基于深圳典型片區(qū)海綿城市監(jiān)測評估的思考

彭世瑾，胡愛兵，史敬華，李春菊，劉 侃，吳建雄，李敏浩，盧 敏

1)深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東深圳 518049；2)深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳 518049；3)深圳市鹽田區(qū)水務(wù)局，廣東深圳 518081

2016年4月，深圳市入選國家第2批海綿城市建設(shè)試點城市之后，創(chuàng)新性地快速建立了市、區(qū)二級海綿城市建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，全面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與推進(jìn)全市海綿城市建設(shè)工作，在全市各類項目(包括房建、水務(wù)、市政和公園等)建設(shè)中全面融入海綿理念．至2019年底，全市已完成海綿城市建設(shè)面積226.00 km2，占城市建成區(qū)面積的23%，提前1年完成國家海綿城市建設(shè)目標(biāo)(即城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到海綿城市建設(shè)要求)，通過國家海綿城市建設(shè)試點工作國家專家組驗收[1]，績效考核成績名列前茅[2]，積累了可借鑒可復(fù)制的寶貴經(jīng)驗．

為全面系統(tǒng)評估海綿城市建設(shè)成效，深圳陸續(xù)開展了海綿城市的監(jiān)測評估工作，在全市各行政區(qū)選擇適宜片區(qū)(面積不小于2 km2)，按片區(qū)達(dá)標(biāo)為目標(biāo)，開展海綿城市建設(shè)效益監(jiān)測與評估．在客觀評價成效的基礎(chǔ)上，總結(jié)既往的實踐經(jīng)驗、發(fā)現(xiàn)存在的主要問題、思考未來的工作方向、探索建設(shè)實施的新路徑．本研究分析總結(jié)代表深圳市特點的4個典型海綿城市監(jiān)測評估區(qū)的階段性成果，提出以片區(qū)綜合統(tǒng)籌推進(jìn)海綿城市系統(tǒng)達(dá)標(biāo)實現(xiàn)連片效應(yīng)的新思路．

1 深圳市海綿城市監(jiān)測與評估概況

深圳在全市域全面開展海綿城市建設(shè)同時，包括光明區(qū)國家海綿城市試點區(qū)域在內(nèi)的多個行政區(qū)也同步開展了海綿城市建設(shè)效應(yīng)的監(jiān)測評估，全市海綿城市監(jiān)測評估分為3個階段：

1.1 《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》實施之前

深圳市開始全面推進(jìn)海綿城市建設(shè)時，部分區(qū)域便同步探索海綿城市建設(shè)效應(yīng)的監(jiān)測評估，如南方科技大學(xué)(圖1，所用監(jiān)測設(shè)備有多普勒流量計、明渠流量計和懸浮固體(suspended solids, SS)濁度儀)、龍崗區(qū)國際低碳城[3]和光明區(qū)國家海綿城市試點區(qū)域等．此階段的監(jiān)測評估主要依托科研項目，以科研目的為主，其監(jiān)測與評估方法與GB/T 51345《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》存在差異[4]．

圖1 南方科技大學(xué)海綿城市監(jiān)測點位Fig.1 Sponge city monitoring points in Southern University of Science and Technology

1.2 《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》實施后監(jiān)測評估

2019年始，深圳市各區(qū)陸續(xù)開展了海綿城市監(jiān)測評估工作，各區(qū)選取面積大于2 km2的區(qū)域，按照GB/T 51345《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》和《海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標(biāo)(試行)》[5]等文件要求開展監(jiān)測評估工作．截至2020年6月，達(dá)到海綿城市建設(shè)要求的片區(qū)(流域)全市累計共43個(包括光明區(qū)國家海綿城市試點區(qū)域)．深圳市海綿城市達(dá)標(biāo)片區(qū)分布如圖2所示．

圖2 2020年深圳市海綿城市達(dá)標(biāo)片區(qū)分布Fig.2 Distribution of standard areas of sponge city in Shenzhen in 2020

1.3 預(yù)期達(dá)標(biāo)片區(qū)的監(jiān)測評估

基于已開展的海綿城市監(jiān)測評估經(jīng)驗，按GB/T 51345《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》，預(yù)期2021—2022年達(dá)到海綿城市建設(shè)要求的片區(qū)全市共計10個，如表1和圖3所示，這些片區(qū)在2021—2022年將按照GB/T 51345《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》開展建設(shè)并同步進(jìn)行監(jiān)測評估．

表1 深圳市2021—2022年海綿城市預(yù)期達(dá)標(biāo)片區(qū)表

圖3 2021—2022年深圳市海綿城市預(yù)期達(dá)標(biāo)片區(qū)分布Fig.3 Distribution of areas expected to reach sponge city standard in Shenzhen during 2021—2022

2 深圳典型片區(qū)海綿城市監(jiān)測評估現(xiàn)階段成果

至2020年年中，全市各區(qū)的海綿城市監(jiān)測評估工作均已取得階段性成果，本研究選擇深圳市4個典型海綿城市監(jiān)測評估區(qū)：光明區(qū)國家海綿城市建設(shè)試點區(qū)域5#排水分區(qū)(舊工業(yè)區(qū)城市更新型)、15#排水分區(qū)(老舊小區(qū)與舊工業(yè)區(qū)綜合整治型)、坪山區(qū)新和水流域(內(nèi)陸型)以及鹽田區(qū)大梅沙片區(qū)(臨海型)，以年徑流總量控制率為評價指標(biāo)，對4個監(jiān)測評估區(qū)的階段性成果進(jìn)行總結(jié)與對比，分析不同本底特征區(qū)海綿城市建設(shè)特點．4個監(jiān)測評估區(qū)區(qū)位如圖4所示．

圖4 深圳市4個典型海綿城市監(jiān)測區(qū)分布Fig.4 Distribution of the four standard monitoring areas in Shenzhen

2.1 光明區(qū)

光明區(qū)地處深圳西北部，區(qū)域面積156.10 km2，建設(shè)用地面積71.90 km2，是國家海綿城市建設(shè)試點區(qū)域(鳳凰城)所在地．試點區(qū)域共分19個排水分區(qū)(圖5)，結(jié)合試點區(qū)域建設(shè)現(xiàn)狀、規(guī)劃目標(biāo)，以及模型模擬分析，綜合確定試點區(qū)域年徑流總量控制率規(guī)劃目標(biāo)不低于70%，如表2所示．

表2 試點區(qū)域年徑流總量控制率規(guī)劃目標(biāo)表1)

1)1#和8#為河道分區(qū)； 4#和14#為水庫分區(qū)

如表2中，5#排水分區(qū)以舊工業(yè)區(qū)城市更新為主、15#排水分區(qū)以老舊小區(qū)和舊工業(yè)區(qū)綜合整治為主開展的城市建設(shè)．2個排水分區(qū)年徑流總量控制率規(guī)劃目標(biāo)均為50%．

試點區(qū)域內(nèi)共設(shè)置降雨量、流量、液位和水質(zhì)在線監(jiān)測點位167個，其中，包括49個管網(wǎng)排口監(jiān)測設(shè)備，獲取連續(xù)一個雨季的監(jiān)測數(shù)據(jù)．建立試點區(qū)域各排水分區(qū)海綿城市數(shù)學(xué)模型，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對試點區(qū)域內(nèi)不同下墊面參數(shù)進(jìn)行率定，將所率定的參數(shù)代入各排水分區(qū)的海綿城市數(shù)學(xué)模型，以2019年3月至9月所監(jiān)測的2 280 mm的降雨厚度，對5#和15#排水分區(qū)雨季(3月至9月)徑流總量控制率進(jìn)行模擬評估．

圖5 光明區(qū)鳳凰城監(jiān)測點位分布Fig.5 Monitoring points in Fenghuangcheng,Guangming District

5#排水分區(qū)面積為0.57 km2，根據(jù)模擬，2019年雨季該區(qū)總降雨量為130.23萬m3，總排出量為59.93萬m3，徑流總量控制率為54.0%，其中，各月徑流量控制率為46.1%～67.0%，如圖6所示．5#排水分區(qū)2019年雨季實際徑流量控制率高于規(guī)劃目標(biāo)(50%)的要求．

圖6 2019年3—9月5#排水分區(qū)徑流控制率Fig.6 Volume capture ratio of annual rainfall in No.5 drainage area from March to September in 2019

15#排水分區(qū)面積為0.31 km2，根據(jù)模擬，2019年雨季該區(qū)總降雨量70.71萬m3，總排水量34.29萬m3，徑流總量控制率為51.5%，其中，各月徑流量控制率為45.9%～57.2%，如圖7所示．15#排水分區(qū)2019年雨季實際徑流量控制率高于規(guī)劃目標(biāo)(50%)的要求．

圖7 2019年3—9月15#排水分區(qū)徑流控制率Fig.7 Volume capture ratio of annual rainfall in No.15 drainage area from March to September in 2019

通過以上監(jiān)測模擬結(jié)果，2個排水分區(qū)雨季徑流總量控制率達(dá)到上位規(guī)劃目標(biāo)的要求．

2.2 坪山區(qū)

坪山區(qū)海綿城市監(jiān)測區(qū)域為新和水流域，代表深圳內(nèi)陸卡斯特地形區(qū)域的海綿城市建設(shè)的特征區(qū)域．新和水流域總面積3.45 km2，建設(shè)用地面積為2.83 km2，屬已建成區(qū)．現(xiàn)狀土地利用類型主要有居住、工業(yè)、學(xué)校、行政辦公、公園綠地和未開發(fā)用地，以及較大面積城中村和在建改造用地．主要水系為新和水，新和水是坪山河一級支流，發(fā)源于新和水庫，全長3.20 km(其中有3.00 km為暗涵)．

新和水流域?qū)俳ǔ蓞^(qū)，建設(shè)完成度高，且已建項目不透水地面比例較大，流域年徑流總量控制率較低．預(yù)計到2020年年底，源頭類海綿城市項目11項，流域范圍及已建海綿城市項目分布如圖8所示．根據(jù)建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)與模型模擬分析，新和水流域年徑流總量控制率規(guī)劃目標(biāo)為47%．

圖8 新和水流域已建海綿城市項目及監(jiān)測點位分布圖Fig.8 Monitoring points in Xinhe Water basin

根據(jù)新和水流域已建項目情況，對已完成典型項目雨水排口、排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點與排水分區(qū)總排口設(shè)置流量監(jiān)測設(shè)備，收集連續(xù)一個雨季的監(jiān)測數(shù)據(jù)．建立監(jiān)測區(qū)海綿城市數(shù)學(xué)模型，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對區(qū)域內(nèi)各下墊面參數(shù)進(jìn)行率定，將所率定的參數(shù)代入建立的海綿城市數(shù)學(xué)模型，以2019年3月至9月所監(jiān)測的降雨數(shù)據(jù)，對監(jiān)測區(qū)雨季徑流總量控制率進(jìn)行模擬評估．區(qū)域年徑流總量控制率模擬流程如圖9，年徑流總量控制率模擬結(jié)果如表3．

根據(jù)現(xiàn)狀下墊面情況，通過上述監(jiān)測模擬，新和水流域年徑流總量控制率約47%，達(dá)到上位規(guī)劃目標(biāo)要求．

圖9 新和水流域年徑流總量控制率模擬流程圖Fig.9 Simulation of volume capture ratio of annual rainfall of Xinhe Water basin

2.3 鹽田區(qū)

鹽田區(qū)海綿城市監(jiān)測區(qū)域為大梅沙片區(qū)，代表深圳臨海海綿城市建設(shè)的特征區(qū)域．監(jiān)測區(qū)面積為3.91 km2，其中，建成面積為2.45 km2，含4個3級排水分區(qū)．

選取已建設(shè)完成的海綿城市建設(shè)項目設(shè)置安裝監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，包括海綿型建筑小區(qū)、公園綠地、道路廣場以及典型非海綿項目等同步實施在線監(jiān)測，綜合考慮各地塊項目及市政雨水管的連接情況與排水方向，選取3個關(guān)鍵節(jié)點實施監(jiān)測．建設(shè)項目、關(guān)鍵節(jié)點和雨水總排口監(jiān)測設(shè)備布點如圖10．

表3 新和水流域年徑流總量控制率模擬結(jié)果表

分別構(gòu)建源頭減排典型項目及達(dá)標(biāo)片區(qū)的海綿城市建設(shè)評估模型．片區(qū)模擬以排水分區(qū)及地塊單元為對象，采用兩級模型驗證方法，即選取2020年雨季典型降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別按項目與片區(qū)開展二級模型參數(shù)率定與校核，本率定參數(shù)帶入典型年2017年降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行年徑流總量控制率分析，開展整個片區(qū)海綿城市建設(shè)成效的模型模擬與達(dá)標(biāo)評估．

選用監(jiān)測收集的2020-05-11及2020-05-18的兩場典型降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬. 2020-05-11降雨厚度為86 mm, 峰值為168 mm/h， 平均值為3.57 mm/h. 2020-05-18降雨厚度為46 mm,峰值為90 mm/h，平均值為1.91 mm/h.兩場降雨的降雨量、監(jiān)測流量及模擬流量如圖11和圖12所示．

從圖11和圖12可見，模擬與實測流量及降雨曲線之間關(guān)系符合度很高，兩場降雨模擬值與監(jiān)測值的納什效效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, NSE)值分別為0.53和0.56，均滿足率定達(dá)標(biāo)要求的0.5，本率定參數(shù)用于評估片區(qū)年徑流總量控制率．

圖11 2020-05-11降雨量、片區(qū)排口監(jiān)測流量及模擬流量Fig.11 Monitored and simulated discharge chart on May 11, 2020

圖12 2020-05-18降雨量、片區(qū)排口監(jiān)測流量及模擬流量Fig.12 Monitored and simulated discharge chart on May 18, 2020

圖13 2017年監(jiān)測區(qū)年徑流總量控制率模擬結(jié)果Fig.13 Simulation results of volume capture ratio of annual rainfall in the monitoring area in 2017

使用深圳市典型年2017年全年降雨量數(shù)據(jù)，利用實測排水分區(qū)率定參數(shù)值，片區(qū)模型模擬結(jié)果如圖13所示．

由圖13模擬結(jié)果可知，大梅沙監(jiān)測片區(qū)全年降雨量為695.00萬m3，總出流量為234.00萬m3，片區(qū)年徑流總量控制率為66.3%，滿足GB/T 51345《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》對排水分區(qū)年徑流總量控制率不低于60%的要求．

3 海綿城市監(jiān)測評價現(xiàn)階段成果總結(jié)

3.1 海綿城市主要控制性指標(biāo)對比

根據(jù)以上分析，4個典型監(jiān)測片區(qū)的年徑流總量控制率的監(jiān)測評價結(jié)果為：光明區(qū)5#排水分區(qū)54.0%，15#排水分區(qū)51.5%，坪山區(qū)新和水流域47.0%，鹽田區(qū)大梅沙片區(qū)66.3%．4個監(jiān)測片區(qū)年徑流總量控制率均達(dá)到上位規(guī)劃對排水分區(qū)建設(shè)目標(biāo)要求，但從所達(dá)指標(biāo)值而言，大梅沙監(jiān)測片區(qū)海綿成效最好，新和水流域與光明區(qū)5#和15#排水分區(qū)海綿成效稍差．

3.2 海綿成效分析

4個監(jiān)測片區(qū)的土地類型及海綿城市項目情況、水系及調(diào)蓄性能、片區(qū)建設(shè)特征分析如表4．

表4 監(jiān)測片區(qū)海綿城市建設(shè)情況分析表

綜上所述可知：

1)片區(qū)的城市建設(shè)形式(新建、城市更新、改建和綜合整治等)對海綿城市建設(shè)成效影響較大．

2)片區(qū)內(nèi)水系調(diào)蓄功能對片區(qū)海綿城市建設(shè)成效貢獻(xiàn)度高．

3)當(dāng)前階段的建設(shè)，以用地類型為統(tǒng)一目標(biāo)的建設(shè)模式，未發(fā)揮片區(qū)層面統(tǒng)籌后建設(shè)項目目標(biāo)調(diào)整下的資源整合性、目標(biāo)合理性和建設(shè)經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢．

4 片區(qū)整體達(dá)標(biāo)實現(xiàn)連片效應(yīng)的初步設(shè)想

通過對4個典型海綿城市監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測評估階段性成果所呈現(xiàn)不同的海綿成效比對，發(fā)現(xiàn)影響海綿城市建設(shè)成效的因素多樣、復(fù)雜并相互關(guān)聯(lián)，與城市建設(shè)特性、海綿城市建設(shè)項目、以及片區(qū)內(nèi)水系調(diào)蓄性能等海綿資源有效整合等因素密切相關(guān)．

深圳在海綿城市建設(shè)取得現(xiàn)有顯著成績的基礎(chǔ)上，在建設(shè)“中國特色社會主義先行示范區(qū)”同步達(dá)到“2030年城市建成區(qū)80%達(dá)到海綿城市建設(shè)要求”的目標(biāo)下，從規(guī)劃到建設(shè)過程中，應(yīng)積極探索以片區(qū)為建設(shè)單元，合理整合片區(qū)海綿資源與大型公共空間資源，建立區(qū)域統(tǒng)籌的海綿城市建設(shè)新思維．以需求與問題為導(dǎo)向，針對片區(qū)面臨的城市雨水問題、擁有的本底資源、具有的建設(shè)條件(自然氣象、工程地質(zhì)和城市空間)，注重綜合統(tǒng)籌，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部共同分擔(dān)、資源整合解決實際問題；突出海綿城市系統(tǒng)化、成片化推動，促進(jìn)整體達(dá)標(biāo)與效能，提高海綿城市連片效應(yīng)和顯示度．

本研究提出通過片區(qū)統(tǒng)籌達(dá)標(biāo)實現(xiàn)海綿城市連片效應(yīng)建設(shè)為方向的初步設(shè)想，有效支持深圳市后續(xù)更合理、更經(jīng)濟(jì)、更有效地推動海綿城市建設(shè)．