海綿城市年徑流總量控制指標分解方法優(yōu)化研究

陽 燁

沈 敏

何俊超

朱 江

曹 盼*

城市雨洪災(zāi)害和水污染管理是制約城市生態(tài)發(fā)展的核心問題之一[1]。中國大力提倡“海綿城市”建設(shè)理念，旨在減輕城市排水負擔的同時，緩慢恢復(fù)城市地表自然入滲能力，重新構(gòu)建城市“綠色海綿”[2]。海綿城市“指的是城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害方面具有良好的‘彈性’，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將續(xù)存的水‘釋放’并加以利用”[3]。作為海綿城市建設(shè)的首要目標，年徑流總量控制率是以徑流體積控制為核心，是恢復(fù)開發(fā)前自然水文狀態(tài)和控制徑流污染的有效方法，是綜合實現(xiàn)水環(huán)境、水生態(tài)、水安全和水資源的重要手段[4-5]。在技術(shù)層面，年徑流總量控制率目標通過“源頭-過程-系統(tǒng)”3個層次實現(xiàn)；在規(guī)劃管控層面，年徑流總量控制率目標的實施通過規(guī)劃、設(shè)計方案進行指標分解的方式得以落地。

2014年10月《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)》[6](以下簡稱《指南》)發(fā)布后，年徑流總量控制指標分解在實踐中基本采用《指南》中的方法進行逐層分解(包括容積法和模型計算法)。相關(guān)研究人員在容積法和模型計算法的基礎(chǔ)上，對年徑流總量控制率的確定和分解提出不同層次的研究和應(yīng)用，如康丹等提出從總規(guī)層面確定年徑流控制率總目標、分區(qū)或?qū)ｍ椧?guī)劃明確各級排水子系統(tǒng)的控制目標、修建性詳細規(guī)劃完成街區(qū)和道路的控制目標分解的三級分解法[7]；劉緒為等對容積法和模型計算法的年徑流總量控制率分解方法進行探討，提出應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)資料和工程內(nèi)容采用不同的方法，并在基礎(chǔ)資料齊全的情況下，建議采用以年為單位的模型法[8]；鄒寒等提出利用“對數(shù)處理＋多項式擬合”方法，得到擬合度和準確度均較高的年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量計算模型，從而分析確定年徑流率控制總目標[9]。

上述研究在早期階段為海綿城市的發(fā)展奠定了良好的理論基礎(chǔ)，但經(jīng)國內(nèi)先后2批海綿城市試點項目實踐后，筆者發(fā)現(xiàn)無論容積法、模型法或其他分解方法往往容易忽略各類影響因素對海綿城市建設(shè)年徑流總量控制率目標落地實施的制約性，以致后續(xù)落地項目在平衡和解決綠色與灰色、地上與地下、分散與集中設(shè)施的關(guān)系的同時，難以滿足上位規(guī)劃的目標要求。如專項規(guī)劃階段目標取值較高，控制性規(guī)劃或系統(tǒng)性方案則無法執(zhí)行上位指標，需進一步調(diào)整；控規(guī)階段指標取值不合理，方案設(shè)計或工程建設(shè)則難以落地實施。因此，指標分解是落實海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分解方法的科學性關(guān)乎指標分解的合理性和指標落地的可操作性。筆者在現(xiàn)有指標分解方法基礎(chǔ)上，結(jié)合西寧市海綿城市試點區(qū)的建設(shè)經(jīng)驗，提出相關(guān)優(yōu)化思路與方法。

圖1 年徑流總量控制目標分解步驟流程(何俊超繪)

1 年徑流總量控制指標分解方法

《指南》對年徑流總量控制目標分解給出了詳細的步驟內(nèi)容和說明，主要采用2種方法：容積法和模型計算法。在控制目標和綜合控制指標、各地塊具體條件和單項控制指標的指導(dǎo)下，容積法通過加權(quán)平均試算進行分解；模型計算法則通過水文、水力模擬計算進行分解?！吨改稀诽峁┝巳莘e法的詳細步驟流程[6]。隨著行業(yè)內(nèi)模型工具的廣泛使用，模型計算已普遍應(yīng)用于規(guī)劃階段年徑流總量控制指標的分解，并通過明確各用地類型地塊的單項指導(dǎo)性指標，減少指標分解試算過程。

在規(guī)劃階段，采用上述2種方法進行年徑流總量控制目標的三級分解過程中，容易出現(xiàn)2個問題，致使分解指標落地可實施性差：一是指標分解時，提出的單項控制指標大多基于理想化的典型地塊計算，以下墊面條件為核心考量，很難顧及其他影響因素(如地下空間覆土深度不夠、濕陷性黃土、地質(zhì)災(zāi)害以及建筑屋面雨水內(nèi)排等)的制約，看似合理的分解指標，在實際建設(shè)過程中難以落地；二是年徑流總量控制目標分解時，往往忽略地塊的社會屬性影響(如改造難度、性價比、居民滿意度等)，理論上可達的分解指標，落地的可操作性和經(jīng)濟合理性較難以實現(xiàn)。在建設(shè)過程中，不合理的指標分解方式，致使部分項目為銜接上位硬性指標，大量使用灰色末端處理設(shè)施，與海綿城市建設(shè)理念背道而馳。

2 年徑流總量控制指標分解方法優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路與方法

在容積法或模型計算法的指標分解基礎(chǔ)上，增加問題因子調(diào)整過程，建立影響因子指標調(diào)整體系，對初設(shè)的分解指標進行系統(tǒng)調(diào)整，提出“雙導(dǎo)向法”，即以目標導(dǎo)向分解、問題導(dǎo)向調(diào)整相結(jié)合，解決指標指導(dǎo)性不強、落地可行性差的問題。

雙導(dǎo)向法：目標導(dǎo)向——采用容積法或模型計算法對指標初步分解，問題導(dǎo)向——進行影響因子的指標體系調(diào)整。目標導(dǎo)向是以達到年徑流總量控制總目標為基礎(chǔ)，僅考慮各用地類型及下墊面詳情，設(shè)定各分區(qū)或地塊單項控制指標，將總目標分解至各分區(qū)或地塊；問題導(dǎo)向是以確立除用地類型和下墊面情況以外，梳理對海綿城市建設(shè)產(chǎn)生重要影響的制約因子(建設(shè)難度、地質(zhì)災(zāi)害和污染控制等)，建立影響因子指標調(diào)整體系，對初設(shè)的各分區(qū)或地塊指標進行調(diào)整。

2.2 雙導(dǎo)向法步驟

雙導(dǎo)向法是對容積法和模型計算法的優(yōu)化(圖1)，具體步驟如下。

1)確定規(guī)劃區(qū)域提出的年徑流總量控制目標，即年徑流總量控制率及其對應(yīng)的設(shè)計降雨量。年徑流總量控制目標可依據(jù)“未開發(fā)前自然水文本底狀況、徑流污染控制”等統(tǒng)籌確定。

2)結(jié)合區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研與基礎(chǔ)資料，對區(qū)域內(nèi)存在的主要問題和影響因子歸納總結(jié)，為后續(xù)海綿規(guī)劃指標調(diào)整優(yōu)化提供依據(jù)。諸如可利用的自然調(diào)蓄空間、土壤地質(zhì)條件、內(nèi)澇風險情況、建設(shè)難度情況、生態(tài)本底條件及污染控制區(qū)域等基礎(chǔ)資料都在調(diào)研之列。

3)依據(jù)區(qū)域河流水系流向、地表高程坡向、排水管渠系統(tǒng)和相應(yīng)的行政區(qū)劃，劃定海綿管控片區(qū)。

4)梳理統(tǒng)計各海綿管控片區(qū)各類建設(shè)用地及下墊面詳情，用地類型包括居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地和公園綠地等，下墊面包括綠地、鋪裝、道路、建筑、裸地和水域等。

5)利用容積法計算或構(gòu)建典型地塊模型，確定各用地類型地塊的單項指導(dǎo)性指標，包括下沉式綠地率、透水鋪裝率、屋頂綠化率、不透水下墊面徑流控制比例和其他調(diào)蓄容積等。

6)初步確定各管控片區(qū)控制指標。通過容積法或模型計算法，得出各分區(qū)年徑流總量控制率和對應(yīng)的控制容積，若計算結(jié)果不達標，可調(diào)整各地塊初設(shè)的單項控制指標體系，最終使計算結(jié)果與年徑流總量控制目標接近。

7)確定各影響因子對年徑流總量控制率的調(diào)整幅度值。結(jié)合城市區(qū)域特點、突出問題、經(jīng)濟能力以及核心目標等因素，選取具備自身特點的主要影響因子，并定量分析各影響因子對指標落實的影響程度，進而合理確定影響因子調(diào)整幅度值。

8)調(diào)整與復(fù)核各管控片區(qū)控制指標。在初步確定的各管控片區(qū)控制指標基礎(chǔ)上，結(jié)合影響因子指標調(diào)整體系，通過分布面積比例因子計算，對各管控單元指標進行系統(tǒng)合理的幅度調(diào)整，同時復(fù)核計算結(jié)果是否滿足年徑流總量控制目標，最終得出調(diào)整后的分解指標。

3 應(yīng)用實例

西寧市地處青海省東部，黃河支流湟水上游，四面環(huán)山，西高東低，屬高原丘陵城市；中心城市開發(fā)區(qū)域總面積為186km2，現(xiàn)狀人口約230萬人，屬高原大陸性半干旱氣候，全年平均降雨量為410mm，以中小雨為主，地勢高程平均在2 261m，多以厚黑黏淤土為主，屬濕陷性黃土區(qū)域[10]。

根據(jù)西寧市城市總體規(guī)劃，可得知區(qū)域各地塊用地類型詳情；通過測繪部門提供的用地現(xiàn)狀遙感圖，按照屋頂、道路、廣場和鋪裝、綠地、水系以及裸地6種類型對區(qū)域現(xiàn)狀下墊面進行解析，面積占比分別為15%、8%、25%、24%、3%和25%，得出區(qū)域現(xiàn)狀年均雨量徑流系數(shù)為0.51[10]。

試點區(qū)域位于西寧中心城區(qū)西部，涉及海湖新區(qū)、城西區(qū)和城北區(qū)三大行政區(qū)域，總面積21.63km2，其中老城區(qū)5.40km2、海湖新區(qū)12.26km2，以及城市郊野森林公園綠化區(qū)3.97km2。區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.53，截至2018年7月，試點區(qū)海綿城市建設(shè)已完成近70%。試點區(qū)作為西寧市“山-水-城”骨架的一個典型單元，是西寧城市水問題最集中和最具代表性區(qū)域。

3.1 年徑流總量控制指標目標確定

控制年徑流總量對實現(xiàn)城市水生態(tài)功能、改善水環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)城市水源結(jié)構(gòu)等方面具有重要意義，是實現(xiàn)多目標達標的有效路徑。根據(jù)開發(fā)前自然水文狀況和徑流污染控制，參照《指南》中我國大陸地區(qū)年徑流總量控制率分區(qū)，西寧市位于I區(qū)(a≥85%)，確定西寧海綿城市年徑流總量控制率目標為85%，對應(yīng)設(shè)計降雨量為13mm。

3.2 年徑流總量控制指標分解

本案例采用模型計算法(SWMM水力模型)進行分解，并通過自然調(diào)蓄空間、建設(shè)難度、特殊用地、地質(zhì)災(zāi)害、文物埋葬、污染控制和內(nèi)澇風險7項影響因子對初步分解的指標進行問題導(dǎo)向調(diào)整，具體技術(shù)流程如下。

3.2.1 目標導(dǎo)向分解

根據(jù)模型計算法，將西寧城市開發(fā)區(qū)域劃分為38個管控片區(qū)，并搭建SWMM水文模型，建模面積約186.04km2，子匯水區(qū)38個，排出口1個。模型選用西寧近30年連續(xù)日降雨量，用于降雨情景參數(shù)；蒸發(fā)量、溫度等參數(shù)通過氣象數(shù)據(jù)獲??；子匯水區(qū)面積、匯水寬度、坡度等特征參數(shù)，通過地形數(shù)據(jù)計算獲取；不透水率通過透水、不透水下墊面數(shù)據(jù)和低影響開發(fā)設(shè)施面積計算獲??；曼寧系數(shù)、地表洼蓄量和入滲模型參數(shù)等則根據(jù)模型手冊典型值和測試值調(diào)試獲?。粏雾椏刂浦笜送ㄟ^模型中低影響開發(fā)控制模塊中的生物滯留設(shè)施、透水鋪裝等來實現(xiàn)，設(shè)施主要參數(shù)參照西寧樣板設(shè)施實際設(shè)計規(guī)劃確定[11-13]。

通過對各管控片區(qū)分配布置單項控制指標——下沉綠地率、透水鋪裝率和硬化地塊徑流控制比例，并重復(fù)調(diào)試模型指標體系，直至模擬結(jié)果與控制目標相接近。根據(jù)目標導(dǎo)向分解，初步得出各管控片區(qū)相對應(yīng)的控制指標(圖2)。

3.2.2 指標調(diào)整體系構(gòu)建

根據(jù)西寧實施情況，選取自然調(diào)蓄空間、建設(shè)難度、用地性質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、文物埋葬、污染控制及內(nèi)澇風險作為指標調(diào)整影響因子，并結(jié)合實地調(diào)研和相關(guān)數(shù)據(jù)資料，通過ArcGIS提取出各影響因子的空間分布(圖3)。各影響因子調(diào)整幅度依據(jù)西寧海綿城市建設(shè)試點區(qū)實踐經(jīng)驗獲取。

1)自然調(diào)蓄空間：對城區(qū)水源涵養(yǎng)、徑流控制、水質(zhì)凈化等都起著重要作用，是年徑流總量控制率指標分解最重要的影響因子。結(jié)合片區(qū)內(nèi)自然生態(tài)調(diào)蓄空間的大小，按比例調(diào)整相應(yīng)的年徑流總量控制幅度。西寧試點區(qū)自然調(diào)蓄空間占試點區(qū)總面積的10%，如作為市政雨水總排口末端調(diào)蓄空間(調(diào)蓄容積按30%下凹綠地率取值計算)，可使試點區(qū)的85%年徑流控制率提升至93%，提升幅度為8%，調(diào)整幅度取值0.8。

2)建設(shè)難度：據(jù)試點區(qū)經(jīng)驗，新建區(qū)域(裸地)最易滿足海綿建設(shè)要求，調(diào)整幅度值取0.5；新城區(qū)由于建筑排水方式多為外排水且地下空間多為整體開發(fā)，綠地覆土深度不足，不易開展海綿改造建設(shè)，有效改造面積為新建區(qū)域總面積的80%。故可使試點區(qū)的85%年徑流控制率下降至76.5%，調(diào)整幅度取值-0.15；老城區(qū)和棚戶區(qū)由于綠地率低、設(shè)施陳舊等阻礙，有效改造面積占比分別為70%和50%，調(diào)整幅度取值-0.3與-0.4。

3)特殊用地：特殊用地多為軍事用地，牽涉較廣，實際難以進行海綿改造建設(shè)，試點區(qū)有效改造面積為特殊用地面積的10%，調(diào)整幅度取值-0.8。

4)地質(zhì)災(zāi)害：從當?shù)叵嚓P(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料中提取出地質(zhì)災(zāi)害等級分布，按比例幅度降低相應(yīng)片區(qū)的年徑流總量控制率。在試點區(qū)中，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)有效改造面積占比30%，地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)區(qū)有效改造面積占比40%，地質(zhì)災(zāi)害低發(fā)區(qū)有效改造面積占比50%，調(diào)整幅度取值分別為-0.5、-0.45與-0.4。

5)文物埋葬：文物埋葬保護區(qū)域同樣給海綿城市建設(shè)帶來相應(yīng)的限制性，將其從用地性質(zhì)中提取出來按比例幅度降低相應(yīng)片區(qū)的年徑流總量控制率。在本案中，文物埋葬區(qū)有效改造面積為50%，調(diào)整幅度取值為-0.4。

6)污染控制：污染控制區(qū)域可通過海綿城市建設(shè)，對相應(yīng)的管控片區(qū)加以控制和治理。結(jié)合片區(qū)內(nèi)污染控制區(qū)域分布，按比例幅度提高相應(yīng)片區(qū)的年徑流總量控制率，調(diào)整幅度取值為0.3。

7)內(nèi)澇風險：內(nèi)澇高風險區(qū)可通過海綿城市建設(shè)的水量調(diào)蓄、管網(wǎng)改造和峰值延遲作用，對相應(yīng)的管控片區(qū)加以控制和治理。在進行指標調(diào)整時，結(jié)合片區(qū)內(nèi)澇高風險區(qū)域分布，按比例幅度提高相應(yīng)片區(qū)的年徑流總量控制率，調(diào)整幅度取值為0.3。

根據(jù)以上7種影響因子的分析結(jié)果與試點區(qū)實踐經(jīng)驗，西寧各影響因子的具體調(diào)整幅度值如表1所示。

3.2.3 問題導(dǎo)向調(diào)整

在初步確定的控制指標基礎(chǔ)上，結(jié)合7種影響因子的調(diào)整幅度體系和所占片區(qū)的分布面積比例，對各管控片區(qū)進行控制指標的計算調(diào)整。以第六管控片區(qū)為例，總面積540.38hm2，初設(shè)的年徑流總量控制指標為81.60%，依據(jù)以上計算方法對初設(shè)指標進行調(diào)整，具體調(diào)整過程如表2所示。經(jīng)調(diào)整后的年徑流總量控制指標為70.06%，更貼合第六管控片區(qū)的海綿城市建設(shè)實際，為項目落地提供更好的依據(jù)。

3.2.4 控制指標確定

通過以上目標導(dǎo)向分解和問題導(dǎo)向調(diào)整過程后，重復(fù)核算指標體系，最終滿足給定的控制總目標，從而確定各管控片區(qū)調(diào)整后的控制指標，具體如圖4所示。

表1 各影響因子對年徑流總量控制率的調(diào)整幅度表

表2 第六管控片區(qū)各影響因子對年徑流總量控制率的調(diào)整幅度計算表

4 結(jié)論

基于海綿城市指標分解過程中的不合理性和難以落地實施的問題，應(yīng)用影響因子調(diào)整方式對《指南》中指標分解方法進行了探索性優(yōu)化研究，并結(jié)合實際案例分析，得出以下結(jié)論。

1)在指標分解的容積法和模型計算法基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化年徑流總量控制率指標分解過程，增加影響因子指標調(diào)整環(huán)節(jié)，對城市規(guī)劃分區(qū)初步指標分解方案進一步優(yōu)化，構(gòu)建雙導(dǎo)向法，能提高分解指標值的可指導(dǎo)性和落地可行性。

2)將目標導(dǎo)向分解和問題導(dǎo)向調(diào)整有機結(jié)合來確定年徑流總量控制率分解指標，一定程度上避免單一分解指標所帶來的偏差和不合理性，體現(xiàn)出不同指標對多目標績效實現(xiàn)的重要性，使指標分解方案更加科學合理。

目前，西寧海綿城市試點區(qū)建設(shè)已如火如荼開展，此方法已應(yīng)用于制定的《西寧市海綿城市建設(shè)專項規(guī)劃(2016—2030年)》和《西寧海綿城市建設(shè)試點區(qū)系統(tǒng)化方案(2016—2018)》年徑流總量控制率指標分解方案中，并通過試點區(qū)項目建設(shè)的實踐，指標分解結(jié)果對區(qū)域水問題的系統(tǒng)解決以及項目落地可實施性具有良好的效果。下一步擬將選取多個片區(qū)樣本，對地塊指標賦值進行進一步研究，完善影響因子指標調(diào)整體系，增強雙導(dǎo)向法的科學性及應(yīng)用價值。

圖2 各管控片區(qū)年徑流總量控制指標初步分解圖(熊筱繪)

圖3 各影響因子空間分布圖(熊筱繪)

圖4 各管控片區(qū)年徑流總量控制指標分解圖(陽燁繪)