SWMM輔助海綿城市專項規(guī)劃的指標分解方法研究

劉 慧，謝水波，曾凡勇，孫 波

(1.南華大學建筑學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

建設海綿城市已成為了我國目前解決快速城市化所造成的城市雨水災害頻發(fā)、水環(huán)境惡化、水生態(tài)以及水資源枯竭等問題的主要途徑。然而，海綿城市建設在我國尚處于試點階段，各大規(guī)劃院同樣處在不斷學習和探索期間，在對海綿城市專項規(guī)劃進行編制或者修編過程中如何借助《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》(以下簡稱《指南》)提供的模型模擬法更好地確定城市各地塊的剛性指標及引導性指標，也成為了當前亟待解決的問題。為此，本研究就模型模擬法分解海綿城市年徑流總量管控指標展開深入探索，并通過實際案例對指標的分解過程進行詳盡說明。

1 海綿城市規(guī)劃管控指標分解概述

1.1 什么是海綿城市規(guī)劃管控指標

1.1.1 海綿城市規(guī)劃管控指標分類

《指南》依據我國的四大治水目標(水安全、水生態(tài)、水資源、水環(huán)境)提出了四類規(guī)劃管控指標分別為：徑流總量管控、雨水資源利用、徑流污染管控以及徑流峰值管控，如表1。其中，徑流總量管控指標的達成，可同時實現其余三項指標的功能，因此各地在推進海綿城市建設時往往將徑流總量管控指標——年徑流總量控制率設為首要的剛性指標。海綿城市規(guī)劃中指標的分解亦主要是對年徑流總量控制率的分解,將其分解成下沉式綠地率等引導性指標。

表1 海綿城市規(guī)劃管控指標分類Tab.1 Classification of control indicators of Sponge City planning

1.1.2 剛性指標與引導性指標簡介

(1)剛性指標——年徑流總量控制率。意義：將本市近30年以上的日值降水數據由小至大排列并刪除小于以及等于2 mm的降水量，推算小于其中某一個設計降雨量的降水總量(大于此降水量的以此降雨量為最大上限累加出其降水總量，而小于此降水量的雨量值則按照其實際值累加得出降水總量，二者相加得到的總和)占其總降水量的百分比[1]，如圖1。

圖1 年徑流總量控制率計算方法Fig. 1 Calculating method of annual total runoff control rate

功能：通過年徑流總量控制率實現對雨水徑流體積的控制，促使城鎮(zhèn)開發(fā)后的水文特性接近開發(fā)建設前，以緩解徑流污染與城市內澇等問題。剛性指標一旦確定即成為當地的強制性規(guī)定。適用條件：《指南》通過對我國200座城市降水數據的統(tǒng)計分析，已將中國大陸劃分成五個年徑流總量管控分區(qū)，并給出了各分區(qū)年徑流總量控制率的下限值與上限值，因此城市總年徑流總量控制率的適用不得超過所在分區(qū)的最高值且不得低于最低值。

(2)引導性指標——下沉式綠地率、透水鋪裝率等。意義：單位面積內LID設施的覆蓋比例，如下沉式綠地率表示高程低于周邊匯流區(qū)域的綠地占總綠地面積的比例；透水鋪裝率表示廣場、停車場、人行道使用透水鋪裝的面積占其總面積的比例。

功能：使年徑流總量控制率的落實量化到各個地塊的LID設施覆蓋率(即下沉式綠地率、透水鋪裝率等)當中，以便于土地出讓后的規(guī)劃、設計、建設與考核更具可實操性。同一年徑流總量控制率往往可由一項或多項不同的LID設施覆蓋率共同實現，因此引導性指標通常作為指導建議。

適用條件：引導性指標不適用于存在地質問題的區(qū)域，如因雨水的下滲會引起地面的沉降、路面的垮塌等區(qū)域；不適用于地表徑流不流經的區(qū)域，無地表徑流的區(qū)域LID設施無法發(fā)揮其作用。

1.2 推進海綿城市為什么要落實指標分解

指標分解的作用主要體現在兩個層面：一個是規(guī)劃編制層面的“控”、一個是規(guī)劃管理層面的“管”。在規(guī)劃編制階段，將海綿城市規(guī)劃管控總指標量化，細分為若干個具體的子指標，可以更合理地指導地塊中LID設施的規(guī)模；在規(guī)劃管理階段，細分后的具體子指標亦可作為海綿城市建設后的績效考核量化標準。因此，在海綿城市專項規(guī)劃的編制過程中進行指標分解，建立起完善的海綿城市規(guī)劃管控指標體系，可更好地推進我國的海綿城市建設。《指南》更是明確要求：“規(guī)劃的行政主管部門要在城鄉(xiāng)規(guī)劃的體系中明確海綿城市專項規(guī)劃的空間管控內容，編制的城市控制性詳細規(guī)劃要將年徑流總量控制率列為首要的規(guī)劃管控剛性指標并建立起城市各地塊的透水鋪裝率、下凹式綠地率等引導性技術指標”。

1.3 指標分解目前存在的問題

《指南》在其表3-1中提出了試算法與模型模擬法分解年徑流總量控制率并給出了應用試算法的詳盡計算流程、公式與分解步驟，但各地在實踐中反映出其尚存在著一定的不足。

1.3.1 試算法

康丹等[2]認為《指南》提供的試算法分解年徑流總量控制率主要存在2個問題。

(1)剛性指標的分解缺乏客觀性。實踐中，年徑流總量管控率大多直接從城市總體規(guī)劃的地區(qū)分解到城市控制性詳細規(guī)劃階段的各個具體地塊，兩者體量差距巨大且分解過程中主觀隨意性較強，致使地區(qū)總指標對具體地塊的管控指標引導性差，兩者較難承接。城市總體規(guī)劃需要管控的規(guī)?？筛哌_數千平方千米，而城市控制性詳細規(guī)劃需要管控的規(guī)模多為幾十公頃有時更小，所以具體地塊的年徑流總量管控率經計算后和海綿城市專項規(guī)劃管控總指標之間易出現偏差，后期的修正工作也十分繁瑣。

(2)適宜的引導性指標難以確定。要實現地塊的年徑流總量管控則需要將指標進一步分解為綠色屋頂率、透水鋪裝率及下凹式綠地率等一項或多項引導性指標共同實現，但城市控規(guī)層面的海綿城市專項規(guī)劃中如何確定合適的引導性指標尚無統(tǒng)一方法。若提出的引導性指標組合不具有適宜性，必然對城市的土地開發(fā)及建設造成約束。

目前，已有不少學者為此作出了科研探索，如康丹等[2]提出的三級分解法、潘笑文等[3]提出的典型年法、姜勇[4]建立的平均分配調整法、柏云[5]提出的GIS輔助分解法。

1.3.2 模型模擬法

《指南》提出有條件的城市亦可應用水文水力模型模擬的方法對年徑流總量管控指標進行分解賦值，但由于《指南》尚處于試行階段未對運用模型法如何進行分解、具體的分解步驟以及使用何種模擬軟件進行分解做詳盡的解答。目前國內以SWMM為典型代表的模型模擬研究多集中于徑流污染特性模擬[6]、排水管網優(yōu)化[7-9]等領域，與海綿城市相關性較高的研究也僅限于使用SWMM模型對LID設施的雨洪管控效果進行評估及驗證[10,11]，較少使用SWMM模型對海綿城市年徑流總量管控指標進行分解。

因此，探索SWMM水文水力模型在分解海綿城市年徑流總量管控指標中的應用對今后深化海綿城市規(guī)劃管控指標體系有一定的積極意義。

2 技術路線

針對上述問題，以海綿城市專項規(guī)劃中的年徑流總量控制率為研究對象，提出一套SWMM模型輔助下的指標分解技術路線，該技術路線分為現狀評估、剛性指標分解及引導性指標分解三個階段，各階段意義見表2，技術路線見圖2。

表2 各指標分解階段意義Tab.2 The significance of each index decomposition stage

圖2 指標分解技術路線Fig.2 Technical route of index decomposition

2.1 現狀年徑流總量控制率評估

首先，通過91衛(wèi)圖助手收集研究區(qū)域的DEM數據和遙感影像圖并解譯，高程數據可在GIS中獲取各子匯水區(qū)的平均坡度、面積等參數；遙感影像圖則可使用ENVI或者CAD解譯出各子匯水區(qū)的下墊面面積并換算成不滲透百分比；其次，查閱當地的《海綿城市建設技術導則》獲取研究區(qū)域的雨水蒸發(fā)數據及暴雨強度公式，通過暴雨強度公式計算出指定暴雨重現期情景下的逐分鐘降雨數據。最后，將各類數據導入SWMM模型中對研究區(qū)域的降水、蒸發(fā)、徑流與下滲過程進行模擬，計算出各地塊的現狀徑流控制容積并將其轉換為年徑流總量控制率，此值即為現狀評估結果。當地5%步長的年徑流總量管控率與設計降水量可通過查詢相關規(guī)范直接獲取，5%步長以下的值則需要統(tǒng)計本市近30年日值降水數據獲得，無法獲取降水數據的情況下可以5%步長的年徑流總量管控率與設計降水量為基礎，借助線性插值法估算其5%步長以下的值。

2.2 剛性指標分解

根據現狀評估結果及當地海綿城市的相關規(guī)范為研究區(qū)域的各類用地分配適宜的剛性指標，指標賦值需區(qū)分新建地塊和改建地塊。各類用地的剛性指標初步賦值后需驗證其是否滿足設計調蓄容積的要求，由此借助《指南》第八節(jié)2.1容積法對各用地的設計調蓄容積進行核算，若滿足規(guī)劃目標對應的總容積調蓄要求則表明賦值成功；若不滿足規(guī)劃目標的容積調蓄要求則重新對各類用地進行指標賦值與核算直至滿足目標要求，確定各類用地的剛性指標。

2.3 引導性指標分解

剛性指標如何通過適宜的各低影響開發(fā)技術指標落實則需要借助模型進一步探討。首先綜合考慮當地的經濟條件、水污染防治需求、雨水資源化利用等因素選取合適的LID設施，影響因素較多的情況下亦可使用層次分析法(AHP)輔助決策。而后在已建好的SWMM水文模型中設置LID模塊進行模擬，核算各子匯水區(qū)的設計調蓄容積并將其換算成年徑流總量管控率。若不能滿足上一個階段對各類用地提出的指標要求則通過調整LID設施的覆蓋比例或參數重新模擬，直至得出能滿足剛性指標要求的模擬結果，確定研究區(qū)域的引導性指標。

3 指標分解案例

本案例以萍鄉(xiāng)市主城片區(qū)為研究區(qū)域，東至安源中大道-建設東路-萍安北大道，南至康莊路，西至濱河東路，北至武功山中大道，如圖3，研究區(qū)域總面積為590.8 hm2。依據《指南》的中國內地徑流總量管控分區(qū)圖，萍鄉(xiāng)市地處年徑流總量管控第Ⅲ區(qū)其指標取值區(qū)間為75%～85%，結合萍鄉(xiāng)實際情況以年徑流總量管控率75%作為規(guī)劃管控總目標，基于SWMM模型對管控總目標進行分解。分解流程包含現狀評估、剛性指標分解及引導性指標分解3個步驟。

圖3 研究區(qū)域Fig.3 Research area

3.1 現狀年徑流總量控制率評估

首先，對研究區(qū)域的各類基礎數據進行整理為建立模型做準備。逐分鐘降雨數據采用萍鄉(xiāng)市暴雨強度公式擬合出芝加哥雨型，重現期為5年一遇，降雨時長120 min，總降雨量62.63 mm；蒸發(fā)數據根據《江西省海綿城市建設技術導則(試行)》(以下簡稱《導則》)附錄10.2獲得；各子匯水區(qū)的平均坡度、面積與特征寬度等參數通過91衛(wèi)圖助手獲取DEM數據后在GIS中提??；各子匯水區(qū)不透水百分比參數則根據0.53 m分辨率遙感影像圖在CAD中描繪并統(tǒng)計建筑、水面、道路、綠化等面積后，依照對應的徑流系數加權計算獲得，如圖4；下滲模型選用霍頓，其他參數參考SWMM使用手冊及相關文獻[12,13]進行取值。其次，將各項數據導入SWMM后建立起研究區(qū)域的雨洪模型，如圖5。

圖4 建筑不透水面面積解譯圖Fig.4 Interpretation of impervious surface area of buildings

圖5 研究區(qū)域SWMM模型概化圖Fig.5 Study area SWMM model generalization diagram

最后對研究區(qū)域內各地塊的降雨、蒸發(fā)、徑流、下滲過程進行模擬，得出各地塊的現狀年徑流總量管控率如圖6。依據《導則》附錄10.1中萍鄉(xiāng)5%步長的年徑流總量管控率與設計降水量，借助線性插值法得出整個研究區(qū)域的現狀年徑流總量管控率為34.7%。研究區(qū)域的滲透性能較差，土壤以壤黏土或砂黏土居多，地勢較為平坦，總平均坡度為3.9%。該區(qū)域東部的商業(yè)金融用地及居住用地目前為荒地，徑流管控能力有提升空間；西部的公共綠化用地雨水管控能力較強；南部、北部及中部地區(qū)以居住用地為主，地表硬化徑流管控能力較差。

圖6 各地塊現狀年徑流總量控制率評估圖Fig.6 Assessment chart of current annual total runoff control rate for each region

3.2 剛性指標分解

根據《導則》及現狀評估的結果對研究區(qū)域內各類用地進行年徑流總量控制率初步分解賦值，借助《指南》容積法核算各個地塊的設計調蓄容積；各類用地指標分解結果見表3，經計算得出該指標體系的總年徑流總量管控率為75.62%，符合規(guī)劃要求，同時得出研究區(qū)域內各地塊的規(guī)劃年徑流總量管控率分布圖，如圖7。

表3 各類用地剛性指標分解賦值結果Tab.3 Result of decomposition of Rigidity Indicators for various types of land use

圖7 各地塊規(guī)劃年徑流總量控制率分布圖Fig.7 Distribution chart of annual total runoff control rate for each block planning

3.3 引導性指標分解

首先，結合現狀評估結果及萍鄉(xiāng)市的實際條件選定下沉式綠地與透水鋪裝作為主要的LID措施。其次，在SWMM中設置LID模塊的參數：透水鋪裝表面滯水深度15 mm、曼寧N值0.013、坡度1.5%；透水鋪裝層厚度160 mm、孔隙比0.1；蓄水層厚度250 mm、孔隙比0.3；底部排水層排水系數3.3、排水指數0.5。下沉式綠地表面層深度100 mm、植物覆蓋系數0.5、曼寧N值0.15、坡度1%；土壤層厚度250 mm、孔隙率0.4、產水能力0.2、枯萎點0.1；蓄水層厚度500 mm、孔隙比0.75；底部排水層排水系數14、排水指數0.5。最后，在模型中對各子匯水區(qū)逐個附加LID模塊并應用試錯法不斷調整LID設施的覆蓋比例，核算各地塊的設計調蓄容積直至得出滿足剛性指標要求的引導性技術指標——下沉式綠地率與透水鋪裝率。本研究區(qū)域共107個子匯水區(qū)，篇幅所限僅展示其中7個的分解結果見表4。經推算該引導性指標體系的實際控制容積為89 501.71 m3對應的年徑流總量管控率為78.7%，符合規(guī)劃要求,研究區(qū)域總下沉式綠地率為42.19%，總透水鋪裝率為18.47%。

引導性指標實施過程中若某些地塊因不可抗力因素無法達到下沉式綠地率的覆蓋范圍，可通過加深下沉式綠地的深度縮小覆蓋比例以達到相同的年徑流總量管控要求。

表4 部分子匯水區(qū)引導性指標分解結果Tab.4 Decomposition results of Guiding Indicators in partial Subcatchments

4 結語與展望

在SWMM模型的輔助下對萍鄉(xiāng)市海綿城市專項規(guī)劃的管控指標——年徑流總量控制率進行了分解賦值，探索了一種更為科學、高效且具有普遍適用性的指標分解賦值方法。當前國內的海綿城市建設與規(guī)劃工作尚處于探索期間，模擬技術作為一種較新穎的方法對數據的需求也與以往不盡相同，本研究使用SWMM模型模擬了城市的水文過程與LID雨水系統(tǒng)，若在有足夠的數據支持下亦可增加對城市雨水管渠系統(tǒng)的模擬，以便在完成海綿城市專項規(guī)劃指標分解工作的同時對其他專項規(guī)劃的修編也提供指導。

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