shí)踐，大多是集中在對(duì)城市綠地、街道和居住區(qū)等方面的研究，以工程設(shè)施探討為主[7，11-12]，缺乏以雨洪和景觀綜合效應(yīng)為目的的宏觀尺度雨洪管理規(guī)劃[7]，針對(duì)鎮(zhèn)域、鎮(zhèn)區(qū)的研究則更少。本文選擇山東省濰坊市營(yíng)丘鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)為研究對(duì)象，基于海綿城市理論，運(yùn)用GIS技術(shù)，將低影響開(kāi)發(fā)工程技術(shù)與景觀生態(tài)相結(jié)合，旨在解決山前沖洪積平原濱河中小型鎮(zhèn)區(qū)洪澇頻發(fā)、排水不暢、雨水資源利用不充分等問(wèn)題，為雨水集蓄設(shè)施在中小型鎮(zhèn)區(qū)的合理規(guī)劃和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

營(yíng)丘鎮(zhèn)由濰坊市昌樂(lè)縣管轄，鎮(zhèn)區(qū)位于鎮(zhèn)域中部偏西，由馬宋水庫(kù)、唐家老莊、河西、南崔、寺后5個(gè)村組成。經(jīng)預(yù)測(cè)，至2020年?duì)I丘鎮(zhèn)區(qū)人口規(guī)模為2萬(wàn)人，用地規(guī)模為266.44 hm2。鎮(zhèn)區(qū)雨水以排河為主，鎮(zhèn)區(qū)以北的雨水收集后排到洪福河，鎮(zhèn)區(qū)南部雨水以地表徑流形式就近排入溝渠，汛期不能及時(shí)排水，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害。鎮(zhèn)區(qū)居住用地面積大且多以平房為主，路面多以瀝青、混凝土鋪裝，土地硬化程度極高，公共綠地僅占8.06 hm2。隨著鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，土地硬化及屋頂?shù)炔煌杆娣e增加，極大改變了環(huán)境原有的水文循環(huán)過(guò)程，潛水含水層水量減少，地下水位降低，徑流雨量增大，徑流時(shí)間縮短，峰型陡峻，致使大量雨水流失，地面徑流污染及城鎮(zhèn)洪澇現(xiàn)象頻發(fā)，增大了雨污合流排水管網(wǎng)的排水壓力。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與研究方法

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于遙感、規(guī)劃和統(tǒng)計(jì)三大類(lèi)，包括2014年Landsat-TM影像，分辨率30 m；高程模型DEM 30 m數(shù)據(jù)；研究區(qū)營(yíng)丘鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀圖(濰坊市昌樂(lè)縣國(guó)土資源局提供)等地理信息數(shù)據(jù)；《鄉(xiāng)鎮(zhèn)大事記》及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)。同時(shí)還包括《營(yíng)丘鎮(zhèn)總體規(guī)劃(2014—2030年)》、《昌樂(lè)縣統(tǒng)計(jì)年鑒》、《營(yíng)丘鎮(zhèn)志》、《鎮(zhèn)政府工作報(bào)告》等數(shù)據(jù)資料和社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料。其中Landsat遙感影像用于土地利用分類(lèi)，因獲得的數(shù)據(jù)類(lèi)型不同，使用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)投影信息丟失或無(wú)法匹配的問(wèn)題，需要通過(guò)GIS軟件對(duì)取得的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行校準(zhǔn)、投影變換和矢量處理，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一投影坐標(biāo)下的shapefile格式類(lèi)型。處理軟件包括ArcGIS 10.3，ENVI 5.1。本研究利用DEM數(shù)字高程模型基于“八向法”(D8算法)，運(yùn)用GIS提取水文要素信息，完成對(duì)匯水區(qū)邊界的劃分[13]；利用研究區(qū)2014年分辨率為30 m的Landsat-TM影像解譯土地利用現(xiàn)狀類(lèi)型[14]；利用雨量徑流公式計(jì)算研究區(qū)調(diào)蓄庫(kù)容[15]；利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS繪制鎮(zhèn)區(qū)地形等高線圖；綜合利用GIS和LID技術(shù)進(jìn)行雨洪水集蓄和利用設(shè)施的布局；利用研究區(qū)所選擇的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算雨水集蓄設(shè)施的總雨水調(diào)蓄量；利用水文敏感指數(shù)計(jì)算公式，確定各匯水區(qū)建設(shè)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的優(yōu)先實(shí)施順序[16]。

2 技術(shù)研究方案選取與步驟

按照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》的指導(dǎo)方針，以生態(tài)優(yōu)先、可操作性、創(chuàng)新性為原則，參考相關(guān)文獻(xiàn)[6-7，17-18]，進(jìn)行了鎮(zhèn)區(qū)的雨水收集利用技術(shù)方案的選取與規(guī)劃。

2.1 匯水區(qū)劃分

匯水區(qū)是指收集水資源的自然流域或人為集水的封閉區(qū)域，匯水區(qū)劃分是進(jìn)行規(guī)劃過(guò)程中水文模型計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。借助于數(shù)字高程模型(DEM)，運(yùn)用GIS提取水文相關(guān)信息進(jìn)行匯水區(qū)劃分。運(yùn)用GIS工具中水文分析模型處理營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)遙感影像圖和DEM高程圖，經(jīng)反復(fù)調(diào)試選用合適閾值，共得到25個(gè)鎮(zhèn)區(qū)匯水區(qū)(如圖1所示)。

圖1 營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)匯水區(qū)劃分

2.2 用地類(lèi)型提取

為方便后續(xù)雨水徑流量和雨水調(diào)蓄容量等指標(biāo)的計(jì)算，借助ENVI軟件對(duì)其Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用類(lèi)型提取[14]，得到營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)林地、居住區(qū)建筑用地、耕地、水體、綠地、道路和空地7種土地利用類(lèi)型，根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[15]和相關(guān)研究[2]確定各匯水區(qū)中用地類(lèi)型及面積，結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)土地利用類(lèi)型分布

2.3 研究區(qū)不同地塊的徑流調(diào)蓄能力計(jì)算

海綿城市低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要以徑流總量為控制目標(biāo)，而徑流控制總量的多少對(duì)應(yīng)的是所設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積的大小。本研究根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[15]選擇容積法進(jìn)行調(diào)蓄容積計(jì)算，公式為：

V=10×ψ·H·F

式中：V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積(m3)；ψ——綜合雨量徑流系數(shù)，參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50014)》；H——設(shè)計(jì)降雨量；F——匯水面積(hm2)。

其中研究區(qū)設(shè)計(jì)降雨量，通過(guò)多年日降雨量資料統(tǒng)計(jì)獲取，通常用日降雨量(mm)表示。不同城市、不同的年徑流總量控制率，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量不同。同時(shí)，年徑流總量控制率的選擇一方面需要考慮區(qū)域內(nèi)綠化、水系等生態(tài)性用地與其他開(kāi)發(fā)用地的比例、地形地貌；另外還需考慮當(dāng)?shù)厮w的環(huán)境目標(biāo)、水資源現(xiàn)狀、降雨規(guī)律、開(kāi)發(fā)強(qiáng)度等因素，對(duì)于單個(gè)地塊或建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，還需結(jié)合研究區(qū)建筑密度、綠地率及土地利用布局等因素[15-19]。本研究區(qū)參考濰坊市年徑流總量控制率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，以此計(jì)算設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)不同用地類(lèi)型面積、徑流系數(shù)及雨水調(diào)蓄容積

2.4 集蓄利用設(shè)施布局與LID技術(shù)方案

低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)體系由雨水凈化、雨水滲透和雨水蓄集利用3部分構(gòu)成。本研究結(jié)合匯水區(qū)地勢(shì)、高程等地形條件及研究區(qū)的整體現(xiàn)狀規(guī)劃，在滿足實(shí)際調(diào)蓄容積不小于設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積的前提下，對(duì)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)，生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的種類(lèi)、組合、布局進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雨水資源有效收集利用。從圖2和表2可以看出，營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)居住區(qū)建筑用地作為主要用地類(lèi)型，集中分布在鎮(zhèn)區(qū)中南部，占鎮(zhèn)區(qū)總面積的31.50%；西北和東南部分布少量林地和綠地；耕地主要分布在鎮(zhèn)區(qū)北部和西南部；鎮(zhèn)區(qū)中空地面積較大，占鎮(zhèn)區(qū)總面積28.96%，主要分布在鎮(zhèn)區(qū)北部和東南部。從圖3可看出鎮(zhèn)區(qū)地勢(shì)整體上東高西低，南高北低。

2.4.1 雨水集蓄利用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)布局技術(shù)方案 雨水收集設(shè)施的布置選址可按以下原則：靠近鎮(zhèn)區(qū)建筑用地，便于收集建筑用地徑流；靠近地勢(shì)低洼區(qū)方便雨水匯集；周?chē)鞋F(xiàn)狀溝渠。同時(shí)，營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)北部大部分為空地，在此地進(jìn)行雨水收集設(shè)施建設(shè)不會(huì)破壞周邊環(huán)境用地類(lèi)型，反而可以提升景觀效果，大大減緩鎮(zhèn)區(qū)徑流總量。因此，營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)北部建設(shè)雨水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，滿足排水防澇，雨水收集利用以及美化環(huán)境景觀的要求?？紤]鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政支出有限，雨水集蓄利用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)宜結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，同時(shí)參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[15]中各技術(shù)措施的特點(diǎn)及其適用范圍，確定不同土地類(lèi)型的雨洪水集蓄利用設(shè)施建設(shè)布局技術(shù)方案。鎮(zhèn)區(qū)針對(duì)雨水采取的低影響開(kāi)發(fā)措施主要有雨水濕地、濕塘、透水鋪裝、植草溝和簡(jiǎn)易生物滯留池。其中，濕塘、雨水濕地具有儲(chǔ)存降水的功能，有效削減鎮(zhèn)區(qū)徑流總量及最大徑流量，減緩鄉(xiāng)鎮(zhèn)排水壓力，同時(shí)提升景觀效果，因此在鎮(zhèn)區(qū)廣場(chǎng)和公園設(shè)計(jì)雨水濕地和濕塘；植草溝和簡(jiǎn)易生物滯留池用于對(duì)道路雨水徑流的蓄集、處理，最終匯入濕塘；停車(chē)場(chǎng)、居住區(qū)、廣場(chǎng)路面進(jìn)行透水鋪裝。

圖3 營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)等高線圖

2.4.2 LID技術(shù)方案選擇 本研究區(qū)的雨水利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“透水鋪裝+下凹式綠地+植草溝、簡(jiǎn)易生物滯留池+濕塘、雨水濕地”的雨水綜合蓄集利用系統(tǒng)，綜合方案如圖4所示。鎮(zhèn)區(qū)屋頂徑流和路面徑流混合，一部分通過(guò)透水鋪裝完成下滲，另一部分通過(guò)下沉式綠地，流入植草溝和簡(jiǎn)易生物滯留設(shè)施，最終匯入濕塘；為優(yōu)化鎮(zhèn)區(qū)景觀，在鎮(zhèn)區(qū)廣場(chǎng)、公園設(shè)計(jì)雨水濕地和濕塘，調(diào)蓄凈化后的水資源用來(lái)補(bǔ)充景觀水體。同時(shí)，濕塘和雨水濕地還應(yīng)增設(shè)溢流裝置，過(guò)量的雨水可沿溝渠排入河流。綜上所述營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)擬采用的技術(shù)選擇為：鎮(zhèn)區(qū)北部和西部的部分居住區(qū)道路、停車(chē)場(chǎng)、廣場(chǎng)路面改造為透水性鋪裝；鎮(zhèn)區(qū)中原有綠地、部分空地改造為下沉式綠地和雨水花園；靠近水域的廣場(chǎng)公園、濕地公園、部分靠水林地和原有水域周邊改造或新建雨水花園、雨水濕地和濕塘；鎮(zhèn)區(qū)居住區(qū)、綠地廣場(chǎng)、和部分空地增設(shè)蓄水池或雨水罐，沿道路至濕塘建設(shè)滲管/渠。選擇的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)措施所對(duì)應(yīng)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)和雨水調(diào)蓄量見(jiàn)表2，布局圖見(jiàn)圖5。從表2可以看出，LID措施實(shí)施后，研究區(qū)綜合設(shè)施的實(shí)際雨水調(diào)蓄能力為24 582.53 m3大于不同用地類(lèi)型的原設(shè)計(jì)雨水調(diào)蓄能力。

圖4 雨水利用綜合方案示意圖

圖5 雨水收集利用系統(tǒng)布局

表2 營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)參數(shù)與雨水調(diào)蓄量

2.5 低影響開(kāi)發(fā)實(shí)施的優(yōu)先時(shí)序

不同用地類(lèi)型、不同種類(lèi)的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)措施對(duì)徑流雨水的控制效果會(huì)有顯著差異。本研究通過(guò)引入水文敏感指數(shù) ，以確定各匯水區(qū)建設(shè)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的優(yōu)先實(shí)施順序[16]。水文敏感指數(shù)是指該匯水區(qū)易于產(chǎn)生徑流的能力，其計(jì)算公式為：

λ=ln(α·L·tanβ·ψ)-ln(Ks·DISA)

DISA=D-D·ISA

式中：α——各匯水區(qū)面積與周長(zhǎng)比；L——各匯水區(qū)徑流寬度；β——徑流坡度角；ψ——各匯水區(qū)平均徑流系數(shù)；KS——土層導(dǎo)水率；D——土層厚度，DISA——土層深度； ISA——不透水面比例。

通過(guò)公式得知，λ值越大，越易產(chǎn)生徑流，所在匯水區(qū)的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施建設(shè)越宜優(yōu)先進(jìn)行。因此，匯水區(qū)的面積與周長(zhǎng)比、匯水區(qū)不透水面比例、匯水區(qū)徑流寬度、徑流坡度、匯水區(qū)平均徑流系數(shù)越大，土層導(dǎo)水率、導(dǎo)水層深度越小，越宜優(yōu)先進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)施的建設(shè)實(shí)施。表3計(jì)算結(jié)果顯示，營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)25個(gè)匯水區(qū)進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施建設(shè)的先后順序?yàn)椋?3>24>20>18>21>19>…>2。

結(jié)合營(yíng)丘鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)狀，綜合考慮低影響技術(shù)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性與可操作性原則，考慮3，20，22，24，25號(hào)等匯水區(qū)建設(shè)蓄水池/雨水罐所需費(fèi)用較高，且后期不宜管理；16，21，19，23號(hào)等匯水區(qū)居住區(qū)建筑密度較大施工不便，建議將以上匯水區(qū)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施建設(shè)時(shí)序延后。5，12，15，18號(hào)等匯水區(qū)位于鎮(zhèn)區(qū)地勢(shì)低洼處，進(jìn)行透水鋪裝和下沉式綠地建設(shè)對(duì)減少雨水徑流和污染負(fù)荷效果顯著，同時(shí)提升了鎮(zhèn)區(qū)景觀效果，所以建議將以上匯水區(qū)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施建設(shè)次序前移。

3 結(jié) 論

(1) 利用GIS工具中水文分析模型，基于D8算法處理DEM高程圖，得到鎮(zhèn)區(qū)25個(gè)匯水區(qū)。

(2) 利用ENVI軟件對(duì)鎮(zhèn)區(qū)2014年分辨率為30 m的Landsat-TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用類(lèi)型提取，得到林地、居住區(qū)建筑用地、耕地、水體、綠地、道路和空地7種鎮(zhèn)區(qū)土地利用類(lèi)型，并確定了各匯水區(qū)用地類(lèi)型和布局現(xiàn)狀。

(3) 結(jié)合研究區(qū)內(nèi)建筑密度，水資源現(xiàn)狀，降雨規(guī)律和土地利用布局等情況，選擇濰坊市年徑流總量控制率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，計(jì)算得到研究區(qū)不同用地類(lèi)型的雨水總調(diào)蓄容積為2.15×104m3。

(4) 為使雨洪利用設(shè)施與生態(tài)景觀規(guī)劃相結(jié)合，并減少鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政支出，提出了LID技術(shù)方案，即將鎮(zhèn)區(qū)靠近水域的廣場(chǎng)，公園和綠地等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行下沉式綠地、雨水花園、雨水濕地和濕塘改造，將鎮(zhèn)區(qū)廣場(chǎng)、居住區(qū)道路和停車(chē)場(chǎng)路面進(jìn)行透水鋪裝建設(shè)，沿道路至濕塘建設(shè)滲管/渠。經(jīng)計(jì)算，實(shí)施LID措施后，研究區(qū)綜合設(shè)施的實(shí)際雨水調(diào)蓄能力擴(kuò)大為2.46×104m3大于不同用地類(lèi)型的原設(shè)計(jì)雨水調(diào)蓄能力。

(5) 利用TOPMODEL模型，引入水文敏感指數(shù)λ，確定了低影響開(kāi)發(fā)場(chǎng)地的優(yōu)先實(shí)施時(shí)序，并綜合考慮后續(xù)施工、管理方便，以及提升鎮(zhèn)區(qū)景觀效果等因素，對(duì)施工時(shí)序進(jìn)行了優(yōu)化。