海綿城市建設之生態雨洪調蓄系統規劃研究
近年來，澇災已成為困擾著中國各大城市的新城市病，北京、西安、武漢、長沙、廣州等諸多大城市都陷入了雨季逢雨必澇、內陸“看?！钡臒o奈境地，造成城市基木機能的癱瘓和市民生活的極大不便;而另一方面，城市缺水問題同樣突出，中國被聯合國認定為“水資源緊缺國家”，全國有400余座城市供水不足，其中110個嚴重缺水。造成這種兩難局面的原因，一方面是由于傳統的城市開發方式建設了大面積的不透水地面，導致地表徑流增加，聚集時間縮短，給雨洪調蓄帶來了巨大壓力;另一方面，絕大部分城市應對暴雨的指導思想都是以排為主，要求雨水短時間內通過市政管網排入受納水體，導致雨水管道和雨水泵站等排水設施不堪重負的同時，雨水資源也得不到合理利用，造成水資源的大量流失。
“使雨水盡快遠離城市”的傳統“防水”理念已經無法滿足現代城市的雨洪管理要求，國內很多學者開始倡導雨洪資源化管理的思路。與洪水為友，將雨水視為資源進行調蓄利用，對于城市防洪減災、緩解水資源危機、凈化水質和補償生態環境等方面都具有著重大意義。然而，目前雨水利用尚未納入城市規劃的正式體系，雨洪調蓄設施的規劃建設得不到保障，往往滯后于城市發展;因此，木文希望在總結國內外先進雨洪管理理念的基礎上，從城市規劃前期開始介入，針對北京市亦莊經濟技術開發區南拓片區的開發規劃，將雨洪調蓄系統與城市生態基礎設施進行整合，將工程技術與景觀生態設計相結合，以綠地水系等自然要素構建城市“綠色海綿”，探索適應我國大城市雨洪管理要求的雨水資源化景觀途徑。
1.國內外雨洪調蓄理念與實踐
雨洪調蓄是雨水調節和雨水儲存的總稱。從20世紀80年代開始，越來越多的國家和學者開始認識到雨洪調蓄的作用和重要意義，開始探索和應用新的雨洪管理理念對雨水進行統籌管理調度和資源化利用。
美國是最早開始雨洪調蓄研究的國家之一，關注雨水收集、儲存和凈化，以提高天然入滲能力為宗旨，注重與植物、綠地、水體等自然景觀結合的生態設計。從20世紀80年代起，美國就對所有新開發區強制實行“就地滯洪蓄水”，改建或新建項目的雨水徑流不能超過開發前的水平。從最佳管理實踐(Best
Management Practice, BMP)發展到低影響開發(LowImpact Development, LID )，雨洪調蓄的焦點從大流域轉向小流域，借助場地中的景觀要素，通過滲透、過濾、蓄存、揮發和滯留等天然的水文控制措施，將徑流控制在源頭，減少了暴雨徑流集中管理的需要，且成本更低、具有更好的景觀效應。如今在美國很多地區，如俄勒岡州、華盛頓州、馬塞諸塞州、弗吉尼亞州、馬里蘭州的一些城市都有雨洪調蓄的景觀工程，包括雨水塘、雨水濕地、綠色屋頂、雨水花園、街道淺溝等。
德國在20世紀80年代開始逐步建立和完善雨洪調蓄技術、行業標準與管理條例。1989年《雨水利用設施標準》標志著第一代雨水利用技術的成熟。各州法規都規定除特定情況外降水不能直接排放到公共管網中，城市開發要實現“排放量零增長”。技術措施方面主要是采用下凹綠地、植被滲溝等方式，也利用景觀水體收集調蓄雨水。
澳大利亞的水敏性城市設計(WSUD)是在應對長期十旱的情況下提出的對傳統開發措施的改進，強調通過城市規劃設計的整體分析來減少對自然水循環的負面影響和保護水生生態系統的健康，強調將暴雨徑流和天然河道作為資源進行利用而不是在暴雨時盡快將雨水排出。其主要思想包括:保護城市中的天然水系，并使其充分發揮作用;在控制暴雨徑流的同時考慮景觀效應，將城市中的雨水管理、生物棲息、公共休閑和視覺景觀等不同功能用地進行整合;通過天然的洼地蓄水和減少不透水地表比例降低城市的雨水徑流量和高峰徑流量;最小化排水基礎設施建設的費用。
????? 日本建設省于1980年就曾通過推廣雨水貯留滲透計劃來鼓勵雨水資源的收集利用，致力于補充涵養地下水、復活泉水和恢復河川基流。該計劃得到了民間的廣泛支持，1988年成立的“舊木雨水貯留滲透技術協會”，吸引了包括住友、大成、日產和三井等84家著名企業參加。1992年頒布的“第二代城市下水總體規劃”正式將雨水滲溝、滲塘及透水地面作為城市總體規劃的組成部分。
相較而言，我國的雨洪調蓄研究和實踐還處于起步階段，多限于城市小區尺度，以工程設施的探討為主，相對缺乏以雨洪管理、水質保護和景觀綜合效應為目的宏觀尺度雨洪管理規劃。但仍有部分學者的研究開啟了整體和多目標解決雨洪問題的嘗試，如董淑秋等人對北京首鋼工業改造區進行的雨水利用綜合規劃，俞孔堅等人從生態景觀視角對城市雨洪管理系統的研究及城市濕地公園設計實踐等等。
2.研究區慨況
北京是一個旱澇并存的典型城市，每年的供水缺口在10億m3以上，但其降水總量少且年內分布不均，約85%的降水集中在汛期并常以暴雨形式出現，造成頻繁而嚴重的城市內澇;同時大量雨水通過排水系統直接排放出境，得不到充分利用，每年約有66%的雨水資源白白流失。
????? 本文研究區北京市亦莊經濟技術開發區南拓片區位于北京市東南部大興區境內，六環路與七環路之間，是待開發的城市新區。研究團隊接受委托，對這一地區進行總體規劃前期研究。場地面積約1822.5hm2，主要為分散的鄉村地帶，有大面積農田和數條河流溝渠分布。經過調研發現，該地區位于北京市的自然排水方向，地勢低洼，易發洪澇災害;同時，該區地下水可供給量又遠小于需求，形成了大面積超采區。作為北京市亦莊經濟技術開發區的擴展地帶，米來對該地區進行城市開發后，大面積的鄉村和自然基底向城市建成區轉化所帶來的水系統結構和下墊面的變化，將給雨洪調蓄帶來更大壓力;而城市化后人口和用水量的增加，又將增大對水資源的需求。因此，需要前瞻性地分析雨洪資源化調蓄利用的方向，通過雨洪利用和景觀生態設計結合的手段綜合解決場地的水危機問題。
????? 3.生態雨洪調蓄系統規劃理念
3.1理念概述
生態雨洪調蓄系統作為城市的“綠色海綿”，把雨水直接外排的傳統排水模式向就地滯洪蓄水轉變，利用透水鋪裝、植被滲溝、下凹綠地和濕地水體等景觀要素，重建接近自然的水循環過程，將雨水分散蓄留、逐步凈化和緩慢吸收，一方面增強城市對暴雨的適應能力，一方面利用雨洪水恢復濕地系統，營造具有多種生態服務的城市生態基礎設施。
3.2技術路線
木規劃從場地的生態安全格局分析出發，判別在城市開發過程中需保護和維護的關鍵斑塊和景觀廊道，再結合生態基礎設施布局制定雨洪調蓄系統的宏觀空間骨架;進一步配合城市道路定線和小區地塊劃分，逐層細化雨水管理區的結構和雨水控制指標，并對系統的雨水承載容量進行驗證。
3.3格局構建
????? 景觀生態安全格局理論認為，景觀中有某種潛在的空間格局，被稱為生態安全格局(簡稱SP )，它們由景觀中的某些關鍵性的局部、位置和空間聯系所構成，對維護或控制某種生態過程有著異常重要的意義。根據生態安全格局理論，建立阻力面，對場地進行雨洪過程分析、風沙過程分析、生物過程分析和游憩過程分析，疊加生成場地的綜合生態安全格局(圖3);以生態安全格局中優先保護的高安全格局為主體，結合場地主要林網水系強化生態網絡的連通性，形成以生態廊道為核心的場地生態基礎設施(圖4);從雨洪管理要求出發，以生態廊道為骨架，布置匯水廊道、水系和儲水綠地，構建出場地雨洪管理設施空間格局(圖5)。
????? 3.4系統設計
在生態雨洪調蓄系統中，設定以三個層次的雨洪管理區分別對應三個層級的雨水控制要求:三級管理區控制36mm/h(一年一遇)降雨;二級管理區控制45mm/h(兩年一遇)暴雨;
一級管理區控制5Omm/h(三年一遇)暴雨。在各級管理區配備相應設施，形成從地表徑流源頭開始層層滯蓄、逐級消減的雨洪調蓄體系。
根據現狀場地地形、道路及林網溝渠分布，考慮米來城市開發對地塊分割的要求，進行集水區劃分。由于實際情況差異，場地中集水區面積大小不一，為便于后期核算，將其作近似化處理，得系統中共含9個一級管理區;每個一級管理區下轄4個二級管理區，共36個;每個二級管理區下轄8個三級管理區，共288個。
????? 3.5用地指標
一二級雨洪管理設施主要依托新城公共綠地進行建設，依據城市規劃建設用地標準和生態廊道寬度設置要求，設定一級雨水設施占地11%，二級雨水設施占地4%,共計15%;刨去區域道路廣場用地占地約15%后，三級管理片區共占地約70%。三級雨洪管理設施依托小區內綠地進行建設，而北京市相關規定要求小區綠地面積不少于30%，故設定三級管理區內部雨洪管理設施占地30%，不透水地面占45%,透水鋪裝地面占25%。
4.生態雨洪調蓄系統容量分析
4.1暴雨攔蓄能力
4.1.1計算方法與關鍵參數
(1)產流分析
根據生態雨洪調蓄系統的運作原理，三級管理區中，徑流由鋪裝地面向綠地匯集;三級管理區超量溢流和鄰近道路廣場地面徑流向二級雨水設施匯集;二級管理區超量溢流和鄰近道路廣場地面徑流向一級雨水設施匯集。徑流量計算采用公式Qr=0.001ΨAH，式中平為徑流系數，A為集雨面積(m2)，H為降雨量(mm)。
(2)徑流系數
降雨徑流過程主要受降雨過程和下墊面變化的影響按照城市地區土地利用的性質，將研究區下墊面進行概化，分為不透水地面、透水鋪裝和綠地三類，其徑流系數分別為0.9, 0.38和0.15。得到各類地面單一徑流系數后，采用公式Ψ=ΣΨ i x ( Si/S)可計算各區域綜合徑流系數，其中Ψ i為i類地面單一徑流系數，Si/S為i類地面占總面積的比重。
(3)集水區面積
根據生態雨洪調蓄系統用地構成，計算得單個三級管理區集水區面積為4.43hm2，單個二級管理區集水區面積為39.49hm2，單個一級管理區集水區面積為202.5hm2。
(4)降雨歷時
城區雨水具有流程短、匯流速度快的特點，因此，不同于水利河道防洪計算中所采用的6h, 24h甚至7h的長歷時降雨過程，城市水文學計算中所采用的降雨歷時一般不超過6h。根據北京城區暴雨積水的相關報道和實際經驗，木文選擇1h降雨歷時進行分析。
(5)下凹綠地深度
蔡劍波等人的研究表明，下凹綠地可以顯著降低短期強降雨條件下地面的徑流深度和徑流系數。但城區低洼綠地深度一般不超過150 mm，否則高差過大，積水比過深，容易影響植物生長和居民活動。
(6)蒸發與下滲
一般在降雨過程中，蒸發蒸騰量很少，可以忽略不計。土壤下滲方面，根據武敏等人在木文研究區上進行的土壤水分入滲試驗，研究區地塊的砂質壤土穩定入滲率為85.8mm/h 。
4.1.2系統雨洪調蓄指標
由于生態雨洪調蓄系統要成為“綠色海綿”，實現就地消減和滯蓄雨水，所以進行系統雨洪調蓄指標估算時，將傳統城市建設情境下各級雨水管理區所產生的徑流作為“綠色海綿”所需吸收的容量，以實現開發前后徑流“零增長”的目標。因此，依據場地雨洪過程分析和各級雨洪管理區設置的雨量控制等級，得出系統雨洪調蓄指標如下:
一級管理區內“綠色海綿”的構造主體為大型溝渠。場地內大型溝渠總長約為30km，現狀水位很低，部分為十渠，河道寬度在5m-8m之間，占地面積約在0.8%-1.3%之間。若充水后水位上漲lm，則溝渠可容納水量為120000 m3-210000m3，大于一級管理區要求的消減徑流總量，不需要新增建設。
二級管理區內“綠色海綿”的構造主體為濕地坑塘。若采取深一米的蓄水濕地形式進行建設，在場地內占地比重約需1%-1.5%，低于4%的原始設定指標。從徑流源頭分散控制和消減總量的目標來看，三級管理區是整個“綠色海綿”構造的核心。
????? 4.1.3三級管理區設計方案比較
三級管理區對應的是城市支路劃分的街區地塊，在新區開發過程中可能會采取分塊出讓的形式。由于街區用地性質、建設條件和景觀要求的不同，其內部綠地的占地比重和布置形式將存在一定的差異。因此，為了使三級雨洪調蓄設施的布置更具彈性和適用性，對不同設計條件下三級管理區的暴雨攔蓄能力進行比較。
首先，在設定的30%綠地率不變的前提下，對不同的下凹綠地率條件下三級管理區的暴雨攔蓄能力進行分析?？梢?，綠地布置過程中下凹綠地比重應達到35%左右才能滿足三級管理區設計降水標準36mm/h下的暴雨攔蓄要求;當下凹綠地比重高于35%這一門檻值時，將極大提高三級管理區的暴雨攔蓄能力。
?????? 其次，在部分有條件地區或重點防護地區，綠地率可能高于30%(設綠地率提高時，不透水地面比率減低，透水鋪裝比率不變)，繼續對不同綠地率條件下三級管理區暴雨攔蓄能力進行分析?？梢?，隨著綠地率的提高，三級管理區內地表徑流逐漸減少，綠地可攔蓄水量持續增加，同樣能使三級管理區暴雨攔蓄能力顯著提高。
最后，對極限條件下三級管理區暴雨攔蓄能力進行分析。設綠地率30%的條件下，將綠地全部以下凹形式進行建設，逆推估算得到三級管理區可抵御降水標準將可提高到85mm/h ,相當于北京市50年一遇的降雨;將綠地率提高到40%，仍將綠地100%以下凹形式建設，此時三級管理區抵御降水標準可達到115m/h，超過北京市100年一遇的降水標準。
綠地率和下凹綠地比重的靈活變化給三級雨洪管理區的設計帶來了較大的空間。在建筑密度較高、綠地建設空間受限的地區，可以通過提高下凹綠地的比重來滿足雨洪調蓄要求;在綠地景觀要求較高、部分種植品種耐水程度較弱，或者綠地上人類活動較密集、不希望大面積積水的地區，可以通過提高綠地面積、降低下凹綠地比重的方式來滿足雨洪調蓄要求。
????? 4.2雨水利用潛力
生態雨洪調蓄系統將傳統開發模式下產生的大量雨水徑流就地攔蓄，在減輕市政雨水管網和外圍區域河道排水壓力的同時，極大提高了雨水的利用程度。在系統設定的原始目標下，北京市一年一遇強度36mm/h、歷時1小時的單次降雨，三級雨洪管理區可以實現徑流零外排，總共可集蓄約25.3萬m3的水量兩年一遇強度45mm/h、歷時1小時的單次降雨，二級雨洪管理區可以完全攔蓄雨水徑流，在二、三級管理區內總共可集蓄約34.4萬m3水量。這些雨水可以直接通過綠地的天然入滲和凈化能力回補地下水，也可以作為景觀用水或生活雜用水的水源，資源儲量十分可觀。當提高三級管理區內綠地率或下凹綠地比重時，可攔蓄利用的雨水量還將繼續增加。
5.結語
生態雨洪調蓄系統作為城市的“綠色海綿”，轉變了傳統的雨水治理思路，在有效減輕城市排水負擔的同時，將雨水資源化利用，是解決我國城市當前旱澇并存困局的有益探索。系統的多功能性和可調整性使其不但適用于城市新區開發，同樣也有望逐步融入到中心城區的改造中，有效提高原有市政排水設施抵御暴雨的能力，恢復城市地表的天然入滲過程?！熬G色海綿”的構建，擺脫了單一工程化的視角，與城市生態安全格局相結合，從較為宏觀的城市尺度整體性和多目標地解決雨水問題，探索了一條更為生態的景觀設計途徑，符合生態環境保護及低碳生態城市發展的趨勢，具有良好的應用前景。
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